Experten in allen Bereichen sind sich sicher, die Zahl der datenübertragenden Mikrogeräte, wie Wearables oder in der Verpackungs- und Transportlogistik, wird in den kommenden Jahren stark zunehmen. Um den Bedarf an Batterien zu decken und gleichzeitig die Belastung für die Umwelt gering zu halten haben Empa-Forscher in der Schweiz mit 3D-Druck biologisch abbaubare Batterien entwickelt.

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Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) haben mit Hilfe von 3D-Druck eine neue Klasse von nachhaltigen Superkondensatoren geschaffen. Die vollständig 3D-gedruckte Batterie aus einem flexiblen Zellulose- und Glycerin-Substrat, gemustert mit leitfähiger Kohlenstoff- und Graphittinte, soll Tausende von Ladezyklen überstehen und gleichzeitig ihre Kapazität beibehalten. Das berichtet die Empa auf ihrer Website.

Dank ihrer biologisch abbaubaren Basis kann die neuartige Zelle nach ihrer Fertigstellung auch kompostiert werden. Das macht sie zu einem idealen Werkzeug, um die weltweiten Probleme mit Elektroschrott anzugehen.

Hochleistungskondensatoren aus biologisch abbaubaren Materialien

Batterie aus dem 3D-Drucker
Insgesamt besteht die Batterie (der Kondensator) aus vier Schichten, die alle aus flüssigem Material mit einem handelsüblichen 3D-Drucker gedruckt werden können (Bild © Gian Vaitl / Empa / phys.org).

Nach Angaben der EMPA-Wissenschaftler hat der jüngste Boom bei elektronischen Wearables dazu geführt, dass die weltweite Zahl dieser Geräte auf 27 Milliarden angestiegen ist. Aufgrund ihres kurzen Lebenszyklus und der Tatsache, dass sie in der Regel mit nicht erneuerbaren Lithium-Ionen- oder Alkali-Zellen betrieben werden, werden viele dieser Produkte irgendwann auf Deponien landen, was das globale Elektroschrott-Problem zusätzlich verschlimmert.

Um umweltfreundlichere Energiespeicher zu entwickeln, haben Wissenschaftler daher begonnen, mit elektrischen Doppelschichtkondensatoren (engl. electrical double layer capacitors, EDLC) zu experimentieren. Diese Hochleistungskondensatoren können zumindest teilweise aus biologisch abbaubaren Materialien hergestellt werden, was sie möglicherweise zu einem idealen Ersatz für normale Batterien macht, die oft spezialisierte Entsorgungsdienste erfordern.

Die Batterien aus dem 3D-Drucker befinden sich noch in einem relativ frühen Entwicklungsstadium, doch es gibt vielversprechende Anzeichen dafür, dass die Technologie Fortschritte in Richtung Endanwendungsreife macht.

Kompostierter Kondensator verlor 50 % seiner Masse in neun Wochen

Um die EDLC-Produktion zu rationalisieren und eine eigene umweltfreundliche Batterie zu entwickeln, wandte sich das EMPA-Team dem 3D-Druck zu. Sie druckten zuerst die Substratbasis der Einheit und danach wurden die Elektroden- und leitfähigen Graphit-infundierten Elektrolytschichten darauf aufgebracht. Der Prozess an sich war sehr aufwendig und musste mehrmals optimiert werden, bis eine funktionsfähige Batterie entstanden ist.

Xavier Aeby, vom Cellulose & Wood Materials Lab der EMPA, sagt:

„Es brauchte lange Testreihen, bis alle Parameter stimmten, alle Komponenten zuverlässig aus dem Drucker flossen und der Kondensator funktionierte.“

Während Testversuchen war das Gerät in der Lage, einen 3V-Wecker unter mechanischer Belastung mit Strom zu versorgen und bei stark schwankenden Temperaturen zu arbeiten. Die Forscher glauben, dass ihr 3D-gedruckter Superkondensator das Potenzial hat, in Zukunft auch andere Niederspannungsgeräte nachhaltig mit Strom zu versorgen. Nach dem erfolgreichen Experiment wurde der Kondensator kompostiert und verlor über einen Zeitraum von neun Wochen etwa 50 % seiner Masse.

Die Ergebnisse der Forscher sind in ihrem Papier mit dem Titel „Full 3D Printed and Disposable Paper Supercapacitors“ detailliert beschrieben.

Die biologisch abbaubare Batterie im Video

Um dem wachsenden Bedarf an Batterien für zum Beispiel datenübertragende Geräte wie Verpackungs- und Logistikgütern gerecht zu werden, haben Forscher der Empa diese biologisch abbaubaren Batterien entwickelt.

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