Empa: Durch Wasser aktivierbare Einweg-Batterie aus Papier

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Ein Forscherteam der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in der Schweiz hat eine Batterie für Einweg-Elektronikgeräte entwickelt. Sie besteht aus Papier und anderen biologisch abbaubaren Materialien und kann die Umweltauswirkungen vieler Einweggeräte deutlich senken.

Viele Einweg-Elektronikgeräte verbrauchen nur wenig Strom

Zur Wegwerf-Elektronik gehören beispielsweise intelligente Etiketten zum Tracking von Objekten, Umweltsensoren oder medizinische Diagnosegeräte. Sie haben einen geringen Stromverbrauch und könnten deshalb mit der neuen Papierbatterie der Empa betrieben werden. Die Empa stellte ihre Entwicklung vor kurzem im Fachjournal „Scientific Reports“ vor.

So funktioniert die Papierbatterie

Diese „Proof-of-Concept“-Batterie, mit der die Forscher die grundsätzliche Machbarkeit zeigen, funktioniert so: Die Batterie besteht aus mindestens einer elektrochemischen Zelle, die etwa einen Quadratzentimeter groß ist. Auf einen rechteckigen Papierstreifen sind drei verschiedene Tinten aufgedruckt. Im gesamten Papierstreifen verteilen die Forscher Natriumchlorid oder Kochsalz, eins der beiden kürzeren Enden ist in Wachs getaucht.

Das Papier ist auf einer Seite mit einer Tinte bedruckt, die Graphitflocken enthält und als Pluspol (Kathode) fungiert. Der Minuspol (Anode) der Batterie befindet sich auf der Rückseite in Form einer zweiten Tinte, die Zinkpulver enthält. Die dritte Tinte enthält Graphitflocken und Ruß und ist auf beiden Seiten des Papiers über den beiden anderen Tinten aufgedruckt. Sie bildet die Stromkollektoren, die die beiden Pole mit zwei Drähten verbinden, die sich an den in Wachs getauchten Enden des Papierstreifens befinden.

Aktivierung durch Wasser

Auf diese Konstruktion geben die Forscher nun eine kleine Menge Wasser und aktivieren dadurch die Batterie. Das im Papier enthaltene Salz löst sich auf, geladene Ionen werden freigesetzt, und der Elektrolyt wird leitfähig für die Ionen. Diese verteilen sich im Papier, wodurch das Zink an der Anode oxidiert und Elektronen freisetzt. Schließt man den (externen) Stromkreis, können diese Elektronen dann von der zinkhaltigen Anode über die graphit- und rußhaltige Tinte und die Drähte zur Graphitkathode fließen. Dort werden sie auf den Sauerstoff aus der Umgebungsluft übertragen und lösen eine Redoxreaktion aus.

Zwei zusammengeschaltete Papierbatterien versorgen einen Wecker

Die beiden Redoxreaktionen erzeugen elektrischen Strom, der dann ein Gerät versorgen kann. Um dies zu veranschaulichen, verband das Forscherteam zwei identische Zellen miteinander. Dadurch erhöhte sich die Betriebsspannung der Batterie, die dann einen Wecker mit Flüssigkristallanzeige betreiben konnte.

Eine einzelne Papierzelle erreicht nach Zugabe von zwei Tropfen Wasser innerhalb von 20 Sekunden eine stabile Spannung von 1,2 Volt. Diese nahm jedoch nach einer Stunde deutlich ab, als das Papier austrocknete. Nach Zugabe von zwei weiteren Tropfen Wasser behielt die Batterie noch über eine Stunde lang eine stabile Betriebsspannung von 0,5 Volt. Zum Vergleich: Eine normale AA-Alkalibatterie hat eine Spannung von 1,5 Volt.

Vorteil gegenüber Metall-Luft-Batterien

Im Gegensatz zu normalen Batterien sind die Komponenten der Papierbatterie biologisch abbaubar. Und das Design hat einen weiteren Vorteil: „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“, erklärt Empa-Forscher Gustav Nyström.

Das heißt: Je mehr Zink die Tinte enthält, desto länger hält die Batterie. Dagegen seien Metallfolien viel schwieriger zu „dosieren“ und würden nicht immer vollständig aufgebraucht und damit Material verschwendet.

Nächster Schritt: Die Betriebsdauer erhöhen

Jetzt wollen die Forscher noch daran arbeiten, die Funktionsdauer der Batterie zu erhöhen, die daran gekoppelt ist, wie lange das Papier feucht bleibt. Gustav Nyström ist sich jedoch sicher, dass er und sein Team dieses Problem durch einen anderen Aufbau lösen können. Wenn man die Papierbatterie für Anwendungen in der Umweltsensorik ab einer bestimmten Luftfeuchtigkeit oder in feucht-nassen Umgebungen nutze, sei das Austrocknen sowieso kein Thema.

Perfekte Ergänzung zum Papier-Superkondensator

Es ist nicht die erste Papierbatterie, die Nyströms Team entwickelt. Die Forscher haben bereits einen biologisch abbaubaren Superkondensator auf Papierbasis entworfen, der Tausende Ladezyklen durchhält und dabei seine Effizienz behält. Superkondensatoren sind eine gute Ergänzung zu Batterien, da sie sich viel schneller laden lassen und eine deutlich höhere Leistungsdichte besitzen.

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