Technologie

Stromspeicher für den Kompost

17.06.2021 - Biologisch abbaubarer Superkondensator aus dem 3D-Drucker.

Die Anzahl der Daten sendenden Mikro­geräte, etwa bei Verpackungen und Transport­logistik, wird in Zukunft stark zunehmen. All diese Geräte brauchen Energie, doch die dafür notwendige Menge an Batterien würde die Umwelt enorm belasten. Forscher von der schweizerischen Material­forschungsanstalt Empa haben einen kompos­tierbaren Mini-Kondensator entwickelt, der das Problem lösen kann. Er besteht lediglich aus Kohlenstoff, Zellulose, Glycerin und Kochsalz – und er funktioniert zuver­lässig.

Die Fabrikations­anlage für die Batterie-Revolution sieht recht harmlos aus: Es ist ein modifizierter, handels­üblicher 3D-Drucker, der in einem Raum im Empa Laborgebäude steht. Die eigent­liche Innovation liegt im Rezept für die gelatinösen Tinten, die dieser Drucker auf eine Oberfläche spritzen kann. Die Mixtur, um die es dabei geht, besteht aus Zellulose-Nano­fasern und Zellulose-Nano­kristalliten, dazu kommt Kohlenstoff in Form von Ruß, Graphit und Aktivkohle. Um all dies zu verflüssigen, benutzen die Forscher Glycerin, Wasser und zwei verschiedene Sorten Alkohol. Dazu eine Prise Kochsalz für die ionische Leitfähigkeit. Um aus diesen Zutaten einen funk­tionierenden Super­kondensator zu bauen, braucht es vier Schichten, die alle nacheinander aus dem 3D-Drucker fließen: eine flexible Folie, eine strom­leitende Schicht, dann die Elektrode und zum Schluss der Elektrolyt. Das Ganze wird dann wie ein Sandwich zusammen­gefaltet, mit dem Elektrolyten in der Mitte.

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. Außerdem ist der Kondensator ist resistent gegen Druck und Erschütterung. Wenn man ihn nicht mehr braucht, kann man ihn in den Kompost werfen oder einfach in der Natur zurücklassen. Nach zwei Monaten ist der Kondensator in seine Bestand­teile zerfallen, nur ein paar sichtbare Kohlepartikel bleiben von ihm übrig. 

„Das klingt recht einfach, das war es aber ganz und gar nicht“, sagt Xavier Aeby von der Empa-Abteilung „Cellulose & Wood Materials“. Lange Versuchs­reihen seien nötig gewesen, bis alle Parameter stimmten, bis alle Komponenten zuverlässig aus dem Drucker flossen und der Kondensator schließlich funk­tionierte. „Als Forscher wollen wir ja nicht nur herum­probieren, sondern auch verstehen, was im Inneren unserer Materialien geschieht“, sagt Aeby. Gemeinsam mit seinem Chef Gustav Nyström hat er das Konzept des bioabbau­baren Strom­speichers entwickelt und umgesetzt. „Das Projekt eines kompostier­baren Stromspeichers lag mir schon lange am Herzen“, so Nyström.

Der Super­kondensator könnte bald zu einem Schlüssel­baustein für das Internet der Dinge werden, erwarten Nyström und Aeby. „In Zukunft könnte man solche Konden­satoren etwa mit Hilfe 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 – man muss diese Batterien nicht wieder einsammeln, sondern könnte sie nach verrichteter Arbeit einfach in der Natur belassen.

Zur wachsenden Zahl elek­tronischer Kleinstgeräte wird auch die patientennahe Labor­diagnostik beitragen, die derzeit boomt. Kleine Testgeräte für den Einsatz am Krankenbett oder Selbsttest­geräte für Diabetiker zählen etwa dazu. Auch für solche Anwendungen könnte sich der kompos­tierbare Zellulose-Kondensator gut eignen, ist Gustav Nyström überzeugt.

Empa / JOL

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