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隨手一丟的廢紙，也能為新能源汽車做出貢獻(xiàn)了。

最近新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）的科學(xué)家們研發(fā)出一項新技術(shù)，可將廢棄的一次性包裝盒、袋子和紙板箱等廢紙用來做電池，并且性能還不錯。

研究成果發(fā)表在了科學(xué)期刊《增材制造》上，他們通過將紙轉(zhuǎn)化為純碳的碳化工藝，將紙中的纖維轉(zhuǎn)化為電極。這些電極可用于可充電電池，為手機(jī)、醫(yī)療設(shè)備和電動汽車供電。

而且這種電極，可以承受普通電極5倍大的壓力，這種性能對于新能源汽車來說簡直是福音。

關(guān)鍵的是，用廢紙做的電池，要比傳統(tǒng)電池更環(huán)保，成本也更低。

目前該研究團(tuán)隊已向南洋理工大學(xué)創(chuàng)新和企業(yè)公司NTUitive申請了專利，他們計劃將這個全新的發(fā)明實現(xiàn)商業(yè)化落地。

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重量更輕的紙造電池

在此之前，我們報道過科學(xué)家用木頭和蟹殼制造電池，和這些生物電池不同，此次用廢紙制作電池，主要是提取廢紙中的碳纖維當(dāng)作電池的陽極。

實驗中的紙——來源于一次性包裝紙和紙板箱——通過特殊的反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為純碳，從而將紙張的纖維轉(zhuǎn)化為鋰離子電池的關(guān)鍵部件——電極。

研究人員先是將紙?zhí)蓟埡裏o疑），把幾張牛皮紙暴露在高溫下，并用激光切割，使其形成不同的幾何形狀。

然后在沒有氧氣的爐中將紙加熱到1200°C，使其轉(zhuǎn)化為碳，這個過程主要是將其還原為可用于生物燃料的純碳、水蒸氣和油。

因為這個碳化過程是在沒有氧氣的情況下發(fā)生的，所以產(chǎn)生的二氧化碳少到可以忽略不計。從廢紙回收的角度來看，比直接燃燒環(huán)保的多，可以無污染吸收掉這些廢紙垃圾。

他們經(jīng)過測試表明，廢紙燃燒后的碳塊，在儲存電量方面比現(xiàn)有的化石燃料石墨制成的碳儲存電量更多，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也是現(xiàn)有碳陽極的4倍。

目前陽極占鋰離子電池總成本的10%至15%，將這種紙化碳變成電池的陽極，可以明顯減少電池總成本。

而且這種碳陽極，更具耐用性、柔韌性和電化學(xué)性能。實驗表明，這種陽極可以充放電達(dá)到1200次，這至少是手機(jī)電池中陽極耐用性的兩倍。這種電池還可以承受比同類電池更多的物理壓力，吸收破碎的能量高達(dá)5倍。

目前的鋰電技術(shù)對內(nèi)部碳電極的依賴性很強(qiáng)，這些在電極在受到物理沖擊時更容易導(dǎo)致電池的損壞，電池壽命也由此變短，因此該研究團(tuán)隊的電池所具備的性能更加具有持久性。

而儲存電能的電池本來應(yīng)該是化石燃料的工作，有了這項技術(shù)，就可以減少對化石燃料的需求，同時降低總成本。在制造過程中還使用了更少的能源密集型工藝和重金屬。

現(xiàn)在電動汽車的兩大龍頭，比亞迪(行情002594,診股)和特斯拉，所使用的電池重量分別是310KG和471KG，具體還要由續(xù)航里程而定，不管怎樣，電動車電池重量普遍在250公斤，而紙張紙板碳化陽極材料會讓整體重量更輕，如果大規(guī)模運(yùn)用在新能源汽車動力電池上，可以減輕整車的重量。

NTU研究團(tuán)隊估算，若50kWh電池包電芯電極采用紙陽極，整體重量在100-200KG，而傳統(tǒng)采用碳陽極的電池包則平均重量則在310KG左右，重量相差近一倍。

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環(huán)保大于一切

通常情況下，鋰離子電池的陽極由天然或合成石墨制成，這比陰極的成本更低。

陰極是電池的正極。當(dāng)電池放電時，電子和帶正電的分子都從陽極流向陰極，陰極將兩者存儲起來，直到電池再次充電。

從某種程度上來說，陰極有效地決定了電池的性能。比如常見的陰極材料有磷酸鐵鋰、鋰鎳錳鈷、鋰鎳鈷鋁氧化物，這也導(dǎo)致陰極材料會比陽極材料更貴，約占電池總成本的40%-50%。

這也是為什么，包括特斯拉在內(nèi)的汽車廠商，開始在陰極上大做文章。

這也導(dǎo)致電池廠商在陽極方面做的技術(shù)創(chuàng)新并不多。

從廢紙轉(zhuǎn)換成碳陽極的過程中，牛皮紙是主要的材料來源。而牛皮紙袋對環(huán)境的殺傷力很大，在生產(chǎn)和焚燒時都具有生態(tài)毒性，所以南洋理工大學(xué)的這項研究，出發(fā)點(diǎn)更像是保護(hù)環(huán)境。

2020年在新加坡生產(chǎn)的垃圾中，包括廢棄紙袋、紙板、報紙和其他紙包裝在內(nèi)的紙張垃圾占近五分之一。

該項目負(fù)責(zé)人之一賴昌全教授表示，紙在日常生活中的使用非常廣，同時產(chǎn)出的廢紙垃圾除了焚燒解決，幾乎沒有別的方式，牛皮紙的焚燒更是為環(huán)境帶來極大的污染。這種方法能讓牛皮紙重新煥發(fā)生機(jī)，以滿足對電動汽車和智能手機(jī)等設(shè)備日益增長的需求。

前文提到，電動車中的鋰電池具有較重的重量， 當(dāng)一個電動車電池被棄之后， 電池的外殼也會慢慢被腐蝕，重金屬物質(zhì)會滲入水和土壤之中，造成嚴(yán)重的污染。

而廢舊電池數(shù)量龐大，就算是以舊換新，廢電池長期暴露在環(huán)境之中，導(dǎo)致重金屬與酸堿等產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，加快電解液滲入土壤環(huán)境或者地下水中。

眼下正是電動車發(fā)展的黃金時間，廢舊電池中的汞、鉛、鎳等重金屬，不管是對人體還是對生態(tài)環(huán)境都有不同程度的危害。

而這種紙造電池，不僅解決了牛皮紙的回收環(huán)保問題，也讓電池重量更低，大大減少了土壤污染的可能性。

賴教授表示，市面上的碳陽極沒辦法被模制成形，整體結(jié)構(gòu)太脆弱，而紙質(zhì)陽極保留了紙張的纖維狀分子結(jié)構(gòu)，可以承受4倍的物理應(yīng)力。

產(chǎn)生出來的碳塊中，還會提供一種可持續(xù)的方式來開發(fā)碳泡沫，通常用做錄音室的隔音和防火保護(hù)。

目前該團(tuán)隊已經(jīng)向南大的創(chuàng)新和企業(yè)公司NTUitive申請了專利，下一步有望將發(fā)明商業(yè)化，真正的使用在電動車上。接下來研究團(tuán)隊將進(jìn)一步研究，如何忍讓材料的儲能能力更強(qiáng)，并減少紙張轉(zhuǎn)化為碳所需的熱能。

03

善于廢品再利用的研究團(tuán)隊

新加坡南京理工大學(xué)研究團(tuán)隊，可以說是對變廢為寶“愛的深沉”。

對于NTU研究團(tuán)隊來說，把廢紙制成電池不是第一次了。2021年底，他們開發(fā)了一種可進(jìn)行生物降解的“紙基電池”，這種電池的核心是一張纖維素紙，纖維之間的空隙被水凝膠加固，紙張就可以充當(dāng)兩個電極之間的分隔物。

紙張的正反兩面被絲網(wǎng)覆蓋，用于打印陽極的導(dǎo)電油墨主要由鋅和炭黑組成，陰極油墨則是由錳和鎳打造。

這種紙基電池可以儲存大量電荷，一塊4厘米寬、4厘米長，厚度約0.4 毫米的紙基電池可以為小型電風(fēng)扇供電至少45分鐘。

而且放在土壤中不會產(chǎn)生任何有毒物質(zhì)，一個月后便會被土壤中的微生物完全降解。

關(guān)于NTU的變廢為寶新聞不止這廢紙成為碳陽極一種，早在2020年，NTU就利用水果皮從耗盡電量的鋰電池中，提取和回收使用貴重金屬，變廢為寶制作成新電池。

比如橙皮中含有的纖維素，加熱后轉(zhuǎn)化為糖，糖分有助回收廢舊電池中的金屬。NTU表示，橙皮中的天然抗氧化劑如類黃酮（flavonoids）和酚酸（phenolic acids），會加強(qiáng)回收效果，在整個轉(zhuǎn)化過程中，所產(chǎn)生的固體殘留物是無毒的。

在2021年，電子垃圾塑料成為NTU研究的對象，在全球每年產(chǎn)生的5000萬噸的電子垃圾中，塑料垃圾占據(jù)20%，塑料往往難以回收，NTU研究小組就做了一個這樣的實驗。

在電子塑料中找到一塊廢棄的電腦鍵盤并進(jìn)行消毒處理，在鍵帽上培養(yǎng)細(xì)胞，研究表明，驗結(jié)果發(fā)明一周后容器超過95%的人體干細(xì)胞依然健康存活，效果與平常在實驗室使用劇苯乙烯塑料培養(yǎng)皿相似。

這樣一來就解決了兩個問題，一是電子塑料的回收利用；二是節(jié)省下實驗室的塑料垃圾。

全球每年產(chǎn)生的實驗室垃圾大概有550萬噸，包括在試驗過程中產(chǎn)生的塑料垃圾、電子塑料垃圾，這些廢品重新用作實驗室細(xì)胞培養(yǎng)，一舉兩得。

目前全球每年全球產(chǎn)生的垃圾在100億噸左右，其中有5740萬噸是電子廢棄物，這是最難被回收的部分，超八成未被回收利用，廢物回收成為一大問題，NTU研究團(tuán)隊也在廢品再利用的路上越走越遠(yuǎn)。

關(guān)鍵詞： 南洋理工大學(xué) 電動汽車 鋰離子電池