Elektronik 09.06.2021, 08:26 Uhr

Empa-Forscher entwickeln kompostierbare Batterie

Empa-Forscher entwickelten einen funktionsfähigen, kompostierbaren Mini-Kondensator, der lediglich aus Kohlenstoff, Zellulose, Glycerin und Kochsalz besteht.
Xavier Aeby und Gustav Nyström haben eine komplett gedruckte, biologisch abbaubare Batterie entwickelt, die aus Zellulose und anderen ungiftigen Komponenten besteht
(Quelle: Gian Vaitl / Empa )
Daten sendende Mikrogeräte wird es in Zukunft immer mehr geben. Damit diese Geräte funktionieren, braucht es Batterien. Mit der Anzahl benötigter Batterien steigt jedoch auch die Belastung der Umwelt. Abhilfe soll hier ein neuer, biologisch abbauberer Mini-Kondensator schaffen. Entwickelt haben diesen Forscher der Empa in Dübendorf.
Hergestellt wird er in einem modifizierten 3D-Drucker, der gelatinöse Tinten auf eine Oberfläche spritzen kann. Die Mixtur, die für den Mini-Kondensator verwendet wird, besteht aus Cellulose-Nanofasern und Cellulose-Nanokristalliten, wie die Empa in einem Bericht schreibt. Hinzu kommt Kohlenstoff in Form von Russ, Graphit und Aktivkohle. Verflüssigt, wird all dies mit Glycerin, Wasser und zwei verschiedenen Sorten Alkohol. Eine Prise Kochsalz sorgt für die ionische Leitfähigkeit. Um den Kondensator zu bauen, fliessen den Angaben zufolge vier Schichten nacheinander aus dem 3D-Drucker: Zuerst eine flexible Folie, eine stromleitende Schicht, dann die Elektrode und zum Schluss der Elektrolyt. Das Ganze werde dann wie ein Sandwich zusammengefaltet, mit dem Elektrolyten in der Mitte.
Gemäss dem Bericht kann der Mini-Kondensator aus dem Empa-Labor Strom über Stunden speichern und schon jetzt eine kleine Digitaluhr antreiben. Er soll tausende Lade- und Entladezyklen überstehen können und voraussichtlich auch jahrelange Lagerung, selbst bei frostigen Temperaturen. Auch sei der Kondensator resistent gegenüber Druck und Erschütterung, heisst es weiter.

«Schlüsselbaustein» für das Internet der Dinge

Praktisch ist: Im Gegensatz zu Lithium- oder Alkali-Batterien löst sich der neue Mini-Kondensator der Empa auf, wenn er nicht mehr gebraucht wird. Er kann also einfach kompostiert werden. Nach zwei Monaten im Erdreich zerfalle dieser in seine Bestandteilt, nur ein paar sichtbare Kohlepartikel würden noch von ihm übrig bleiben. Das probierten die Forscher bereits aus, wie es seitens der Empa heisst.
«Das klingt recht einfach, das war es aber ganz und gar nicht», wird Xavier Aeby von der Empa-Abteilung «Cellulose & Wood Materials» im Bericht zitiert. Lange Versuchsreihen seien nötig gewesen, bis alle Parameter stimmten, alle Komponenten zuverlässig aus dem Drucker flossen und der Kondensator schliesslich funktionierte. Aeby entwickelte das Konzept des abbaubaren Stromspeichers gemeinsam mit seinem Chef Gustav Nyström, der mit seinem Team seit Jahren an funktionalen Gelen auf Basis von Nanozellulose forscht. «Das Projekt eines kompostierbaren Stromspeichers lag mir schon lange am Herzen», sagt Nyström. «Wir haben uns mit unserem Projekt ‹Printed Paper Batteries› um Empa-interne Forschungsgelder beworben und konnten dann mit diesen Mitteln unsere Aktivitäten starten. Nun haben wir ein erstes Ziel erreicht.»
Nach zwei Monaten im Erdreich hat sich der Kondensator aufgelöst, nur wenige sichtbare Kohlenstoffpartikel bleiben zurück
Quelle: Gian Vaitl / Empa
Laut Aeby und Nystrom könnte der Kondensator zu einem «Schlüsselbaustein» für das Internet der Dinge werden. Sie erwarten, dass man solche Batterien in Zukunft etwa mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldes kurz aufladen könnte, damit sie dann über Stunden Strom für Sensoren oder Mikrosender liefern. So sei beispielsweise die Stromversorgung von Sensoren im Umwelt-Monitoring oder in der Landwirtschaft denkbar. Dort müssten Batterien nicht wieder eingesammelt werden, sondern könnten nach verrichteter Arbeit einfach in der Natur belassen werden.




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