Neue Papier-Batterie wird mit Wasser aktiviert – wie geht das?

Falsch entsorgte Batterien werden als Elektroschrott schnell zu einem Umweltproblem. Schweizer Forscher:innen wollen mit einer Einwegbatterie aus Papier eine nachhaltige Alternative schaffen.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Gustav Nyström entwickelte kürzlich eine Batterietechnologie, die auf den ersten Blick widersprüchlicher nicht sein könnte: Die Batterie besteht aus Papier und wird mit Wasser aktiviert.

Am 28. Juli veröffentlichten die Wissenschaftler:innen des Labors für Zellulose- und Holzwerkstoffe der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) im Fachmagazin Scientific Reports ihr Konzept.

Sie funktioniert zwar nach dem altbekanntem Prinzip der gegensätzlichen Pole, jedoch verzichten die Forscher:innen gänzlich auf umweltschädigende Inhaltsstoffe wie Kunststoff, Blei oder Quecksilber.

Die umweltfreundliche Papierbatterie könnte kleine Einweg-Elektronikgeräte mit geringem Stromverbrauch betreiben, wie etwa Umweltsensoren, medizinische Diagnostikgeräte oder intelligente Etiketten. 

Kann die Erfindung die herkömmliche – hocheffiziente aber ökologisch problematische – Batterie ablösen?

Wie funktioniert die Batterie?

Die Batterie lässt sich mit zwei Tropfen Wasser aktivieren und besteht aus Papier, Salz, Zink, Graphit, Ruß und Wachs. 

Drei Tinten bilden die Leitmaterialien: Eine Tinte mit Graphit dient als Kathode (positiv geladener Pol), die zweite Tinte mit Zink steht der Kathode als Anode gegenüber (negativ geladener Pol). Das Papier ist gänzlich mit Salz, in diesem Fall Natriumchlorid, durchtränkt, und auf den kürzeren Kanten in Wachs getaucht. Eine dritte Tinte, die Graphit und Ruß enthält, ist auf beiden Seiten des Papiers und über den beiden ersten Tinten aufgedruckt. Sie dient als Elektrolyt, eine Art Stromkollektor, der die beiden Pole mit zwei im Wachs befestigten Drähten verbindet. 

Die Batterie ist inaktiv, bis man sie nass macht: In Kontakt mit ein wenig Wasser löst sich das Salz auf und setzt geladene Ionen frei. Die Ionen verteilen sich im Papier, was dazu führt, dass das Zink an der Anode oxidiert wird und Elektronen freisetzt.

Im weiteren Verlauf einer chemischen Reaktion, die aus Reduktion und Oxidation besteht (Redoxreaktion), wird ein elektrischer Strom erzeugt. 

Ist die Batterie zukunftstauglich?

In praktischen Tests zeigte sich, dass die Aktivierung der Batterie zwanzig Sekunden dauert. Sie erreicht eine stabile Spannung von 1,2 Volt. Das liegt nur knapp hinter der Leistung einer AA-Alkalibatterie mit 1,5 Volt.

Ein klarer Nachteil ist die kurze Laufdauer der Batterie: Nach einer Stunde nimmt die Leistung deutlich ab, da das Papier austrocknet. Benetzt mit zwei weiteren Tropfen Wasser konnte die Batterie eine weitere Stunde 0,5 Volt erzeugen. 

Empa kann bisweilen die Leistung der Batterie ein wenig steuern: Je mehr Zink die Tinte enthält, desto länger hält die Batterie. Die Wissenschaftler:innen arbeiten an einem neuen Aufbau, der das Austrocknen des Papiers verlangsamt. Forschungsleiter Nyström ist zuversichtlich: „Ich bin sicher, dass wir dieses Problem durch einen anderen Aufbau lösen können.“

Dem Forschungsteam zufolge soll die Berechnung der Ökobilanz (Englisch: „life cycle assessment“) folgen, die die ökologischen Auswirkungen der Batterie in CO₂ pro Kilowattstunde angibt.

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