Wissenschaftler der NTU Singapur entwickeln biologisch abbaubare gedruckte Papierbatterien Die umweltfreundlichen Batterien zerfallen im Boden innerhalb weniger Wochen. Wissenschaftler der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur) haben hauchdünne biologisch abbaubare Zinkbatterien entwickelt, die eines Tages eine umweltverträgliche Option für die Stromversorgung flexibler und tragbarer elektronischer Systeme sein könnten.
Die von der NTU Singapur entwickelten Zinkbatterien bestehen aus Elektroden (durch die der elektrische Strom die Batterie verlässt oder in sie eintritt), die im Siebdruckverfahren auf beide Seiten eines mit Hydrogel verstärkten Zellulosepapiers aufgebracht sind. Wenn die Batterie verbraucht ist, kann sie in der Erde vergraben werden, wo sie sich innerhalb eines Monats vollständig auflöst. In einem Proof-of-Concept-Experiment, das in der Fachzeitschrift Advanced Science beschrieben wird, hat das NTU-Team gezeigt, wie eine 4 cm x 4 cm große, quadratische Papierbatterie einen kleinen elektrischen Ventilator mindestens 45 Minuten lang mit Strom versorgen kann.
Das Biegen oder Verdrehen der Batterie führte nicht zu einer Unterbrechung der Stromzufuhr. In einem weiteren Experiment, bei dem eine 4 cm x 4 cm große Batterie zur Stromversorgung einer LED verwendet wurde, zeigten die Wissenschaftler, dass die LED trotz des Wegschneidens von Teilen der Papierbatterie weiterleuchtete, was darauf hindeutet, dass das Schneiden die Funktionalität der Batterie nicht beeinträchtigt. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass ihre gedruckte Batterie in flexible Elektronik wie faltbare Smartphones, die bereits auf dem Markt sind, oder in biomedizinische Sensoren zur Gesundheitsüberwachung integriert werden könnte.
Professor Fan Hongjin von der NTU School of Physical and Mathematical Sciences und Mitautor der Studie, sagte: "Herkömmliche Batterien gibt es in einer Vielzahl von Modellen und Größen, und die Auswahl des richtigen Typs für Ihr Gerät kann ein mühsamer Prozess sein. Mit unserer Studie haben wir eine einfachere und billigere Methode zur Herstellung von Batterien aufgezeigt, indem wir ein einziges großes Stück Batterie entwickelt haben, das ohne Effizienzverlust in die gewünschte Form und Größe geschnitten werden kann.
Form und Größe zugeschnitten werden kann, ohne an Effizienz zu verlieren. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich unsere Papierbatterien ideal für die Integration in die Arten von flexibler Elektronik, die nach und nach entwickelt werden".
Assistenzprofessor Lee Seok Woo von der NTU School of Electrical and Electronic Engineering und Mitautor der Studie, sagte: "Wir glauben, dass die von uns entwickelte Papierbatterie möglicherweise zur Lösung des Elektronikmüllproblems beitragen könnte, da unsere gedruckte Papierbatterie ungiftig ist und keine Aluminium- oder Kunststoffgehäuse zur Verkapselung der Batteriekomponenten benötigt. Durch den Verzicht auf die Verpackungsschichten kann unsere Batterie außerdem eine höhere Energiemenge und damit Leistung in einem kleineren System speichern."
Die Entwicklung der gedruckten Papier-Zink-Batterien durch das NTU-Forschungsteam, zu dem auch die Forschungsstipendiaten Dr. Yang Peihua und Dr. Li Jia gehören, steht im Einklang mit der Vision NTU 2025 und dem Nachhaltigkeitsmanifest der Universität, die darauf abzielen, nachhaltige Lösungen zu entwickeln, um einige der dringenden großen Herausforderungen der Menschheit anzugehen.
Herstellung von 'Sandwich-Batterien'
Batterien versorgen Geräte durch eine elektrochemische Reaktion, bei der elektrische Energie erzeugt wird. Das Innenleben einer Batterie ist normalerweise in einem Metall- oder Kunststoffgehäuse untergebracht. In diesem Gehäuse befinden sich die Kathode und die Anode - das sind Elektroden, an denen die elektrochemischen Reaktionen stattfinden. Ein zwischen Kathode und Anode angebrachter Separator bildet eine Barriere und verhindert, dass sich die Elektroden berühren, während die elektrische Ladung ungehindert zwischen ihnen fließen kann, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Im Inneren der Batterie befindet sich außerdem ein Medium, der so genannte Elektrolyt, der den Fluss der elektrischen Ladung zwischen Kathode und Anode ermöglicht. Um einen dünneren, leichteren Prototyp zu entwickeln, für den keine Verpackung erforderlich ist, haben die NTU-Wissenschaftler ein "Sandwich-Design" für ihre Batterien gewählt - die Elektroden sind wie die Brotscheiben, und das Zellulosepapier, auf das die Elektroden gedruckt sind, ist wie die Sandwichfüllung.
Der Herstellungsprozess beginnt mit der Verstärkung von Zellulosepapier mit Hydrogel, um die in der Zellulose natürlich vorhandenen Faserlücken zu füllen. Dies bildet einen dichten Separator, der die Vermischung der Elektroden wirksam verhindert. Diese werden als "Elektrodentinten" formuliert und im Siebdruckverfahren auf beide Seiten des hydrogelverstärkten Zellulosepapiers gedruckt. Die Anodentinte besteht hauptsächlich aus Zink und Ruß (einer leitfähigen Kohlenstoffart). Für die Kathodentinte haben die Wissenschaftler eine Sorte mit Mangan und eine andere mit Nickel als Proof-of-Concept entwickelt, obwohl nach Angaben des Forscherteams auch andere Metalle verwendet werden könnten. Nachdem die Elektroden gedruckt wurden, wird die Batterie in einen Elektrolyten getaucht. Anschließend wird eine dünne Goldfolie auf die Elektroden aufgetragen, um die Leitfähigkeit der Batterie zu erhöhen. Das Endprodukt ist etwa 0,4 mm dick - etwa so dick wie zwei menschliche Haarsträhnen.
Eine umweltfreundliche Alternative
Da Hydrogel und Zellulose auf natürliche Weise von Bakterien, Pilzen und anderen Mikroorganismen abgebaut werden, kann die Batterie am Ende ihrer Lebensdauer einfach in der Erde vergraben werden, wo sie sich innerhalb weniger Wochen zersetzt, was sie zu einem vollständig biologisch abbaubaren Produkt macht. Um die biologische Abbaubarkeit der Papierbatterie zu demonstrieren, vergruben die NTU-Wissenschaftler sie im Boden einer Dachterrasse auf dem NTU-Campus. Das mit Hydrogel verstärkte Zellulosepapier begann nach zwei Wochen zu zerbrechen und zersetzte sich innerhalb eines Monats vollständig.
Prof. Fan sagte: "Bei der Zersetzung werden die Elektrodenmaterialien in die Umwelt freigesetzt. Das in den Kathoden verwendete Nickel oder Mangan verbleibt in seiner Oxid- oder Hydroxidform, die der Form natürlicher Mineralien sehr ähnlich ist.
Das in der Anode enthaltene Zink wird auf natürliche Weise oxidiert und bildet ein ungiftiges Hydroxid. Dies deutet darauf hin, dass die Batterie eine nachhaltigere Alternative zu den derzeitigen Batterien darstellen könnte. In Zukunft hofft das NTU-Team, die vollständige Integration der gedruckten Papierbatterie in andere gedruckte Elektronik, elektronische Häute sowie Energiespeichersysteme für den Einsatz in der Umwelt zu demonstrieren.
Weitere Informationen finden Sie unter:
https://www.ntu.edu.sg/news/detail/batteries-of-the-future-could-be-paper-thin-and-biodegradable [This is automatically translated from English]