Die Zahl der elektronischen Kleinstgeräte wächst. Sie sind etwa in Verpackungen integriert oder in der Transportlogistik anzutreffen. Diese Geräte senden Daten und brauchen dazu Strom. Sollte ihre Anzahl – wie prognostiziert – in Zukunft stark steigen, würden die dafür benötigten Batterien eine hohe Umweltbelastung darstellen. Ein Lösungsansatz für dieses Problem kommt von Empa-Forschern in der Schweiz (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt). Sie haben einen Mini-Kondensator entwickelt, der nur aus Kohlenstoff, Zellulose, Glycerin und Kochsalz besteht. Und das Beste daran – er ist biologisch abbaubar bzw. kompostierbar.
Der Mini-Kondensator wird mit einem handelsüblichen, allerdings modifizierten 3D-Drucker hergestellt. Die eigentliche Innovation liegt dabei in den gelatinösen Tinten, die dieser Drucker auf eine Oberfläche spritzen kann. Die Mischung für den Kondensator besteht aus Cellulose-Nanofasern und Cellulose-Nanokristalliten, dazu kommt Kohlenstoff in Form von Ruß, Graphit und Aktivkohle. Diese Zutaten müssen verflüssigt werden. Dazu benutzen die Forscher Glycerin, Wasser und zwei verschiedene Sorten Alkohol. Außerdem etwas Kochsalz für die ionische Leitfähigkeit.
Ein Sandwich mit vier Schichten
Um daraus einen funktionierenden Superkondensator zu bauen, werden vier Schichten benötigt, die nacheinander aus dem 3D-Drucker fließen: eine flexible Folie, eine stromleitende Schicht, die Elektrode und schließlich der Elektrolyt. Das Ganze wird wie ein Sandwich zusammengefaltet, mit dem Elektrolyten in der Mitte. Hauptverantwortlicher Forscher Xavier Aeby von der Empa-Abteilung „Cellulose & Wood Materials“ meint: „Das klingt recht einfach, das war es aber ganz und gar nicht“. Denn lange Versuchsreihen seien nötig gewesen, bis alle Parameter richtig eingestellt waren, alle Komponenten zuverlässig aus dem Drucker flossen und der Kondensator schließlich funktionierte.
Der Mini-Kondensator kann über Stunden Strom speichern und schon jetzt eine kleine Digitaluhr antreiben. Er übersteht Tausende Lade- und Entladezyklen und voraussichtlich auch jahrelange Lagerung – selbst bei frostigen Temperaturen, glauben die Forscher. Außerdem sei der Kondensator resistent gegen Druck und Erschütterung.
Biologisch abbaubar
Wenn der Kondensator nicht mehr gebraucht wird, darf er in den Kompost wandern oder kann einfach in der Natur zurücklassen werden. Nach zwei Monaten ist der Kondensator in seine Bestandteile zerfallen, nur ein paar kleine Kohlepartikel bleiben übrig.
Gemeinsam mit Chef Gustav Nyström hat Aeby das Konzept des biologisch abbaubaren Stromspeichers entwickelt und umgesetzt. Aeby studierte Mikrosystemtechnik an der EPFL und wechselte für seine Doktorarbeit an die Empa. Nyström und sein Team forschen seit Jahren an funktionalen Gelen auf Basis von Nanozellulose. Das Material ist nicht nur ein umweltfreundlicher, nachwachsender Rohstoff, sondern durch seine innere Chemie auch äußerst vielseitig einsetzbar. „Das Projekt eines kompostierbaren Stromspeichers lag mir schon lange am Herzen“, sagt Nyström. „Wir haben uns mit unserem Projekt ‘Printed Paper Batteries’ um Empa-interne Forschungsgelder beworben und konnten dann mit diesen Mitteln unsere Aktivitäten starten. Nun haben wir ein erstes Ziel erreicht.“
Anwendung im Internet of Things
Für Nyström und Aeby könnte ein zentraler Einsatzbereich für den Superkondensator das „Internet of Things“ sein. „In Zukunft könnte man solche Kondensatoren etwa mithilfe eines elektromagnetischen Feldes kurz aufladen, dann würden sie über Stunden Strom für einen Sensor oder Mikrosender liefern.“ So könnte man zum Beispiel den Inhalt einzelner Pakete während des Versandwegs überprüfen. Auch die Stromversorgung von Sensoren im Umwelt-Monitoring oder in der Landwirtschaft ist denkbar. Der Vorteil: Man müsste diese Batterien nicht wieder einsammeln, sondern könnte sie nach getaner Arbeit in der Natur belassen. Zur wachsenden Zahl elektronischer Mikrogeräte wird auch die patientennahe Labordiagnostik beitragen. Das sind kleine Testgeräte etwa für den Einsatz am Krankenbett oder Selbsttestgeräte für Diabetiker. Auch für solche Anwendungen könnte sich der kompostierbare Zellulose-Kondensator gut eignen, ist Nyström überzeugt.