Biologisch-abbaubare-Batterien

Kompost unter Strom – Biologisch abbaubare Batterien für kompostierbare Produkte

Herr Müller kocht gerade das leckere Valentinsmenü für seine Freundin. Er ist beruhigt, als er sieht, dass der Frischesensor auf der Verpackung des italienischen Käses eine hohe Qualität anzeigt. Die Verpackung verfügt über einen kleinen Frischesensor, der aufgeklebt ist und durch eine Batterie versorgt wird. Die komplette Verpackung wandert danach in den Biomüll oder auf den Kompost.

Warum auf den Kompost? Weil alle Teile der Verpackung, auch die Batterie, biologisch abbaubar sind.

Sie denken, das wäre Zukunftsmusik? Nein, denn biologisch abbaubare Batterien können nach etwas Forschung bald in unser aller Alltag Einzug halten.

Batterieelektroden aus Biomaterialien

Wie lässt sich eigentlich eine kompostierbare Batterie herstellen? Viele kennen aus ihrer Kindheit den Versuch, wie mit zwei Nägeln und einer Kartoffel oder einem Apfel an deren Ende eine biologisch abbaubare Batterie entsteht. Internationale Forscherteams versuchen bereits seit Jahren biokompostierbare Materialien (z.B. Cellulose, Maisstärke oder Enzyme) als Teile für Energiespeicher zu nutzen. Materialseitig sind dort zum Beispiel die Universität Binghamton und die Concordia Universität Montreal zu nennen. Diese Prinzipien und Materialien jedoch im großen Maßstab industriell zu verarbeiten, ist derzeit jedoch noch eine Herausforderung.

Erste Schritte zur Industrialisierung konnten durch Forscher des Fraunhofer IPA im Rahmen eines von der Vector Stiftung geförderten Projektes mit biologisch abbaubaren Papierelektroden gezeigt werden. Dort wurde untersucht, ob es möglich ist, diese Technologie auf industriellen Maschinen umzusetzen. Am Ende des Projektes entstanden Batteriezellen mit Papierelektroden, die kompostierbar waren, und auf einer Rolle-zu-Rolle-Anlage hergestellt werden konnten.

Die Batterien mussten für einen längeren Betrieb jedoch noch durch Aluminium- oder Polymerfolien abgedichtet werden. Diese Materialien zum Verkapseln konnten im Projekt noch nicht durch biologisch abbaubare Materialien ersetzt werden.

Biopolymere als Metallersatz

Daher werden in Stuttgart aktuell Biopolymere im Technikumsmaßstab untersucht, die ähnliche Eigenschaften bezüglich Kapselung aufweisen, nach ihrer Lebenszeit jedoch kompostierbar sind. Weiterhin werden Biomaterialien untersucht, mit denen die Kontaktierung der Elektroden sowie die metallischen Verbinder zum Verbraucher ersetzt werden können. Durch diese Arbeiten rückt der Traum der vollständig kompostierbaren Batterie in greifbare Nähe. Ein wesentlicher Vorteil solcher biobasierten Systeme ist der Verzicht auf kritische Metalle oder gefährlicher, gesundheitsgefährdender Stoffe. Dieses Ziel entspricht auch dem Leitbild eines gegenwärtig viel diskutierten Trends in produzierenden Unternehmen und wissenschaftlichen Einrichtungen: der Biologischen Transformation. Unter diesem Begriff versteht man die Anwendung von biologischen Materialien, Strukturen und Prinzipien in der Technik mit dem Ziel einer nachhaltigen Wertschöpfung.

Wir werden in Zukunft viel stärker kompostierbare und recycelbare Materialien einsetzen müssen, um strategische, teure oder unter fragwürdigen Bedingungen geförderte Materialien zu ersetzen. Kompostierbare Batterien können dazu einen wesentlichen Beitrag leisten.

Anwendungsfelder der Batterien

Ob eine Anwendung für kompostierbare Batterien geeignet ist, sollte jedoch vorher an den Leistungs- und Verbrauchsparametern sowie den Umgebungsbedingungen evaluiert werden. Kleine, gedruckte Energiespeicher für autarke Sensorsysteme bieten dort gute Chancen für neue Batterietypen. Jedoch ist der Einsatz kompostierbarer Batterien auch in größerem Maßstab denkbar. So zeigte etwa die Daimler AG auf der CES 2020 einen Showcar VISION AVTR mit einer Batterie, die eine Graphen-basierte organische Zellchemie integriert hatte. Nach Aussage der Entwickler ist der Prototyp der Batterie frei von seltenen Erden und daher vollständig recycelbar. Materialchemie und Systemintegration sind aber noch Gegenstand der Grundlagenforschung.

Der Ansatz der Fraunhofer-Forscher liegt jedoch im Bereich der kleinen gedruckten Systeme, um zunächst ausreichend Erfahrung mit den Materialien und Systemen zu sammeln. Eine spätere Skalierung ist jedoch explizit erwünscht.

Sie wollen wissen, ob kompostierbare Batterien für Ihre Anwendungen in Frage kommen könnten oder interessieren sich für die Fortschritte bei der Entwicklung von kompostierbaren Energiespeichern? Dann bleiben Sie mit uns in Kontakt.

Carsten Glanz forscht am Fraunhofer IPA an neuen Materialien und Beschichtungsprozessen für Elektroden. Aktuell leitet er die Gruppe Applikationstechnik funktionaler Materialien am Fraunhofer IPA. Innerhalb der Gruppen werden neue funktionale Materialien in Schichten integriert und appliziert. Diese Schichten werden in Energiespeichern, Sensoren, Aktoren oder Mensch-Roboter Schnittstellen eingesetzt.

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