Auf den ersten Blick sieht es aus wie ein gewöhnlicher Stickerbogen aus dem Schreibwarengeschäft, nur nicht ganz so bunt. Doch die kleinen rechteckigen Objekte, die sich mit dem Finger aus dem Bogen herausdrücken lassen, sind Prototypen von Folien-Batterien, gedruckt mit einem Siebdrucker, ultradünn und extrem flexibel. Noch enthalten sie Metalle, doch zukünftig sollen sie vollständig aus innovativen Kunststoffen aufgebaut sein.
„Batterien auf der Basis von Polymeren, sogenannte organische Radikalbatterien, sind risikoarm und nachhaltig, denn sie enthalten keine umweltschädlichen oder selten vorkommenden Metalle und metallische Verbindungen in den Elektroden, wie etwa Lithium oder Kobalt“, sagt Dr. Martin Hager vom Zentrum für Energie und Umweltchemie der Universität Jena (CEEC Jena). „Damit schließen sie eine wichtige Lücke hin zu einer vollständig regenerativen Energieversorgung“, betont der Chemiker, der die Forschergruppe „Neue polymere Materialien für effiziente Energiespeicher“ leitet. Denn bisher gebe es zwar „grüne“ Technologien zur Energiegewinnung, aber keine „grünen“ Energiespeicher.
Polymere als Rückgrat
Zur Speicherung der elektrischen Energie werden in den Kunststoffbatterien unter anderem stabile Radikale eingesetzt – das sind Moleküle, die mindestens ein ungepaartes Elektron enthalten. Die Polymere fungieren dabei als eine Art Rückgrat, an dem die Radikale als Aktiveinheiten wie an einer Perlenkette hängen. Hinzu kommen leitfähige Additive, wie etwa Graphit oder Nanofasern, sowie ein Bindemittel. „Die Aktiveinheiten sind entscheidend, da ihre Struktur die elektrische Spannung bestimmt“, sagt Hager.
Zudem müssen beide Elektroden – also Anode und Kathode – aufeinander abgestimmt sein. „Es gibt bereits eine Vielzahl an bekannten Kathoden-Materialien, weshalb wir nun vor allem an Polymeren für die Anode forschen“, erklärt der Chemiker. Dabei setzen die Jenaer Wissenschaftler auf Konzepte, die sich für die industrielle Fertigung eignen: „Eine optimale Elektrodenmischung heißt für uns auch, dass ihre Synthese möglichst einfach und günstig ist“, betont Hager.
Geeignet für Massenproduktion
Auch die Herstellung der organischen Radikalbatterien ist für die industrielle Massenproduktion geeignet: Denn die leitfähigen Polymere lassen sich als Paste oder flüssige „Tinte“ mittels Sieb- oder Tintenstrahldruck innerhalb weniger Minuten einfach ausdrucken. „Mit dem Tintenstrahldruck können wir die Form der Batterie entsprechend ihrer Anwendung maßschneidern, während mit dem Siebdruck sich dickere und damit leistungsfähigere Batterien herstellen lassen“, erklärt Martin Hager.
Die Kapazität der hauchdünnen Kunststoffbatterien ist zwar deutlich geringer als die eines konventionellen metallhaltigen Akkus. „Für viele Anwendungen ist das aber bereits ausreichend, wie etwa für Leuchtdioden oder intelligente Verpackungen, die anzeigen, ob das Mindesthaltbarkeitsdatum schon überschritten oder die Kühlkette unterbrochen wurde“, sagt Hager. Zudem lassen sich die Batterien innerhalb weniger Minuten wiederaufladen – und das bis zu 1.000 Mal.
(Friedrich-Schiller-Universität Jena, 11.09.2014 – AKR)
