Het fabricageapparaat voor de batterijrevolutie ziet er vrij onopvallend uit:het is een aangepast, in de handel verkrijgbare 3D-printer, gevestigd in een kamer in het Empa laboratoriumgebouw. Maar de echte innovatie ligt in het recept voor de gelatineuze inkten die deze printer op een oppervlak kan doseren. Het mengsel in kwestie bestaat uit cellulose-nanovezels en cellulose-nanokristallieten, plus koolstof in de vorm van roet, grafiet en actieve kool. Om dit alles vloeibaar te maken, de onderzoekers gebruiken glycerine, water en twee verschillende soorten alcohol. Plus een snufje keukenzout voor ionische geleidbaarheid.

Een sandwich van vier lagen

Om van deze ingrediënten een functionerende supercondensator te bouwen, er zijn vier lagen nodig, allemaal de een na de ander uit de 3D-printer stromen:een flexibel substraat, een geleidende laag, de elektrode en tenslotte de elektrolyt. Het geheel wordt dan opgevouwen als een boterham, met de elektrolyt in het midden.

Wat naar voren komt is een ecologisch wonder. De minicondensator uit het lab kan urenlang elektriciteit opslaan en kan al een kleine digitale klok van stroom voorzien. Het is bestand tegen duizenden laad- en ontlaadcycli en jarenlange opslag, zelfs bij vriestemperaturen, en is bestand tegen druk en schokken.

Biologisch afbreekbare voeding

Beste van alles, Hoewel, als je het niet meer nodig hebt, je zou het in de compost kunnen gooien of het gewoon in de natuur laten. Na twee maanden, de condensator zal zijn gedesintegreerd, waardoor er slechts een paar zichtbare koolstofdeeltjes achterblijven. De onderzoekers hebben dit al geprobeerd, te.

"Het klinkt heel simpel, maar dat was het helemaal niet, ", zegt Xavier Aeby van Empa's Cellulose &Wood Materials-lab. Het duurde een uitgebreide reeks tests voordat alle parameters juist waren, totdat alle componenten betrouwbaar uit de printer stroomden en de condensator werkte. Aeby zegt:"Als onderzoekers, we willen niet alleen maar rommelen, we willen ook begrijpen wat er in onze materialen gebeurt."

Samen met zijn begeleider Gustav Nyström, Aeby ontwikkelde en implementeerde het concept van een biologisch afbreekbaar elektriciteitsopslagapparaat. Aeby studeerde microsysteemtechniek aan EPFL en kwam naar Empa voor zijn doctoraat. Nyström en zijn team doen al geruime tijd onderzoek naar functionele gels op basis van nanocellulose. Het materiaal is niet alleen een milieuvriendelijk, hernieuwbare grondstof, maar de interne chemie maakt het extreem veelzijdig. "Het project van een biologisch afbreekbaar elektriciteitsopslagsysteem ligt mij al heel lang nauw aan het hart, " zegt Nyström. "We hebben met ons project interne financiering van Empa aangevraagd, Bedrukte Papieren Batterijen, en konden met deze financiering onze activiteiten starten. Nu hebben we ons eerste doel bereikt."

Toepassing in het internet der dingen

De supercondensator kan binnenkort een belangrijk onderdeel worden voor het internet der dingen, Nyström en Aeby verwachten. "In de toekomst, dergelijke condensatoren kunnen kort worden opgeladen met behulp van een elektromagnetisch veld, bijvoorbeeld, dan kunnen ze urenlang stroom leveren voor een sensor of een microzender." Dit zou kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, om de inhoud van afzonderlijke pakketten tijdens verzending te controleren. Het voeden van sensoren in milieumonitoring of landbouw is ook denkbaar - het is niet nodig om deze batterijen opnieuw in te zamelen, omdat ze in de natuur kunnen worden achtergelaten om af te breken.

Het aantal elektronische microdevices zal ook toenemen door een veel wijdverbreider gebruik van near-patient laboratoriumdiagnostiek ("point of care testing"), die momenteel in volle bloei is. Hiertoe behoren kleine testapparaten voor gebruik aan het bed of zelftestapparaten voor diabetici. "Een wegwerpbare cellulosecondensator zou ook goed geschikt kunnen zijn voor deze toepassingen, " zegt Gustav Nyström.