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“紙糊”電池來了，科學家用廢紙造電池，質量輕一半，可承受5倍壓力

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這項全新發明正商業化落地

隨手一丟的廢紙，也能為新能源汽車做出貢獻了。

最近新加坡南洋理工大學（NTU）的科學家們研發出一項新技術，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。

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

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。

關鍵的是，用廢紙做的電池，要比傳統電池更環保，成本也更低。

目前該研究團隊已向南洋理工大學創新和企業公司NTUitive申請了專利，他們計劃將這個全新的發明實現商業化落地。

01 重量更輕的紙造電池

在此之前，我們報道過科學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——通過特殊的反應將其轉化為純碳，從而將紙張的纖維轉化為鋰離子電池的關鍵部件——電極。

研究人員先是將紙碳化（紙糊無疑），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生的，所以產生的二氧化碳少到可以忽略不計。從廢紙回收的角度來看，比直接燃燒環保的多，可以無污染吸收掉這些廢紙垃圾。

他們經過測試表明，廢紙燃燒后的碳塊，在儲存電量方面比現有的化石燃料石墨制成的碳儲存電量更多，結構強度也是現有碳陽極的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、柔韌性和電化學性能。實驗表明，這種陽極可以充放電達到1200次，這至少是手機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5倍。

目前的鋰電技術對內部碳電極的依賴性很強，這些在電極在受到物理沖擊時更容易導致電池的損壞，電池壽命也由此變短，因此該研究團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該是化石燃料的工作，有了這項技術，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。

現在電動汽車的兩大龍頭，比亞迪和特斯拉，所使用的電池重量分別是310KG和471KG，具體還要由續航里程而定，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，如果大規模運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。

02 環保大于一切

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，包括特斯拉在內的汽車廠商，開始在陰極上大做文章。

這也導致電池廠商在陽極方面做的技術創新并不多。

從廢紙轉換成碳陽極的過程中，牛皮紙是主要的材料來源。而牛皮紙袋對環境的殺傷力很大，在生產和焚燒時都具有生態毒性，所以南洋理工大學的這項研究，出發點更像是保護環境。

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

該項目負責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境帶來極大的污染。這種方法能讓牛皮紙重新煥發生機，以滿足對電動汽車和智能手機等設備日益增長的需求。

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，重金屬物質會滲入水和土壤之中，造成嚴重的污染。

而廢舊電池數量龐大，就算是以舊換新，廢電池長期暴露在環境之中，導致重金屬與酸堿等產生電化學反應，加快電解液滲入土壤環境或者地下水中。

眼下正是電動車發展的黃金時間，廢舊電池中的汞、鉛、鎳等重金屬，不管是對人體還是對生態環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，整體結構太脆弱，而紙質陽極保留了紙張的纖維狀分子結構，可以承受4倍的物理應力。

產生出來的碳塊中，還會提供一種可持續的方式來開發碳泡沫，通常用做錄音室的隔音和防火保護。

目前該團隊已經向南大的創新和企業公司NTUitive申請了專利，下一步有望將發明商業化，真正的使用在電動車上。接下來研究團隊將進一步研究，如何忍讓材料的儲能能力更強，并減少紙張轉化為碳所需的熱能。

03 善于廢品再利用的研究團隊

新加坡南京理工大學研究團隊，可以說是對變廢為寶“愛的深沉”。

對于NTU研究團隊來說，把廢紙制成電池不是次了。2021年底，他們開發了一種可進行生物降解的“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，紙張就可以充當兩個電極之間的分隔物。

紙張的正反兩面被絲網覆蓋，用于打印陽極的導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扇供電至少45分鐘。

而且放在土壤中不會產生任何有毒物質，一個月后便會被土壤中的微生物完全降解。

關于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)，會加強回收效果，在整個轉化過程中，所產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，在全球每年產生的5000萬噸的電子垃圾中，塑料垃圾占據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行消毒處理，在鍵帽上培養細胞，研究表明，驗結果發明一周后容器超過95%的人體干細胞依然健康存活，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；二是節省下實驗室的塑料垃圾。

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

目前全球每年全球產生的垃圾在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研究團隊也在廢品再利用的路上越走越遠。

本文來自微信公眾號“超電實驗室”（ID：SuperEV-Lab），作者：曹婷婷 ，編輯：在洲，36氪經授權發布。