Il team di ricercatori composto da scienziati della Nanyang Technological University di Singapore (NTU Singapore) nello studio pubblicato nella rivista Additive Manufacturing, hanno presentato lo sviluppo di una nuova tecnica per convertire la carta di scarto, proveniente da imballaggi, sacchetti monouso e scatole di cartone, in un componente fondamentale delle batterie agli ioni di litio.
I ricercatori della NTU attraverso un processo che converte la carta in carbonio puro, chiamato carbonizzazione, hanno trasformato le fibre della carta in elettrodi per essere utilizzati in batterie ricaricabili che alimentano telefoni cellulari, apparecchiature mediche e veicoli elettrici.
Il team di ricercatori per carbonizzare la carta, l’hanno esposta a temperature elevate, ciò la riduce a carbonio puro, vapore acqueo e oli che possono essere utilizzati per i biocarburanti. Visto che la carbonizzazione avviene in assenza di ossigeno ed emette quantità trascurabili di anidride carbonica, il processo è un’alternativa più ecologica allo smaltimento della carta kraft che genera grandi quantità di gas serra attraverso l’incenerimento.
La carta kraft è molto più resistente della carta normale, grazie al suo processo di produzione prevede l’utilizzo del solfato sodico per le cotture alcaline, necessarie ad estrarre chimicamente la cellulosa dal legno. Così facendo si ottiene la polpa di cellulosa grazie alla quale verrà prodotta la carta.
Gli anodi di carbonio prodotti dal team di ricerca hanno anche dimostrato durata, flessibilità e proprietà elettrochimiche superiori. I test di laboratorio hanno stabilito che gli anodi possono essere caricati e scaricati fino a 1.200 volte, il doppio della durata degli anodi nelle attuali batterie dei telefoni cellulari. Le batterie che utilizzano gli anodi realizzati dai ricercatori della NTU potrebbero anche sopportare uno stress fisico maggiore rispetto alle loro controparti, assorbendo fino a cinque volte meglio l’energia di schiacciamento.
Il metodo sviluppato dai ricercatori della NTU rispetto agli attuali metodi industriali di produzione di anodi per batterie, utilizza anche processi ad alta intensità energetica e metalli pesanti. L’anodo poiché in percentuale vale dal 10 al 15% del costo totale di una batteria agli ioni di litio, con questo innovativo metodo, che utilizza un materiale di scarto a basso costo, dovrebbe ridurre il costo di produzione.
L’utilizzo di carta straccia come materia prima per produrre anodi per batterie, faciliterebbe anche la nostra dipendenza da fonti convenzionali di carbonio, come cariche carboniose e leganti che producono carbonio, che vengono estratti e successivamente lavorati con sostanze chimiche aggressive e macchinari.
I rifiuti di carta come i sacchetti di carta smaltiti, cartone, giornali e altri imballaggi di carta, nello studio condotto dai ricercatori della NTU hanno rappresentato quasi un quinto dei rifiuti generati a Singapore nel 2020. È emerso che anche i sacchetti di carta kraft, che costituiscono la maggior parte dei rifiuti di carta di Singapore, hanno una grande impronta ambientale rispetto alle loro controparti in cotone e plastica, a causa del loro maggiore contributo al riscaldamento globale quando sono inceneriti e del potenziale di ecotossicità nelle fasi della loro produzione.
L’attuale innovazione che offre l’opportunità di riciclare i prodotti di scarto e ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili, accelerando la nostra transizione verso un’economia circolare, materiali verdi ed energia pulita, riflette l’impegno degli scienziati della Nanyang Technological University di Singapore (NTU) a mitigare il nostro impatto sull’ambiente, è una delle quattro grandi sfide dell’umanità che l’Università cerca di affrontare attraverso il suo piano strategico NTU 2025.
Lai Changquan della Scuola di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale della NTU, ha guidato il progetto, ha dichiarato:
«La carta è utilizzata in molti aspetti della nostra vita quotidiana, dalle confezioni regalo a una miriade di usi industriali, come imballaggi pesanti, involucri protettivi e riempimento di vuoti nell’edilizia, ma si fa poco per gestirli quando vengono smaltiti, oltre all’incenerimento, che genera alti livelli di emissioni di carbonio a causa della loro composizione. Il nostro metodo per dare alla carta kraft un’altra prospettiva di vita, incanalandola nella crescente necessità di dispositivi come veicoli elettrici e smartphone, non solo aiuterebbe a ridurre le emissioni di carbonio, ma faciliterebbe anche la dipendenza dai metodi minerari e dell’industria pesante».
Il team di ricerca ha depositato un brevetto presso NTUitive, la società di innovazione e impresa della NTU. Stanno anche lavorando per commercializzare la loro invenzione.
La ricetta per parti di batteria più ecologiche
I ricercatori della NTU per produrre gli anodi di carbonio hanno unito e tagliato al laser diversi fogli sottili di carta kraft per formare diverse geometrie reticolari, alcune simili a una piñata appuntita. La carta veniva poi riscaldata a 1200° C in un forno senza presenza di ossigeno, per trasformarla in carbonio, formando gli anodi.
Il team di ricercatori della NTU attribuisce la durata superiore, la flessibilità e le proprietà elettrochimiche dell’anodo alla disposizione delle fibre di carta. Hanno affermato che la combinazione di forza e tenacità meccanica mostrata dagli anodi da loro realizzati, consentirebbe alle batterie di telefoni cellulari, laptop e automobili di resistere meglio agli urti causati da cadute e incidenti.
L’attuale tecnologia delle batterie al litio si basa su elettrodi di carbonio interni che gradualmente si rompono e si sgretolano a seguito di urti fisici dovuti alla caduta, è uno dei motivi principali per cui la durata della batteria si riduce nel tempo.
I ricercatori hanno affermato che i loro anodi, che sono più resistenti degli attuali elettrodi utilizzati nelle batterie, aiuterebbero a risolvere questo problema e a prolungare la durata delle batterie in una vasta gamma di usi, dall’elettronica ai veicoli elettrici.
Lim Guo Yao, ingegnere ricercatore della Scuola di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale della NTU, coautore dello studio ha dichiarato:
«I nostri anodi hanno mostrato una combinazione di punti di forza, come la durata, l’assorbimento degli urti e la conducibilità elettrica, che non si trovano nei materiali attuali. Le loro proprietà strutturali e funzionali dimostrano che i nostri anodi a base di carta kraft sono un’alternativa sostenibile e scalabile agli attuali materiali a base di carbonio, potrebbero trovare un valore economico in applicazioni esigenti, di fascia alta e multifunzionale, come il campo nascente delle batterie strutturali».
Lai Changquan ha aggiunto:
«Il nostro metodo converte la carta, un materiale comune e onnipresente, in un altro estremamente resistente e molto richiesto. Speriamo che i nostri anodi servano a soddisfare la crescente necessità di un materiale sostenibile e più ecologico per le batterie, la cui produzione e la gestione impropria dei rifiuti ha dimostrato di avere un impatto negativo sull’ambiente».
Juan Hinestroza del Dipartimento di Human Centered Design della Cornell University, non è stato coinvolto nello studio, sottolineando l’importanza del lavoro svolto dal team di ricerca della NTU ha dichiarato:
«La carta kraft poiché viene prodotta in grandi quantità e smaltita allo stesso modo in tutto il mondo, credo che il metodo creativo sperimentato dai ricercatori della NTU di Singapore abbia un grande potenziale di impatto su scala globale. Ogni scoperta che permetta di utilizzare i rifiuti come materia prima per prodotti di alto valore come elettrodi e schiume, è davvero un grande contributo. Penso che questo lavoro possa aprire una nuova strada e motivare altri ricercatori a trovare percorsi per la trasformazione di altri substrati a base di cellulosa, come i tessuti e materiali da imballaggio, scartati in grandi quantità in tutto il mondo».
Il team di ricerca della Nanyang Technological University (NTU) di Singapore condurrà ulteriori ricerche per migliorare la capacità di accumulo di energia del materiale e ridurre al minimo l’energia termica necessaria per convertire la carta in carbonio.
