Weniger Elektroschrott: Forscher demonstrieren Batterie aus Papier, Tinte, Salz und Wasser
Einwegbatterien verbrauchen relativ viele Rohstoffe und haben einen nicht unerheblichen Anteil am Elektroschrottaufkommen. Ein Forscherteam aus der Schweiz hat nun den Einsatz einer Batterie demonstriert, die sich unter anderem aus Papier, Tinte, Salz, Zink und Wasser zusammensetzt.
Was tun gegen den vielen Elektroschrott? Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, kurz Empa, haben zumindest für Einwegbatterien einen vielversprechenden Lösungsansatz vorgestellt. Mit einer durch Wasser aktivierbaren Papierbatterie betrieben sie einen Wecker mit LCD-Anzeige. 20 Sekunden dauerte es, bis die Batterien aktiviert war. Anschließend lieferte sie eine Stunde lang eine stabile Spannung von 1,2 Volt. Zum Vergleich: Eine gewöhnliche AA-Batterie liefert 1,5 Volt.
Das Team um den Empa-Forscher Gustav Nyström setzt bei seinen Batterien auf mindestens eine, rund einen Quadratzentimeter große elektrochemische Zelle. Auf einen rechteckigen Papierstreifen werden dazu drei unterschiedliche Tinten aufgedruckt. Salz wiederum findet sich im gesamten Papierstreifen. Außerdem tauchen die Forscher eines der beiden kürzeren Enden des Streifens in Wachs.
"Auf eine Seite des Papiers wird eine Tinte gedruckt, die Graphitflocken enthält und als positiver Pol der Batterie - als Kathode - fungiert; auf der Rückseite wird eine zweite Tinte gedruckt, die Zinkpulver enthält und als negativer Pol der Batterie - als Anode - fungiert. Eine dritte Tinte, die Graphitflocken und Ruß enthält, wird auf beiden Seiten des Papiers über den beiden anderen Tinten aufgedruckt. Diese bildet die Stromkollektoren, die die beiden Pole der Batterie mit zwei Drähten verbinden, die sich am in Wachs getauchten Ende des Papierstreifens befinden."
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Fügt man nun eine kleine Menge Wasser hinzu, löst sich das im Papier enthaltene Salz und der Elektrolyt wird ionisch leitfähig. Durch diesen Aktivierungsprozess verteilen sich die Ionen im Papier, wodurch das Zink an der Anode oxidiert und Elektronen freisetzt. Diese Elektronen fließen durch das Schließen des externen Stromkreises von der zinkhaltigen Anode über die graphit- und rußhaltige Tinte über die Drähte bis zur Graphitkathode, "wo sie auf den Sauerstoff aus der Umgebungsluft übertragen werden und diesen dadurch reduzieren." Durch diese beiden "Redoxreaktionen" (eine Reduktion und eine Oxidation) werde ein elektrischer Strom erzeugt, den man zum Betreiben eines elektrischen Geräts verwendet kann.
Batterie aus Papier: Erneute Aktivierung nach weiterer Wasserzugabe
Als "Proof of Concept" fungierte der eingangs beschriebene Anschluss eines Weckers mit LCD-Anzeige. Hierfür nutzen die Forscher eine Batterie mit zwei ihrer Papierzellen. Hier zeigte sich, dass die Leistung der Batterie nach einer Stunde deutlich nachließ. Allerdings ließ sich die Batterie durch Zugabe zwei weiterer Wassertropfen erneut aktivieren. Dadurch behielt sie für mehr als eine weitere Stunde eine stabile Betriebsspannung von 0,5 Volt.
Dadurch, dass sowohl Papier als auch Zink und die anderen Komponenten biologisch abbaubar sind, soll die Umweltauswirkung der Batterie deutlich niedriger ausfallen als bei konventionellen Modellen. "Und im Gegensatz zu vielen Metall-Luft-Batterien, bei denen eine Metallfolie verwendet wird, 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", erklärt Dr. Gustav Nyström.
Nyström gibt zu bedenken, dass die Zeit, die die Batterie feucht und somit funktionstüchtig bleibt, durchaus ein Schwachpunkt sei. Der Forscher zeigt sich jedoch zuversichtlich, dieses Problem mit einem anderen Aufbau lösen zu können. Dieses Austrocknen sei in Umgebungen ab einer hohen Luftfeuchtigkeit, wie man sie in der Umweltsensorik anfinden kann, aber ohnehin kein Thema.
Für den Alltagseinsatz bedarf es sicherlich noch einiger Optimierungen. Im Gesundheitswesen und beim Umweltschutz kommen vergleichbare Batterien auch durchaus schon zum Einsatz, etwa als Einweg-Biosensoren. Denkbar wäre die Anwendung zum Beispiel auch, um seinen Blutzuckerspiegel zu bestimmen. In entsprechenden Messgeräten dienen derzeit noch Knopfbatterien als Energiezelle.
Quelle: Empa
Ich denke in Bereichen wo es auf Energiedichte und Praxistauglichkeit ankommt, werden uns die LiPo-Batterien noch recht lange begleiten.
Da wäre wohl der beste Ansatz die Recycling-Verfahren der LiPo`s stetig zu verbessern...
Dem bösen Elektroschrott mit Einwegbatterien begegnen zu wollen ist etwa so also würde man das Giftmüllproblem lösen, in dem man den Müll in unsere Flüsse kippt.
Dann ist da noch die Batteriechemie. Natürlich muß die Ökowelle geritten werden. Blöd nur, dass alles auch auf die Alkali-Mangan-Zelle zutrifft. Der Braunstein ist ungefährlich, die Kalilauge muß verdünnt werden, dann ist sie auch ungefährlich und das Zink sowieso. Sogesehen könnte man die heuten Batterien einfach in den Wald schmeißen, machen sollte man das dennoch nicht, das Plastik, dass die Batterien umhüllt, zersetzt sich nicht.
Problematisch ist der erhöhte Energieaufwand, der mit ineffizienten Zellen einher geht. Der aufwändigste Stoff, das Zink, ist auch da enthalten, der Rest ist relativ egal.
Von daher ist es mal wieder etwas, um das Sommerloch zu stopfen.
Problem ist die Energiedichte und der Energiefluss, in beidem ist diese Salzbatterie nicht so dolle.
Spannung ist halt nicht alles, sonst würde mir ein Schafsfell zum rubbeln reichen (: