Ein Tropfen Wasser genügt: Künftig könnten Sensoren, intelligente Etiketten oder kleine Diagnosegeräte mit einer neuartigen Einweg-Batterie aus Paper betrieben werden. Diese besteht aus wenig mehr als Papier mit aufgedruckten Elektroden aus Zink- und Graphitpulver – und ist daher umweltfreundlich abbaubar. Der Clou dabei: Aktiv wird die Batterie erst, wenn sie mit Wasser befeuchtet wird. Dadurch löst sich das im Papier integrierte Kochsalz und wird zum Elektrolyten.
Ob Handys, Sensoren oder andere Gadgets: Elektronik wird heute immer mobiler – und benötigt entsprechend mobile Stromlieferanten. Bisher übernehmen dies meist Lithium-Ionen-Akkus, doch ihre Rohstoffe sind knapp und wenig umweltfreundlich. Daher suchen Wissenschaftler nach Alternativen – beispielsweise in Form kleiner mobiler Stromgeneratoren oder neuen, nachhaltigeren Batteriekomponenten. Sogar kompostierbare Kondensatoren und bakterienbetriebene Batterien sind schon im Test.
Eine Batterie aus Papier und Tinten
Noch einen Schritt weiter geht nun ein Team um Alexandre Poulin von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa. Sie haben eine Einweg-Batterie aus Papier entwickelt, die einfach herzustellen, biologisch abbaubar und zu beliebiger Zeit aktivierbar ist. Basis dieses neuen Stromspeichers bildet ein kleiner Streifen kochsalzhaltiges Papier. Auf diese nur rund einen Quadratzentimeter kleine Unterlage werden die elektronischen Komponente in Form von drei verschiedenen Tinten aufgedruckt.
Auf die Vorderseite des Papiers wird eine Tinte aus Shellack, Ethanol als Lösungsmittel und knapp 50 Prozent Graphitflocken aufgedruckt und dient als Kathode. Beim Trocknen bildet sie eine poröse Struktur mit großer Oberfläche. Auf die Papier-Rückseite wird die Anode aus einer Tinte mit knapp 90 Prozent Zinkpulver aufgetragen. Anschließend bekommen beide Seiten des Papierstreifens einen Überzug aus der dritten Tinte, die Graphitflocken und Ruß enthält. Sie dient als Stromkollektor und leitet die Elektronen zu den am Ende angebrachten Drähten.
Durch Wasser aktiviert
Der Clou dabei: Die Batterie wird erst aktiv, wenn man das Papier mit ein wenig Wasser benässt. Dann löst sich das im Papier enthaltene Kochsalz auf und es entstehen Ionen, die als Elektrolyt fungieren. Das Graphit an der Kathode reagiert mit Luft, reduziert den Sauerstoff und entzieht dabei ihrer Umgebung Elektronen. An der Anode wird das Zink oxidiert und setzt Elektronen frei. Durch diese beiden Redoxreaktionen wird ein elektrischer Strom erzeugt, der abgeleitet werden kann.
Wie viel diese Papierbatterie leisten kann, zeigten erste Tests. Nach Zugabe von nur zwei Tropfen Wasser wurde die Minizelle innerhalb von 20 Sekunden aktiv und erzeugte eine stabile Spannung von 1,2 Volt. Zum Vergleich: Die Spannung einer normalen AA-Alkalibatterie beträgt 1,5 Volt. Die Leistung der Papierbatterie liegt bei einer Stromstärke von 0,5 Milliampere bei 150 Mikrowatt, wie Poulin und seine Kollegen ermittelten. Durch Zusammenschalten von zwei solcher Papierbatterien konnten sie genügend Strom erzeugen, um beispielsweise einen Wecker mit Flüssigkristallanzeige zu betreiben.
Energie reicht ein bis zwei Stunden
Allerdings: Die Haltbarkeit der neuen Mini-Batterie ist begrenzt: Sobald das Papier austrocknet, nimmt auch die Leistung der Papierbatterie deutlich ab. Im Test war dies nach rund einer Stunde der Fall. „Die Arbeitsdauer vor dem Austrocknen ist abhängig von der Menge an Wasser, die die Papiermembran absorbieren kann“, erklären die Wissenschaftler. Ein dickeres, saugfähigeres Papier oder eine feuchte Umgebung könnten daher die Lebensdauer dieser Batterie noch weiter verlängern.
Sorgt man für regelmäßigen Wassernachschub, hält die kleine Papierbatterie immerhin bis zu zweieinhalb Stunden durch, bis sie vollständig entladen ist. Dabei liegt die durchschnittliche Spannung bei etwa 0,5 Volt. Wie die Forscher erklären, hängt die Lebensdauer der Batterie entscheidend vom Zinkgehalt der Anode ab. Dieses Metall wird durch die Oxidation beim Entladen allmählich verbraucht. Je mehr Zink vorhanden ist, desto länger hält daher die Batterie.
Abbaubare Stromquelle für Sensoren, RFID-Tags und Co
Nach Ansicht der Wissenschaftler könnten sich solche simplen Einweg-Batterien aus Papier für eine ganze Reihe von Anwendungen nutzen. Denn die bereitgestellte Energie reicht beispielsweise für kleine Komponenten des „Internet of Things“, für Sensoren, RFID-Tags oder Quarzoszillatoren einer Uhr. Auch kleine medizinische Diagnosegeräte könnten mit der Batterie betrieben werden.
Besonders geeignet ist die Papierbatterie jedoch für Umweltsensoren, die in feuchten Umgebungen – beispielsweise im Boden oder der Vegetation – für eine begrenzte Zeit Daten sammeln und übertragen sollen. Denn ist die Aufgabe getan, kann die Batterie einfach in der Umwelt bleiben. Ihre Komponenten sind biologisch abbaubar und umweltverträglich, wie das Team erklärt. (Scientific Reports, 2022; doi: 10.1038/s41598-022-15900-5)
Quelle: Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt
