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Die Batterie aus Papier

von redaktion
Empa, Papier-Batterie

Eine kürzlich in „Scientific Reports“ veröffentlichte Studie belegt die Funktionsfähigkeit einer Einweg-Batterie aus Papier. Die von einem Empa-Forscherteam unter der Leitung von Gustav Nyström entwickele Batterie besteht aus einer rund einen Quadratzentimeter großen elektrochemischen Zelle. Zur Demonstration der Funktionsfähigkeit ihrer Batterie kombinierten die Forscher zwei identische Zellen, um die Betriebsspannung zu erhöhen. Auf diese Weise gelang es, einen Wecker mit Flüssigkristallanzeige zu betreiben. Im Zuge der Analyse 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. Eine normale AA-Alkalibatterie hat eine Spannung von 1,5 Volt.

Mit dieser Art von durch Wasser aktivierbaren Batterien ließe sich eine breite Palette von kleinen Einweg-Elektronikgeräten mit geringem Stromverbrauch betreiben. Zum Beispiel intelligente Etiketten zur Nachverfolgung von Objekten, Umweltsensoren oder medizinische Diagnosegeräte. Gleichzeitig würde damit die Umweltbelastung durch herkömmliche Batterien verringert.

Papierstreifen mit Tinten-Auftrag

Auf einen rechteckigen Papierstreifen, auf dem Kochsalz aufgebracht wurde, druckten die Forscher drei verschiedene Tinten. Eines der beiden kürzeren Enden des Streifens wurde zudem in Wachs getaucht. Die Tinten enthielten einerseits Grafitflocken (Kathode), andererseits Zinkpulver (Anode). Eine dritte Tinte, die Grafitflocken und Ruß enthielt, wurde auf beiden Seiten des Papiers über den beiden anderen Tinten aufgedruckt.

Fügt man eine kleine Menge Wasser hinzu, dann löst sich das im Papier enthaltene Salz auf, geladene Ionen werden freigesetzt und der Elektrolyt wird ionisch leitfähig. Das aktiviert die Batterie: Die Ionen verteilen sich im Papier, was dazu führt, dass das Zink an der Anode oxidiert und Elektronen freisetzt. Durch Schließen des (externen) Stromkreises können diese Elektronen dann von der zinkhaltigen Anode – über die grafit- und rußhaltige Tinte und Drähte – zur Grafitkathode fließen, wo sie auf den Sauerstoff aus der Umgebungsluft übertragen werden und diesen dadurch reduzieren. Durch diese beiden „Redoxreaktionen“ (eine Reduktion und eine Oxidation) wird elektrischer Strom erzeugt.

Eine mit Hilfe einer Schablone gedruckte Papierbatterie in Form des Namens der Eidgenössischen Materialforschungsanstalt (Empa): Die Batterie kann elektronische Geräte mit geringem Stromverbrauch betreiben, beispielsweise einen Wecker mit LCD-Anzeige. © Empa

Dadurch, dass sowohl Papier als auch Zink und die anderen Komponenten biologisch abbaubar sind, könnte man die Umweltauswirkungen von Wegwerfelektronik erheblich minimieren. Weiterer Forschungsaufwand ist allerdings beim Thema Wasseraktivierung notwendig, denn die Batterie ist nur so lange funktionsfähig, so lange sie feucht bleibt. Dessen ist sich Nyström bewusst: „Aber ich bin sicher, dass wir dieses Problem durch einen anderen Aufbau lösen können“, glaubt er. In feucht-nassen Umgebungen wäre dies ohnehin kein Problem.

Superkondensator aus Papier

Vor Kurzem hatte Nyströms Team bereits einen abbaubaren Superkondensator auf Papierbasis entwickelt, der Tausende von Malen geladen und wieder entladen werden konnte, ohne dabei an Effizienz zu verlieren. Im Vergleich zu Batterien gleichen Gewichts haben Superkondensatoren eine etwa zehnmal geringere Energiedichte – dafür aber eine zehn- bis hundertmal höherer Leistungsdichte. Superkondensatoren können daher viel schneller ge- und entladen werden.


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