Des scientifiques transforment des déchets de papier en pièces de batteries pour smartphones et véhicules électriques

Grâce à un processus appelé "carbonisation", qui transforme le papier en carbone pur, les chercheurs de la NTU ont transformé les fibres du papier en électrodes, qui peuvent être transformées en batteries rechargeables alimentant les téléphones portables, les équipements médicaux et les véhicules électriques.

Pour carboniser le papier, l'équipe l'a exposé à des températures élevées, ce qui le réduit en carbone pur, en vapeur d'eau et en huiles qui peuvent être utilisées comme biocarburant. La carbonisation s'effectuant en l'absence d'oxygène, elle n'émet que des quantités négligeables de dioxyde de carbone. Ce procédé constitue une alternative plus écologique à l'élimination du papier kraft par incinération, qui produit de grandes quantités de gaz à effet de serre.

Les anodes de carbone produites par l'équipe de recherche ont également démontré une durabilité, une flexibilité et des propriétés électrochimiques supérieures. Des tests en laboratoire ont montré que les anodes pouvaient être chargées et déchargées jusqu'à 1 200 fois, ce qui est au moins deux fois plus durable que les anodes des batteries de téléphone actuelles. Les batteries qui utilisent les anodes fabriquées par la NTU peuvent également résister à davantage de contraintes physiques que leurs homologues, en absorbant jusqu'à cinq fois mieux l'énergie d'écrasement.

La méthode mise au point par la NTU fait également appel à des procédés moins gourmands en énergie et en métaux lourds que les méthodes industrielles actuelles de fabrication des anodes de batterie. L'anode représentant 10 à 15 % du coût total d'une batterie lithium-ion^[1], cette dernière méthode, qui utilise un déchet peu coûteux, devrait également permettre de réduire le coût de leur fabrication.

Les résultats ont été publiés en octobre dans la revue scientifique à comité de lecture Additive Manufacturing .

L'utilisation de déchets de papier comme matière première pour la production d'anodes de batterie permettrait également de réduire notre dépendance à l'égard des sources conventionnelles de carbone, telles que les charges carbonées et les liants à base de carbone, qui sont exploitées puis traitées à l'aide de produits chimiques et de machines agressifs.

Les déchets de papier, qui comprennent les sacs en papier, les cartons, les journaux et autres emballages en papier, représentaient près d'un cinquième des déchets produits à Singapour en 2020^[2].

Les sacs en papier kraft, qui constituent la majeure partie des déchets de papier de Singapour, ont également une empreinte environnementale plus importante que leurs homologues en coton et en plastique, en raison de leur plus grande contribution au réchauffement climatique lorsqu'ils sont incinérés et de l'écotoxicité potentielle de leur production, selon une étude distincte de la NTU en 2020^[3 ].

L'innovation actuelle, qui offre la possibilité de recycler les déchets et de réduire notre dépendance à l'égard des combustibles fossiles, accélérant ainsi notre transition vers une économie circulaire, des matériaux verts et des énergies propres, reflète l'engagement de la NTU à atténuer notre impact sur l'environnement, qui est l'un des quatre grands défis de l'humanité que l'université cherche à relever dans le cadre de son plan stratégique NTU 2025.

Le professeur adjoint Lai Changquan, de l'école d'ingénierie mécanique et aérospatiale de la NTU, qui a dirigé le projet, a déclaré : "Le papier est utilisé dans de nombreuses facettes de notre vie quotidienne, qu'il s'agisse d'emballage de cadeaux, d'artisanat ou d'une myriade d'utilisations industrielles, telles que l'emballage de produits lourds, l'emballage de protection et le remplissage de vides dans la construction. Cependant, peu de choses sont faites pour le gérer lorsqu'il est éliminé, hormis l'incinération, qui génère des niveaux élevés d'émissions de carbone en raison de leur composition. Notre méthode visant à donner une nouvelle vie au papier kraft, en le canalisant vers les besoins croissants d'appareils tels que les véhicules électriques et les smartphones, contribuerait non seulement à réduire les émissions de carbone, mais aussi à diminuer la dépendance à l'égard des mines et des méthodes industrielles lourdes."

L'équipe de recherche a déposé un brevet auprès de NTUitive, la société d'innovation et d'entreprise de NTU. Elle travaille également à la commercialisation de son invention.

La recette pour des pièces de batterie plus écologiques

Pour produire les anodes en carbone, les chercheurs de la NTU ont assemblé et découpé au laser plusieurs fines feuilles de papier kraft pour former différentes géométries de treillis, certaines ressemblant à une piñata en forme de pointe. Le papier a ensuite été chauffé à 1200°C dans un four sans présence d'oxygène, pour le transformer en carbone, formant ainsi les anodes.

L'équipe de la NTU attribue la durabilité, la flexibilité et les propriétés électrochimiques supérieures de l'anode à la disposition des fibres du papier. Ils ont déclaré que la combinaison de la force et de la résistance mécanique démontrée par les anodes fabriquées par la NTU permettrait aux batteries des téléphones, des ordinateurs portables et des automobiles de mieux résister aux chocs causés par les chutes et les accidents.

La technologie actuelle des batteries au lithium repose sur des électrodes internes en carbone qui se fissurent et s'effritent progressivement après des chocs physiques dus à des chutes, ce qui est l'une des principales raisons pour lesquelles la durée de vie des batteries diminue avec le temps.

Les chercheurs affirment que leurs anodes, plus résistantes que les électrodes actuelles utilisées dans les batteries, permettraient de résoudre ce problème et de prolonger la durée de vie des batteries dans un large éventail d'utilisations, de l'électronique aux véhicules électriques.

Le co-auteur de l'étude, M. Lim Guo Yao, ingénieur de recherche à l'école d'ingénierie mécanique et aérospatiale de NTU, a déclaré : "Nos anodes présentaient une combinaison de caractéristiques de résistance et d'efficacité : "Nos anodes présentaient une combinaison de points forts, tels que la durabilité, l'absorption des chocs, la conductivité électrique, que l'on ne trouve pas dans les matériaux actuels. Ces propriétés structurelles et fonctionnelles démontrent que nos anodes à base de papier kraft constituent une alternative durable et évolutive aux matériaux carbonés actuels, et qu'elles trouveraient une valeur économique dans des applications exigeantes, haut de gamme et multifonctionnelles, comme le domaine naissant des batteries structurelles."

Le professeur adjoint Lai a ajouté : "Notre méthode convertit un matériau commun et omniprésent - le papier - en un autre matériau extrêmement durable et très demandé. Nous espérons que nos anodes répondront au besoin rapidement croissant du monde de disposer d'un matériau durable et plus écologique pour les piles, dont la fabrication et la gestion inappropriée des déchets ont montré qu'elles avaient un impact négatif sur notre environnement."

Soulignant l'importance des travaux réalisés par l'équipe de recherche de la NTU, le professeur Juan Hinestroza, du département de conception centrée sur l'humain de l'université Cornell, aux États-Unis, qui n'a pas participé à la recherche, a déclaré : "Le papier kraft étant produit en très grandes quantités et éliminé de la même manière dans le monde entier, je pense que l'approche créative mise au point par les chercheurs de NTU Singapour a un grand potentiel d'impact à l'échelle mondiale. Toute découverte permettant d'utiliser des déchets comme matière première pour des produits de grande valeur comme les électrodes et les mousses est en effet une grande contribution. Je pense que ce travail peut ouvrir une nouvelle voie et motiver d'autres chercheurs à trouver des voies pour la transformation d'autres substrats à base de cellulose, comme les textiles et les matériaux d'emballage, qui sont jetés en grandes quantités dans le monde entier."

L'équipe de la NTU poursuivra ses recherches afin d'améliorer la capacité de stockage d'énergie de son matériau et de minimiser l'énergie thermique nécessaire à la transformation du papier en carbone.