来自新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的科学家们开发了一种技术，可以将一次性包装、袋子和纸板箱中的废纸转化为锂离子电池的关键部件。

通过将纸转化为纯碳的碳化过程，南大的研究人员将纸的纤维转化为电极，电极可以制成可充电电池，为手机、医疗设备和电动汽车供电。

为了使纸碳化，研究小组将纸置于高温下，将其还原为纯碳、水蒸气和可用于生物燃料的油。由于炭化是在没有氧气的情况下进行的，它所排放的二氧化碳可以忽略不计，而且这个过程比焚烧牛皮纸更环保，焚烧牛皮纸会产生大量温室气体。

该研究团队生产的碳阳极还表现出优越的耐久性、灵活性和电化学性能。实验室测试表明，这种阳极可以充放电1200次，至少是目前手机电池阳极的两倍。使用ntu制造的阳极的电池也可以比其他电池承受更多的物理压力，吸收破碎能量的能力是其他电池的五倍。

与目前制造电池阳极的工业方法相比，ntu开发的方法使用更少的能源密集型过程和重金属。由于阳极的价值占锂离子电池[1]总成本的10%到15%，这种使用低成本废料的最新方法预计也会降低生产成本。

研究结果发表在10月份的同行评审科学期刊《增材制造》上。

使用废纸作为生产电池阳极的原料也将减轻我们对传统碳来源的依赖，如碳质填料和产碳粘合剂，这些材料被开采出来，然后用苛刻的化学品和机械进行加工。

纸张垃圾，包括废弃的纸袋、纸板、报纸和其他纸质包装，占新加坡2020年产生的垃圾的近五分之一[2]。

2020年南大的一项独立研究[3]发现，与棉花和塑料制成的纸袋相比，牛皮纸纸袋在新加坡的废纸中占了大部分，由于它们在焚烧时对全球变暖的贡献更大，生产它们的生态毒性潜力更大，牛皮纸纸袋也被发现有很大的环境足迹。

当前的创新提供了一个升级回收废旧产品的机会，减少我们对化石燃料的依赖，加速我们向循环经济、绿色材料和清洁能源的过渡，反映了南洋理工大学致力于减轻我们对环境的影响，这是南洋理工大学通过其2025年战略计划寻求解决的人类四大挑战之一。

南洋理工大学机械与航空航天工程学院助理教授赖昌泉领导了这个项目，他说:“纸在我们日常生活的很多方面都有应用，从礼品包装和工艺品，到无数的工业用途，如重型包装、保护包装和建筑填空。”然而，除了焚烧之外，人们在处理垃圾时几乎没有采取任何措施来管理垃圾，因为垃圾的组成会产生大量的碳排放。我们的方法是让牛皮纸重新焕发生机，把它用于满足对电动汽车和智能手机等设备日益增长的需求，这不仅有助于减少碳排放，还将减轻对采矿和重工业方法的依赖。”

该研究团队已经向南洋理工大学的创新和企业公司ntutive申请了专利。他们也在努力将他们的发明商业化。

绿色电池部件的配方

为了生产碳阳极，南洋理工大学的研究人员将几张牛皮纸薄片连接起来，并用激光切割，形成不同的几何晶格，有些类似尖顶pi?ata。然后在没有氧气的炉中将纸加热到1200°C，将其转化为碳，形成阳极。

南洋理工大学的研究团队将这种阳极优越的耐久性、灵活性和电化学性能归因于纸纤维的排列。他们说，ntu制造的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好地承受来自坠落和碰撞的冲击。

目前的锂电池技术依赖于内部碳电极，在跌落的物理冲击下，电极会逐渐破裂和破碎，这是电池寿命随着时间而变短的主要原因之一。

研究人员表示，他们的阳极比目前电池中使用的电极更耐久，将有助于解决这个问题，并在从电子产品到电动汽车的广泛用途中延长电池的寿命。

该研究的合著者，南洋理工大学机械与航空航天工程学院的研究工程师Lim Guo Yao先生说:“我们的阳极显示了多种强度的结合，如耐久性、减震性、导电性，这些是目前材料中所没有的。这些结构和功能特性表明，我们的牛皮纸基阳极是目前碳材料的可持续和可扩展的替代品，并将在要求高的高端多功能应用中找到经济价值，如结构电池的新兴领域。”

黎助理教授补充说:“我们的方法将一种常见和普遍存在的材料——纸——转化为另一种非常耐用和需求量很大的材料。我们希望我们的阳极将服务于世界对可持续和更环保的电池材料的快速增长的需求，电池的制造和不当的废物管理已经证明对我们的环境有负面影响。”

没有参与这项研究的美国康奈尔大学人类中心设计系教授Juan Hinestroza强调了南大研究团队所做工作的重要性，他说:“由于牛皮纸的产量非常大，而且在世界各地都有类似的处理方式，我相信新加坡南大研究人员所开创的创造性方法在全球范围内具有巨大的影响潜力。”任何能够将废物用作生产电极和泡沫等高价值产品的原材料的发现，都是一项巨大的贡献。我认为这项工作可能会开辟一条新的途径，并激励其他研究人员寻找其他纤维素基基质的转化途径，如纺织品和包装材料，这些材料在全球被大量丢弃。”

南洋理工大学的研究团队将进行进一步的研究，以提高他们的材料的能量储存能力，并尽量减少将纸张转化为碳所需的热能。

注:

勒克斯研究公司。锂离子电池创新路线图(2019)。

[2]新加坡国家环保局。2020年减少总废物产生量，减少送往塞马考垃圾填埋场的废物(2021年)。

南洋理工大学。新加坡南大的科学家报告称，在新加坡等城市，塑料袋可能比纸袋和棉袋更“环保”(2020年)。

Journal Reference:

1. Chang Quan Lai, Guo Yao Lim, Kai Jie Tai, Kang Jueh Dominic Lim, Linghui Yu, Pawan K. Kanaujia, Peiyuan Ian Seetoh. Exceptional energy absorption characteristics and compressive resilience of functional carbon foams scalably and sustainably derived from additively manufactured kraft paper. Additive Manufacturing, 2022; 58: 102992 DOI: 10.1016/j.addma.2022.102992