Paper Battery Papierbatterie Empa

Papierbatterie

empa Wissenschaftler entwickeln biologisch abbaubaren Energiespeicher

26. August 2022

Durch die Digitalisierung der Logistik und des Verkehrs werden immer häufiger Oberflächen und Verpackungen mit Mikrosendern ausgestattet. Konventionelle Batteriesysteme würden nach kurzer Lebensdauer die Umwelt stark belasten. Deshalb haben Wissenschaftler an der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) eine biologisch abbaubare Batterie entwickelt.

Papierbatterie besteht aus Zellulose, Kohlenstoff, Glycerin und Kochsalz

Der Kondensator besteht vornehmlich aus Zellulose und anderen ungiftigen Materialien wie Kohlenstoff, Glycerin und Kochsalz und baut sich unter normalen Bedingungen in der Natur in wenigen Wochen ab. Für die Herstellung haben die empa-Forscher um Gustav Nyström einen konventionellen 3D-Drucker genutzt, mit dem ein Sandwich aus vier verschiedenen Schichten aufgebaut wurde.

Im einzelnen handelt es sich um eine flexible Folie, eine elektrisch leitende Schicht, die Elektrode und das Elektrolyt. Im Detail besteht die Mischung aus Zellulose-Nanokristalliten und Zellulose-Nanofasern sowie Kohlenstoff in Form von Aktivkohle, Russ und Graphit.

Um die Druckfähigkeit sicherzustellen, haben die Wissenschafter die Materialien mit Wasser, Glycerin und zwei unterschiedlichen Alkoholen verflüssigt. Kochsalz diente für die Gewährleistung der ionische Leitfähigkeit.

Biologisch abbaubare Papierbatterie biodegradable paper battery

Der Kondensator im Miniaturformat ist in der Lage, über Stunden Energie zu speichern und an kleine Verbraucher wie Displays und Digitaluhren abzugeben. Die Papierbatterie ist zudem auf tausende Lade- und Entladezyklen ausgelegt und verfügt über eine hinreichende Resistenz gegenüber Druck, Erschütterungen sowie besonders niedrige Temperaturen.

Auch die Kompostierbarkeit der Papierbatterie haben die Forscher Xavier Aeby und Gustav Nyström bereits getestet. Ergebnis: Nach zwei Monaten war der Kondensator in seine Bestandteile zerfallen. Nur einige wenige Kohlepartikel waren noch zu sehen.

“Das Projekt eines kompostierbaren Stromspeichers lag mir schon lange am Herzen”, so 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.”

Auf Basis der Ergebnisse haben die Empa-Forscher nun eine durch Wasser aktivierbare Papierbatterie für Einweg-Elektronikgeräte entwickelt. Beispiel-Anwendungen wären Umweltsensoren, medizinische Diagnosegeräte oder intelligente Etiketten zum Tracking von Objekten.

“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 Aeby. Wegen der biologischen Abbaubarkeit könnten die Batterien bei Anwendungen in der Landwirtschaft einfach in der Natur verbleiben.

Die Proof-of-Concept-Studie wurde vor kurzem in “Scientific Reports” veröffentlicht. Weitere Informationen zu den Forschungsarbeiten findet man unter: www.empa.ch

Bild (oben): Durch Wasser aktivierbare Einweg-Batterie aus Papier (Foto: Gian Vaitl, Empa)

Bild (Mitte): Die biologisch abbaubare Batterie besteht aus vier Schichten, die alle nacheinander aus einem 3D-Drucker fließen. Das Ganze wird dann wie ein Sandwich zusammengefaltet, mit dem Elektrolyten in der Mitte. (Foto: Gian Vaitl, Empa)

Bild (unten): Nach zwei Monaten im Erdreich hat sich der Kondensator aufgelöst, nur wenige sichtbare Kohlenstoffpartikel bleiben zurück. (Foto: Gian Vaitl, Empa)