Τεχνολογία μετατρέπει τα πλαστικά μπουκάλια σε πολυμερή για μπαταρίες ιόντων λιθίου
Μια ομάδα επιστημόνων του A*STAR, ενός κέντρου ερευνών στη Σιγκαπούρη, μετασχημάτισε με επιτυχία τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET) από πλαστικά μπουκάλια σε πολυμερείς ηλεκτρολύτες, οι οποίοι αποτελούν βασικά συστατικά για ασφαλέστερες μπαταρίες ιόντων λιθίου (Lithium-Ion Batteries, LiBs).
Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR.
Η μελέτη είναι η πρώτη γνωστή αναφορά σε λειτουργική μπαταρία ιόντων λιθίου που δομικά της μέρη χρησιμοποιούν ανακυκλωμένα πολυμερή PET, τα οποία παραδοσιακά χρησιμοποιούνται στην κατασκευή πλαστικών φιαλών. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Journal of Materials Chemistry Α το Νοέμβριο του 2022.
Τα πλαστικά απόβλητα είναι ένα εντεινόμενο πρόβλημα για το σύγχρονο κόσμο το οποίο θα συνεχίσει να απασχολεί τον πλανήτη εφόσον εξακολουθεί και η ζήηση για πλαστικά. Πιο συγκεκριμένα, 460 εκατομμύρια τόνοι πλαστικών παρήχθησαν παγκοσμίως το 2019, αλλά μόνο το 9% αυτών ανακυκλώνεται, ενώ το υπόλοιπο είτε αποτεφρώνεται ή απορρίπτεται σε χώρους υγειονομικής ταφής και στο περιβάλλον.
Τα πλαστικά απόβλητα ανακυκλώνονται συμβατικά μέσω μηχανικών και χημικών διεργασιών, που έχουν τα μειονεκτήματά τους. Στη μηχανική ανακύκλωση, μόνο ένα μικρό ποσοστό ανακυκλωμένου PET μπορεί τελικά να χρησιμοποιηθεί, καθώς οι φυσικές του ιδιότητες υποβαθμίζονται σε κάθε γύρο ανακύκλωσης λόγω της διάσπασης της αλυσίδας του πολυμερούς. Η χημική ανακύκλωση απαιτεί υψηλές ποσότητες ενέργειας και μπορεί να είναι πιο δαπανηρή σε σύγκριση με τη χρήση πρωτογενών πολυμερών.
«Η αναβαθμιστική ανακύκλωση των πλαστικών αποβλήτων είναι μια νέα στρατηγική για να δώσει σε αυτά τα πανταχού παρόντα - αλλά συνήθως απορριπτόμενα- υλικά, μια νέα πνοή και να τα μετατρέψει σε νέα προϊόντα προστιθέμενης αξίας για νέες εφαρμογές. Τα πλαστικά PET προσφέρουν μεγάλες δυνατότητες ανακύκλωσης λόγω των υφιστάμενων υποδομών συλλογής και των σχετικά απλών ροών αποβλήτων τους», δήλωσε ο Δρ. Derrick Fam, Αναπληρωτής Επικεφαλής του τμήματος Polymer Composites στο Institute of Materials Research and Engineering του A*STAR (IMRE), ο οποίος ηγήθηκε αυτής της μελέτης μαζί με τον Δρ. Jason Lim, Αναπληρωτή Επικεφαλής του Soft Materials department στο IMRE.
«Υπάρχει αύξηση της ζήτησης για υλικά βιώσιμης προέλευσης για μπαταρίες ιόντων λιθίου λόγω της τάσης εξηλεκτρισμού που κυριαρχεί αυτή τη στιγμή. Ωστόσο, η χρήση πλαστικών αποβλήτων PET ως πηγή για πολυμερείς ηλεκτρολύτες δεν έχει επιτευχθεί ποτέ μέχρι τώρα. Η παρούσα προσπάθεια είναι η πρώτη προσπάθεια μας να ανακυκλώσουμε τα πλαστικά απόβλητα PET για χρήση σε μπαταρίες», τονίζει ο Δρ Lim.
Τα πλαστικά PET έχουν πολλές ιδιότητες που ευνοούν την αναβαθμιστική ανακύκλωση
Ξεκλειδώνοντας τις δυνατότητες του PET
Μεταξύ των διαφορετικών τύπων πλαστικού, το τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET) είναι ένα από τα πλαστικά που παράγονται σήμερα σε μεγάλες πσοότητες (31 εκατομμύρια τόνους το 2019).
Τα πλαστικά PET διαθέτουν χαρακτηριστικά που τα καθιστούν κατάλληλα για ανακύκλωση σε πολυμερείς ηλεκτρολύτες (Polymer Electrolytes, PEs). Αποτελούνται από άκαμπτα τερεφθαλικά δομικά στοιχεία, τα οποία συμβάλλουν στις εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητές τους και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ενισχύσουν τη μηχανική στιβαρότητα των PEs, η οποία με τη σειρά της διευκολύνει την ενσωμάτωση τους σε μπαταρίες. Τα PET διαθέτουν επίσης εύκολα αποδομήσιμους χημικούς δεσμούς που επιτρέπουν την επαναχρησιμοποίησή τους με τη μορφή νέων χημικών δομικών στοιχείων, τα οποία με τη σειρά τους μπορούν να ανασυσταθούν σε νέα πολυμερή για νέες εφαρμογές.
Από τα μπουκάλια στις μπαταρίες: επαναστατική σχεδίαση μπαταριών
Τα μπουκάλια PET χρησιμοποιήθηκαν από την ομάδα για το σχεδιασμό PEs με βάση την πολυουρεθάνη. Σε σύγκριση με τους συμβατικούς υγρούς ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι πολυμερείς ηλεκτρολύτες είναι πολλά υποσχόμενοι ως εναλλακτικά δομικά στοιχεία μπαταριών και έχουν τη δυνατότητα να εξαλείψουν τους κινδύνους ασφάλειας, όπως διαρροή ηλεκτρολυτών, ανεξέλεγκτη θέρμανση, διόγκωση, ανάπτυξη δενδριτών και ανάφλεξη.
Μετά την αξιολόγηση της βιωσιμότητας των πολυμερών που προέρχονται από πλαστικά απόβλητα PET ως στερεών πολυμερών ηλεκτρολυτών, η ομάδα αξιολόγησε περαιτέρω την ιοντική αγωγιμότητα και την απόδοση του κύκλου ζωής τους όταν χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρολύτες πολυμερούς γέλης για μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Τα ευρήματα από τη μελέτη κατέδειξαν τη δυνατότητα χρήσης των πολυουρεθανών που προέρχονται από απόβλητα PET ως πολυμερείς ηλεκτρολύτες για μπαταρίες ιόντων λιθίου. Πέτυχαν αγωγιμότητα στα επίπεδα των 10-4 S/cm σε θερμοκρασία δωματίου για έναν ηλεκτρολύτη πολυμερούς σε μορφή γέλης (Gel Polymer Electrolyte, GPE), τιμή η οποία είναι συγκρίσιμη με τα υπάρχοντα εμπορικά συστήματα που περιέχουν υγρούς ηλεκτρολύτες. Η ομάδα συναρμολόγησε επίσης με επιτυχία μία λειτουργική μπαταρία ιόντων λιθίου χρησιμοποιώντας αυτά τα πολυμερή και έδειξε ότι τα κελιά της μπαταρίας είχαν τη δυνατότητα να ολοκληρώσουν επαναλαμβανόμενους κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης για έως και 150 φορές.
Η πολλά υποσχόμενη απόδοσή των πολυμερών ηλεκτρολυτών από ανακυκλωμένα απόβλητα PET ανοίγει το δρόμο για ένα μέλλον που θα τροφοδοτείται από περισσότερη βιώσιμη ενέργεια, όπου τα απόβλητα PET μπορούν να μετασχηματιστούν σε υλικά πολυαιθυλενίου για μπαταρίες, δημιουργώντας μια κυκλική οικονομία που θα καταπολεμήσει το αυξανόμενο θέμα της συσσώρευσης πλαστικών αποβλήτων.
Η ερευνητική ομάδα θα προσπαθήσει επίσης να εφαρμόσει την τεχνολογία σε μεγαλύτερη κλίμακα για την κατασκευή εξαρτημάτων για πιο οικολογικά φιλικές μπαταρίες. Η πρωτοβουλία είναι σε απόλυτη εναρμόνιση με τις προσπάθειες του A*STAR να αναπτύξει βιώσιμες λύσεις για την ενεργειακή απόδοση και τη διαχείριση αποβλήτων.
Πηγή: phys.org
ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR
