Einweg-Batterie aus Papier

Beitragsbild: Empa

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Kleine Einweg-Elektronikgeräte mit geringem Stromverbrauch wie etwa intelligente Etiketten zum Tracking von Objekten, Umweltsensoren oder medizinische Diagnosegeräte könnten künftig mit einer durch Wasser aktivierbare Einweg-Batterie aus Papier betrieben werden. Eine solche Batterie hat gerade ein Empa-Forschungsteam in einer Proof-of-Concept-Studie vorgestellt (Water activated disposable paper battery).

Basis der Batterie ist ein rechteckiger Papierstreifen. Dieser Streifen enthält Salz, und eines der beiden kürzeren Enden des Streifens wurde in Wachs getaucht. Auf eine Seite des Papiers wird eine Tinte gedruckt, die Graphitflocken enthält und als positiver Pol der Batterie (Kathode) fungiert; auf die Rückseite wird eine zweite Tinte gedruckt, die Zinkpulver enthält und als negativer Pol (Anode) dient. Eine dritte Tinte, die Graphitflocken und Russ enthält, wird auf beiden Seiten des Papiers über den beiden anderen Tinten aufgedruckt – als Stromkollektor, der die beiden Pole der Batterie mit zwei Drähten verbindet, die sich an dem in Wachs getauchten Ende des Papierstreifens befinden.

Mit einem Tropfen Wasser lässt sich die Batterie aktivieren. Das im Papier enthaltene Salz löst sich auf und die Ionen verteilen sich, was dazu führt, dass das Zink an der Anode oxidiert wird und Elektronen freisetzt. Durch Schließen des (externen) Stromkreises können diese Elektronen dann von der zinkhaltigen Anode – über die graphit- und rußhaltige Tinte und die Drähte – zur Graphitkathode fließen, wo sie auf den Sauerstoff aus der Umgebungsluft übertragen werden und diesen dadurch reduzieren. Durch diese beiden Redoxreaktionen wird ein elektrischer Strom erzeugt, der zum Betreiben eines elektrischen Geräts verwendet werden kann.

Als die Forschenden die Leistung der Batterie analysierten, zeigte sich, dass die Batterie nach der Zugabe von zwei Tropfen Wasser innerhalb von 20 Sekunden aktiviert wurde und eine stabile Spannung von 1,2 Volt erreichte – die Spannung einer normalen AA-Alkalibatterie beträgt 1,5 Volt. Nach einer Stunde nahm die Leistung der einzelligen Batterie deutlich ab, da das Papier austrocknete. Gaben die Forschenden jedoch zwei weitere Tropfen Wasser hinzu, dann behielt die Batterie eine stabile Betriebsspannung von 0,5 Volt für mehr als eine weitere Stunde.

Das mögliche Austrocknen sehen die Forschenden als kleinen Schwachpunkt der Batterie aus Papier. Sie sind jedoch sicher, dieses Problem durch einen anderen Aufbau lösen zu können – und für Anwendungen in der Umweltsensorik ab einer bestimmten Luftfeuchtigkeit oder in feucht-nassen Umgebungen wäre das Austrocknen ohnehin kein Thema.

Das Team weist darauf hin, dass sich die Umweltauswirkungen von Wegwerf-Elektronik mit geringem Stromverbrauch mit ihrer neuen Batterie deutlich minimieren lassen. Sowohl Papier als auch Zink und die anderen Komponenten seien biologisch abbaubar. Außerdem werde – im Gegensatz zu vielen Metall-Luft-Batterien, bei denen eine Metallfolie verwendet wird – nur gerade die Menge an Zink in die Tinte gegeben, die für die jeweilige Anwendung tatsächlich benötigt werde. Metallfolien seien dagegen viel schwieriger zu dosieren.

Vor kurzem hat das Team bereits einen Superkondensator auf Papierbasis entwickelt, der Tausende von Malen geladen und wieder entladen werden konnte, ohne dabei an Effizienz zu verlieren. Er besteht aus Kohlenstoff, Zellulose, Glycerin und Kochsalz – und ist kompostierbar.

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