Eine 3D-gedruckte Kurzzeitbatterie könnte zum Schlüsselbaustein für das «Internet of Things» werden, sagen ihre Erfinder von der Empa. Denn die Zahl der Miniatur-Devices, die etwa bei Verpackungen und in der Transportlogistik Energie brauchen, wird zunehmen. Gut, wenn der Stromlieferant kompostierbar ist.
Absehbar ist, dass die für den Betrieb von Millionen, absehbar vielleicht sogar Milliarden von IoT-Geräten notwendige Menge an Batterien die Umwelt enorm belasten würde. Empa-Forscher haben daher den kompostierbaren Mini-Kondensator entwickelt, der lediglich aus Kohlenstoff, Zellulose, Glycerin und Kochsalz besteht – und dem Vernehmen nach zuverlässig funktioniert.
In Zukunft, sagen sie, könne man solche Kondensatoren etwa mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldes kurz aufladen, dann würden sie über Stunden Strom für einen Sensor oder Mikrosender liefern. So könne man zum Beispiel den Inhalt einzelner Pakete während des Versandwegs überprüfen. Auch die Stromversorgung von Sensoren im Umwelt-Monitoring oder in der Landwirtschaft seien denkbar – man müsse diese Batterien nicht wieder einsammeln, sondern könnte sie nach verrichteter Arbeit einfach in der Natur belassen.
Fotos: Empa
Die Fabrikationsanlage für die Batterie-Revolution sieht harmlos aus: Ein modifizierter, handelsüblicher 3D-Drucker, der in einem Raum im Empa Laborgebäude steht. Die eigentliche Innovation liegt im Rezept für die gelatinösen Tinten, die der Drucker auf eine Oberfläche spritzen kann. Die Mixtur, um die es dabei geht, besteht aus Cellulose-Nanofasern und Cellulose-Nanokristalliten, dazu kommt Kohlenstoff in Form von Russ, Graphit und Aktivkohle. Um all dies zu verflüssigen, benutzen die Forscher Glycerin, Wasser und zwei verschiedene Sorten Alkohol. Dazu eine Prise Kochsalz für die ionische Leitfähigkeit.
Um aus diesen Zutaten einen funktionierenden Superkondensator zu bauen, braucht es vier Schichten, die alle nacheinander aus dem 3D-Drucker fliessen: eine flexible Folie, eine stromleitende Schicht, dann die Elektrode und zum Schluss den Elektrolyt. Das Ganze wird dann wie ein Sandwich zusammengefaltet, mit dem Elektrolyten in der Mitte.
Was herauskommt, klingt wie ein ökologisches Wunder. Der Mini-Kondensator aus dem Empa-Labor kann über Stunden Strom speichern und schon jetzt eine kleine Digitaluhr antreiben. Er übersteht tausende Lade- und Entladezyklen und voraussichtlich auch jahrelange Lagerung, selbst bei frostigen Temperaturen. Ausserdem ist er resistent gegen Druck und Erschütterung.
Die vier Schichten kommen aus dem 3D-Drucker. Bild: Gian Vaitl
Das Beste daran aber: Wenn man ihn nicht mehr braucht, kann man ihn in den Kompost werfen oder einfach in der Natur zurücklassen. Nach zwei Monaten ist der Kondensator in seine Bestandteile zerfallen, nur ein paar sichtbare Kohlepartikel bleiben von ihm übrig. Auch das haben die Forscher bereits ausprobiert.
«Das klingt recht einfach, das war es aber ganz und gar nicht», sagt Xavier Aeby von der Empa-Abteilung «Cellulose & Wood Materials». Lange Versuchsreihen seien nötig gewesen, bis alle Parameter stimmten, bis alle Komponenten zuverlässig aus dem Drucker flossen und der Kondensator schliesslich funktionierte.
«Das Projekt eines kompostierbaren Stromspeichers lag mir schon lange am Herzen», so 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.»
Rainer Klose
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