Papierbatterie mit Wasserschalter entwickelt

„Proof-of-Concept“-Studie

Die in „Scientific Reports“ vorgestellte „Proof-of-Concept“-Batterie besteht aus mindestens einer, rund einen Quadratzentimeter großen elektrochemischen Zelle. Drei verschiedene Tinten sind auf einen rechteckigen Papierstreifen aufgedruckt. Salz, in diesem Fall einfach Natriumchlorid oder 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 – fungiert. 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.

Wasser als Beschleuniger

Wird eine kleine Menge Wasser hinzugefügt, löst sich das im Papier enthaltene Salz auf, geladene Ionen werden freigesetzt, und der Elektrolyt wird ionisch leitfähig. Dieser Schritt aktiviert die Batterie: Die Ionen verteilen sich im Papier, was dazu führt, dass das Zink an der Anode oxidiert wird und Elektronen freisetzt. 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, wo sie auf den Sauerstoff aus der Umgebungsluft übertragen werden und diesen dadurch reduzieren.

Durch diese beiden sogenannten Redoxreaktionen wird ein elektrischer Strom erzeugt, der sich zum Betreiben eines elektrischen Geräts nutzen lässt. Um die Funktionsfähigkeit zu zeigen, hat das Team zwei identische Zellen miteinander kombiniert - dadurch erhöht sich die Betriebsspannung der Batterie. Ein Wecker mit Flüssigkristallanzeige konnte betrieben werden. Als die Forscher die Leistung einer (einzelligen) Batterie analysierten, zeigte sich, dass die Batterie nach der Zugabe von zwei Tropfen Wasser binnen 20 Sekunden aktiviert wurde und eine stabile Spannung von 1,2 Volt erreichte.

Nach einer Stunde nahm die Leistung der einzelligen Batterie deutlich ab, da das Papier austrocknete. Gaben die Experten jedoch zwei weitere Tropfen Wasser hinzu, behielt die Batterie eine stabile Betriebsspannung von 0,5 Volt für mehr als eine weitere Stunde aufrecht. Das Besondere an der neuen Batterie: Dadurch, dass sowohl Papier als auch Zink und die anderen Komponenten biologisch abbaubar sind, könnten sich so die Umweltauswirkungen von Wegwerf-Elektronik mit geringem Stromverbrauch deutlich minimieren lassen.