Eine Salz- und Papierbatterie

Forscher der Universität Uppsala in Schweden haben eine flexible Batterie aus zwei gängigen, billigen Zutaten hergestellt: Zellulose und Salz. Der leichte, wiederaufladbare Akku verwendet dünne Papierstücke – gepresste Matten aus verschlungenen Zellulosefasern – als Elektroden, während eine Salzlösung als Elektrolyt dient.



Papierkraft : Eine neue Dünnschichtbatterie hat Elektroden aus polymerbeschichtetem Papier und einen Elektrolyten aus salzgetränktem Papier. Ein Laborprototyp zeigt die Zelle, die zwischen Glasobjektträger gepresst und in einem Aluminiumbeutel verpackt ist.

Die neue Batterie soll billig, einfach herzustellen und umweltfreundlich sein, sagt der leitende Forscher Maria Stromme . Sie schlägt vor, dass es verwendet werden könnte, um billige medizinische Diagnosegeräte oder Sensoren auf Verpackungsmaterialien oder in Stoff eingebettet zu betreiben. Sie brauchen keine fortschrittliche Ausrüstung, um die Batterien herzustellen, sagt Stromme, sodass sie vor Ort in Entwicklungsländern hergestellt werden könnten.



Die neue Batterie verwendet eine Art wiederaufladbares Dünnschichtdesign, an dem viele andere Forscher und Unternehmen seit mehreren Jahren arbeiten.



Dünnschichtbatterien verwenden typischerweise Festelektrolyte anstelle von Flüssigkeit oder Gel, und ihre Elektroden bestehen typischerweise aus Lithium in Kombination mit Metallen wie Nickel, Kobalt oder Mangan. Die Salz- und Papierbatterie ist ein idealer Ersatz für die Lithiumbatterien, die in vielen tragbaren Geräten mit geringem Stromverbrauch verwendet werden, wie z. B. drahtlosen Sensoren, Smartcards, medizinischen Implantaten und RFID-Tags. Für diese Anwendungen gilt: Je dünner und kleiner die Batterie, desto besser, sagt Sara Bradford, Energie- und Energieberaterin bei Frost & Sullivan.

Dünnschichtbatterien haben weitere attraktive Eigenschaften. Sie haben eine lange Haltbarkeit, behalten ihre Ladung nach vielen Jahren Lagerung und können zehntausende Male geladen und entladen werden, sagt Raghu Das, CEO des Forschungsunternehmens IDTechEX und Experte für gedruckte Elektronik kann mit einem entsprechenden Energy Harvester Jahrzehnte halten.

Allerdings sind nur eine Handvoll Startups, wie z Unendliche Stromversorgungslösungen in Littleton, CO, und Solicore in Lakeland, FL, haben genügend Risikokapital generiert, um ihre Batterien auf den Markt zu bringen. Cymbet in Elk River, MN, und Excellatron in Atlanta, GA, sind weitere starke Konkurrenten mit marktreifen Technologien. Mehr als vier Millionen Dünnschichtbatterien werden in diesem Jahr ausgeliefert, so ein Mai 2009 Prüfbericht vom Marktforschungsunternehmen NanoMarkets.



Die neue Papierbatterie, beschrieben in einem online in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Nano-Buchstaben , hat Nachholbedarf. Lithiumbatterien können 4 Volt liefern und haben Energiedichten von 200 bis 300 Milliwattstunden pro Gramm. Im Vergleich dazu liefert eine einzelne Papierbatteriezelle 1 Volt und kann bis zu 25 Milliwattstunden Energie pro Gramm speichern. Bei maximaler Stromzufuhr verliert er nach 100 Ladezyklen 6 Prozent seiner Speicherkapazität. Stromme sagt jedoch, dass ihr Team die Batterie bereits für 1.000 Ladezyklen mit niedrigerem Strom betrieben hat. Sie weist auch darauf hin, dass es sich um Zahlen aus einem ersten Laborprototyp handelt.

Die Forscher arbeiten nun daran, die Batterie zu optimieren. Schließlich erhöht das Stapeln mehrerer Zellen und deren Reihenschaltung die Spannung. In der Zwischenzeit können wir je nach Anwendung die Größe und den Strom, den wir ziehen, auf diese Anforderungen abstimmen, sagt sie.

Der Papierakku lässt sich zudem viel schneller wieder aufladen als ein Lithium-Akku. Die Zellulose, die Stromme und ihre Kollegen verwenden, stammt aus einer umweltschädlichen Algenart, die in Meeren und Seen vorkommt. Obwohl die Zellwände der Algen Zellulose enthalten, weist diese eine ganz andere Nanostruktur auf, die ihr die 100-fache Oberfläche verleiht. Das Papier aus dieser Zellulose beschichten die Forscher mit einem leitfähigen Polymer und schichten dann ein mit Salzlösung getränktes Filterpapier zwischen die Papierelektroden.



Chlorionen fließen von der positiven zur negativen Elektrode, während Elektronen durch den externen Stromkreis wandern und Strom liefern. Die Papierelektrode speichert Ladung und lädt sich in zehn Sekunden wieder auf, da Ionen schnell durch die dünne Elektrode fließen. Im Gegensatz dazu benötigen Lithium-Batterien 20 Minuten zum Aufladen. Die Kombination aus großer Kapazität und kurzer Ladezeit sei einzigartig, sagt Stromme.

Bradford sagt, dass sich die neue Papierbatterie im Vergleich zu anderen Dünnschichttechnologien in einem relativ frühen Forschungsstadium befindet. Für den Erfolg einer Batterie sind gute Kosten und ein gutes Herstellungsverfahren erforderlich, aber die Leistung ist der Schlüsselaspekt, sagt sie. Wenn es sich nicht um eine Verbesserung der bestehenden Technologie um mehrere Grad handelt, ist es sehr schwierig, die Batterie rentabel zu machen.

Stromme hingegen ist zuversichtlich, dass das umweltfreundliche Design Nischenanwendungen finden wird. Sie sagt, dass es innerhalb von drei Jahren kommerziell produziert werden könnte.



verbergen