Erfindung des Jahres

Schweizer Einweg-Batterie aus Papier ausgezeichnet

Das renommierte US-Magazin „TIME“ veröffentlicht alljährlich eine Liste der bedeutendsten Erfindungen des Jahres. Heuer haben es Gustav Nyström und sein Team vom „Cellulose & Wood Materials Laboratory“ der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in der Schweiz mit ihrer biologisch abbaubaren Einweg-Batterie aus Papier in die Auswahl geschafft.

Die von Nyström und seinem Team entwickelte Batterie besteht aus mindestens einer, rund einen Quadratzentimeter großen elektrochemischen Zelle: Drei verschiedene Tinten sind auf einen rechteckigen Papierstreifen aufgedruckt. Salz, in diesem Fall einfach Natriumchlorid oder Kochsalz, 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.

Wasser als Auslöser
Das Resultat dieser „Bauweise“: Fügt man eine kleine Menge Wasser hinzu, 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, wie die Empa in einer Mitteilung erläutert.

Durch Schließen des (externen) Stromkreises können diese Elektronen demnach 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) werde ein elektrischer Strom erzeugt, der zum Betreiben eines elektrischen Geräts verwendet werden kann.

„Proof of Concept“ mit Wecker
Um die Funktionsfähigkeit ihrer Batterie zum Betrieb von Elektronik mit einem geringen Stromverbrauch zu demonstrieren, kombinierte Nyströms Team 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 binnen 20 Sekunden aktiviert wurde und eine stabile Spannung von 1,2 Volt erreichte. Zum Vergleich: Die Spannung einer normalen AA-Alkalibatterie beträgt 1,5 Volt.

Nach einer Stunde nahm die Leistung der einzelligen Batterie deutlich ab, da das Papier austrocknete. Gaben die Forschenden jedoch zwei weitere Tropfen Wasser hinzu, 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. Ein erheblicher Schritt in Richtung „grüner“ Elektronik, zeigen sich die Schweizer Forscher überzeugt.