Eine Papierbatterie mit Wasserschalter
Die Papierbatterie besteht aus zwei in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen an den beiden Enden des Papierstreifens, die durch eine Wasserbarriere (zwischen den Buchstaben «m» und «p») getrennt sind. © Empa
Damit liesse sich eine breite Palette von kleinen Einweg-Elektronikgeräten mit geringem Stromverbrauch betreiben, etwa intelligente Etiketten zum Tracking von Objekten, Umweltsensoren oder medizinische Diagnosegeräte – und erst noch deren Umweltauswirkungen minimieren. Die «Proof-of-Concept»-Studie wurde soeben in «Scientific Reports» veröffentlicht.
Die von Empa-Forscher Gustav Nyström und seinem Team 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 (externen) 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» (eine Reduktion und eine Oxidation) wird ein elektrischer Strom erzeugt, der zum Betreiben eines elektrischen Geräts verwendet werden kann.
«Proof of Concept»: eine nachhaltige Energiequelle für Elektronik mit geringer Leistung
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 (einzelligen) Batterie analysierten, zeigte sich, dass die Batterie nach der Zugabe von zwei Tropfen Wasser innert 20 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.
Das Besondere an der neuen Batterie: 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», ergänzt Nyström. Sprich: 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.
Zwei sich ergänzende Mini-Stromspeicher
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.