Ökologisch abbaubarer Stromlieferant: Wissenschaftler haben eine Batterie entwickelt, die nur aus biologisch abbaubaren Komponenten besteht – ihre Zutaten sind Kohlenstoff, Zellulose, Glycerin und Kochsalz. Der aus vier Schichten bestehende Mini-Kondensator kann mittels 3D-Druck produziert werden, ist robust und bleibt über mehr als tausend Ladezyklen stabil, wie die Forscher berichten. Solche Bio-Batterien könnten künftig Strom für Sensoren und andere elektronische Kleinstgeräte liefern.
Bisher sind Lithium-Ionen-Akkus der Goldstandard in der mobilen Stromversorgung. Doch mit dem rasanten Zuwachs an elektronischen Mikrogeräten – vom elektronischen T-Shirt bis zu Sensoren in der Transportlogistik oder in Alltagsobjekten – wird auch der Bedarf an Batterien stark ansteigen. Umso wichtiger ist es, Batterien zu entwickeln, die umwelt- und klimafreundlicher produziert und entsorgt werden können als die auf knappen und teilweise giftigen Rohstoffen basierenden Lithium-Akkus.
Eine solche Alternative haben nun Forscher um Xavier Aeby von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa entwickelt. Ihr Ziel war es, eine Batterie zu entwickeln, die mittels 3D-Druck einfach herstellbar ist und nach Ablauf ihrer Nutzungszeit biologisch abgebaut werden kann. Als Methode der Wahl wählten sie dafür den Superkondensator – einen Stromspeicher, der zwar nur zehn Prozent der Energiedichte eines Akkus hat, aber dafür haltbarer ist und eine größere Leistungsdichte besitzt. Er kann daher schneller be- und entladen werden.
Konkret besteht die neue Öko-Batterie aus vier Schichten: einer flexiblen Trägerfolie, einer stromleitenden Schicht, jeweils einer Elektrode und einem Elektrolyten. Chemische Komponenten dieser Bauteile sind Zellulose-Nanofasern und Zellulose-Nanokristallite, Kochsalz, Glycerin und Kohlenstoff in Form von Ruß, Graphit und Aktivkohle, sowie Wasser und zwei Sorten Alkohol um diese Komponenten für den 3D-Druck zu gelatinösen Drucktinten zu verflüssigen.
Um daraus einen Superkondensator im Miniformat zu erzeugen, nutzen Aeby einen handelsüblichen 3D-Drucker, der die vier Grundkomponenten nacheinander aufträgt. Ist der Aufbau getrocknet, wird er wie ein Sandwich zusammengeklappt, so dass der Elektrolyt in der Mitte liegt. „Das klingt recht einfach, das war es aber ganz und gar nicht“, sagt Aeby. Lange Versuchsreihen seien nötig gewesen, bis alle Parameter stimmten und der Kondensator wie erhofft funktionierte.
Das Ergebnis ist der Prototyp eines Mini-Kondensator, der bei 1,2 Volt eine Kapazität von gut 26 Farad pro Gramm besitzt. Er reicht damit schon aus, um beispielsweise eine kleine Digitaluhr anzutreiben. Ersten Tests nach hält das kleine Gerät tausende Lade- und Entladezyklen aus und kann voraussichtlich auch jahrelange Lagerung, selbst bei frostigen Temperaturen überstehen, wie3 die Forscher berichten. Zudem sei der Kondensator resistent gegen Druck und Erschütterung.
Die Besonderheit des kleinen Stromspeichers ist jedoch seine Abbaubarkeit: Wenn man ihn nicht mehr braucht, kann man ihn in den Kompost werfen oder einfach in der Natur zurücklassen. Denn nach zwei Monaten ist der Kondensator in seine Bestandteile zerfallen, nur ein paar Kohlepartikel bleiben von ihm übrig, wie Tests belegen. Damit besteht der neue Mini-Kondensator nicht nur aus nachwachsenden Rohstoffen, sondern kann auch umweltfreundlich entsorgt werden.
Nach Ansicht des Forscherteams könnten Öko-Batterien nach diesem Prinzip zu wichtigen Bestandteilen des „Internet of Things“ werden. „In Zukunft könnte man solche Kondensatoren etwa mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldes kurz aufladen, dann würden sie über Stunden Strom für einen Sensor oder Mikrosender liefern“, so Aeby.
Einsatzbar wären solche Sensoren beispielsweise beim Umwelt-Monitoring oder in der Landwirtschaft, aber auch bei der Versandlogistik oder für medizinische Selbsttestgeräte. (Advanced Materials, 2021; doi: 10.1002/adma.202101328)
Quelle: Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt
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