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Umweltfreundliche Stromversorgung für das Internet der Dinge „Batterien“ zum Wegwerfen – und Kompostieren

Autor / Redakteur: Rainer Klose* / Christian Lüttmann

Proben und Produkte, die per Mikrochip Daten über ihren Zustand, Ort und Inhalt senden – das gehört zum Internet der Dinge. Solche Daten-sendenden Mikrogeräte brauchen aber Energie. Hierfür haben Empa-Forscher eine nachhaltige Lösung entwickelt: biologisch abbaubare Mini-Kondensatoren. Sie liefern Energie wie kleine Batterien, können nach dem Einsatz aber auf dem Kompost entsorgt werden.

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Xavier Aeby (l.) und Gustav Nyström haben eine komplett gedruckte, biologisch abbaubare Batterie entwickelt, die aus Zellulose und anderen ungiftigen Komponenten besteht.
Xavier Aeby (l.) und Gustav Nyström haben eine komplett gedruckte, biologisch abbaubare Batterie entwickelt, die aus Zellulose und anderen ungiftigen Komponenten besteht.
(Bild: Gian Vaitl / Empa)

Dübendorf/Schweiz – Transportkartons, die dank integriertem Sender wissen, wo sie sind und welches Produkt sie enthalten. Lebensmittelverpackungen, die ihre Mindesthaltbarkeit tagesaktuell anzeigen. Die Zukunft wird mehr und mehr solcher Mikrogeräte bereithalten, die dem „Internet der Dinge“ die nötigen Sprachorgane verleihen: Daten werden von den kleinen Chips untereinander und an Anwender gesendet. Das alles braucht Energie – und zwar möglichst umweltfreundlich.

Eine vielversprechende Lösung für kleine Energiespender sind die neuentwickelten Mini-Kondensatoren der Empa. Dies „Papier-Batterien“ sind kompostierbar und stellen damit eine grüne Alternative zu herkömmlichen Batterien dar.

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Das Rezept der kompostierbaren „Batterie“

Für die neuartige Batterie nutzen die Forscher einen handelsüblichen 3D-Drucker, der mit einer speziell entwickelten gelatinösen Tinte gefüttert wird. 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 Wissenschaftler Glycerin, Wasser und zwei verschiedene Sorten Alkohol. Eine Prise Kochsalz für die ionische Leitfähigkeit rundet die Rezeptur ab.

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,
  • die Elektrode
  • und zum Schluss der Elektrolyt.

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

Was herauskommt, ist ein Mini-Kondensator, der über Stunden Strom speichern und z. B. eine kleine Digitaluhr antreiben kann. Er übersteht tausende Lade- und Entladezyklen und voraussichtlich auch jahrelange Lagerung, selbst bei frostigen Temperaturen. Außerdem ist der Kondensator resistent gegen Druck und Erschütterung.

Ergänzendes zum Thema: Unterschied zwischen Kondensator und Batterie

Unterschied zwischen Kondensator und Batterie

Elektrische Energie kann sowohl durch Batterien als auch durch Kondensatoren gespeichert und bereitgestellt werden. Der entscheidende Unterschied ist, dass die Batterie Energie chemisch speichert (in Form von chemischen Verbindungen, die Elektronen abgeben können), während ein Kondensator Energie in Form eines elektrischen Feldes speichert (dort wird Ladung auf zwei voneinander isolierten Leitern gespeichert).

Batterie Kondensator
chemischer Energiespeicher speichert Energie in Form eines elektrischen Feldes
liefert relativ eine konstante Spannung Spannung ändert sich beim Auf- und Entladen
Ladezeiten sind länger (im Bereich von 10 bis 60 Minuten kürzere Ladezeiten (im Bereich von wenigen Sekunden)
für Gleichstromanwendungen (DC) für Wechselstromanwendungen (AC)

Bioabbaubare Stromversorgung

Der eigentliche Vorteil kommt aber zum Tragen, wenn der Kondensator ausgedient hat: 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 und es bleiben nur ein paar sichtbare Kohlepartikel übrig. Auch das haben die Forscher bereits ausprobiert.

Nutzen für das Internet der Dinge und Point-of-Care-Diagnostik

Der Superkondensator könnte bald zu einem Schlüsselbaustein für das „Internet der Dinge“ werden. „In Zukunft könnte man solche Kondensatoren etwa mithilfe eines elektromagnetischen Feldes kurz aufladen, dann würden sie über Stunden Strom für einen Sensor oder Mikrosender liefern“, erklärt Xavier Aeby von der Empa-Abteilung „Cellulose & Wood Materials“. So könnte man z. B. 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 (Point of Care Testing) beitragen. 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 Aebys Doktorvater Dr. Gustav Nyström überzeugt.

Wie die bioabbaubaren Kondensatoren am 3D-Drucker hergestellt werden, zeigt dieses Video des EmpaChannels auf Youtube:

Originalpublikation: X Aeby, A Poulin, G Siqueira, MK Hausmann, G Nyström: Fully 3D Printed and Disposable Paper Supercapacitors; Advanced Materials (2021); DOI: 10.1002/adma.202101328

* R. Klose, EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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