Batterietechnologie Eine ökologische Batterie fürs Internet der Dinge

Forscher haben kompostierbare Mini-Kondensatoren hergestellt, die Sensoren oder Mikrosender über Stunden mit Strom versorgen könnten.

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EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt

Kohlenstoff, Zellulose, Glycerin und Wasser sind die Zutaten für eine kompostierbare Batterie, die jetzt Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) entwickelt haben. Gedacht sind die kompostierbaren Mini-Kondensatoren beispielsweise für Mikrogeräte, die etwa bei Verpackungen und Transportlogistik Daten senden.

3D-Drucker druckt mit gelatinösen Tinten die Batterie

Die Fabrikationsanlage für die Bio-Batterie sieht recht harmlos aus: Es ist ein modifizierter, handelsüblicher 3D-Drucker. Die eigentliche Innovation liegt im Rezept für die gelatinösen Tinten, die dieser 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 der Elektrolyt. Das Ganze wird dann wie ein Sandwich zusammengefaltet, mit dem Elektrolyten in der Mitte.

Ökologische Batterie speichert über Stunden Strom

Der ökologische 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 der Kondensator ist resistent gegen Druck und Erschütterung.

Die Entsorgung ist simpel: 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.

Komplexes Abstimmen der Parameter

„Das klingt recht einfach, das war es aber ganz und gar nicht“, sagt Xavier Aeby von der schweizerischen Forschungsinstitution Empa. Lange Versuchsreihen seien nötig gewesen, bis alle Parameter stimmten, bis alle Komponenten zuverlässig aus dem Drucker flossen und der Kondensator schließlich funktionierte.

Gemeinsam mit seinem Chef 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.

Bio-Kondensator fürs Internet of Things

Der Superkondensator könnte bald zu einem Schlüsselbaustein für das „Internet of Things“ werden, erwarten die beiden Forscher. „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. Auch für solche Anwendungen könnte sich der kompostierbare Zellulose-Kondensator gut eignen, ist Gustav Nyström überzeugt.

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