تحويل نفايات الورق إلى أجزاء بطارية للهواتف الذكية والسيارات الكهربائية
يفتح طريقًا جديدًا ويحفز الباحثين لإيجاد مسارات لتحويل المنسوجات ومواد التعبئة والتغليف في جميع أنحاء العالم
طور علماء من جامعة نانيانج التكنولوجية بسنغافورة تقنية لتحويل نفايات الورق، من عبوات وحقائب ذات استخدام واحد، وصناديق من الورق المقوى، إلى مكون أساسي لبطاريات الليثيوم أيون.
من خلال عملية تسمى الكربنة التي تحول الورق إلى كربون نقي، قام باحثو جامعة نانيانج، بتحويل ألياف الورق إلى أقطاب كهربائية ، والتي يمكن تحويلها إلى بطاريات قابلة لإعادة الشحن تعمل على تشغيل الهواتف المحمولة والمعدات الطبية والمركبات الكهربائية.
لكربون الورق، عرّض الفريق الورق لدرجات حرارة عالية، مما أدى إلى تقليله إلى الكربون النقي، وبخار الماء والزيوت التي يمكن استخدامها للوقود الحيوي، نظرًا لأن الكربنة تحدث في غياب الأكسجين، فإن هذا ينبعث منها كميات ضئيلة من ثاني أكسيد الكربون، وتعد العملية بديلاً صديقًا للبيئة للتخلص من ورق الكرافت من خلال الحرق، مما ينتج عنه كميات كبيرة من غازات الدفيئة.
أظهرت أنودات الكربون التي أنتجها فريق البحث أيضًا متانة ومرونة فائقة وخصائص كهروكيميائية، أظهرت الاختبارات المعملية أن الأنودات يمكن شحنها وتفريغها حتى 1200 مرة، وهو ما لا يقل عن ضعف متانة الأنود في بطاريات الهاتف الحالية، يمكن للبطاريات التي تستخدم الأنودات المصنوعة في جامعة نانيانج، أيضًا أن تتحمل ضغطًا جسديًا أكبر من نظيراتها ، حيث تمتص طاقة التكسير حتى خمس مرات بشكل أفضل.
تم نشر النتائج في مجلة Additive Manufacturing ، حيث تستخدم الطريقة أيضًا عمليات أقل كثافة للطاقة والمعادن الثقيلة مقارنة بالطرق الصناعية الحالية لتصنيع أنودات البطارية، كالأنود يساوي 10% إلى 15 % من التكلفة الإجمالية لبطارية ليثيوم أيون، فمن المتوقع أيضًا أن تؤدي هذه الطريقة الأخيرة، التي تستخدم مادة نفايات منخفضة التكلفة، إلى خفض تكلفة تصنيعها.
استخدام نفايات الورق كمواد خام لإنتاج أنودات البطارية من شأنه أيضًا أن يخفف من اعتمادنا على المصادر التقليدية للكربون، مثل الحشوات الكربونية والمجلدات المنتجة للكربون، والتي يتم تعدينها ومعالجتها لاحقًا بمواد كيميائية وآلات قاسية.
شكلت النفايات الورقية، التي تتكون من أكياس الورق المقوى والصحف وغيرها من العبوات الورقية، ما يقرب من خمس النفايات المتولدة في سنغافورة في عام 2020.
وجدت دراسة منفصلة لعام 2020، أن أكياس ورق كرافت التي تشكل الجزء الأكبر من نفايات الورق في سنغافورة ، لها آثار بيئية كبيرة مقارنة بنظيراتها المصنوعة من القطن والبلاستيك، نظرًا لمساهمتها الأكبر في الاحتباس الحراري عند حرقها وإمكانية السمية البيئية في الإنتاج ،
الابتكار الحالي الذي يقدم فرصة لإعادة تدوير منتجات النفايات وتقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري، وتسريع انتقالنا نحو الاقتصاد الدائري، والمواد الخضراء، والطاقة النظيفة.
قال Lai Changquan الأستاذ المساعد ، من كلية NTU للهندسة الميكانيكية والفضائية، والذي قاد المشروع، “يتم استخدام الورق في العديد من الجوانب في حياتنا اليومية، من تغليف الهدايا والفنون والحرف اليدوية ، إلى عدد لا يحصى من الاستخدامات الصناعية، مثل العبوات شديدة التحمل ، والتغليف الواقي ، وملء الفراغات في البناء، ولا يتم عمل الكثير لإدارتها عند التخلص منها، إلى جانب الحرق، مما يولد مستويات عالية من انبعاثات الكربون بسبب تكوينها.
وأوضح ” طريقتنا في منح ورق الكرافت فرصة أخرى للحياة، وتحويله إلى الحاجة المتزايدة لأجهزة مثل السيارات الكهربائية والهواتف الذكية، لن يساعد فقط في الحد من انبعاثات الكربون، ولكنه سيخفف أيضًا من الاعتماد على أساليب التعدين والصناعات الثقيلة.”
قدم فريق البحث طلبًا للحصول على براءة اختراع، شركة الابتكار والمشاريع الخاصة بالجامعة ويعملون أيضًا على تسويق اختراعهم.
وصفة لأجزاء بطارية أكثر اخضرارا
لإنتاج أنودات الكربون، قام الباحثون بقص عدة أوراق رقيقة من ورق الكرافت بالليزر لتشكيل أشكال هندسية شبكية مختلفة، بعضها يشبه بينياتا شائك، ثم تم تسخين الورق إلى 1200 درجة مئوية في فرن بدون وجود أكسجين، لتحويله إلى كربون، وتشكيل الأنودات.
يعزو الفريق المتانة الفائقة والمرونة والخصائص الكهروكيميائية للأنود إلى ترتيب ألياف الورق، قالوا إن الجمع بين القوة والمتانة الميكانيكية التي تظهرها الأنودات المصنوعة ستسمح لبطاريات الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والسيارات بمقاومة الصدمات بشكل أفضل من السقوط والحوادث.
تعتمد تقنية بطاريات الليثيوم الحالية على أقطاب كربون داخلية تتشقق وتنهار تدريجياً بعد سقوط الصدمات المادية، وهو أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل عمر البطارية أقصر بمرور الوقت.
إطالة عمر البطاريات
يقول الباحثون، إن الأنودات الخاصة بهم، والتي هي أقوى من الأقطاب الكهربائية الحالية المستخدمة في البطاريات، ستساعد في معالجة هذه المشكلة وإطالة عمر البطاريات في مجموعة واسعة من الاستخدامات، من الإلكترونيات إلى السيارات الكهربائية.
قال مؤلف مشارك في الدراسة جيوه لاي ، وهو مهندس بحث من كلية NTU للهندسة الميكانيكية والفضائية، “عرضت الأنودات لدينا مجموعة من نقاط القوة، مثل المتانة، وامتصاص الصدمات، والتوصيل الكهربائي، والتي لا توجد في التيار المواد، توضح هذه الخصائص الهيكلية والوظيفية، أن الأنودات الورقية المصنوعة من ورق الكرافت هي بديل مستدام وقابل للتطوير لمواد الكربون الحالية، وستجد قيمة اقتصادية في التطبيقات المتطورة والمتعددة الوظائف، مثل مجال البطاريات الهيكلية الناشئ. ”
أضاف البروفيسور لاي: “تقوم طريقتنا بتحويل مادة شائعة ومتواجدة في كل مكان وهي الورق، إلى مادة أخرى شديدة التحمل ومطلوبة بشدة، ونأمل أن تخدم الأنودات لدينا حاجة العالم المتزايدة بسرعة إلى مادة مستدامة وأكثر اخضرارًا للبطاريات، والتي لقد أظهر التصنيع والإدارة غير السليمة للنفايات أن لهما تأثيرًا سلبيًا على بيئتنا “.
إمكانيات كبيرة للتأثير على نطاق عالمي
من أجل تسليط الضوء على أهمية العمل الذي قام به فريق البحث في جامعة كورنيل، قال البروفيسور خوان هينستروزا من قسم التصميم المرتكز على الإنسان بجامعة كورنيل، والذي لم يشارك في البحث، “نظرًا لأن ورق الكرافت يتم إنتاجه بكميات كبيرة جدًا، ويتم التخلص منه بالمثل في جميع أنحاء العالم، أعتقد أن النهج الإبداعي الذي ابتكره الباحثون في له إمكانات كبيرة للتأثير على نطاق عالمي.
وأضاف “أي اكتشاف سيسمح باستخدام النفايات كمواد خام للمنتجات عالية القيمة مثل الأقطاب الكهربائية والرغاوي هو بالفعل مساهمة كبيرة، أعتقد أن هذا العمل قد يفتح طريقًا جديدًا ويحفز الباحثين الآخرين لإيجاد مسارات لتحويل ركائز أخرى قائمة على السليلوز، مثل المنسوجات ومواد التعبئة والتغليف، والتي يتم التخلص منها بكميات كبيرة في جميع أنحاء العالم “.
سيجري الفريق مزيدًا من الأبحاث لتحسين سعة تخزين الطاقة لموادهم وتقليل الطاقة الحرارية اللازمة لتحويل الورق إلى كربون.
