Batterie aus Papier mit „Wasserschalter“
Mit einer biologisch abbaubaren Batterie könnten die negativen Folgen von Wegwerf-Elektronik minimiert werden. Bisher arbeitet sie allerdings nur in feuchter Umgebung zuverlässig.
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.
Foto: Empa
Intelligente Etiketten können die Reise eines Produkts nachverfolgen, etwa den Weg von der Postagentur zum Verteilzentrum, den Ort der Verladung in einen Lkw, die Reise zum Verteilzentrum nahe dem Bestimmungsort und schließlich die letzte Meile zum Empfänger. So können beispielsweise Beschädigungen lokalisiert werden. Ein solches Etikett braucht Strom, also eine Batterie. Künftig könnte sie recycelbar sein, weil sie im Wesentlichen aus Papier besteht. Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Dübendorf haben sie entwickelt, um kleine elektronische Geräte wie Umweltsensoren, tragbare Gesundheitswächter und eben Etiketten umweltverträglich mit Strom zu versorgen.
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Kochsalz und drei verschiedene Tinten
Die von Empa-Forscher Gustav Nyström und seinem Team entwickelte Batterie besteht aus einer rund 1 cm2 großen elektrochemischen Zelle. Basis ist ein rechteckiger Papierstreifen. Er ist mit Salz angereichert, in diesem Fall mit einfachem Natriumchlorid, besser bekannt als Kochsalz. Eines der beiden kürzeren Enden des Streifens tauchten die Forschenden in Wachs. Auf eine Seite des Papiers druckten sie eine Tinte, die Graphitflocken enthält und als positiver Pol der Batterie – als Kathode – fungiert. Auf die Rückseite druckten sie eine zweite Tinte, die Zinkpulver enthält und als negativer Pol der Batterie – als Anode – fungiert. Mit einer dritten Tinte, die Graphitflocken und Ruß enthält, überlagerten sie die beiden anderen Tinten.
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Wasser setzt Ionen frei
Wenn auf diese Anordnung ein Tröpfchen Wasser fällt löst sich das im Papier enthaltene Salz auf, sodass Ionen freigesetzt werden – der Tropfen ist gewissermaßen der Einschalter. Die Ionen verteilen sich im Papier, was dazu führt, dass das Zink an der Anode oxidiert 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 Redoxreaktionen (eine Reduktion und eine Oxidation) wird ein elektrischer Strom erzeugt, der zum Betreiben eines elektrischen Geräts verwendet werden kann.
Ende der Materialverschwendung
Sowohl Papier als auch Zink und die anderen Komponenten sind biologisch abbaubar beziehungsweise unschädlich. Damit lassen sich die Umweltauswirkungen von Wegwerf-Elektronik mit geringem Stromverbrauch deutlich minimieren. „Im Gegensatz zu vielen Metall-Luft-Batterien mit einer Metallfolie, 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“, so Nyström. Je mehr Zink die Tinte enthält, desto länger spendet die Batterie Strom. Metallfolien seien dagegen viel schwieriger zu „dosieren“, würden also nicht immer vollständig aufgebraucht. „Reine Materialverschwendung“, so Nyström.
Eine mithilfe einer Schablone gedruckte Papierbatterie in Form des Namens Empa: Die Batterie kann elektronische Geräte mit geringem Stromverbrauch betreiben, beispielsweise einen Wecker mit LCD-Anzeige, der an die Batterie angeschlossen ist.
Foto: Empa
Austrocknen stoppt den Stromfluss
Um die Funktionsfähigkeit ihrer Batterie zum Betrieb von Elektronik mit einem geringen Stromverbrauch zu demonstrieren, kombinierte Nyströms Team zwei identische Zellen. Das reichte für einen Wecker mit Flüssigkristallanzeige. Nach einer Stunde nahm die Leistung der Batterie deutlich ab, da das Papier austrocknete. Gaben die Forschenden jedoch zwei weitere Tropfen Wasser hinzu, dann blieb die Betriebsspannung stabil bei 0,5 V. Was für einen praktischen Einsatz allerdings nicht reicht. „Ein Schwachpunkt“, gibt Nyström zu. „Aber ich bin sicher, dass wir dieses Problem durch einen anderen Aufbau lösen können.“ In der Umweltsensorik liefert die Batterie aus Papier ab einer bestimmten Luftfeuchtigkeit oder in feucht-nassen Umgebungen bereits zuverlässig und dauerhaft Strom.
