Batterie aus Papier und Bakterien

| Redakteur: Julia Schmidt

Die Forscher wollten eine preiswerte Papierbatterie entwickeln, die mit Bakterien betrieben wird und sich leicht in Einweggeräte wie Biosensoren integrieren lässt.
Die Forscher wollten eine preiswerte Papierbatterie entwickeln, die mit Bakterien betrieben wird und sich leicht in Einweggeräte wie Biosensoren integrieren lässt. (Bild: Seokheun Choi)

US-Forscher haben neue umweltfreundliche Batterien entwickelt, die etwa Sensoren für die Medizin mit Strom versorgen könnten. Sie sind extrem leicht und flexibel einsetzbar und können einfach entsorgt werden.

Auf der diesjährigen 256. National Meeting & Exposition der American Chemical Society (ACS) haben Forscher ein neues, umweltfreundliches Batterie-Konzept vorgestellt, das sich insbesondere für Biosensoren im medizinischen Bereich eignen könnte.

Die umweltbewussten Batterien sind aber nicht nur in der Medizin und für den Umweltschutz interessant. In abgelegenen Regionen der Welt oder in Regionen mit begrenzten Ressourcen sind alltägliche Dinge wie Steckdosen und Batterien Luxusgüter. Im Gesundheitswesen in diesen Gebieten fehlt es oft an Strom für die Stromversorgung von Diagnosegeräten, und kommerzielle Batterien sind möglicherweise nicht verfügbar oder zu teuer. Dort werden neue Stromquellen benötigt, die kostengünstig und portabel sind.

Kostengünstig, flexibel einsetzbar und einfach zu entsorgen

„Papier hat einzigartige Vorteile als Material für Biosensoren“, sagt Dr. Seokheun (Sean) Choi, der die Arbeit auf der Tagung vorstellte. „Es ist kostengünstig, flexibel und hat eine hohe Oberfläche. Allerdings benötigen anspruchsvolle Sensoren eine Spannungsversorgung. Kommerzielle Batterien sind zu verschwenderisch und teuer und können nicht in Papiersubstrate integriert werden. Die beste Lösung ist eine Bio-Batterie auf Papierbasis.“ Und dabei kann man die neuen Batterien nach der Verwendung problemlos entsorgen.

Die Idee ist nicht ganz neu. Forscher haben bereits Einweg-Biosensoren auf Papierbasis entwickelt, um Krankheiten und Gesundheitszustände kostengünstig und komfortabel zu diagnostizieren und Schadstoffe in der Umwelt nachzuweisen. Viele dieser Geräte sind auf Farbänderungen angewiesen, um ein Ergebnis zu melden, aber sie sind oft nicht sehr empfindlich. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, benötigen die Biosensoren eine eigene Stromversorgung. Choi wollte daher eine preiswerte Papierbatterie entwickeln, die mit Bakterien betrieben wird und sich leicht in diese Einweggeräte integrieren lässt.

Dünne Schichten von Metall und exoelektrogene Mikroben auf Papier

Choi und seine Kollegen von der State University of New York, Binghamton, haben eine Papierbatterie hergestellt, indem sie dünne Schichten von Metallen und anderen Materialien auf eine Papieroberfläche gedruckt haben. Dann legten sie gefriergetrocknete „Exoelektrogene“ auf das Papier. Exoelektrogene Mikroorganismen sind eine spezielle Art von Bakterien, die Elektronen außerhalb ihrer Zellen übertragen können. Die Elektronen, die entstehen, wenn die Bakterien Energie für sich selbst erzeugen, passieren die Zellmembran. Sie können dann Kontakt mit externen Elektroden aufnehmen und die Batterie mit Strom versorgen. Um die Batterie zu aktivieren, fügten die Forscher Wasser oder Speichel hinzu. Innerhalb weniger Minuten belebte die Flüssigkeit die Bakterien, die genug Elektronen produzierten, um eine Leuchtdiode oder einen Taschenrechner anzutreiben.

Die Forscher untersuchten auch, wie sich Sauerstoff auf die Leistung ihres Gerätes auswirkt. Der Sauerstoff, der leicht durch das Papier gelangt, könnte die von den Bakterien produzierten Elektronen aufsaugen, bevor sie die Elektrode erreichen. Das Team stellte fest, dass die Energieerzeugung durch Sauerstoff zwar leicht abnahm, der Effekt jedoch minimal war. Denn die Bakterienzellen waren fest mit den Papierfasern verbunden, die die Elektronen schnell genug zur Anode befördern, bevor Sauerstoff Einfluß nehmen konnte.

„Die Leistung muss um etwa das 1.000-fache verbessert werden“

Die Papierbatterie, die einmal verwendet und dann weggeworfen werden kann, hat derzeit eine Haltbarkeit von etwa vier Monaten. Choi arbeitet derzeit an den Bedingungen, die das Überleben und die Leistung der gefriergetrockneten Bakterien verbessern und eine längere Haltbarkeit ermöglichen könnten. „Für die meisten praktischen Anwendungsszenarien muss auch die Leistung um etwa das 1.000-fache verbessert werden“, sagt Choi. Dies könne, seiner Meinung nach, durch das Stapeln und Verbinden mehrerer Papierbatterien erreicht werden. Choi hat die Batterie zum Patent angemeldet und sucht aktuell Industriepartner für die Vermarktung.

Die Forscher wurden bei ihrem Projekt von der National Science Foundation, dem Office of Naval Research und der Research Foundation for the State University of New York unterstützt.

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Stimmt. Wir haben noch heute zu wenig Nachwuchs, um künftige Probleme der Gesellschaft zu meistern.  lesen
posted am 30.08.2018 um 13:02 von Unregistriert

Was passiert wenn diese Bakterien einmal massenhaft in die Umwelt gelangen? Ich erinnere an das...  lesen
posted am 30.08.2018 um 11:35 von Unregistriert


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