Biologisch abbaubar: Schweizer Team entwickelt Papierbatterie

Schweizer Forscher haben eine biologisch abbaubare Batterie auf Papierbasis entwickelt. Sie könnte beispielsweise Sensoren betreiben.

Artikel veröffentlicht am 4. August 2022, 10:00 Uhr, Werner Pluta

Papierbatterie mit zwei Zellen (Em und pa): Aktivierung durch zwei Tropfen Wasser (Bild: Empa)

Strom für Sensoren und andere Minigeräte: Ein Team aus der Schweiz hat eine Einwegbatterie aus Papier entwickelt, die durch Wasser aktiviert wird und biologisch abbaubar ist.

Der Stromlieferant besteht aus einem Streifen salzhaltigen Papiers. Darauf werden die Komponenten aufgebracht. Eine Seite des Streifens wird in Wachs getaucht, das zwei Drähte hält, mit denen die Batterie an einen Verbraucher angeschlossen wird.

Die Batterie besteht aus einer elektrochemischen Zelle, die etwa einen Quadratzentimeter groß ist. Auf einem Papierstreifen könnten sich auch mehrere Zellen befinden, teilte das Team der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) mit. Die Zellen werden mit drei verschiedenen Tinten gedruckt.

Auf eine Seite wird mit einer Tinte, die aus Schellack, Ethanol und Grafitflocken besteht, die Kathode gedruckt. Die Anode befindet sich auf der anderen Seite des Papierstreifens. Sie besteht aus einer Tinte, die einen sehr hohen Anteil an Zink enthält.

Eine dritte Tinte dient als Stromkollektor

Schließlich werden beide Seiten mit einer Tinte überzogen, die Graphitflocken und Ruß enthält. Diese bilden die Stromkollektoren, welche die beiden Pole der Batterie mit zwei Drähten verbinden, die sich am in Wachs getauchten Ende des Papierstreifens befinden.

Aktiviert wird die Batterie mit zwei Tropfen Wasser: Es löst das Salz in dem Papier. So werden Ionen freigesetzt, die sich im Papier verteilen. Das führt dazu, dass das Zink an der Anode oxidiert wird und Elektronen freisetzt. Das Graphit der Kathode reagiert mit dem Sauerstoff aus der Luft und nimmt Elektronen auf.

Durch diese beiden Redoxreaktionen wird elektrischer Strom erzeugt, der zum Betreiben eines elektrischen Geräts verwendet werden kann. Die Forscher um Alexandre Poulin testeten ihre Batterie erfolgreich an einem kleinen Wecker mit einem LCD.

Nach 20 Sekunden fließt Strom

Nach dem Aufträufeln des Wassers dauert es etwa 20 Sekunden, bis Strom fließt. Die Batterie liefert eine Spannung von 1,2 Volt, also fast so viel wie eine Mignonzelle (AA). Die Stromstärke beträgt 0,5 Milliampere, die Leistung 150 Mikrowatt.

Die Batterie funktioniert so lange, wie das Papier nass ist - bei einer einzelligen Batterie lag die Betriebsdauer bei etwa einer Stunde. Mit zwei weiteren Tropfen Wasser konnte sie wieder aktiviert werden und behielt eine Spannung von 0,5 Volt über mehr als eine weitere Stunde.

Ein weiterer limitierender Faktor bei der Betriebsdauer ist das Zink: Das Material wird durch die Oxidation aufgebraucht. Sprich: Mit mehr Zink und einem Substrat, das mehr Wasser aufnehmen kann, ließe sich die Betriebsdauer verlängern.

Die Komponenten der Batterie sind alle biologisch abbaubar. Das bedeutet, die Batterie kann für Einweganwendungen gebaut werden, ohne dass sie die Umwelt belastet. Anwendungen sehen die Entwickler beispielsweise im Internet der Dinge: Die Batterie könnte etwa intelligente Etiketten zum Tracking von Objekten, Umweltsensoren oder medizinische Diagnosegeräte betreiben. Die Ergebnisse veröffentlichte das Team in der Fachzeitschrift Nature Scientific Reports.