Die Papierbatterie besteht aus zwei in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen an den beiden Enden des Papierstreifens, die durch eine Wasserbarriere (zwischen den Buchstaben «m» und «p») getrennt sind (Bild: Empa).

Einfache Idee mit komplexer Technologie

Publiziert

Wasser-aktivierte Papierbatterie unter den weltbesten Erfindungen.

Das US-Magazin «TIME» publiziert alljährlich eine Liste der bedeutendsten Erfindungen des Jahres. Dieses Jahr haben es Gustav Nyström und sein Team vom «Cellulose & Wood Materials Laboratory» der Empa in diese Auswahl geschafft – mit ihrer biologisch abbaubaren Einweg-Batterie, die in die Zukunft umweltfreundlicher Elektronik weist.

Die Auszeichnung verlieh «TIME» dem Empa-Team in der Kategorie «Experimental» – einer von mehr als 20 Bereichen, in denen die wichtigsten Erfindungen des Jahres gesucht und ausgezeichnet werden, von künstlicher Intelligenz über neue Apps und Elektronik bis hin zu Fitness, Ernährung und Unterhaltung. Um die jeweils besten Ideen zu küren, bewertet die Jury die Erfindungen nach Originalität, Kreativität, Effizienz, Auswirkung und weiteren Kriterien.

Neben der Erfindung aus dem Empa-Labor zeichnete die Zeitschrift in diesem Jahr unter anderem eine künstliche Intelligenz, die das Leben kartiert, Diamanten, die aus überschüssigem Kohlenstoff in der Luft hergestellt werden, und das leistungsstärkste Teleskop aller Zeiten aus. Wie kreativ der menschliche Erfindergeist ist, zeigt auch die Tatsache, dass in diesem Jahr erstmals nicht 100, sondern 200 Erfindungen aus aller Welt ausgezeichnet wurden.

Einfache Idee mit komplexer Technologie
Die Batterie, die von Empa-Forscher Gustav Nyström und seinem Team entwickelt wurde, 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 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 – als Kathode – fungiert; auf der Rückseite wird eine zweite Tinte gedruckt, die Zinkpulver enthält und als negativer Pol der Batterie – als 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.

Wasser als Auslöser der Funktion
Das Resultat dieser «Bauweise»: 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.

«Proof of Concept» mit einem Wecker
Um die Funktionsfähigkeit ihrer Batterie zum Betrieb von Elektronik mit einem geringen Stromverbrauch zu demonstrieren, kombinierte Nyströms Team zwei identische Zellen – dadurch erhöht sich die Betriebsspannung der Batterie – 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. Ein erheblicher Schritt in Richtung «grüner» Elektronik!

Zum zweiten Mal auf der «TIME»-Liste
Die diesjährige Auszeichnung von «TIME» ist indes nicht die erste «Erfindung» aus den Empa-Labors, die es auf die illustre Liste geschafft hat; bereits 2009 wurde eine Empa-Entwicklung – ebenfalls aus dem «Cellulose & Wood Materials Laboratory» – unter die (damals noch) 50 besten Erfindungen des Jahres gewählt – die Biotech-Geige von Francis Schwarze und seinem Team.

Literatur
A Poulin, X Aeby, G Nyström; Water activated disposable paper battery; Scientific Reports (2022)

Die Papierbatterie besteht aus zwei in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen an den beiden Enden des Papierstreifens, die durch eine Wasserbarriere (zwischen den Buchstaben «m» und «p») getrennt sind (Bild: Empa).

Einfache Idee mit komplexer Technologie

Publiziert

Wasser-aktivierte Papierbatterie unter den weltbesten Erfindungen.

Das US-Magazin «TIME» publiziert alljährlich eine Liste der bedeutendsten Erfindungen des Jahres. Dieses Jahr haben es Gustav Nyström und sein Team vom «Cellulose & Wood Materials Laboratory» der Empa in diese Auswahl geschafft – mit ihrer biologisch abbaubaren Einweg-Batterie, die in die Zukunft umweltfreundlicher Elektronik weist.

Die Auszeichnung verlieh «TIME» dem Empa-Team in der Kategorie «Experimental» – einer von mehr als 20 Bereichen, in denen die wichtigsten Erfindungen des Jahres gesucht und ausgezeichnet werden, von künstlicher Intelligenz über neue Apps und Elektronik bis hin zu Fitness, Ernährung und Unterhaltung. Um die jeweils besten Ideen zu küren, bewertet die Jury die Erfindungen nach Originalität, Kreativität, Effizienz, Auswirkung und weiteren Kriterien.

Neben der Erfindung aus dem Empa-Labor zeichnete die Zeitschrift in diesem Jahr unter anderem eine künstliche Intelligenz, die das Leben kartiert, Diamanten, die aus überschüssigem Kohlenstoff in der Luft hergestellt werden, und das leistungsstärkste Teleskop aller Zeiten aus. Wie kreativ der menschliche Erfindergeist ist, zeigt auch die Tatsache, dass in diesem Jahr erstmals nicht 100, sondern 200 Erfindungen aus aller Welt ausgezeichnet wurden.

Einfache Idee mit komplexer Technologie
Die Batterie, die von Empa-Forscher Gustav Nyström und seinem Team entwickelt wurde, 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 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 – als Kathode – fungiert; auf der Rückseite wird eine zweite Tinte gedruckt, die Zinkpulver enthält und als negativer Pol der Batterie – als 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.

Wasser als Auslöser der Funktion
Das Resultat dieser «Bauweise»: 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.

«Proof of Concept» mit einem Wecker
Um die Funktionsfähigkeit ihrer Batterie zum Betrieb von Elektronik mit einem geringen Stromverbrauch zu demonstrieren, kombinierte Nyströms Team zwei identische Zellen – dadurch erhöht sich die Betriebsspannung der Batterie – 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. Ein erheblicher Schritt in Richtung «grüner» Elektronik!

Zum zweiten Mal auf der «TIME»-Liste
Die diesjährige Auszeichnung von «TIME» ist indes nicht die erste «Erfindung» aus den Empa-Labors, die es auf die illustre Liste geschafft hat; bereits 2009 wurde eine Empa-Entwicklung – ebenfalls aus dem «Cellulose & Wood Materials Laboratory» – unter die (damals noch) 50 besten Erfindungen des Jahres gewählt – die Biotech-Geige von Francis Schwarze und seinem Team.

Literatur
A Poulin, X Aeby, G Nyström; Water activated disposable paper battery; Scientific Reports (2022)

EVENTS

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 25.-26. Januar 2023

Ort: Zürich (CH)

LOGISTICS & AUTOMATION

Schweizer Fachmesse für Logistik und Transport

Datum: 25.-26. Januar 2023

Ort: Zürich (CH)

Filtech

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 14.-16. Februar 2023

Ort: Köln (D)

Global Industrie

Midest - smart Industries - Industrie - Tolexpo - die weltweit grössten Fachmessen für die Industriezulieferwirtschaft

Datum: 07.-10. März 2023

Ort: Lyon (F)

ZHAW-IFM Day

Der IFM-Day der ZHAW findet als Begegnungstag für FM-Ausbildung und FM-Praxis statt.

Datum: 10. März 2023

Ort: Wädenswil (CH)

Hannover Messe

TRANSFORMING INDUSTRY TOGETHER

Datum: 17.-21. April 2023

Ort: Hannover (D)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 25.-27. April 2023

Ort: Stuttgart (D)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 04.-10. Mai 2023

Ort: Düsseldorf (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 09.-11. Mai 2023

Ort: Nürnberg (D)

LABVOLUTION

Als europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows bildet die LABVOLUTION das gesamte Spektrum der Laborwelt ab und zeigt neue Wege für Anwenderbranchen auf.

Datum: 09.-11. Mai 2023

Ort: Messegelände Hannover (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 27.-30. Juni 2023

Ort: München (D)

Additive Manufacturing Forum

Die Entscheider- und Expertenkonferenz bringt das gesamte Wertschöpfungssystem rund um die additive Fertigung zusammen.

Datum: 4.-5. Juli 2023

Ort: Berlin (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 05.-07. September 2023

Ort: Bern (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 26.-28. September 2023

Ort: Basel (CH)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 26.-28. September 2023

Ort: Nürnberg (D)

A + A

Internationale Fachmesse für Persönlichen Schutz, Betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit.

Datum: 24.-27. Oktober 2023

Ort: Düsseldorf (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für Wasser, Abwasser und Gas

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für Pumpen- und Ventiltechnik

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

Swissbau

Die führende Plattform der Bau- und Immobilienwirtschaft in der Schweiz.

Datum: 16.-19. Januar 2024

Ort: Basel (CH)

Swisstech

Internationale Fachmesse für Werkstoffe, Komponenten und Systembau

Datum: 16.-19. Januar 2024

Ort: Basel (CH)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 16.-19. April 2024

Ort: Halle d'Exposition, Moutier (CH)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 13.-17. Mai 2024

Ort: München (D)

drupa

Weltweit führenden Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 28. Mai - 07. Juni 2024

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 05.-06. Juni 2024

Ort: Bern (CH)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

Bezugsquellenverzeichnis