Einfach ausdrucken: Batterien aus Kunststoff

Prototyp einer ultradünnen und extrem flexiblen Folien-Batterie. Energiespeicher auf der Basis von Polymeren stehen im Fokus der internationalen Konferenz "Polymers and Energy" an der Uni Jena. Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

Auf den ersten Blick sieht es aus wie ein gewöhnlicher Stickerbogen aus dem Schreibwarengeschäft, nur nicht ganz so bunt. Doch die kleinen rechteckigen Objekte, die sich mit dem Finger aus dem Bogen herausdrücken lassen, sind Prototypen von Folien-Batterien, gedruckt mit einem Siebdrucker, ultradünn und extrem flexibel. Noch enthalten sie Metalle, doch zukünftig sollen sie vollständig aus innovativen Kunststoffen aufgebaut sein.

„Batterien auf der Basis von Polymeren, sogenannte organische Radikalbatterien, sind risikoarm und nachhaltig, denn sie enthalten keine umweltschädlichen oder selten vorkommenden Metalle und metallische Verbindungen in den Elektroden, wie etwa Lithium oder Kobalt“, sagt Dr. Martin Hager vom Zentrum für Energie und Umweltchemie der Universität Jena. Sie schlössen eine wichtige Lücke im Kontext einer vollständig regenerativen Energieversorgung, betont der Chemiker, der die Forschergruppe „Neue polymere Materialien für effiziente Energiespeicher“ leitet. Bisher gebe es zwar „grüne“ Technologien zur Energiegewinnung, aber keine „grünen“ Energiespeicher.

Das Konzept der druckbaren Folienbatterien aus organischen Rohstoffen präsentierte Martin Hager im vergangenen Monat bei der internationalen Konferenz Polymers and Energy, einer Tagung der Fachgruppe Makromolekulare Chemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) an der Friedrich-Schiller-Universität statt.

Zur Speicherung der elektrischen Energie werden in den Kunststoffbatterien unter anderem stabile Radikale eingesetzt – das sind Moleküle, die mindestens ein ungepaartes Elektron enthalten. Die Polymere fungieren als eine Art Rückgrat, an dem die Radikale als Aktiveinheiten wie an einer Perlenkette hängen. Hinzu kommen leitfähige Additive, wie etwa Graphit oder Nanofasern, sowie ein Bindemittel. „Die Aktiveinheiten sind entscheidend, da ihre Struktur die elektrische Spannung bestimmt“, sagt Hager. Zudem müssen beide Elektroden – also Anode und Kathode – aufeinander abgestimmt sein. „Es gibt bereits eine Vielzahl bekannter Kathoden-Materialien, weshalb wir nun vor allem an Polymeren für die Anode forschen“, erklärt der Chemiker. Dabei setzen die Jenaer Wissenschaftler auf Konzepte, die sich für die industrielle Fertigung eignen: „Eine optimale Elektrodenmischung heißt für uns auch, dass ihre Synthese möglichst einfach und günstig ist“, betont Hager.

Auch die Herstellung der organischen Radikalbatterien ist für die industrielle Massenproduktion geeignet: Denn die leitfähigen Polymere lassen sich als Paste oder flüssige „Tinte“ mittels Sieb- oder Tintenstrahldruck innerhalb weniger Minuten einfach ausdrucken. „Mit dem Tintenstrahldruck können wir die Form der Batterie entsprechend ihrer Anwendung maßschneidern, während mit dem Siebdruck sich dickere und damit leistungsfähigere Batterien herstellen lassen“, erklärt Hager.

Die Kapazität der hauchdünnen Kunststoffbatterien sei zwar geringer als die eines konventionellen metallhaltigen Akkus. Für viele Anwendungen reiche aber die Kapazität der Polymerbatterien, etwa für Leuchtdioden oder intelligente Verpackungen, die anzeigen, ob das Mindesthaltbarkeitsdatum überschritten oder die Kühlkette unterbrochen wurde. Zudem ließen sich die Batterien innerhalb weniger Minuten wiederaufladen – und zwar bis zu tausendmal. GD