Tillverkningsanordningen för batterirevolutionen ser ganska oansenlig ut:den är en modifierad, kommersiellt tillgänglig 3D-skrivare, belägen i ett rum i Empa laboratoriebyggnad. Men den verkliga innovationen ligger i receptet för de gelatinösa bläck som denna skrivare kan dispensera på en yta. Blandningen i fråga består av cellulosa nanofibrer och cellulosa nanokristalliter, plus kol i form av kimrök, grafit och aktivt kol. För att smälta allt detta, forskarna använder glycerin, vatten och två olika typer av alkohol. Plus en nypa bordssalt för jonledningsförmåga.

En smörgås på fyra lager

För att bygga en fungerande superkondensator från dessa ingredienser, fyra lager behövs, allt flyter ut ur 3D-skrivaren en efter en:ett flexibelt substrat, ett ledande skikt, elektroden och slutligen elektrolyten. Det hela viks sedan ihop som en smörgås, med elektrolyten i mitten.

Det som dyker upp är ett ekologiskt mirakel. Minikondensatorn från labbet kan lagra el i timmar och kan redan driva en liten digital klocka. Den tål tusentals laddnings- och urladdningscykler och år av lagring, även i minusgrader, och är motståndskraftig mot tryck och stötar.

Biologiskt nedbrytbar strömförsörjning

Bäst av alla, fastän, när du inte längre behöver det, du kan slänga den i komposten eller helt enkelt lämna den i naturen. Efter två månader, kondensatorn har gått sönder, lämnar endast ett fåtal synliga kolpartiklar. Forskarna har redan provat detta, för.

"Det låter ganska enkelt, men det var det inte alls, " säger Xavier Aeby från Empas Cellulose &Wood Materials-labb. Det tog en lång rad tester tills alla parametrar stämde, tills alla komponenter flödade tillförlitligt från skrivaren och kondensatorn fungerade. Aeby säger:"Som forskare, vi vill inte bara pilla om, vi vill också förstå vad som händer i våra material."

Tillsammans med sin handledare, Gustav Nyström, Aeby utvecklade och implementerade konceptet med en biologiskt nedbrytbar ellagringsenhet. Aeby studerade mikrosystemteknik vid EPFL och kom till Empa för sin doktorsexamen. Nyström och hans team har undersökt funktionella geler baserade på nanocellulosa under en tid. Materialet är inte bara ett miljövänligt, förnybar råvara, men dess interna kemi gör den extremt mångsidig. "Projektet med ett biologiskt nedbrytbart ellagringssystem har legat mig varmt om hjärtat under lång tid, ", säger Nyström. "Vi ansökte om Empa internt medel med vårt projekt, Tryckta pappersbatterier, och kunde starta vår verksamhet med denna finansiering. Nu har vi uppnått vårt första mål."

Applikation i Internet of Things

Superkondensatorn kan snart bli en nyckelkomponent för Internet of Things, Nyström och Aeby förväntar sig. "I framtiden, sådana kondensatorer kan laddas kort med hjälp av ett elektromagnetiskt fält, till exempel, sedan kunde de ge ström till en sensor eller en mikrosändare i timmar." Detta kan användas, till exempel, för att kontrollera innehållet i enskilda paket under frakt. Att driva sensorer inom miljöövervakning eller jordbruk är också tänkbart – det finns ingen anledning att samla in dessa batterier igen, eftersom de kunde lämnas kvar i naturen för att bryta ned.

Antalet elektroniska mikroenheter kommer också att öka på grund av en mycket mer utbredd användning av patientnära laboratoriediagnostik ("point of care testing"), som blomstrar just nu. Små testapparater för användning vid sängkanten eller självtestapparater för diabetiker är bland dem. "En engångscellulosakondensator kan också vara väl lämpad för dessa applikationer, säger Gustav Nyström.