Biologisch abbaubare Batterie für das Internet der Dinge

In Zukunft werden Mikrogeräte, die Daten versenden können - zum Beispiel bei Verpackungen und in der Transportlogistik - stark zunehmen. Die dafür notwendige Menge an Batterien würde die Umwelt enorm belasten. Empa-Forscher haben eine kompostierbare Batterie entwickelt. Sie besteht lediglich aus Kohlenstoff, Zellulose, Glycerin und Kochsalz – und funktioniert zuverlässig.

Quelle: Gian Vaitl/ Empa

Nach zwei Monaten im Erdreich hat sich der Kondensator aufgelöst, nur wenige sichtbare Kohlenstoffpartikel bleiben zurück.

Die Fabrikationsanlage für die Batterie-Revolution sieht recht unspektakulär aus: Es ist ein modifizierter, handelsüblicher 3D-Drucker, in einem Raum des Empa Laborgebäudes. Die eigentliche Innovation liegt im Rezept für die gelartigen Tinten, die dieser Drucker auf eine Oberfläche spritzen kann. Diese besondere Tinte besteht aus Cellulose-Nanofasern und Cellulose-Nanokristalliten, hinzu kommt Kohlenstoff in Form von Russ, Graphit und Aktivkohle. Verflüssigt wird all dies mittels Glycerin, Wasser und zweier verschiedener Sorten Alkohol. Für die ionische Leitfähigkeit sorgt eine Prise Kochsalz.

Leistungsfähige, stabile Batterie

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 der Elektrolyt. Das Ganze wird zuletzt wie ein Sandwich zusammengefaltet, mit dem Elektrolyten in der Mitte. 

Die Fähigkeiten dieses Mini-Kondensators sind eindrücklich: So kann er über Stunden Strom speichern und sogar eine kleine Digitaluhr antreiben. Wie die Empa mitteilt, übersteht er tausende Lade- und Entladezyklen und voraussichtlich auch jahrelange Lagerung, selbst bei frostigen Temperaturen. Ausserdem ist der Kondensator ist resistent gegen Druck und Erschütterung.

Ab auf den Komposthaufen

Wird der Kondensator nicht mehr gebraucht, kann man ihn in den Kompost werfen oder einfach in der Natur zurücklassen. Nach zwei Monaten ist er 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“, erklärt dazu 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. „Als Forscher wollen wir ja nicht nur herumprobieren, sondern auch verstehen, was im Inneren unserer Materialien geschieht“, so Aeby.

Gemeinsam mit Gustav Nyström hat Aeby das Konzept des bioabbaubaren Stromspeichers entwickelt und umgesetzt. Aeby hat Mikrosystemtechnik an der EPFL studiert und ist für seine Doktorarbeit an die Empa gewechselt. Nyström und sein Team forschen seit Jahren an funktionalen Gelen auf Basis von Nanozellulose. Das Material ist nicht nur ein umweltfreundlicher, nachwachsender Rohstoff, sondern durch seine innere Chemie äusserst vielseitig einsetzbar.

„Das Projekt eines kompostierbaren Stromspeichers lag mir schon lange am Herzen“, sagt 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.“

Nützlich für das Internet der Dinge

Laut Nyström und Aeby könnte der Superkondensator könnte bald zu einem Schlüsselbaustein für das Internet der Dinge 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 könnte man zum Beispiel den Inhalt einzelner Pakete während des Versandwegs überprüfen. Auch die Stromversorgung von Sensoren im Umwelt-Monitoring oder in der Landwirtschaft ist denkbar – man muss diese Batterien nicht wieder einsammeln, sondern könnte sie nach verrichteter Arbeit einfach in der Natur belassen.

Zur wachsenden Zahl elektronischer Kleinstgeräte wird auch die patientennahe Labordiagnostik beitragen, die derzeit boomt. Kleine Testgeräte für den Einsatz am Krankenbett oder Selbsttestgeräte für Diabetiker zählen etwa dazu. Nyström ist überzeugt, dass sich der kompostierbare Zellulose-Kondensator auch für solche Anwendungen gut eignen könnte. (mgt/mai)

Video der Empa zum Projekt.