Los científicos convierten los residuos de papel en piezas de baterías para smartphones y vehículos eléctricos

Mediante un proceso llamado carbonización, que convierte el papel en carbono puro, los investigadores de la NTU convirtieron las fibras del papel en electrodos, que pueden convertirse en baterías recargables que alimentan teléfonos móviles, equipos médicos y vehículos eléctricos.

Para carbonizar el papel, el equipo lo expuso a altas temperaturas, lo que lo reduce a carbono puro, vapor de agua y aceites que pueden usarse como biocombustible. Como la carbonización tiene lugar en ausencia de oxígeno, se emiten cantidades insignificantes de dióxido de carbono, y el proceso es una alternativa más ecológica a la eliminación del papel kraft mediante incineración, que produce grandes cantidades de gases de efecto invernadero.

Los ánodos de carbono producidos por el equipo de investigación también demostraron una mayor durabilidad, flexibilidad y propiedades electroquímicas. Las pruebas de laboratorio demostraron que los ánodos podían cargarse y descargarse hasta 1.200 veces, lo que supone al menos el doble de duración que los ánodos de las baterías de los teléfonos actuales. Las baterías que utilizan los ánodos fabricados por la NTU también podían soportar más estrés físico que sus homólogas, absorbiendo la energía del aplastamiento hasta cinco veces mejor.

El método desarrollado por la NTU también utiliza procesos que consumen menos energía y metales pesados en comparación con los actuales métodos industriales de fabricación de ánodos para baterías. Dado que el ánodo representa entre el 10% y el 15% del coste total de una batería de iones de litio^[1], se espera que este último método, que utiliza un material de desecho de bajo coste, reduzca también el coste de su fabricación.

Los resultados se publicaron en la revista científica Additive Manufacturing en octubre.

El uso de papel de desecho como materia prima para producir ánodos de baterías también aliviaría nuestra dependencia de las fuentes convencionales de carbono, como las cargas carbonosas y los aglutinantes de carbono, que se extraen y posteriormente se procesan con productos químicos y maquinaria agresivos.

Los residuos de papel, que comprenden las bolsas de papel desechadas, el cartón, el periódico y otros envases de papel, representaron casi una quinta parte de los residuos generados en Singapur en 2020^[2].

Las bolsas de papel kraft, que constituyen la mayor parte de los residuos de papel de Singapur, también resultaron tener una gran huella ambiental en comparación con sus homólogas de algodón y plástico, debido a su mayor contribución al calentamiento global cuando se incineran y al potencial de ecotoxicidad en su producción, según un estudio separado de la NTU de 2020^[3 ].

La innovación actual, que ofrece la oportunidad de reciclar los productos de desecho y reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles, acelerando nuestra transición hacia una economía circular, materiales ecológicos y energía limpia, refleja el compromiso de la NTU de mitigar nuestro impacto en el medio ambiente, que es uno de los cuatro grandes retos de la humanidad que la Universidad pretende abordar a través de su plan estratégico NTU 2025.

El profesor adjunto Lai Changquan, de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la NTU, que dirigió el proyecto, dijo: "El papel se utiliza en muchas facetas de nuestra vida cotidiana, desde el envoltorio de regalos y la artesanía, hasta un sinfín de usos industriales, como el embalaje de alta resistencia, el envoltorio de protección y el relleno de huecos en la construcción. Sin embargo, poco se hace para gestionarlo cuando se desecha, aparte de la incineración, que genera altos niveles de emisiones de carbono debido a su composición. Nuestro método para dar otra vida al papel kraft, canalizándolo hacia la creciente necesidad de dispositivos como los vehículos eléctricos y los teléfonos inteligentes, no sólo ayudaría a reducir las emisiones de carbono, sino que también aliviaría la dependencia de la minería y los métodos industriales pesados".

El equipo de investigación ha solicitado una patente a NTUitive, la empresa de innovación y emprendimiento de la NTU. También están trabajando para comercializar su invento.

La receta de las baterías más ecológicas

Para fabricar los ánodos de carbono, los investigadores de la NTU unieron y cortaron con láser varias hojas finas de papel kraft para formar diferentes geometrías de entramado, algunas de ellas parecidas a una piñata con pinchos. A continuación, el papel se calentó a 1.200 °C en un horno sin presencia de oxígeno, para convertirlo en carbono y formar los ánodos.

El equipo de la NTU atribuye la mayor durabilidad, flexibilidad y propiedades electroquímicas del ánodo a la disposición de las fibras de papel. Afirman que la combinación de fuerza y resistencia mecánica que muestran los ánodos fabricados en la NTU permitiría que las baterías de los teléfonos, los ordenadores portátiles y los automóviles resistieran mejor los golpes de las caídas y los choques.

La tecnología actual de las baterías de litio se basa en electrodos internos de carbono que se agrietan y desmoronan gradualmente tras los impactos físicos de las caídas, lo cual es una de las principales razones por las que la vida útil de las baterías se acorta con el tiempo.

Los investigadores afirman que sus ánodos, más resistentes que los actuales electrodos utilizados en las baterías, ayudarían a solucionar este problema y a prolongar la vida útil de las baterías en una amplia gama de usos, desde la electrónica hasta los vehículos eléctricos.

El coautor del estudio, Lim Guo Yao, ingeniero de investigación de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la NTU, dijo: "Nuestros ánodos presentan una combinación de puntos fuertes, como la durabilidad, la absorción de impactos y la conductividad eléctrica, que no se encuentran en los materiales actuales. Estas propiedades estructurales y funcionales demuestran que nuestros ánodos a base de papel kraft son una alternativa sostenible y escalable a los actuales materiales de carbono, y encontrarían valor económico en aplicaciones exigentes, de alta gama y multifuncionales, como el naciente campo de las baterías estructurales".

El profesor adjunto Lai añadió: "Nuestro método convierte un material común y ubicuo -el papel- en otro extremadamente duradero y muy demandado. Esperamos que nuestros ánodos respondan a la creciente necesidad mundial de un material sostenible y más ecológico para las baterías, cuya fabricación y gestión inadecuada de residuos han demostrado tener un impacto negativo en nuestro medio ambiente".

Destacando la importancia del trabajo realizado por el equipo de investigación de la NTU, el profesor Juan Hinestroza, del Departamento de Diseño Centrado en el Ser Humano de la Universidad de Cornell (Estados Unidos), que no participó en la investigación, dijo "Dado que el papel kraft se produce en cantidades muy grandes y se desecha de la misma manera en todo el mundo, creo que el enfoque creativo que han desarrollado los investigadores de la NTU de Singapur tiene un gran potencial de impacto a escala mundial. Cualquier descubrimiento que permita utilizar los residuos como materia prima para productos de alto valor, como los electrodos y las espumas, es realmente una gran contribución. Creo que este trabajo puede abrir una nueva vía y motivar a otros investigadores a encontrar vías para la transformación de otros sustratos basados en la celulosa, como los textiles y los materiales de embalaje, que se desechan en grandes cantidades en todo el mundo".

El equipo de la NTU seguirá investigando para mejorar la capacidad de almacenamiento de energía de su material y minimizar la energía térmica necesaria para convertir el papel en carbono.