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Nachhaltige Technik: Eine Batterie aus Papier

Überreste von alten Elektrogeräten belasten oft die Umwelt. Schweizer Forscher wollen dem mit einer Einwegbatterie aus Papier entgegenwirken. Aktivieren lässt sie sich mit Wasser.
Papierbatterie mit dem Schriftzug »Empa«
Bei der nachhaltigen Batterie, die Schweizer Forscher entwickelten, sind Anode und Kathode mit Tinte auf die Vorder- und Rückseite eines Stücks Papier gedruckt. Eine Wasserbarriere (zwischen den Buchstaben »m« und »p«) trennt die beiden elektrochemischen Zellen voneinander.

Ausrangierte Elektronikgeräte stapeln sich schnell. Forscherinnen und Forscher suchen deshalb zunehmend nach kreativen Wegen, um die Menge an Elektroschrott zu verringern. Jetzt hat ein Team eine Einwegbatterie entwickelt, die aus Papier und anderen nachhaltigen Materialien besteht. Aktivieren lässt sie sich mit Wasser.

Die Drähte, Bildschirme und Batterien, aus denen herkömmliche Elektrogeräte bestehen – ganz zu schweigen von den Kunststoffen, Metallen und anderen Materialien, die sie umhüllen –, füllen die Mülldeponien mit gefährlichem Abfall. Ein Teil des Elektroschrotts ist relativ groß und offensichtlich: alte Klapphandys, Klimaanlagen und Radios, um nur ein paar gängige Geräte zu nennen. Andere Teile übersieht man leicht, wie elektronische medizinische Einweg-Diagnosekits, Umweltsensoren und Smart Labels, die Einwegbatterien und andere Geräte enthalten.

»Es sind diese kleinen Batterien, die ein großes Problem darstellen«, sagt Dele Ogunseitan, Professor für öffentliches Gesundheitswesen an der University of California in Irvine, der nicht an der Entwicklung der Papierbatterie beteiligt war. Er forscht aber ebenfalls im Bereich umweltfreundliche Technologien und berät große Technologieunternehmen. »Niemand achtet wirklich darauf, wo solche Batterien landen«, erklärt er.

Die wasseraktivierbare Papierbatterie, die Wissenschaftler des Labors für Zellulose- und Holzwerkstoffe der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) nun im Fachmagazin »Scientific Reports« vorgestellt haben, besteht deshalb aus umweltfreundlichen Materialien. Ein solches Gerät könnte eine nachhaltige Alternative zu den schädlicheren Batterien darstellen, die in Geräten mit geringem Stromverbrauch üblich sind.

Kathode aus Graphit, Anode aus Zink, Elektrolyt aus salzdurchsetztem Papier

Die Hauptbestandteile der Papierbatterie sind die gleichen wie die einer herkömmlichen Batterie – allerdings sind sie anders verpackt. Wie eine typische chemische Batterie besitzt sie eine positiv geladene Seite, die Kathode, eine negativ geladene Seite, die Anode, und ein leitfähiges Material, den Elektrolyt, zwischen den beiden. Bei einer normalen Batterie befindet sich darum ein Mantel aus Kunststoff und Metall; bei der neuen Batterie sind Anode und Kathode mit Tinte auf die Vorder- und Rückseite eines Stücks Papier gedruckt. Dieses Papier ist mit Salz durchtränkt, das sich auflöst, wenn es mit Wasser angefeuchtet wird. Die dabei entstehende Salzwasserlösung dient als Elektrolyt.

Die Forscher zogen bei der Entwicklung ihres Geräts absichtlich nur ungiftige Materialien in Betracht, die noch dazu in großen Mengen verfügbar sind. »Wir waren ziemlich zuversichtlich, dass wir etwas haben würden, was am Ende funktioniert, aber die Entwicklung war alles andere als trivial«, sagt Gustav Nyström, Leiter des Labors für Zellulose- und Holzmaterialien und Hauptautor der Studie. Nachdem sie Hunderte von Formulierungen für die verschiedenen Komponenten ausprobiert hatten, entschieden sich die Forschenden für eine Graphittinte für die Kathode, eine Zinktinte für die Anode und salzdurchsetztes Papier für den Elektrolyten.

Wenn das Papier getrocknet ist, ist die Batterie haltbar. Gibt man jedoch ein paar Tropfen Wasser hinzu, löst sich das eingearbeitete Salz auf und die Elektronen können fließen. Nachdem das Papier befeuchtet wurde, dauert es etwa 20 Sekunden, bis die Batterie aktiviert ist. Dann erzeugt sie eine stabile Spannung von 1,2 Volt, bis das Papier ausgetrocknet ist. Zum Vergleich: Eine AA-Batterie liefert 1,5 Volt. Als die Forscher das Papier erneut befeuchteten, erzeugte die Batterie mehr als eine Stunde lang 0,5 Volt.

Anwendung vor allem in diagnostischen Tests und Umweltsensoren

Obwohl die Gruppe zeigen konnte, dass ihre Batterie einen Wecker mit Strom versorgen kann, ist es unwahrscheinlich, dass Einweg-Papierbatterien die herkömmlichen AA-Batterien in den Regalen ersetzen werden. Stattdessen stellt sich Nyström eine Zukunft vor, in der diese Batterien in diagnostische Tests und Umweltsensoren eingebettet werden, idealerweise zusammen mit anderen nachhaltigen Komponenten wie Bildschirmen und Verpackungen.

Wann sich solche Produkte in großem Maßstab produzieren lassen, ist immer schwer vorherzusagen. Nyström sagt jedoch, er stünde bereits in Kontakt mit potenziellen Industriepartnern. Er glaubt, dass diese Batterien innerhalb der nächsten zwei bis fünf Jahre in Produkten eingesetzt werden könnten. »Die Leistung, die Sie bei diesem Gerät sehen, ist meiner Meinung nach für viele dieser Anwendungen bereits ausreichend«, erklärt er. Entscheidend sei vor allem, dass das Team um Nyström die Batterie entwickelt hat, ohne Kompromisse bei den Nachhaltigkeitskriterien einzugehen.

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