Technologie

Einweg-Batterie aus Papier

01.08.2022 - Prototyp erreicht eine stabile Spannung von 1,2 Volt.

Die von Empa-Forscher Gustav Nyström und seinem Team in der Schweiz entwickelte Batterie besteht aus mindestens einer, rund einen Quadrat­zentimeter großen elektro­chemischen Zelle. Drei verschiedene Tinten sind auf einen rechteckigen Papier­streifen aufgedruckt. Salz, in diesem Fall einfach Natrium­chlorid oder Kochsalz, ist im gesamten Papierstreifen verteilt, 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 – als Kathode – fungiert; auf der Rückseite wird eine zweite Tinte gedruckt, die Zinkpulver enthält und als negativer Pol der Batterie – als Anode – fungiert. Eine dritte Tinte, die Graphit­flocken und Russ enthält, wird auf beiden Seiten des Papiers über den beiden anderen Tinten aufgedruckt. Diese bildet die Stromkollektoren, die die beiden Pole der Batterie mit zwei Drähten verbinden, die sich am in Wachs getauchten Ende des Papier­streifens befinden.

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. Dieser Schritt aktiviert die Batterie: Die Ionen verteilen sich im Papier, was dazu führt, dass das Zink an der Anode oxidiert wird und Elektronen freisetzt. Durch Schließen des 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.

Um die Funktionsfähigkeit ihrer Batterie zum Betrieb von Elektronik mit einem geringen Stromverbrauch zu demonstrieren, kombinierte Nyströms Team zwei identische Zellen – dadurch erhöht sich die Betriebs­spannung der Batterie – und betrieb damit einen Wecker mit Flüssigkristallanzeige. Als die Forschenden die Leistung einer Batterie analysierten, zeigte sich, dass die Batterie nach der Zugabe von zwei Tropfen Wasser innert zwanzig Sekunden aktiviert wurde und eine stabile Spannung von 1,2 Volt erreichte. Zum Vergleich: 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 aufrecht.

Dadurch, dass sowohl Papier als auch Zink und die anderen Komponenten biologisch abbaubar sind, könnten sich so die Umwelt­auswirkungen von Wegwerf-Elektronik mit geringem Stromverbrauch deutlich minimieren lassen. „Und im Gegensatz zu vielen Metall-Luft-Batterien, bei denen eine Metallfolie verwendet wird, die nach und nach aufge­braucht wird, wenn die Batterie in Gebrauch ist, geben wir bei unserem Design nur gerade die Menge an Zink in die Tinte, die für die jeweilige Anwendung tat­sächlich benötigt wird“, sagt Nyström. Je mehr Zink die Tinte enthält, desto länger hält die Batterie. Metallfolien seien dagegen viel schwieriger zu dosieren, würden also nicht immer vollständig aufgebraucht, was zu einer Material­verschwendung führt.

Ein kleiner Schwachpunkt des neuen Batterie­konzepts mit Wasser­aktivierung ist die Zeit, die die Batterie feucht – und dadurch funktionsfähig – bleibt, wie Nyström zugibt. „Aber ich bin sicher, dass wir dieses Problem durch einen anderen Aufbau lösen können.“ Und für Anwendungen in der Umwelt­sensorik ab einer bestimmten Luft­feuchtigkeit oder in feucht-nassen Umgebungen wäre das Austrocknen ohnehin kein Thema. 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. Außerdem können sie viel mehr Lade- und Entladezyklen aushalten. „Die beiden Technologien ergänzen sich also sehr gut“, so Nyström. Die Idee hinter der neuen wasser­aktivierten Batterie sei es gewesen, kleine Stromspeicher herzustellen, die vollständig aufgeladen sind und diese Energie erst nach Auslösung eines Stimulus, in diesem Fall einfach eines Wassertropfens, bereit­stellen.

Empa / JOL

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