哈希竞彩平台:叹为观“纸”!废纸也能制成锂电池部件,还能生产酚醛树脂…

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传统的锂离子电池的阳极是由石墨制成,而石墨是通过不可再生的碳化合物的化学反应形成的。研究机构的估算显示,为了让特斯拉达到每年2000万辆电动汽车的生产目标,需要开采超过100万吨的石墨。


石墨开采过程不仅污染环境,而且石墨储量也是有限的。为了寻找电池材料新的可再生、资源丰富、环境友好的替代品,电池制造商和科学研究人员一直在探索。


最近,新加坡南洋理工大学(NTU)的科学家们研发出一项新技术,可将废弃的一次性包装盒、袋子和纸板箱等废纸转化为纯碳,并制作为锂离子电池的重要组成部件。


研究成果发表在了科学期刊《增材制造》(Additive Manufacturing)上,他们通过将纸转化为纯碳的碳化工艺,将纸中的纤维转化为电极。这些电极可用于可充电电池,为手机、医疗设备和电动汽车供电。


通过这种方式生产的碳阳极,不仅可以解决废纸焚烧带来的污染,还表现出卓越的耐久性、灵活性和电化学特性。实验室测试表明,这种阳极可以充放电 1200 次,比目前手机电池的阳极至少耐用一倍。


这是如何实现的呢?


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废纸碳化和电极制造


纸张在日常生活中无处不在,包括各种包装纸和纸板箱等,比较常见的是用作包装材料的牛皮纸,大多是由木浆制作而成。


这些普通的纸张由植物纤维、填充料、胶料和色料等组成。植物纤维是纸张的主体,它主要指纤维素和半纤维素。


南洋理工大学研究人员实验中的纸,就来源于普通的一次性包装纸和纸板箱——通过特殊的反应将其转化为纯碳,从而将纸张的纤维转化为锂离子电池的关键部件——电极。


研究人员先是将纸碳化,把几张牛皮纸暴露在高温下,并用激光切割,使其形成不同的几何形状,也就是新型多孔碳材料。


在碳化之前,研究人员首先采用与纤维素纸有着良好相性的薄片层压技术制造3D的牛皮纸结构,然后用激光切割几张轻薄的牛皮纸,使它们形成不同的晶格几何结构,接着在最高温度1200℃的氩气(Ar)环境中将纸张还原为可用于生物燃料的纯碳,水蒸气和油。


由于碳化是在没有氧气的情况下发生的,因此排放的二氧化碳量可以忽略不计,而这一过程是焚烧处理牛皮纸的一种更环保的替代方法。除此之外,通过这种环保的热解方法得到的纯碳正是电池阳极的制造材料。


领导该项目的南洋理工大学机械与航空航天工程学院助理教授赖长全说:“纸张在我们日常生活中的使用方方面面,从礼品包装和工艺品,到无数的工业用途,如大型包装、保护性包装和建筑中的空白填充。然而,除了焚烧之外,在处置时几乎没有采取任何措施来管理它,焚烧由于其成分而产生高水平的碳排放。”


赖长全表示,“我们的方法赋予牛皮纸新的生命,将其输送到对电动汽车和智能手机等设备日益增长的需求中,不仅有助于减少碳排放,还可以减轻对采矿和重工业方法的依赖。”


图说:碳化纸张的步骤和方法


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性能测试和优缺点


多孔碳材料具有高的比表面积、可调控的物理化学性质、价廉易得等优点,在能源存储和转换、催化、吸附分离等领域展现出了巨大的应用前景。


该研究团队的研究结果也印证了这一点。他们所生产的电池阳极展现出了十分良好的性能,碳化牛皮纸在10 mA/g的比电流下循环时,储存的电容达到了140 mA/g,虽然低于一般石墨电极的350-370 mAh/g,但是与热解的聚合物泡沫完全一样。


实验测试表明,这种阳极碳化材料的循环是非常稳定的,拥有100%的库伦效率,并且可以充放电1200次,至少是目前手机电池阳极的两倍。


该新型多孔碳泡沫很好地结合了传统多孔碳材料的优点,既拥有气凝胶的高压缩弹性,又能达到传统碳泡沫的抗压强度,并且能量吸收效率远远高于传统碳泡沫。因此,使用这种新型碳阳极制成的电池还可以比普通电池承受更多的物理压力(大约是其他电池的五倍)。


研究人员解释称,目前的锂电池技术依赖于内部碳电极,在从高处坠落的物理冲击之下,电极会遭到损坏,逐渐破裂和破碎,这也是电池寿命减少的主要原因之一。他们表示,新型碳阳极所显示出的强度和机械韧性,将使手机、笔记本电脑和汽车电池更能避免坠落和碰撞带来的物理冲击。


此外,与目前制造电池阳极的工业方法相比,该团队研发的方法使用更少的能源和重金属,既降低了成本,也兼顾了环境。由于阳极的制造成本占锂离子电池总成本的10%到15%,这种使用低成本废纸的新方法预计也会降低电池生产的总成本。


用废纸做阳极材料,还可以减轻电池重量。南洋理工大学研究团队估算,若50kWh电池包电芯电极采用纸阳极,整体重量在100-200KG,而传统采用碳阳极的电池包则平均重量则在310KG左右,重量相差近一倍。


在此前,多孔碳材料曾被用于制造电催化材料、电化学电容、电磁波吸收、锂硫电池的制造等,虽然材料的表现相对良好,但是在制备过程中会有废弃物产生,能源消耗和污染也较高。该研究以废弃牛皮纸为原料制造多孔碳材料,很好地解决了上述缺点。


接下来,NTU团队计划进行进一步的研究,以提高其材料的储能能力,并最大限度地减少将纸张转化为碳所需的热能。


目前该研究团队已向南洋理工大学创新和企业公司NTUitive申请了专利,他们计划将这个全新的发明实现商业化落地。


但是,多孔碳材料还面临着其他问题:不同前体的选择将如何影响多孔碳的结构;形态控制和功能化(例如通过掺杂原子或引入外来元素)如何影响结构性质和导电性;不同的孔形状如何影响吸附、催化或能量相关性能;多孔碳层不可避免的团聚和堆积密度如何解决等等。因此,多孔碳的发展还需更加深入的研究。


目前,废纸还有哪些用途呢?

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随着“禁废令”的实施,我们不再从国外进口被称为“洋垃圾”的各种废品,这也导致国内纸厂对于废纸的收购价不断走高,不过除了我们熟悉的通过再生的方式之外,废纸的价格高,也是因为它能够在其它领域发挥用处。比如下面提到的这些:


1. 压制胶合硬纸板


压头硬纸板是一种新的废纸使用技术,它是将五层废纸与合成树脂一起压制,在80℃下共同压制,制成一种胶合的硬纸板,其压缩强度是普通纸板的两倍以上,几乎与胶合板包装盒相同。


2. 生产酚醛树脂


苯酚树脂的生产——在废纸回收领域,是一项重大技术革新。通过研究,废纸可以溶解在苯酚中,用于生产酚醛树脂的新技术。并且用废纸作为原料生产酚醛树脂,其强度比传统的苯酚和乙醛所制得的酚醛树脂强度更高,热变形温度更高。



3.模压沥青瓦楞板


成型沥青瓦楞纸板也是废纸的新利用技术,以废纸、棉纱、椰子纤维、沥青等为原料,制作成型沥青瓦楞纸板。该瓦楞纸板具有隔热性能好、防水、轻便、成本低、不易燃、耐腐蚀的特点。


4.农业用途


废纸屑有多种农业用途,如改良土壤,使贫瘠硬质土地肥沃疏松;可用于栽培平菇,提高经济效益;也可用作牲畜棚架上的铺垫,改变家畜的生活环境,增加产量;还可将废纸加工成牛羊饲料,吃这种用废纸加工成牛羊饲料的牛羊,比吃传统饲料长大的牛羊更肥更壮。


5. 建筑用途


废纸还能制成可回收的建筑材料,位于巴塞罗那的初创公司Honext2020年开发出一种可持续发展建筑材料,主要是从废纸中提取的酶和纤维素,将废纤维、水、酶混合在一起,在加工过程中还融入了五毒添加,大大提高了其抵抗紫外线的功能。随后将这些混合物压缩成湿板送往干燥区域,干燥后留下最终成品。



6. 改造为家庭陈设


制作家庭用具。在新加坡等地,人们利用旧报纸旧书刊等废纸原料,卷成圆形细长棍,外裹塑胶纸,手工编织地毯、坐垫、提包、猫窝、门帘,甚至茶几、躺床等家庭用具。在制作时,可根据各种家庭用具的不同造型,编出不同的图案,再饰以色彩,使制作出来的家庭用具既实用,又美观。


7.制作雕塑


同安丰翼美术学社负责人陈开展在教学之余,探索纸浆造型艺术,废弃的画纸经过他的巧手,变成一件件妙趣横生的纸浆雕塑作品。


谈及创作的初衷,陈开展说:"看着师生练习用过的纸张越来越多,我就开始思考:如何再次利用这些废纸?"据介绍,他尝试把学生写过的毛边纸浸泡,揉搓制成纸浆,捏出了一个静物写生用的水果模型和一个微型"石磨"。算上上色和晾晒,总共花了两周时间。



2016 年,陈开展带学生到孔庙写生。他看着庙里的石雕群,觉得纸浆创作出来的作品质感和石雕很像。他突发灵感:为何不用纸浆做微型的仿古石雕?


于是,陈开展把学生画废的素描纸撕碎,用水泡软,搓成纸浆,捏出了迷你版的"石像""石狮",再用牙刷蘸颜料上色,赋予其颗粒效果。陈开展将作品放到草丛中,拍照并发布在朋友圈,朋友们都以为是真石雕,可谓栩栩如生。


记者看到,在丰翼美术学社的泥塑室里陈列着各式各样的纸浆雕塑作品,其中有风狮爷、石敢当等题材的仿古石雕作品,还有动物、人物等主题作品。此外,以同安大笼甜粿、车鼓弄、拍胸舞等非遗文化为题材制作的作品也充满趣味。这些作品是陈开展不同时期创作的。


"这些作品以乡土为魂,以美为形。"陈开展说,这些作品创作短则一个礼拜,长则半年。而他的创作灵感大多源自生活,比如电影中的形象、学生的画作,或者当地民俗文化等。


感受到纸浆雕塑的魅力后,陈开展搜集了大量古代石雕的图片,带着孩子们开启了趣味实践。"一开始没把握好时间,制作泥浆时,纸片太大,浸泡过长,学生们直呼‘太臭了!’"陈开展利用碎纸机,将废纸进行处理,缩短泡水时间,还购入了搅拌机,这样制作纸浆更省力。


陈开展分解每一个步骤,将撮、捏、压、揉以及喷色的技法悉心传授给学生。孩子们在其指导下,做出了"石马" "石狮" "石龟" "石磨"等一系列纸浆仿古雕塑作品。


尾声


不过,也不是所有的废纸都能回收的。擦嘴的餐巾纸、宝宝用过的纸尿裤等污染过的纸,或者是沾了油脂污渍的纸、厕所的卫生纸,都是不能回收的,它们属于其他垃圾。


但是这并不妨碍废纸回收,对环境带来的诸多利好。据有关数据显示,回收利用1吨废纸可以造出800公斤再生纸,可以挽救17棵大树,节省3立方米的垃圾填埋场空间,少用纯碱240公斤,降低造纸的污染排放75%,节约造纸能源消耗40%-50%,而每张纸至少可以回收2次。我国目前的废纸回收率仅为百40%左右,每年流失废纸600万吨,相当于浪费森林资源100~300万亩、


因此,做好废纸回收,不管是对创造额外的经济价值,还是对资源利用、环境保护而言,都有着重大的意义。




来源:能投委,小黄人回收,海西晨报

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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