Ein Empa-Forscherteam hat eine durch Wasser aktivierbare Einweg-Batterie aus Papier entwickelt. Damit lassen sich kleine Einweg-Elektronikgeräte mit geringem Stromverbrauch betreiben, etwa intelligente Etiketten zum Tracking von Objekten.

Die Umweltauswirkungen der Geräte können dabei minimiert werden. Betrieben werden können auch Umweltsensoren oder medizinische Diagnosegeräte. Die "Proof-of-Concept"-Studie wurde am Donnerstag in der Fachzeitschrift "Scientific Reports" veröffentlicht, wie die Empa mitteilte.

Die von Empa-Forscher Gustav 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. 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 - dient.

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.

Durch Schliessen des (externen) Stromkreises können diese Elektronen dann von der zinkhaltigen Anode - über die graphit- und russhaltige Tinte und die Drähte - zur Graphitkathode fliessen. Dort werden sie auf den Sauerstoff aus der Umgebungsluft übertragen und reduzieren diesen dadurch. Durch diese beiden "Redoxreaktionen" (eine Reduktion und eine Oxidation) wird ein elektrischer Strom erzeugt, der zum Betreiben eines elektrischen Geräts verwendet werden kann.

Betreiben von 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 innert 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, dann behielt die Batterie eine stabile Betriebsspannung von 0,5 Volt für mehr als eine weitere Stunde aufrecht.

Nachhaltige Energiequelle

Da sowohl Papier als auch Zink und die anderen Komponenten biologisch abbaubar sind, können 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, geben wir bei unserem Design nur gerade die Menge an Zink in die Tinte, die für die jeweilige Anwendung tatsächlich benötigt wird", erklärte Nyström. Je mehr Zink die Tinte also enthält, desto länger hält die Batterie.

Metallfolien sind dagegen laut Nytsröm viel schwieriger zu "dosieren". Sie würden 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, wie Nyström einräumt. Er will dieses Problem durch einen anderen Aufbau lösen. Und für Anwendungen in der Umweltsensorik ab einer bestimmten Luftfeuchtigkeit oder in feucht-nassen Umgebungen sei das Austrocknen ohnehin kein Thema.  © Keystone-SDA