Wie können zwei Tropfen Wasser und ein Stück Papier eine Stunde lang Strom erzeugen?

Aufgrund des beschleunigten technologischen Wandels, der kürzeren Produktlebensdauer und der übermäßigen Nutzung elektronischer Produkte durch den Menschen ist Elektroschrott in den letzten Jahrzehnten zum am schnellsten wachsenden Abfallstrom der Welt geworden.

Daten der Universität der Vereinten Nationen zeigen, dass im Jahr 2019 weltweit etwa 53,6 Millionen Tonnen elektronischer Produkte weggeworfen wurden. Schätzungen zufolge wird diese Zahl bis 2030 auf 74,7 Millionen Tonnen ansteigen. Sollte sich dieser Trend nicht umkehren lassen, würden bis 2050 sogar 110 Millionen Tonnen erreicht.

(Quelle: Pixabay)

Die Verwendung umweltfreundlicherer Materialien und die Verbesserung der Recyclingquoten von Ressourcen sind wichtige Methoden zur Lösung des Problems der zunehmenden Verbreitung von Elektroschrott, und biologisch abbaubare Batterien sind ein heißes Thema in der aktuellen Batterieforschung.

Nun ist einem Forschungsteam der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) ein neuer Durchbruch bei biologisch abbaubaren Batterien gelungen: In einer Proof-of-Concept-Studie schlugen sie eine Einweg-Papierbatterie vor, die durch Wasser aktiviert werden kann.

Abbildung ｜ Eine Papierbatterie mit zwei Einheiten treibt einen Wecker mit LED an. (Quelle: Forschungsteam)

Berichten zufolge kann dieser neue Batterietyp mit nur zwei Tropfen Wasser einen Wecker mit LED eine Stunde lang kontinuierlich mit Strom versorgen. Nach 1 Stunde noch zwei Tropfen Wasser hinzufügen und die Anwendung kann fortgesetzt werden. Darüber hinaus kann es in jede beliebige Form und Größe gebracht werden und seine potenziellen Anwendungsszenarien sind sehr vielfältig.

Die zugehörige Forschungsarbeit mit dem Titel „Wasseraktivierte Einweg-Papierbatterie“ wurde in der Fachzeitschrift Scientific Reports veröffentlicht. Dr. Gustav Nyström von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt ist der korrespondierende Autor des Artikels.

Das Forschungsteam erklärte, dass diese Papierbatterie zur Stromversorgung einer Vielzahl von elektronischen Einweggeräten mit geringem Stromverbrauch (wie etwa Smart Tags zur Verfolgung von Gegenständen, Umweltsensoren und medizinische Diagnosegeräte) verwendet werden könne und dass ihre Auswirkungen auf die Umwelt dadurch minimiert würden.

Wie können Papierbatterien Strom erzeugen?

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler wichtige Fortschritte bei Technologien zur Erzeugung grüner Energie erzielt, beispielsweise bei biologisch abbaubaren Photovoltaikgeräten, Energiesammlern und Superkondensatoren. Allerdings ist die Forschung zu biologisch abbaubaren Einwegbatterien, einer äußerst ergänzenden Energiequelle, die eine höhere Energiedichte und einen stabileren Betrieb bieten kann, noch sehr begrenzt.

Der Schwerpunkt der aktuellen Batterieforschung liegt auf der Verbesserung der Batterieleistung. Dies bedeutet, dass eine kontinuierliche Steigerung der Energie- und Leistungsdichte, schnellere Laderaten und eine bessere Betriebsstabilität erreicht werden sollen. Dies geschieht hauptsächlich durch die Entwicklung neuer Materialien, die den Anforderungen der Lithium-Ionen-Batterien gerecht werden, die derzeit den Markt dominieren.

Da sich die Menschen jedoch zunehmend der Gefahren von Elektroschrott bewusst werden und Einwegelektronik für Anwendungen wie Umweltsensorik und Lebensmittelüberwachung auf den Markt kommt, steigt die Marktnachfrage nach umweltfreundlichen Batterien.
Veränderte Marktanforderungen schaffen neue Möglichkeiten für nicht-traditionelle Materialien und Designs. Wässrige Primärbatterien auf Basis anorganischer Materialien wie Magnesium (Mg), Eisen (Fe), Wolfram (W) und Molybdän (Mo) haben sich zu idealen Kandidaten für transiente Batterien mit hoher Energiedichte entwickelt, und auch organische Materialien haben sich als gute Alternativen erwiesen.

Trotz einiger vielversprechender Fortschritte bleibt die additive Fertigung biologisch abbaubarer Batterien eine wichtige wissenschaftliche Herausforderung.

In den letzten zehn Jahren hat Zellulose, die seit Tausenden von Jahren in Papierform existiert, breite Anwendung in der biomedizinischen Diagnostik, der Informationsanzeige und der Energiespeicherung gefunden. Einige einzigartige Eigenschaften der Zellulose, wie etwa ihre inhärente biologische Abbaubarkeit und Hygroskopizität, werden jedoch nicht ausreichend genutzt.

In dieser Forschungsarbeit besteht die von Nyström vorgeschlagene Papierbatterie aus mindestens einer Batteriezelle mit einer Größe von 1 Quadratzentimeter, die 3 Arten von Tinten enthält, die auf ein rechteckiges Papierband gedruckt sind. Auf dem Papierband wird Natriumchloridsalz verteilt und das kürzere Ende mit Wachs imprägniert. Eine Tinte enthält Graphitflocken, die auf eine Seite des Papiers gedruckt sind, das als positive Elektrode (Kathode) des Batteriepacks dient. Die Rückseite des Papiers ist mit einer Tinte bedruckt, die Zinkpulver enthält, das als negative Elektrode (Anode) dient.

Zusätzlich ist auf beiden Seiten des Papiers über diesen beiden Tinten eine Tinte aufgedruckt, die Graphitflocken und Ruß enthält und die Plus- und Minuspole des Batteriepacks mit den beiden Drähten am Wachsende verbindet. Diese Tinten eignen sich ideal für additive Fertigungstechniken wie den 3D-Druck.

Wie also erzeugt diese Papierbatterie Strom?

Dem Dokument zufolge löst sich das Salz auf dem Papier bereits mit etwas Wasser auf und setzt geladene Ionen frei. Diese Ionen diffundieren auf dem Papier und aktivieren den Akkupack, wodurch das Zink in der Tinte der negativen Elektrode des Akkupacks Elektronen freisetzen kann. Die an das elektronische Gerät angeschlossenen Drähte können den Stromkreis schließen, sodass die Elektronen durch die graphit- und rußhaltige Tinte, die Drähte und die Ausrüstung fließen und von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode (graphithaltige Tinte) übertragen werden, wo sie in den Sauerstoff der umgebenden Luft übergehen. Bei diesen Reaktionen wird elektrischer Strom erzeugt.

Abbildung ｜ Design einer Papierbatterie. (Quelle: Dieses Dokument)

Um die Fähigkeit der Batterie zu demonstrieren, stromsparende Elektronik anzutreiben, kombinierte das Team zwei Zellen zu einem Batteriepaket, um einen Wecker mit Flüssigkristallanzeige mit Strom zu versorgen.

Die Analyse der Leistung eines Einzelzellen-Akkupacks zeigte, dass sich das Pack durch die Zugabe von zwei Tropfen Wasser innerhalb von 20 Sekunden aktivierte und stabile 1,2 Volt erreichte, wenn es nicht an ein stromverbrauchendes Gerät angeschlossen war, verglichen mit den 1,5 Volt einer Standard-AA-Alkalibatterie.

Nach einer Stunde lässt die Leistung des Einzelzellen-Akkupacks aufgrund der Austrocknung des Papiers rapide nach. Werden jedoch zwei weitere Tropfen Wasser hinzugefügt, kann eine stabile Betriebsspannung von 0,5 Volt über mehr als eine Stunde aufrechterhalten werden.

Abbildung | Charakterisierung der Entladekapazität von Einweg-Papierbatterien durch Messung der Betriebsspannung bei konstantem Strom (100 μA). (Quelle: Dieses Dokument)

Das Forschungsteam sagte, dass die biologische Abbaubarkeit von Papier und Zink es der Batterie ermögliche, die Umweltbelastung durch Einwegelektronik mit geringem Stromverbrauch zu minimieren.

Weitere Forschung ist nötig

Wie oben erwähnt, kann diese Papierbatterie zwar einen Wecker mit Strom versorgen, ihre Leistungsdichte ist jedoch im Vergleich zu anderen Batterietypen immer noch begrenzt.

In dieser Hinsicht ist das Forschungsteam davon überzeugt, dass diese Papierbatterie in der Niedrigstromelektronik und im Ökosystem des Internets der Dinge eingesetzt werden kann. Die Nachhaltigkeit dieser Batterie kann weiter verbessert werden, indem die in der Tinte verwendete Zinkmenge minimiert wird, sodass der von der Batterie erzeugte Strom präzise gesteuert werden kann.

In zukünftigen Arbeiten werden sie untersuchen, wie man mithilfe grüner Katalysatoren die Geschwindigkeit der Sauerstoffreduktionsreaktion erhöhen kann, organische Anodenmaterialien als Alternative zu Zink verwenden und die Umweltauswirkungen über den Lebenszyklus der Batterie bewerten.

„Unsere Arbeit bringt den Bereich der Einwegelektronik voran und schlägt eine Batterietechnologie vor, die Umweltbelastung und Leistung in Einklang bringt“, sagte das Forschungsteam.

Referenzlinks:

https://www.nature.com/articles/s41598-022-15900-5

https://ewastemonitor.info/wp-content/uploads/2022/06/Global-TBM_webversion_june_2_pages.pdf