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新加坡科学家团队用废塑料瓶制造锂离子电池聚合物

时间:2023-10-11   访问量:92

从将包装转变为隔热材料的建筑工程师,到用旧啤酒瓶制作彩色玻璃窗的 TikTok 网红,采用升级回收风靡一时的循环经济是有意义的。



为了变废为宝,新加坡科学技术研究局 (A*STAR) 的一个科学家团队探索了废弃水瓶的潜力,将其转化为锂离子电池组件,用于有用的能量存储。
 

问题遇到解决方案


PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)塑料是全球普遍存在的材料,由于其丰富的材料供应,为升级改造创造了良好的机会。事实上,塑料垃圾是一个巨大的问题,其中 PET 塑料水瓶是罪魁祸首。在美国,塑料瓶装水销量已从 1996 年的区区 28 亿份增长到 2018 年的 7070 万份。

集装箱回收研究所 (CRI) 主席苏珊·柯林斯 (Susan Collins) 总结道:“为了我们的气候、海洋和子孙后代,我们必须采取更多措施来收集高质量的可回收瓶子和罐子,这些瓶子和罐子可用于生产新产品。” ),加利福尼亚州卡尔弗城

虽然传统科学正在缓慢提高回收 PET 含量的百分比(根据 CRI 的数据,从 1996 年的不到 5% 到 2020 年将达到 11.5%),但全球各地的城市也在制定不仅收集塑料而且清洁塑料的计划,从而消除了对塑料的需求。用原始材料制造新容器。

努力从废塑料中设计未来可持续的聚合物电解质(PE)材料是一个很好的方法,主要考虑的是拥有连续可靠的原料线。这就是 A*STAR 的研究团队选择使用现成的 PET 的原因。

根据 A*STAR 材料研究与工程研究所 (IMRE) 聚合物复合材料部门副主任 Derrick Fam 的说法,Derrick Fam 与软材料部门副主任 Jason Lim 一起领导了这项研究在 IMRE,PET 是世界上收集最多的废塑料之一,其额外优势还在于拥有完善的废物收集物流。

Fam 指出,PET 还具有其他有利的特性,使其成为完美的材料。他说:“使用温和的反应条件和现成的试剂,它可以很容易地转化为小分子,其中聚合物结构中的刚性片段赋予聚合物电解质结构刚性。” 

什么以及如何


PET 瓶本质上是由化学连接的长聚合物分子制成的。“将 PET 瓶变成有用的东西的前几个关键步骤之一就是在解聚过程中将这些化学连接的分子‘分解’成更短的分子,”Lim 解释道。“这样我们就可以将新材料用于不同的目的,例如新的功能材料。”

当前和未来几年,对电气化和储能的需求也不断增加。Fam 补充道:“我们预计聚合物电解质的可持续制造将变得越来越重要。”他强调了通过其团队在重要的储能材料领域升级回收 PET 的工作来实现更大的材料可持续性和循环性的更大目标。

将这些废塑料定位在价值链的起点,作为功能材料生产的原料似乎是一个成功的策略。PET 由于其刚性而被用作容器(瓶子、包装、纺织品等)。“除了丰富性之外,PET 的结构特性还为未来的电池提供了强度和刚性,”Lim 解释道。
 
机械强度对于电池来说非常重要,因为它们用于设备充电和放电的应用中,有时需要高电流(用于快速充电)。在反复充电和放电的情况下,电池内部阳极的整体形状有时会发生变化,如果变形太大,阳极可能会与阴极接触,导致短路,从而导致火灾。

“这是液体电解质中常见的现象,因为没有足够强大的物理屏障来防止这种情况发生。使用 PET 衍生物作为电解质可以通过降低阳极变形和导致短路的能力来潜在地缓解这种情况。”Fam 说。
 
PE 是电池中很有前途的替代组件,不仅因为它们可以消除安全隐患,例如电解液泄漏、不受控制的加热、体积膨胀和火灾危险等风险,而且还可以消除枝晶生长。

它是如何工作的?

 
该团队利用PET酯键对化学溶剂分解的敏感性以及对苯二甲酸酯芳香族组分的结构刚性,从PET瓶中获得了PE。他们还发现该材料还可以形成独立的导电薄膜。
 
此外,PET衍生的聚氨酯PE在用作固体和凝胶聚合物电解质时表现出离子导电性,这使其能够组装成工作锂离子电池。
 
研究结果表明,从废PET中提取的聚氨酯作为LiB聚合物电解质的潜力,包括能够实现与现有含有液体电解质的商业系统相当的室温电导率。该团队使用这些聚合物成功组装了工作锂电池,并反复充电和放电多达 150 次循环。

可行性

 
法姆表示:“这一充满希望的表现为更可持续能源驱动的未来铺平了道路。” 但将 PET 塑料废料转化为 PE 材料用于电池的可行性如何?

法姆解释说,该计划的可行性“取决于”一些“推拉”因素。
 

首先,虽然电池通常用于固定存储和电动汽车应用,但电池也用于可穿戴设备。这些设备需要高水平的安全性,并且必须能够承受磨损。这可能是 PET 电池可以做出贡献的一个领域。
 
其次,该团队预计,开发生产这些 PET 电池的工艺的成本将适合初创企业,因为它们能够灵活地调整其制造工艺以适应新的格式和材料。因此,如果收益(使用 PET 等可持续且具有成本效益的材料)能够超过加工成本,那么这对公司来说绝对是一个可行的解决方案。
 
最后,科学家们的工作是证明升级改造可持续塑料(例如 PET)以实现高价值应用(例如能源存储)的概念。以目前的形式,PET 电池只能为需要低能量的设备供电。这是因为可以实现更高离子电导率的优化尺寸的工程工艺(离子电导率对于实现电池的更高功率很重要)目前尚未处于成熟阶段。

成功的关键在于其优化这些升级塑料电池性能的能力。A*STAR 的 IMRE 团队计划利用更可持续的原料改进聚合物电解质材料的设计。他们还计划通过使用比现有工艺更温和的合成条件来进一步“绿色”聚合物电解质的合成工艺。

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