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Cientistas da Nanyang Technological University, Cingapura (NTU Singapore) desenvolveram uma técnica para converter resíduos de papel, de embalagens e sacolas descartáveis e caixas de papelão, em um componente crucial das baterias de íon-lítio.
Por meio de um processo chamado carbonização, que converte papel em carbono puro, os pesquisadores da NTU transformaram as fibras do papel em eletrodos, que podem ser transformados em baterias recarregáveis que alimentam telefones celulares, equipamentos médicos e veículos elétricos.
Para carbonizar o papel, a equipe o expôs a altas temperaturas, o que o reduz a carbono puro, vapor d’água e óleos que podem ser usados como biocombustível. Como a carbonização ocorre na ausência de oxigênio, isso emite quantidades insignificantes de dióxido de carbono, e o processo é uma alternativa mais ecológica ao descarte de papel kraft por incineração, produzindo grandes quantidades de gases de efeito estufa.
Os ânodos de carbono produzidos pela equipe de pesquisa também demonstraram durabilidade, flexibilidade e propriedades eletroquímicas superiores. Testes de laboratório mostraram que os ânodos podem ser carregados e descarregados até 1.200 vezes, o que é pelo menos duas vezes mais durável do que os ânodos das baterias de telefone atuais. As baterias que usam ânodos fabricados com NTU também podem suportar mais estresse físico do que suas contrapartes, absorvendo energia de esmagamento até cinco vezes melhor.
O método desenvolvido pela NTU também usa processos menos intensivos em energia e metais pesados em comparação com os métodos industriais atuais de fabricação de ânodos de bateria. Como o ânodo vale de 10% a 15% do custo total de uma bateria de íon-lítio[1]espera-se que este método mais recente, que usa um material residual de baixo custo, também reduza o custo de sua fabricação.
As descobertas foram publicadas na revista científica revisada por pares Manufatura Aditiva em outubro.
O uso de resíduos de papel como matéria-prima para produzir ânodos de bateria também facilitaria nossa dependência de fontes convencionais de carbono, como enchimentos carbonáceos e aglutinantes que produzem carbono, que são extraídos e posteriormente processados com produtos químicos e maquinário agressivos.
Os resíduos de papel, que compreendem sacos de papel descartados, papelão, jornais e outras embalagens de papel, representaram quase um quinto dos resíduos gerados em Cingapura em 2020[2].
As sacolas de papel Kraft, que compõem a maior parte dos resíduos de papel de Cingapura, também apresentam grandes pegadas ambientais em comparação com suas contrapartes feitas de algodão e plástico, devido à sua maior contribuição para o aquecimento global quando incineradas e ao potencial de ecotoxicidade na produção eles, um estudo NTU separado de 2020[3] encontrado.
A inovação atual que apresenta uma oportunidade de reciclar produtos residuais e reduzir nossa dependência de combustíveis fósseis, acelerando nossa transição para uma economia circular, materiais verdes e energia limpa, reflete o compromisso da NTU de mitigar nosso impacto no meio ambiente, que é um dos quatro os grandes desafios da humanidade que a Universidade busca enfrentar por meio de seu plano estratégico NTU 2025.
O professor assistente Lai Changquan, da Escola de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da NTU, que liderou o projeto, disse: “O papel é usado em muitas facetas em nossas vidas diárias, desde embalagens de presentes e artes e ofícios, até uma infinidade de usos industriais, como embalagens pesadas, invólucros de proteção e preenchimento de vazios na construção civil, mas pouco se faz para gerenciá-los quando são descartados, além da incineração, que gera altos níveis de emissão de carbono devido à sua composição. Nosso método para dar kraft papel um outro sopro de vida, canalizando-o para a crescente necessidade de dispositivos como veículos elétricos e smartphones, não apenas ajudaria a reduzir as emissões de carbono, mas também diminuiria a dependência de mineração e métodos industriais pesados.”
A equipe de pesquisa entrou com pedido de patente junto à NTUitive, empresa de inovação e empreendimento da NTU. Eles também estão trabalhando para comercializar sua invenção.
A receita para peças de bateria mais ecológicas
Para produzir os ânodos de carbono, os pesquisadores da NTU juntaram e cortaram a laser várias folhas finas de papel kraft para formar diferentes geometrias de treliça, algumas parecidas com uma piñata pontiaguda. O papel foi então aquecido a 1200°C em um forno sem a presença de oxigênio, para convertê-lo em carbono, formando os ânodos.
A equipe da NTU atribui a durabilidade, flexibilidade e propriedades eletroquímicas superiores do ânodo ao arranjo das fibras de papel. Eles disseram que a combinação de força e resistência mecânica mostrada pelos ânodos fabricados pela NTU permitiria que baterias de telefones, laptops e automóveis resistissem melhor a choques de quedas e colisões.
A tecnologia atual da bateria de lítio depende de eletrodos internos de carbono que gradualmente racham e desmoronam após choques físicos, o que é uma das principais razões pelas quais a vida útil da bateria diminui com o tempo.
Os pesquisadores dizem que seus ânodos, que são mais resistentes do que os eletrodos atuais usados em baterias, ajudariam a resolver esse problema e prolongar a vida útil das baterias em uma ampla gama de usos, de eletrônicos a veículos elétricos.
O coautor do estudo, Lim Guo Yao, engenheiro de pesquisa da Escola de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da NTU, disse: “Nossos ânodos exibiram uma combinação de pontos fortes, como durabilidade, absorção de choque, condutividade elétrica, que não são encontrados na corrente Essas propriedades estruturais e funcionais demonstram que nossos ânodos baseados em papel kraft são uma alternativa sustentável e escalável aos materiais de carbono atuais e encontrariam valor econômico em aplicações multifuncionais exigentes e sofisticadas, como o campo nascente de baterias estruturais. “
Asst Prof Lai acrescentou: “Nosso método converte um material comum e onipresente – papel – em outro que é extremamente durável e em alta demanda. Esperamos que nossos ânodos atendam à crescente necessidade mundial de um material sustentável e mais ecológico para baterias , cuja fabricação e gerenciamento inadequado de resíduos demonstraram ter um impacto negativo em nosso meio ambiente.”
Destacando a importância do trabalho realizado pela equipe de pesquisa da NTU, o professor Juan Hinestroza, do Departamento de Human Centered Design da Cornell University, EUA, que não participou da pesquisa, disse: “Como o papel kraft é produzido em grandes quantidades e dispostos da mesma forma em todo o mundo, acredito que a abordagem criativa pioneira dos pesquisadores da NTU Singapore tem um grande potencial de impacto em escala global. Qualquer descoberta que permita o uso de resíduos como matéria-prima para produtos de alto valor como eletrodos e espumas é realmente uma grande contribuição. Acho que este trabalho pode abrir um novo caminho e motivar outros pesquisadores a encontrar caminhos para a transformação de outros substratos à base de celulose, como têxteis e materiais de embalagem, que estão sendo descartados em grandes quantidades em todo o globo.”
A equipe da NTU conduzirá mais pesquisas para melhorar a capacidade de armazenamento de energia de seu material e minimizar a energia térmica necessária para converter o papel em carbono.
Notas:
[1] Pesquisa Lux. Roteiro de inovação da bateria de íons de lítio (2019).
[2] Agência Ambiental Nacional de Cingapura. Redução na geração geral de resíduos em 2020, com menos resíduos enviados para o aterro sanitário de Semakau (2021).
[3] Universidade Tecnológica de Nanyang. Os cientistas da NTU Singapore relatam que as sacolas plásticas podem ser “mais ecológicas” do que as sacolas de papel e algodão em cidades como Cingapura (2020).
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