ساک دستی کاغذی چه بصورت ساک دستی آماده باشد چه بصورت بگ گلاسه و پاکت کرافت و جعبه آماده و جعبه مقوایی در انتها معمولاً سرنوشتی جز سطل زباله ندارند، حالا با فرآیندی خاص به «آند» برای باتری‌های لیتیوم-یون تبدیل شده‌اند. الکترودهای حاصل از این فرآیند، ۱۲۰۰ چرخه‌ی شارژ را پشت سر گذاشتند که تقریباً دو برابر دوام آندهای به کار رفته در باتری‌های گوشی‌های موبایل امروزی است.

اگر محققان بتوانند فرآیند کربنیزاسیون (تولید کربن) خود را از محیط آزمایشگاهی به مقیاس صنعتی برسانند، کاغذهای بازیافتی «کرافت» (همان کاغذهای قهوه‌ای کیسه‌های خرید و جعبه‌ مقوایی) می‌توانند عمر باتری‌ها را به‌طور چشمگیری افزایش دهند.

از کیسه خرید تا داخل گوشی

پژوهشگران دانشگاه NTU سنگاپور موفق شده‌اند روشی برای «پختن» کاغذ کرافت و تبدیل آن به آندهای کربنی که قلب باتری‌های لیتیوم-یون هستند، ابداع کنند. این یک استعاره نیست؛ بسته‌بندی‌های واقعی طی این فرآیند به الکترودهای کاربردی تبدیل می‌شوند.

در این روش، ورقه‌های کاغذ کرافت با برش لیزری، برش خورده و به شکل‌های شبکه‌ای (که برخی شبیه به پینیاتاهای نوک‌تیز هستند) روی هم چیده می‌شوند. سپس این ساختار در کوره‌ای با دمای ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد و در محیطی فاقد اکسیژن قرار می‌گیرد. در نبود اکسیژن، کاغذ نمی‌سوزد، بلکه آب و ترکیبات فرار خود را از دست می‌دهد تا آنچه باقی می‌ماند، کربنی تقریباً خالص با همان شکل هندسیِ برش‌خورده باشد. به این فرآیند «کربنیزاسیون» می‌گویند. (جالب است بدانید در حال حاضر، بیشترِ کاغذهای کرافت سوزانده می‌شوند که نتیجه‌ی آن انتشار دی‌اکسید کربن در جو است).

آند چیست؟

به زبان ساده، آند حکم «پارکینگ یون‌ها» را دارد. در باتری‌های لیتیوم-یون، یون‌ها بین دو الکترود در حرکت‌اند؛ هنگام شارژ، آن‌ها به سمت آند رفته و میان ورقه‌های اتم‌های کربن جای می‌گیرند تا زمانی که باتری به کار گرفته شود. معمولاً از «گرافیت» استفاده می‌شود، زیرا می‌تواند تعداد زیادی یون را بدون تغییر شکلِ ساختاری جذب کند. هر جایگزینی برای گرافیت باید بتواند این کار را هزاران بار بدون فروپاشی انجام دهد.

نتایج آزمایشگاهی

سلول‌های ساخته‌شده با این آندهای کاغذی، تا ۱۲۰۰ بار شارژ و دشارژ شدند که بنا بر اعلام دانشگاه NTU، حدوداً دو برابر عمر کاری آندهای باتری گوشی‌های امروزی است. این باتری‌ها در جذب انرژی تا پنج برابر بهتر از نمونه‌های معمولی عمل کردند؛ استحکامی که تیم تحقیق آن را مدیون نحوه قرارگیری الیاف کاغذ در کنار یکدیگر پیش از ورود به کوره می‌داند.

البته این تحقیق که در مجله Additive Manufacturing منتشر شده، فعلاً در مراحل علمی است و تا رسیدن به خط تولید فاصله دارد. همچنین ظرفیت برگشت‌پذیری این آندها ۶۵ تا ۱۴۰ میلی‌آمپر ساعت بر گرم است، در حالی که گرافیت تجاری حدود ۳۷۲ میلی‌آمپر ساعت بر گرم ارائه می‌دهد؛ بنابراین چگالی انرژی همچنان یک پرسش باز باقی است.

چرا آند به چالش اصلی تبدیل شده است؟

چرا منبع تولید آند اهمیت دارد؟ عمدتاً به خاطر «هزینه». طبق گزارش مجله E&T، آند ۱۰ تا ۱۵ درصد از کل هزینه یک باتری لیتیوم-یون را تشکیل می‌دهد. تقریباً تمام این آندها از گرافیتِ استخراج شده یا سنتزی ساخته می‌شوند و گرافیت به آرامی به یکی از بزرگ‌ترین گلوگاه‌های گذار انرژی تبدیل شده است.

آژانس بین‌المللی انرژی پیش‌بینی می‌کند تا سال ۲۰۳۵، چین حدود ۸۰ درصد گرافیت گرید باتری را تأمین کند. با توجه به کنترل صادرات مواد آند گرافیت توسط پکن، اختلال در این بازار می‌تواند تولید بیش از ۳۰۰ میلیارد دلار محصول در سال را در خارج از چین تهدید کند. در چنین شرایطی، یک کوره پر از کارتن‌های قدیمی دیگر یک کنجکاوی علمی نیست، بلکه یک استراتژی اقتصادی است.

از آزمایشگاه تا خط تولید

پروفسور «لای چانگ‌کوان» از دانشگاه NTU می‌گوید: «کاغذ در جنبه‌های مختلف زندگی ما حضور دارد؛ از بسته‌بندی‌های سنگین تا محافظ‌ها. در سال ۲۰۲۰، حدود یک‌پنجم زباله‌های سنگاپور را کاغذ تشکیل می‌داد که سرنوشت بیشتر آن‌ها سوزانده شدن بود.»

مزیت اصلی این طرح، تغییر مدل مالی است: تولیدکنندگان اکنون پول زیادی برای گرافیتِ معدنی می‌پردازند، اما کارخانه‌ای که بر اساس این فرآیند بنا شود، می‌تواند برای پذیرش زباله‌های کاغذی دستمزد هم دریافت کند! در واقع، هزینه‌هایی که اکنون صرف سوزاندن زباله می‌شود، می‌تواند هزینه مواد اولیه را پوشش دهد.

دانشگاه NTU حق اختراع این روش را ثبت کرده و تجاری‌سازی آن در دستور کار است. با این حال، مقیاس‌سازیِ برش‌های لیزری دقیق برای تولیدات صنعتی، چالش مهندسی دشواری است. همچنین گزارش‌ها حاکی از آن است که بلوک‌های کربنیزه شده می‌توانند به‌عنوان فیلتر گاز یا عایق‌های ضد حریق نیز استفاده شوند.

در نهایت، کاغذ کرافت تنها یکی از ده‌ها جریان پسماند با الیاف مشابه است. تبدیل حتی بخشی از این زباله‌ها به محصولی که کارخانه‌های باتری‌سازی به دنبال آن هستند، می‌تواند تعریف ما از «زباله» را برای همیشه تغییر دهد.