Tái chế giấy vụn thành nguyên liệu sản xuất pin lithium-ion

Thông qua quá trình carbon hóa chuyển đổi giấy thành carbon tinh khiết, nhóm nhà nghiên cứu NTU biến sợi giấy thành điện cực; có thể chế tạo thành pin sạc cung cấp năng lượng cho điện thoại di động, thiết bị y tế và xe điện.

Để carbon hóa giấy, nhóm nghiên cứu cho giấy tiếp xúc với nhiệt độ cao thành carbon tinh khiết, hơi nước và dầu có thể được sử dụng làm nhiên liệu sinh học. Vì quá trình carbon hóa diễn ra trong trường hợp không có oxy thải ra một lượng carbon dioxide không đáng kể và quy trình này là giải pháp thay thế xanh hơn cho việc xử lý giấy kraft thông qua quá trình đốt, tạo ra một lượng lớn khí nhà kính. Các cực dương carbon do nhóm nghiên cứu sản xuất cũng thể hiện độ bền, tính linh hoạt và một số đặc tính điện hóa vượt trội.

Loạt thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy cực dương được sạc và xả tới 1.200 lần, bền hơn ít nhất gấp đôi so với cực dương trong pin điện thoại hiện tại. Loại pin sử dụng cực dương do NTU sản xuất cũng chịu được nhiều áp lực vật lý hơn so với các loại pin cùng loại, hấp thụ năng lượng nghiền tốt hơn tới 5 lần.

Phương pháp do NTU phát triển cũng sử dụng quy trình ít tốn năng lượng và ít kim loại nặng hơn so với các phương pháp sản xuất cực dương của pin công nghiệp hiện nay. Vì cực dương có giá trị từ 10% đến 15% tổng chi phí của pin lithium-ion, nên phương pháp mới nhất này sử dụng vật liệu phế thải giá rẻ, dự kiến cũng sẽ giảm chi phí sản xuất chúng. Sử dụng giấy thải làm nguyên liệu thô sản xuất cực dương của pin giúp chúng ta giảm bớt sự phụ thuộc vào các nguồn carbon thông thường - chẳng hạn như chất độn carbon và chất kết dính tạo ra carbon, được khai thác và sau đó xử lý bằng máy móc và hóa chất khắc nghiệt.

Trợ lý Giáo sư Lai Changquan, Trường Kỹ thuật Cơ khí & Hàng không vũ trụ NTU và người đứng đầu dự án, cho biết: “Giấy được sử dụng trong nhiều khía cạnh trong cuộc sống hàng ngày chúng ta - từ gói quà, nghệ thuật và thủ công, cho đến vô số ứng dụng công nghiệp, chẳng hạn như bao bì chịu tải nặng, lớp bọc bảo vệ và lấp đầy các khoảng trống trong xây dựng.

Tuy nhiên, rất ít công nghệ được thực hiện để quản lý khi nó được xử lý, ngoài việc đốt, tạo ra lượng khí thải carbon cao do thành phần của chúng. Phương pháp của chúng tôi cung cấp cho giấy kraft một hợp đồng thuê khác, đưa nó vào nhu cầu ngày càng tăng đối với nhiều thiết bị như xe điện và điện thoại thông minh, không chỉ giúp cắt giảm lượng khí thải carbon mà còn giảm bớt sự phụ thuộc vào những phương pháp khai thác và công nghiệp nặng”.

Để tạo ra cực dương carbon, nhóm nhà nghiên cứu NTU cắt laser một số tờ giấy kraft mỏng để tạo thành các dạng hình học mạng tinh thể khác nhau. Sau đó, giấy được nung nóng đến 1.200°C trong lò nung không có oxy, để chuyển đổi nó thành carbon, tạo thành cực dương. Nhóm NTU cho rằng độ bền vượt trội, tính linh hoạt và các đặc tính điện hóa của cực dương là do sự sắp xếp của sợi giấy.

Họ cho biết sự kết hợp giữa độ bền và độ bền cơ học được thể hiện bởi các cực dương do NTU sản xuất cho phép pin điện thoại, máy tính xách tay và ô tô chịu được cú sốc tốt hơn khi rơi và va chạm. Công nghệ pin lithium hiện tại dựa vào điện cực carbon bên trong dần dần bị nứt và vỡ vụn sau những cú sốc vật lý do bị rơi - đây là một trong những lý do chính khiến thời lượng pin ngắn dần theo thời gian.

Nhóm nhà nghiên cứu nói rằng cực dương của họ, cứng hơn các điện cực hiện tại được sử dụng trong pin, sẽ giúp giải quyết vấn đề này và kéo dài tuổi thọ pin trong nhiều mục đích sử dụng, từ hàng điện tử đến xe điện. Lim Guo Yao, đồng tác giả nghiên cứu và kỹ sư Trường Kỹ thuật Cơ khí & Hàng không vũ trụ NTU, giải thích: “Các cực dương của chúng tôi thể hiện sự kết hợp của nhiều điểm mạnh - chẳng hạn như độ bền, khả năng hấp thụ sốc, tính dẫn điện.

Một số đặc tính cấu trúc và chức năng này chứng minh rằng cực dương làm từ giấy kraft của chúng tôi là giải pháp thay thế bền vững và có thể mở rộng cho các vật liệu carbon hiện tại, đồng thời sẽ tìm thấy giá trị kinh tế trong nhiều ứng dụng đa chức năng, cao cấp, đòi hỏi khắt khe - chẳng hạn như lĩnh vực pin cấu trúc non trẻ. Phương pháp của chúng tôi chuyển đổi một loại vật liệu phổ biến thành loại vật liệu khác cực kỳ bền và có nhu cầu cao. Chúng tôi hy vọng những cực dương của chúng tôi sẽ phục vụ nhu cầu ngày càng tăng nhanh chóng của thế giới về một loại vật liệu bền vững và xanh hơn cho pin”.

Nhấn mạnh tầm quan trọng của công việc do nhóm nghiên cứu NTU thực hiện, Giáo sư Juan Hinestroza, Khoa Thiết kế lấy con người làm trung tâm Đại học Cornell (Mỹ) và người không tham gia nghiên cứu, bình luận: “Vì giấy kraft được sản xuất với số lượng rất lớn và được xử lý tương tự trên toàn thế giới, tôi tin phương pháp tiếp cận sáng tạo do nhóm nhà nghiên cứu NTU Singapore tiên phong có tiềm năng tác động lớn trên quy mô toàn cầu. Bất kỳ khám phá nào cho phép sử dụng chất thải làm nguyên liệu thô cho những sản phẩm có giá trị cao như điện cực, thực sự là một đóng góp to lớn.

Tôi nghĩ công việc này có thể mở ra một con đường mới và thúc đẩy các nhà nghiên cứu khác tìm ra con đường chuyển đổi các chất nền dựa trên cellulose khác, chẳng hạn như hàng dệt may và vật liệu đóng gói, đang bị loại bỏ với số lượng lớn trên toàn cầu”.

Nhóm NTU sẽ tiến hành nghiên cứu sâu hơn để cải thiện khả năng lưu trữ năng lượng của vật liệu của họ và giảm thiểu năng lượng nhiệt cần thiết để chuyển đổi giấy thành carbon.