Wissenschaftler verwandeln Altpapier in Batterieteile für Smartphones und Elektrofahrzeuge

Durch ein Verfahren namens Karbonisierung, bei dem Papier in reinen Kohlenstoff umgewandelt wird, verwandelten die NTU-Forscher die Papierfasern in Elektroden, die zu wiederaufladbaren Batterien für Mobiltelefone, medizinische Geräte und Elektrofahrzeuge verarbeitet werden können.

Um das Papier zu verkohlen, setzte das Team das Papier hohen Temperaturen aus, wodurch es zu reinem Kohlenstoff, Wasserdampf und Ölen reduziert wird, die als Biokraftstoff verwendet werden können. Da die Karbonisierung unter Ausschluss von Sauerstoff stattfindet, werden nur geringe Mengen an Kohlendioxid freigesetzt, und das Verfahren ist eine umweltfreundlichere Alternative zur Entsorgung von Kraftpapier durch Verbrennung, bei der große Mengen an Treibhausgasen entstehen.

Die vom Forschungsteam hergestellten Kohlenstoffanoden wiesen außerdem eine hervorragende Haltbarkeit, Flexibilität und elektrochemische Eigenschaften auf. Labortests zeigten, dass die Anoden bis zu 1.200 Mal aufgeladen und entladen werden konnten, was mindestens doppelt so haltbar ist wie Anoden in aktuellen Telefonakkus. Die Akkus mit den von der NTU hergestellten Anoden konnten auch mehr physischen Belastungen standhalten als ihre Gegenstücke und absorbierten die Energie von Stößen bis zu fünfmal besser.

Bei der von der NTU entwickelten Methode werden außerdem weniger energieintensive Prozesse und Schwermetalle verwendet als bei den derzeitigen industriellen Methoden zur Herstellung von Batterieanoden. Da die Anode 10 bis 15 Prozent der Gesamtkosten einer Lithium-Ionen-Batterie^[1] ausmacht, dürfte diese neue Methode, bei der ein kostengünstiges Abfallmaterial verwendet wird, auch zu einer Senkung der Herstellungskosten führen.

Die Ergebnisse wurden im Oktober in der von Experten begutachteten Fachzeitschrift Additive Manufacturing veröffentlicht.

Die Verwendung von Altpapier als Rohstoff für die Herstellung von Batterieanoden würde auch unsere Abhängigkeit von herkömmlichen Kohlenstoffquellen wie kohlenstoffhaltigen Füllstoffen und kohlenstoffhaltigen Bindemitteln verringern, die abgebaut und später mit aggressiven Chemikalien und Maschinen verarbeitet werden.

Papierabfälle, die aus entsorgten Papiertüten, Kartonagen, Zeitungen und anderen Papierverpackungen bestehen, machten im Jahr 2020 fast ein Fünftel des in Singapur anfallenden Abfalls aus^[2].

Kraftpapiersäcke, die den größten Teil der Papierabfälle in Singapur ausmachen, haben im Vergleich zu ihren Pendants aus Baumwolle und Kunststoff einen großen ökologischen Fußabdruck, da sie bei der Verbrennung stärker zur globalen Erwärmung beitragen und bei ihrer Herstellung potenziell ökotoxisch sind, so eine separate NTU-Studie^[3 ] aus dem Jahr 2020.

Die aktuelle Innovation, die die Möglichkeit bietet, Abfallprodukte zu recyceln und unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, indem sie unseren Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft, grünen Materialien und sauberer Energie beschleunigt, spiegelt das Engagement der NTU wider, unsere Auswirkungen auf die Umwelt zu mindern, eine der vier großen Herausforderungen der Menschheit, die die Universität mit ihrem Strategieplan NTU 2025 angehen will.

Assistant Professor Lai Changquan von der School of Mechanical & Aerospace Engineering der NTU, der das Projekt leitete, sagte: "Papier wird in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens verwendet, von Geschenkverpackungen und Kunsthandwerk bis hin zu einer Vielzahl industrieller Anwendungen, wie z. B. Schwerlastverpackungen, Schutzhüllen und das Ausfüllen von Hohlräumen im Bauwesen. Für die Entsorgung von Kraftpapier wird jedoch wenig getan, abgesehen von der Verbrennung, die aufgrund ihrer Zusammensetzung hohe Kohlenstoffemissionen verursacht. Unsere Methode, dem Kraftpapier ein neues Leben zu geben und es für den wachsenden Bedarf an Geräten wie Elektrofahrzeugen und Smartphones zu nutzen, würde nicht nur zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen beitragen, sondern auch die Abhängigkeit von Bergbau und Schwerindustrie verringern."

Das Forschungsteam hat bei NTUitive, der Innovations- und Unternehmensgesellschaft der NTU, ein Patent angemeldet. Sie arbeiten auch an der Kommerzialisierung ihrer Erfindung.

Das Rezept für umweltfreundlichere Batterieteile

Zur Herstellung der Kohlenstoffanoden fügten die NTU-Forscher mehrere dünne Blätter aus Kraftpapier zusammen und schnitten sie mit dem Laser zu verschiedenen Gittergeometrien, die teilweise an eine stachelige Piñata erinnern. Das Papier wurde dann in einem Ofen unter Ausschluss von Sauerstoff auf 1200 °C erhitzt, um es in Kohlenstoff umzuwandeln, wodurch die Anoden entstanden.

Das NTU-Team führt die überlegene Haltbarkeit, Flexibilität und elektrochemischen Eigenschaften der Anode auf die Anordnung der Papierfasern zurück. Die Kombination aus Festigkeit und mechanischer Zähigkeit, die die von der NTU hergestellten Anoden aufweisen, würde es den Batterien von Handys, Laptops und Autos ermöglichen, Erschütterungen durch Stürze und Unfälle besser zu widerstehen.

Die derzeitige Lithiumbatterietechnologie beruht auf internen Kohlenstoffelektroden, die nach Erschütterungen durch Fallenlassen allmählich brechen und zerbröckeln, was einer der Hauptgründe dafür ist, dass die Lebensdauer der Batterien mit der Zeit abnimmt.

Die Forscher sagen, dass ihre Anoden, die widerstandsfähiger sind als die derzeit in Batterien verwendeten Elektroden, dazu beitragen würden, dieses Problem zu lösen und die Lebensdauer von Batterien in einer Vielzahl von Anwendungen zu verlängern, von der Elektronik bis zu Elektrofahrzeugen.

Der Mitautor der Studie, Lim Guo Yao, ein Forschungsingenieur der NTU School of Mechanical & Aerospace Engineering, sagte: "Unsere Anoden weisen eine Kombination von Stärken auf, wie z. B. Haltbarkeit, Stoßdämpfung und elektrische Leitfähigkeit, die in aktuellen Materialien nicht zu finden sind. Diese strukturellen und funktionellen Eigenschaften zeigen, dass unsere auf Kraftpapier basierenden Anoden eine nachhaltige und skalierbare Alternative zu den derzeitigen Kohlenstoffmaterialien sind und einen wirtschaftlichen Wert in anspruchsvollen, hochwertigen und multifunktionalen Anwendungen, wie z. B. im aufstrebenden Bereich der strukturellen Batterien, haben.

Asst Prof. Lai fügte hinzu: "Unsere Methode wandelt ein gewöhnliches und allgegenwärtiges Material - Papier - in ein anderes um, das extrem haltbar und sehr gefragt ist. Wir hoffen, dass unsere Anoden dem schnell wachsenden Bedarf an einem nachhaltigen und umweltfreundlicheren Material für Batterien gerecht werden, deren Herstellung und unsachgemäße Abfallentsorgung nachweislich negative Auswirkungen auf unsere Umwelt haben."

Professor Juan Hinestroza vom Department of Human Centered Design der Cornell University, USA, der nicht an der Forschung beteiligt war, hob die Bedeutung der Arbeit des NTU-Forschungsteams hervor: "Da Kraftpapier in sehr großen Mengen produziert und überall auf der Welt entsorgt wird, glaube ich, dass der kreative Ansatz der Forscher der NTU Singapur ein großes Potenzial für globale Auswirkungen hat. Jede Entdeckung, die die Verwendung von Abfällen als Rohstoff für hochwertige Produkte wie Elektroden und Schaumstoffe ermöglicht, ist in der Tat ein großer Beitrag. Ich denke, dass diese Arbeit einen neuen Weg eröffnen und andere Forscher motivieren kann, Wege für die Umwandlung anderer zellulosebasierter Substrate wie Textilien und Verpackungsmaterialien zu finden, die weltweit in großen Mengen weggeworfen werden."

Das NTU-Team wird weitere Forschungsarbeiten durchführen, um die Energiespeicherkapazität ihres Materials zu verbessern und die für die Umwandlung des Papiers in Kohlenstoff erforderliche Wärmeenergie zu minimieren.