Betrieben werden können mit der Papierbatterie auch Umweltsensoren oder medizinische Diagnosegeräte. Durch die Papierbatterie liessen sich die Umweltauswirkungen von Wegwerf-Elektronik mit geringem Stromverbrauch deutlich minimieren, schreibt die Eidgenössische Materialprüfungsanstalt (Empa) auf ihrer Website. Die «Proof-of-Concept»-Studie wurde am Donnerstag in der Fachzeitschrift «Scientific Reports» veröffentlicht (Link).

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. Salz 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 (Kathode) fungiert; auf der Rückseite wird eine zweite Tinte gedruckt, die Zinkpulver enthält und als negativer Pol der Batterie (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.

Fügt man eine kleine Menge Wasser hinzu, dann 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 «Redoxreaktionen» (eine Reduktion und eine Oxidation) wird ein elektrischer Strom erzeugt, der zum Betreiben eines elektrischen Geräts verwendet werden kann, wie die Empa auf ihrer Website erklärt.

Um die Funktionsfähigkeit ihrer Batterie zu demonstrieren, kombinierte Nyströms Team zwei identische Zellen 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.

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, so die Empa. «Und 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», ergänzt Nyström. Sprich: Je mehr Zink die Tinte enthält, desto länger hält die Batterie. Metallfolien seien dagegen viel schwieriger zu «dosieren», würden also nicht immer vollständig aufgebraucht, was zu einer Materialverschwendung führe.