{"id":113916,"date":"2022-08-08T07:26:00","date_gmt":"2022-08-08T05:26:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=113916"},"modified":"2022-08-03T08:13:15","modified_gmt":"2022-08-03T06:13:15","slug":"ein-tropfen-wasser-genugt-eine-papierbatterie-mit-wasserschalter","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/ein-tropfen-wasser-genugt-eine-papierbatterie-mit-wasserschalter\/","title":{"rendered":"Ein Tropfen Wasser gen\u00fcgt – Eine Papierbatterie mit Wasserschalter"},"content":{"rendered":"\n\n\n
\"Die
Die Papierbatterie besteht aus zwei in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen an den beiden Enden des Papierstreifens, die durch eine Wasserbarriere (zwischen den Buchstaben \u00abm\u00bb und \u00abp\u00bb) getrennt sind. Bild: Empa<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Ein Empa-Forscherteam hat eine durch Wasser aktivierbare Einweg-Batterie aus Papier entwickelt. Damit liesse sich eine breite Palette von kleinen Einweg-Elektronikger\u00e4ten mit geringem Stromverbrauch betreiben, etwa intelligente Etiketten zum Tracking von Objekten, Umweltsensoren oder medizinische Diagnoseger\u00e4te \u2013 und erst noch deren Umweltauswirkungen minimieren. Die \u00abProof-of-Concept\u00bb-Studie wurde soeben in \u00abScientific Reports<\/em>\u00bb ver\u00f6ffentlicht<\/a>.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Die von Empa-Forscher Gustav Nystr\u00f6m 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, in diesem Fall einfach Natriumchlorid oder Kochsalz, ist im gesamten Papierstreifen verteilt, und eines der beiden k\u00fcrzeren Enden des Streifens wurde in Wachs getaucht. Auf eine Seite des Papiers wird eine Tinte gedruckt, die Graphitflocken enth\u00e4lt und als positiver Pol der Batterie \u2013 als Kathode \u2013 fungiert; auf der R\u00fcckseite wird eine zweite Tinte gedruckt, die Zinkpulver enth\u00e4lt und als negativer Pol der Batterie \u2013 als Anode \u2013 fungiert. Eine dritte Tinte, die Graphitflocken und Russ enth\u00e4lt, wird auf beiden Seiten des Papiers \u00fcber den beiden anderen Tinten aufgedruckt. Diese bildet die Stromkollektoren, die die beiden Pole der Batterie mit zwei Dr\u00e4hten verbinden, die sich am in Wachs getauchten Ende des Papierstreifens befinden.<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcgt man eine kleine Menge Wasser hinzu, dann l\u00f6st sich das im Papier enthaltene Salz auf, geladene Ionen werden freigesetzt, und der Elektrolyt wird ionisch leitf\u00e4hig. Dieser Schritt aktiviert die Batterie: Die Ionen verteilen sich im Papier, was dazu f\u00fchrt, dass das Zink an der Anode oxidiert wird und Elektronen freisetzt. Durch Schliessen des (externen) Stromkreises k\u00f6nnen diese Elektronen dann von der zinkhaltigen Anode \u2013 \u00fcber die graphit- und russhaltige Tinte und die Dr\u00e4hte \u2013 zur Graphitkathode fliessen, wo sie auf den Sauerstoff aus der Umgebungsluft \u00fcbertragen werden und diesen dadurch reduzieren. Durch diese beiden \u00abRedoxreaktionen\u00bb (eine Reduktion und eine Oxidation) wird ein elektrischer Strom erzeugt, der zum Betreiben eines elektrischen Ger\u00e4ts verwendet werden kann.<\/p>\n\n\n\n

\u00abProof of Concept\u00bb: eine nachhaltige Energiequelle f\u00fcr Elektronik mit geringer Leistung<\/h3>\n\n\n\n
\"Eine
Eine mit Hilfe einer Schablone gedruckte Papierbatterie in Form des Namens unseres Forschungsinstituts (\u00abEmpa\u00bb): Die Batterie kann elektronische Ger\u00e4te mit geringem Stromverbrauch betreiben, beispielsweise einen Wecker mit LCD-Anzeige, der an die Batterie angeschlossen ist. Bild: Empa<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Um die Funktionsf\u00e4higkeit ihrer Batterie zum Betrieb von Elektronik mit einem geringen Stromverbrauch zu demonstrieren, kombinierte Nystr\u00f6ms Team zwei identische Zellen \u2013 dadurch erh\u00f6ht sich die Betriebsspannung der Batterie \u2013 und betrieb damit einen Wecker mit Fl\u00fcssigkristallanzeige. 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 betr\u00e4gt 1,5 Volt.<\/p>\n\n\n\n

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 f\u00fcr mehr als eine weitere Stunde aufrecht.<\/p>\n\n\n\n

Das Besondere an der neuen Batterie: Dadurch, dass sowohl Papier als auch Zink und die anderen Komponenten biologisch abbaubar sind, k\u00f6nnten sich so die Umweltauswirkungen von Wegwerf-Elektronik mit geringem Stromverbrauch deutlich minimieren lassen. <\/p>\n\n\n\n

\u00abUnd 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 f\u00fcr die jeweilige Anwendung tats\u00e4chlich ben\u00f6tigt wird\u00bb, erg\u00e4nzt Nystr\u00f6m<\/strong>. <\/p><\/blockquote>\n\n\n\n

Sprich: Je mehr Zink die Tinte enth\u00e4lt, desto l\u00e4nger h\u00e4lt die Batterie. Metallfolien seien dagegen viel schwieriger zu \u00abdosieren\u00bb, w\u00fcrden also nicht immer vollst\u00e4ndig aufgebraucht, was zu einer Materialverschwendung f\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n

Ein kleiner Schwachpunkt des neuen Batteriekonzepts mit Wasseraktivierung ist die Zeit, die die Batterie feucht \u2013 und dadurch funktionsf\u00e4hig \u2013 bleibt, wie Nystr\u00f6m zugibt. \u00abAber ich bin sicher, dass wir dieses Problem durch einen anderen Aufbau l\u00f6sen k\u00f6nnen.\u00bb Und f\u00fcr Anwendungen in der Umweltsensorik ab einer bestimmten Luftfeuchtigkeit oder in feucht-nassen Umgebungen w\u00e4re das Austrocknen ohnehin kein Thema.<\/p>\n\n\n\n

Zwei sich erg\u00e4nzende Mini-Stromspeicher<\/h3>\n\n\n\n

Vor kurzem hatte Nystr\u00f6ms Team bereits einen abbaubaren Superkondensator auf Papierbasis<\/a> entwickelt, der Tausende von Malen geladen und wieder entladen werden konnte, ohne dabei an Effizienz zu verlieren. Im Vergleich zu Batterien gleichen Gewichts haben Superkondensatoren eine etwa zehnmal geringere Energiedichte \u2013 daf\u00fcr aber eine zehn- bis hundertmal h\u00f6herer Leistungsdichte. Superkondensatoren k\u00f6nnen daher viel schneller ge- und entladen werden. Ausserdem k\u00f6nnen sie viel mehr Lade- und Entladezyklen aushalten. \u00abDie beiden Technologien erg\u00e4nzen sich also sehr gut\u00bb, so Nystr\u00f6m. Die Idee hinter der neuen wasseraktivierten Batterie sei es gewesen, kleine Stromspeicher herzustellen, die vollst\u00e4ndig aufgeladen sind und diese Energie erst nach Ausl\u00f6sung eines Stimulus, in diesem Fall einfach eines Wassertropfens, bereitstellen.<\/p>\n\n\n\n

Originalpublikation<\/h3>\n\n\n\n

A Poulin, X Aeby, G Nystr\u00f6m; Water activated disposable paper battery; Scientific Reports (2022)<\/em>;<\/a>
https:\/\/doi.org\/10.1038\/s41598-022-15900-5<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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