Biobatterien auf Papierbasis

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Wissenschaftler entwickeln neuartige biologisch abbaubare Mini-Stromspeicher – Vorläufer vier Jahre alt

Das vorgeschlagene Design ist einfach zu produzieren, kostengünstig, flexibel und effizienter als bisher vorgeschlagene papierbasierte Batterien, schrieb Rachael Flores am 29.06.2018 auf der Internetseite der Binghamton University im US-Bundesstaat New York. Demnach haben Forscher der Binghamton University eine biologisch abbaubare, papierbasierte Batterie entwickelt, die effizienter ist, als das bisher möglich war. Seit Jahren geistert die Möglichkeit von Papierbatterien als umweltfreundliche Alternative durch die Wissenschaft. Allerdings waren die bisher vorgelegten Entwürfe*) nie stark genug, schwierig herzustellen und es war fraglich, ob sie wirklich biologisch abbaubar waren. Das neue Design soll nun all diese Probleme lösen.

Associate Professor Seokheun „Sean“ Choi vom Fachbereich Elektrotechnik und Informatik und Professorin Omowunmi Sadik vom Fachbereich Chemie arbeiteten gemeinsam an dem Projekt – Foto © binghamton.edu

Der Elektrotechniker und Informatiker „Sean“ Choi entwickelte den Aufbau der papierbasierten Batterie, während seine Kollegin, die Chemikerin Omowunmi Sadik, den Minispeicher zu einer selbsttragenden Biobatterie machte. „Es gab einen dramatischen Anstieg an Elektronikschrott, und das könnte ein hervorragender Weg sein, ihn zu reduzieren“, sagte Choi. „Unsere Hybrid-Papierbatterie wies ein viel höheres Leistungs-Kosten-Verhältnis auf als alle bisher berichteten papierbasierten mikrobiellen Batterien.“

Die Biobatterie bestehe aus einer Mischung aus Papier und technischen Polymeren – [engl.: poly (amic) acid and poly (pyromellitic dianhydride-p-phenylenediamine) – dt.: Poly(amid)säure und Poly(pyromellitisches Dianhydrid-p-phenylendiamin)] – die Polymere seien der Schlüssel zum biologischen Abbau der Batterien gewesen. Das Team habe den Abbau der Batterie in Wasser getestet, und sie wurde ohne Einsatz spezieller Einrichtungen, Bedingungen oder die Einführung anderer Mikroorganismen biologisch abgebaut. Die Polymer-Papier-Strukturen sind leicht, kostengünstig und flexibel. Choi sagte, dass Flexibilität auch einen weiteren Vorteil biete: „Die Leistungssteigerung kann durch einfaches Falten oder Stapeln der hybriden, flexiblen Papier-Polymer-Geräte erreicht werden“, erklärt Choi.

Das Team ließ verlauten, die Herstellung der Biobatterien sei ein relativ einfacher Prozess und das Material lasse Modifikationen je nach benötigter Konfiguration zu. Sein Forschungspapier mit dem Titel „Green Biobatteries: Hybrid Paper-Polymer Microbial Fuel Cells“ wurde am 28.06.2018 in Advanced Sustainable Systems veröffentlicht.

Abstract in Advanced Sustainable Systems (Auszug): „Unter vielen Batterien auf Papierbasis finden papierbasierte mikrobielle Biobatterien aufgrund ihrer Selbstnachhaltigkeit, Kosteneffizienz, Umweltfreundlichkeit und des Potenzials zur Energieverfügbarkeit in ressourcenschwachen Umgebungen viel Beachtung. Die Erwartungen in diese Technologie haben sich jedoch bisher wegen ihrer geringen Leistung nicht in praktische Leistungsanwendungen umsetzen lassen. Außerdem blieb die biologische Abbaubarkeit fraglich. In dieser Arbeit wird ein biologisch leicht abbaubares Papier-Polymer-Substrat als Teil einer neuartigen, leistungsstarken mikrobiellen Batterie entwickelt. Polyamidsäure und poly-pyromellitisches Dianhydrid-p-phenylendiamin (wörtliche Übersetzung) werden verarbeitet und in ein poröses, hydrophiles Netzwerk aus miteinander verflochtenen Cellulosefasern eingebunden, um die sauerstoffblockierenden, protonenaustauschenden und biologisch abbaubaren Eigenschaften der papierbasierten mikrobiellen Biobatterien zu revolutionieren, die letztlich das transformative Potenzial der „grünen“ Elektronik bieten. Darüber hinaus weist die Batterie, die durch Zugabe von technischen Polymeren zum Papier entsteht, ein wesentlich höheres Preis-Leistungs-Verhältnis auf als alle bisher berichteten mikrobiellen Batterien auf Papierbasis.

*)Der Designer Tsung Chih-Hsien hatte bereits 2014 eine biologisch abbaubare, wegwerfbare Batterie namens Mini Power entwickelt, für die er in Singapur den Red Dot Award in der Kategorie Design Concept verliehen bekam. Die Batterien verpackte er statt in Plastik in Papphüllen, sie sollen mobile Energie wahlweise für zwei, vier oder sechs Stunden liefern. Nach Chih-Hsiens Vorstellung sollen die Batterien in größeren Mengen auf einem perforierten Streifen abgegeben werden, von dem sich der User die benötigte Menge abbrechen kann. Beim Kauf eines neuen Streifens gibt man die leeren Batterien zurück, damit die Hülle biologisch abgebaut und die Batterie recycelt werden können. Mini Power allerdings nicht umgesetzt.

->Quellen: