Forschende der EMPA konzipieren bioabbaubare Batterie

Batterien haben einen grossen Anteil am Elektromüll und werden auch nicht vollständig recycelt – die Rücklaufquote beträgt in der Schweiz etwa 82 Prozent. Auf einen Teil dieses Abfalls könnte man verzichten. Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA tüfteln an einer Alternative, die sowohl ungiftig wie auch günstig ist.

Ihre Erfindung besteht lediglich aus Tinte, Papier, Zink, Graphit, Russ und Salzwasser. Bei der Herstellung bedruckten die Forschenden Papier, das sie zuvor in Salzwasser tränkten und trockneten.

Auf die eine Seite trugen sie Druckertinte auf, die Zinkpulver enthielt, auf die andere eine Tinte-Graphit-Mischung. Darüber kam auf beiden Seiten des Papierstreifens eine Graphit-Russ-Tintenmischung als leitende Schicht.

Ein paar Tropfen Wasser, danach eine Stunde Strom

In trockenem Zustand ist diese Instant-Batterie nicht viel mehr als ein Stück bedrucktes Papier. Ein paar Tropfen Wasser genügen, um sie zum Laufen zu bringen.

Im Versuch, den Gustav Nyström und sein Team im Juli im Fachmagazin «Scientific Reports» veröffentlichten, lieferten zwei zusammengeschaltete Batteriezellen etwa eine Stunde lang Strom für einen kleinen Digitalwecker, dann trockneten sie aus. Durch Zugabe von Wasser liess sich die Papierbatterie wieder aktivieren.

Eine der etwa ein Quadratzentimeter grossen Zellen lieferte dabei eine stabile Spannung von 1,2 Volt – etwas weniger als eine AA-Alkalibatterie, die es auf 1,5 Volt bringt. Das allein könnte in manchen Fällen ausreichen, um eine herkömmliche Batterie zu ersetzen – und damit eine Menge Rohstoffe und Abfall einzusparen. Durch die Verwendung mehrerer Batterien lässt sich die Spannung vergrössern. Alle Komponenten sind zudem ungiftig und biologisch abbaubar.

Grundsätzlich funktioniert der bedruckte Papierstreifen dabei nicht viel anders als eine Zink-Kohle-Batterie. Zur Erinnerung: Strom besteht, grob gesagt, aus negativ geladenen Teilchen (Elektronen), die von einem Minuspol (Anode) zum Pluspol (Kathode) fliessen. Dabei dient Kohlenstoff als Kathode und die Zink-Tinte als Anode, die Graphit-Russ-Tinte-Mischung als leitende Schicht. Wasser ist leitfähig, wenn es gelöstes Salz enthält und funktioniert damit als Elektrolyt.

Elektronen, die nach ihrer Reise durch den Wecker wieder an der Kohlenstoff-Kathode ankommen, gehen auf den Sauerstoff in der Luft über. Die Batterie ist verbraucht, wenn das Zink in der Druckertinte der Anode alle verfügbaren Elektronen abgegeben hat.

Das sei ein Vorteil, sagt Nyström in einer Publikation der EMPA. Durch die Dosierung des Zinkpulvers in der Tinte könne man die Lebensdauer der Batterie einstellen. Im Gegensatz zu Batterien, die mit Metallfolien arbeiteten, entstehe dabei weniger Abfall.

Viel Arbeit am Detail

Ganz so einfach, wie es klingt, ist das natürlich nicht. «Das Konzept ist einfach, in die Entwicklung sind bisher aber etwa anderthalb Jahre geflossen», sagt Nyström auf Nachfrage. Die Weiterentwicklung der Instant-Batterie ist in Arbeit. Eine Einschränkung ist bisher beispielsweise die Austrocknung des Papierstreifens. Durch Änderungen am Aufbau sei das unter Umständen lösbar.

Die Haltbarkeit der Batterie hat das EMPA-Team noch nicht untersucht. Endlos haltbar ist sie nicht, schliesslich soll alles bioabbaubar bleiben. In trockenem Zustand im Labor waren die bedruckten Papierstreifen aber bisher mindestens ein Jahr haltbar.

Vorstellbar ist die Anwendung der Einmalbatterie zum Beispiel bei Umweltsensoren oder in der medizinischen Diagnostik. Trotz des frühen Entwicklungsstadiums gebe es bereits zwei Interessenten mit konkreten Ideen, sagt Nyström. Nach Gebrauch kann die Batterie dann weggeworfen oder kompostiert werden.