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Ein Empa-Forscherteam hat eine durch Wasser aktivierbare Einweg-Batterie aus Papier entwickelt. Damit liesse sich eine breite Palette von kleinen Einweg-Elektronikgeräten mit geringem Stromverbrauch betreiben und deren Umweltauswirkungen minimieren.
Die Batterie besteht aus mindestens einer rund 1 cm2 grossen elektrochemischen Zelle. Drei verschiedene Tinten sind auf einen rechteckigen Papierstreifen aufgedruckt. Natriumchlorid ist im gesamten Papierstreifen verteilt und eines der beiden kürzeren Enden des Streifens wurde in Wachs getaucht. 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.
Fügt man eine kleine Menge Wasser hinzu, dann löst sich das im Papier enthaltene Salz auf, geladene Ionen werden freigesetzt, und der Elektrolyt wird ionisch leitfähig. Dieser Schritt aktiviert die Batterie: Die Ionen verteilen sich im Papier, was dazu führt, dass das Zink an der Anode oxidiert wird und Elektronen freisetzt. Durch Schliessen des 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 beiden «Redoxreaktionen» (eine Reduktion und eine Oxidation) wird ein elektrischer Strom erzeugt, der zum Betreiben eines elektrischen Geräts verwendet werden kann.
Um die Funktionsfähigkeit ihrer Batterie zum Betrieb von Elektronik mit einem geringen Stromverbrauch zu demonstrieren, kombinierte das Forschungsteam zwei identische Zellen – dadurch erhöht sich die Betriebsspannung der Batterie – und betrieb damit einen Wecker mit Flüssigkristallanzeige. Als die Forschenden die Leistung einer einzelligen Batterie analysierten, zeigte sich, dass die Batterie nach der Zugabe von zwei Tropfen Wasser innert 20 s aktiviert wurde und eine stabile Spannung von 1,2 V erreichte. Zum Vergleich: Die Spannung einer normalen AA-Alkalibatterie beträgt 1,5 V.
Nach einer Stunde nahm die Leistung der einzelligen Batterie deutlich ab, da das Papier austrocknete. Gaben die Forschenden jedoch zwei weitere Tropfen Wasser hinzu, dann behielt die Batterie eine stabile Betriebsspannung von 0,5 Volt für mehr als eine weitere Stunde aufrecht.
Das Besondere an der neuen Batterie: Dadurch, dass sowohl Papier als auch Zink und die anderen Komponenten biologisch abbaubar sind, könnten sich so die Umweltauswirkungen von Wegwerf-Elektronik mit geringem Stromverbrauch deutlich minimieren lassen. 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, wird bei dieser neuen Batterievariante nur gerade die Menge an Zink in die Tinte gegeben, die für die jeweilige Anwendung tatsächlich benötigt wird. D.h. je mehr Zink die Tinte enthält, desto länger hält die Batterie. Metallfolien seien dagegen viel schwieriger zu «dosieren», werden also nicht immer vollständig aufgebraucht, was zu einer Materialverschwendung führt.
Ein kleiner Schwachpunkt des neuen Batteriekonzepts mit Wasseraktivierung ist die Zeit, die die Batterie feucht – und dadurch funktionsfähig – bleibt. Allerdings wäre für Anwendungen in der Umweltsensorik ab einer bestimmten Luftfeuchtigkeit oder in feucht-nassen Umgebungen das Austrocknen ohnehin kein Thema.