Auf Papier gedruckte und aufgerollte Zink-Kohle-Primärbatterie

Forscher des Fraunhofer ENAS entwickeln für eine nachhaltige Sensoranwendung im Bereich der Landwirtschaft eine abbaubare, auf Papier gedruckte Zink-Kohle-Primärbatterie. Das im Siebdruck hergestellte und anschließend aufgerollte Batteriesystem bietet einen optimalen Formfaktor und versorgt das Sensorsystem mit bedarfsgerechter Energie.

Researchers at Fraunhofer ENAS are developing a degradable zinc-carbon primary battery printed on paper for a sustainable sensor application in the agricultural sector. The screen-printed and subsequently rolled-up battery system offers an optimal form factor and supplies the sensor system with the energy it needs.

1. Einleitung

Gedruckte Batterien, insbesondere umweltfreundliche Systeme auf der Grundlage des bekannten Zink-Kohle-Materialsystems, werden seit mehr als einem Jahrzehnt realisiert. Während die standardisierten D-, C- und AA-Batterien starr sind und im Batch-Verfahren hergestellt werden, sind die Vorteile einer gedruckten Batterie z. B. Flachheit, Biegbarkeit, dünne Formfaktoren, Formvariabilität, Skalierbarkeit in Spannung und Kapazität, um nur einige hervorzuheben und den Grund für die Forschung an diesem Batterietyp zu nennen [1-7]. Typische Anwendungen sind Sensorsysteme und Werbung. In diesem Beitrag liegt der Schwerpunkt auf einer Zink-Kohle-Batterieanwendung. Für einen breiteren Überblick über die verschiedenen Materialtypen der gedruckten Batterietechnologie siehe z. B. [8-13]. Dieser Ansatz unterscheidet sich grundlegend von wiederaufladbaren und 3D-Mikrobatterien, deren Ziel eine kleine Fläche von weniger als 1 cm² ist [14].

Bei modernen gedruckten Batterien ist ein flaches Batteriedesign üblich, das gebogen werden kann [8]. Typische Energiedichten von gedruckten Zink-Kohle-Batterien liegen im Bereich von <1 mA/cm² bis zu 5 mA/cm² für die aktive Fläche. Zusätzliche Fläche wird für die Verkapselung des wässrigen Elektrolyten benötigt, der eine chemische Reaktion im Inneren der Batterie ermöglicht. Materialaufbauten, Layouts und Anwendungen sind z. B. in [8] beschrieben. Der Vorteil dieser Primärbatterie besteht darin, dass sie nach ihrer Herstellung vollständig aufgeladen ist. Sie kann bis zu einem Vielfachen von 1,5 V_nom in der Betriebsspannung skaliert werden. Der Energiegehalt ist von der Fläche abhängig. Die möglichen Ströme, die von der Batterie getrieben werden können, werden durch ihren Innenwiderstand bestimmt.

Die vorgesehene Anwendung dieser neu entwickelten Batterie wird im folgenden Abschnitt Sensorsystem für die Landwirtschaft beschrieben. Es gibt bislang keine Veröffentlichung über eine gedruckte Batterie, die für die Anwendung aufgerollt wird, wobei der innere Kern offen ist. Auch der Ansatz, hauptsächlich Papier anstelle von Polymerfolie oder sogenanntem Coffeebag-Material zu verwenden, ist innovativ, um einen höheren Anteil an abbaubaren Materialien zu erreichen.

Sensorsystem für die Landwirtschaft

Die weltweite Landwirtschaft befindet sich aufgrund der steigenden Nachfrage nach Nahrungsmitteln durch die wachsende Bevölkerung, die Prognosen zufolge bis 2025 8 Milliarden und bis 2050 9,6 Mrd. Menschen erreichen wird, in einem tiefgreifenden Wandel, der eine Steigerung der Nahrungsmittelproduktion um 70 % bis 2050 erforderlich macht [15]. Die natürlichen Ressourcen wie Ackerland und Wasser für die Bewässerung sind jedoch begrenzt und werden durch den Klimawandel weiter belastet. Intensive Anbaumethoden, die auf Düngemittel und Pestizide angewiesen sind, verschärfen die Degradierung der Ökosysteme.

Die intelligente Landwirtschaft, die Sensorik, Datenverarbeitung und Telematik einsetzt, hat sich als Lösung zur Steigerung der Ernteerträge, zur Verringerung der Umweltverschmutzung und zur Gewinnung qualifizierter Arbeitskräfte erwiesen. Die Sensortechnologie im Ackerbau muss strenge Kriterien erfüllen, darunter die Erschwinglichkeit (10 bis 25 EUR/ha), die drahtlose Datenübertragung von über 300 m zu einer Basisstation und die Erfüllung der Erwartungen der Landwirte an höhere Erträge, eine gleichmäßigere Ernte und geringere Kosten. Darüber hinaus sollte die Sensortechnik im Schadensfall die Ackerfläche nicht belasten. Zu den wichtigsten Sensormessgrößen gehören die Bodenfeuchtigkeit für eine effiziente Bewässerung, der Nitratgehalt des Bodens für eine optimale Düngung und die Blattfeuchte/-temperatur für eine rechtzeitige Fungizidapplikation zur Bekämpfung von Infektionen wie Phytophthora bei Nutzpflanzen. Neben der Funktionalität ist auch die umweltverträgliche Entsorgung der Sensoren, die sich idealerweise während des Pflügens zersetzen, ein wachsendes Anliegen. Diese Fortschritte in der Sensorik zielen auf eine nachhaltige Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität inmitten von Ressourcenbeschränkungen und Umweltproblemen ab.

Das EU-Projekt ‚PLANtAR' (www.plantar-project.eu) zielte darauf ab, eine solche kosteneffiziente, miniaturisierte, vernetzte und teilweise biologisch abbaubare Überwachungssensorik zu entwickeln [16]. Abb. 2 zeigt einen der im Projekt entwickelten Sensoren, bestehend aus einem miniaturisierten Elektronikmodul mit einem Ein-Chip-Funksystem, Sensoren zur Messung von Temperatur, Bodenspannung und Nitrat [17]. Die Sensoren und das elektronische Modul sind aus biologisch abbaubaren oder inerten Materialien mit einem Minimum an Metall- und Keramikkomponenten hergestellt und können nach der Ernte auf dem Feld verbleiben. Das Gerät wird von einer biologisch abbaubaren Zink-Kohle-Batterie gespeist. Für die drahtlose Kommunikation wird eine auf Papier gedruckte Antenne verwendet. Ebenso sind alle Leitbahnen innerhalb des Sensors drucktechnisch hergestellt. Ein Gateway sammelt schließlich die von den verteilten Sensorgeräten übertragenen Daten ein und leitet diese über das Internet an einen zentralen Server weiter, auf dem ein entsprechendes Expertensystem läuft.

Abb. 2: Teilweise biologisch abbaubarer Sensor, entwickelt im EU-Projekt ‚PLANtAR‘ – (li) Aufbau des Sensors mit allen Komponenten für ein drahtloses intelligentes Sensorsystem; (re) Technologiedemonstrator von teilweise kompostierbaren Sensoren für die Landwirtschaft

2. Materialien und Methoden

2.1. Konfiguration der Batterie

Die Grundidee zur Realisierung einer gedruckten Zink-Kohle-Flachbatterie ist in Abb. 3a dargestellt. Es handelt sich um eine schichtweise Stapelung der erforderlichen Komponenten: Silbergitter (optional), Kohlenstoff-Stromkollektor, Anode, Elektrolyt mit Separator sowie Kathode. Eine Funktionsbeschreibung ist in [18,19] zu finden. Der Vorteil dieses Druckansatzes besteht darin, dass die Reihenschaltung von Batterien durch Anpassung des Layouts ebenfalls leicht angepasst werden kann. In Abb. 3b ist eine Reihenschaltung von drei Zellen dargestellt, für die sich eine Batteriespannung von insgesamt 4,5 Vnom ergibt. Für diese Batterie wird nur eine Seite von zwei verschiedenen Substraten verwendet.

Nach dem in Abb. 3 dargestellten Grundkonzept kann das Layout leicht abgewandelt werden, indem alle Schichten auf nur ein Substrat gedruckt werden, wobei die Vorder- und Rückseite verwendet werden (siehe Abb. 4a). Die entsprechenden Anoden- und Kathodenschichten werden beim Aufrollen des Substrats ausreichend überlappt (siehe Abb. 4b).

Abb. 3: Schema eines gedruckten Zink-Kohle-Batterieaufbaus: (a) Stapelaufbau einer Einzelzelle; (b) Reihenschaltung von drei Einzelzellen, realisiert durch Druckanordnung

Abb. 4: Schema eines gedruckten Zink-Kohle-Batterieaufbaus: (a) Stapelaufbau einer 4,5-Vnom-Batterie, bestehend aus drei Zellen (oben); (b) Beginn des Aufrollens, einschließlich Elektrolyten und Separatorschicht (links); (c) aufgerollte 4,5-Vnom-Batterie aus Abb. 4a, bildliches Schema (rechts)

Bei den Experimenten wurden zwei verschiedene Anordnungen verwendet. In Abb. 5a und 5b ist die Anordnung von drei Batterien dargestellt; sie sind nebeneinander in Wickelrichtung (‚kreuzweise') angeordnet. Dies bedeutet, dass die Abdichtung zwischen den drei Zellen senkrecht zur Wickelrichtung verläuft. Jede Batterie hat eine aktive Fläche von 55 cm². Das zweite Layout ist in Abb. 4c sowie 4d dargestellt. Jede Batterie hat eine aktive Fläche von 57 cm². Der Hauptunterschied in der Anordnung besteht darin, dass es keine Abdichtung zwischen den Batterien quer zur Wickelrichtung (‚in Längsrichtung') mehr gibt. Stattdessen verlaufen alle Abdichtungen zwischen den einzelnen Batteriezellen in Wickelrichtung. Die Auswirkungen dieses Unterschieds werden im Abschnitt Ergebnisse beschrieben. Fotografien der verschiedenen Schichten der Längsbatterie sind in Abb. 1 (siehe eingangs dieses Artikels) dargestellt.

Abb. 5: Schema von zwei verschiedenen, aufgerollten 4,5-Vnom-Batterie- Layouts: (a,c) quer zur Wickelrichtung liegende Batteriezellen – (a) Zeigt die Anordnung auf der Vorderseite, während (c) die Überlappung beim Aufrollen zeigt – (b,d) Batteriezellen in Längsrichtung parallel zur Wickelrichtung – (b) zeigt die Anordnung auf der Vorderseite, während (d) die Überlappung beim Aufrollen zeigt

Das Reaktionsschema von Zink, Zinkchlorid und Mangandioxid ist in folgender Gleichung dargestellt:

Umweltaspekte wurden für verschiedene Batteriesysteme in [20] erörtert. Quelle [21] diskutierte die Auslaugung von Schwefeldioxid aus verbrauchtem Zink-Kohle-Batterieschrott. Dies wurde durch die Stahlkapselung verursacht, insbesondere bei alkalischen Batteriezellen. In den gedruckten Batterien ist weder NaOH noch Stahl vorhanden.

2.2. Versuchsaufbau

Für beide Layouts (siehe Abb. 5) wird ein Satz von drei bzw. vier Sieben für den Druck der Silber- (optional), Kohlenstoff-, Zink- und Mangandioxidschichten hergestellt. Mit einer Siebdruckmaschine (EKRA E1 XL) werden drei bzw. vier Schichten gedruckt:

1. ein Silbergitter (DuPont PV410), um den Innenwiderstand der Batterie zu senken (optional)
2. eine Kohlenstoffschicht (Henkel Electrodag), um das Silber zu bedecken und jegliche chemische Reaktion mit der Batteriezelle zu verhindern
3. eine Zinkschicht als Anode der Batterie;
4. eine Mangandioxidschicht als Kathode der Batterie. Nach jedem Druckschritt wird die Tinte in einem Umluftofen (3D Micromac microDRY, 110 °C, 10 min) vollständig getrocknet, bevor die nächste Schicht aufgetragen wird

Für die Entladung der fertiggestellten Batterie wird eine selbst entwickelte Schaltung verwendet. Die Schaltung hat einen Stand-by-Strom von 15 µA. Das ist etwa 1/667 der Strombelastung von 10 mA (20 ms) für die drahtlose Datenübertragung. Die Firmware der elektronischen Schaltung ist so modifiziert, dass die drahtlose Datenübertragung, welche die höchste Strombelastung für die Batterie verursacht, mit einer Wiederholung von fast einmal pro Sekunde (1,0064 s) anstelle der Anwendungsfrequenz von einmal alle 30 Minuten durchgeführt wird. Die Spannung wird während der Entladung mit einem Potentiostat (BioLogic VMP 3) überwacht. Dieser Aufbau wurde gewählt, um die Entladung nicht ebenfalls über den Potentiostaten zu steuern, da in der Maschine mechanische Relais verwendet werden, um die Entladung ein- und auszuschalten. Wenn dies Tausende von Malen durchgeführt wird, verkürzt sich die Lebensdauer des Geräts erheblich.

2.3. Materialien und Montageverfahren

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Aufrollen eines flachen Materialsystems, das eine wässrige Schicht einkapselt. Um die veröffentlichten Ergebnisse zu reproduzieren und darauf aufzubauen, sind nur das Substrat und die Verkapselungsmaterialien und -methoden erforderlich. Materialsysteme, die zur Herstellung von gedruckten Batterien verwendet werden, sind in der Literatur kaum beschrieben. Da die Inhaltsstoffe und Zusätze der verwendeten Tinten zum Hintergrundwissen eines jeden Akteurs in diesem Bereich gehören, können wir unsere Rezepte in diesem Beitrag nicht offenlegen.

Das für die Versuche verwendete Substrat ist Felix Schoeller ‚P_E:SMART Papier Typ 1'. Der Hauptbestandteil ist ein Rohpapier, das mit einer Harzbeschichtung versehen ist, die das Austrocknen des wässrigen Elektrolyten verhindert. Daher verbleibt nur ein kleiner Teil dieses Materials mit sehr langsamer Degradation. Durch den Wechsel des Substrats von 150 µm PET zu P_E:SMART-Papier konnte das Gewicht der Polymerverkapselung um mehr als 80 % reduziert werden.

Nachdem die Schichten aus Silber (optional), Kohlenstoff, Zink und Mangandioxid gedruckt und getrocknet wurden, fehlen noch der Elektrolyt (geliertes wässriges Zinkchlorid) und der Separator (zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen Anode und Kathode im Inneren der Batterie) sowie die Verkapselung, um das primäre Batteriesystem fertigzustellen und zu funktionalisieren.

Für die manuelle Versiegelung der Zellen wird ein 680 µm Abstandshalter aus 3M 467MP 200MP verwendet, der auf jeder Seite mit einer Klebeschicht versehen ist. Alternativ wurde ein UV-härtbarer Klebstoff (KIWOPRINT-UV 94) im Siebdruckverfahren auf das flache Substrat aufgebracht. Der Montageprozess war nicht erfolgreich, daher wird in diesem Papier nicht weiter über diese Aktivitäten berichtet.

Nach dem Anbringen der Versiegelung wurde ein vorgeschnittenes poröses Papier auf die aktiven Batteriebereiche gelegt und der Elektrolyt mit einer Spritze aufgetragen, die auf diesen Bereich verteilt wurde.

Zum Aufrollen der Batterieschichten wurde ein Stab verwendet, um ein Ende des Substrats einzuklemmen, so dass der innere Kern nach dem Verfahren und dem Entfernen des Stabs offen ist.

3. Ergebnisse

In diesem Kapitel werden die Beobachtungen beim Bau der aufgerollten Batterien und die elektrischen Leistungsdaten dargestellt.

3.1. Querliegende Batterie 3.1.1. Herstellung der Batterie

Beim Aufwickeln des kreuzweisen Batterieaufbaus wird durch den dabei entstehenden Druck der Elektrolyt in jeder Batteriezelle in Wickelrichtung gedrückt. Dies führt zu einer Benetzung der Klebeschicht zwischen den einzelnen Zellen. Wenn die Klebeschicht durch den Elektrolyten benetzt wird, verliert sie ihre Verkapselungseigenschaften. Das hat zur Folge, dass der Elektrolyt zweier Zellen nicht – wie vorgesehen – getrennt, sondern verbunden wird. Das Ergebnis ist ein Kurzschluss zwischen den beiden Batteriezellen durch den Elektrolyten.

Nach vielen Versuchen war die Erkenntnis, dass der Queraufbau der Batterie so große Probleme hinsichtlich der Verkapselung verursacht, dass ein neuer Ansatz für den Längsaufbau der Batterie entwickelt wurde, der in „Batterie in Längsrichtung“ beschrieben ist.

3.1.2. Elektrische Leistung

Um eine Vorstellung von der Batterieleistung zu erhalten, wurde die nicht gewickelte Batterie einfach durch Verkapselung von zwei flachen Substraten hergestellt, die bereits für die Aufrollversuche vorbereitet worden waren. Unter Verwendung von zwei dieser Substrate konnte eine Batterie mit drei Zellen realisiert werden. In Abb. 6a ist der Entladeaufbau mit der externen Elektronik dargestellt.

Im Entladediagramm des Potentiostaten, das in Abb. 6b dargestellt ist, lassen sich zwei Bereiche unterscheiden: Bis zum Zyklus 78.000 schwankt die Spannung der Batterie je nach Belastungsgrad (15 µA vs. 10 mA) zwischen einem oberen (4,2-3,7 V) und einem unteren Spannungsniveau (2,4-1,9 V). In der höheren Spannungsebene ist der Stromverbrauch der Elektronik gering. Während der drahtlosen Datenübertragung ist der Strombedarf am höchsten, was aufgrund des Innenwiderstands der Batterie zu einem niedrigeren Spannungsniveau führt. Bei ca. 78.000 Zyklen (d. h. 21,8 h) kommt es zu einem deutlichen Abfall der Spannung von 3,7 V auf 2,2 V. Dieser Abfall zeigt an, dass eine der Batteriezellen ihr Betriebsende erreicht hat. Mit >70.000 Entladezyklen bleibt die Batterie im Rahmen der Anforderungen der Anwendung, die mit mindestens 20.000 Zyklen definiert ist.

3.2. Batterie in Längsrichtung 3.2.1. Herstellung der Batterie

Beim Aufwickeln der Längsbatterie wird durch den Druck in diesem Prozess der Elektrolyt in jeder Batteriezelle in Wickelrichtung gedrückt – wie bei der Queranordnung. Jedoch kann die Bewegung des Elektrolyten viel besser kontrolliert werden als beim ersten Ansatz. Durch die genaue Dosierung des Elektrolyten während des Aufwickelns der Batterie können zwei Probleme gelöst werden: 1. keine Benetzung der Klebeschicht zwischen den einzelnen Batteriezellen; 2. keine Benetzung der Klebeschicht senkrecht zur Wickelrichtung am Schließende der Batterien. Mit diesem Aufbau ist es möglich, aufgerollte Batterien ohne interne Kurzschlüsse des Elektrolyten herzustellen.

3.2.2. Elektrische Leistung

Um eine Vorstellung von der Leistungsfähigkeit der Batterie zu erhalten, wurde die nicht gewickelte Batterie einfach durch Verkapselung zweier flacher Substrate hergestellt, die bereits für die Aufrollversuche vorbereitet worden waren. Mit zwei von ihnen konnte eine Batterie mit drei Zellen realisiert werden.

In dem vom Potentiostaten aufgezeichneten Entladungsdiagramm (Abb. 7) lassen sich zwei Zonen unterscheiden: Von 0 bis 90.000 Zyklen schwankte die Spannung zwischen einem oberen (4,3-4,0 V) und einem unteren Niveau (2,9-2,0 V). Auf dem höheren Spannungsniveau ist die Leistungsaufnahme der Elektronik gering. Während der drahtlosen Datenübertragung ist der Strombedarf am höchsten, was aufgrund des Innenwiderstands der Batterie zu einem niedrigeren Spannungsniveau führt. Die Elektronik benötigt einen Mindestspannungspegel von 2,5 V. Daher liegt der zuverlässige Betrieb nur im Bereich von 0 bis 44.000 Zyklen. Für den vorgesehenen Betrieb sollte die interne Batteriespannung niedriger werden. Dies kann durch einen geringeren Widerstand im Stromkollektor durch ein darunter liegendes Silbergitter realisiert werden. Diese Modifikation wird in Abschnitt 3.3 beschrieben.

Bei 90.000 Zyklen zeigt auch diese Batterie einen deutlichen Spannungsabfall von 3,9 V auf 2,5 V. Dieser Abfall zeigt ebenfalls an, dass eine der Batteriezellen ihr Betriebsende erreicht hat.

Mit mehr als 44.000 Entladezyklen bleibt die Batterie im Wesentlichen innerhalb der Anforderung der Anwendung, die mit mindestens 20.000 Zyklen definiert ist.

3.3. Längsbatterie plus Silbergitter 3.3.1. Herstellung der Batterie

Die Herstellung der Batterie erfolgt in ähnlicher Weise wie in Abschnitt 3.2.1 beschrieben. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der Schichtstapel mit einem Silbergitter unterlegt ist, das bereits in Abb. 1 eingangs des Artikels dargestellt ist.

3.3.2. Elektrische Leistung

Abb. 8b: In Längsrichtung aufgerollte, dreizellige 4,5-V_nom-Batterie mit Silbergitter: Entladeaufbau mit ElektronikIn diesem Fall wurde die Batterieleistung mit einer aufgerollten Batterie bestimmt, wie in Abb. 8a dargestellt. Die Messergebnisse sind in Abb. 8b dargestellt. Aufgrund des geringeren Elektrolytanteils in der Batterie im Vergleich zum flachen Aufbau aus Abschnitt 3.2 sinken die Gesamtentladezyklen von 44.000 auf 34.000. Dies entspricht immer noch der Anforderung von mindestens 20.000 Zyklen.

In dem vom Potentiostat aufgezeichneten Entladungsdiagramm in Abb. 8b lassen sich zwei Bereiche unterscheiden: Von 0 bis 34.000 Zyklen schwankt die Spannung zwischen einem oberen (4,3-3,3 V) und einem unteren Niveau (4,1-2,5 V). Im höheren Spannungsniveau ist die Leistungsaufnahme der Elektronik gering. Während der drahtlosen Datenübertragung ist der Strombedarf am höchsten, was aufgrund des Innenwiderstands der Batterie zu einem niedrigeren Spannungsniveau führt. Die Elektronik benötigt einen Mindestspannungspegel von 2,5 V. Daher liegt der zuverlässige Betrieb nur im Bereich von 0 bis 34.000 Zyklen.

Bei 38.000 Zyklen zeigt auch diese Batterie einen deutlichen Spannungsabfall von 3,1 V auf 2,3 V. Dieser Abfall deutet ebenfalls darauf hin, dass eine der Batteriezellen ihr Betriebsende erreicht hat.

Mit mehr als 34.000 Entladezyklen bleibt die Batterie im Wesentlichen innerhalb der Anforderung der Anwendung, die mit mindestens 20.000 Zyklen definiert ist.

Durch diese beschleunigte Entladung wird erwartet, dass die Batterie, die eine Anwendung mit weniger häufigen Entladeimpulsen antreibt, länger hält, d. h. mehr Zyklen ermöglicht, da die Batterie Zeit hat, sich durch Ionenreorganisation zu erholen. Daher wird die Lebensdauer der Batterie für die Anwendung ausreichend sein.

4. Diskussion

Das Forschungs- und Entwicklungsziel, eine aufgerollte Batterie mit offenem Innenkern als Stromversorgung für ein Sensorsystem für eine spezielle landwirtschaftliche Anwendung zu liefern, wurde erfolgreich erreicht. Die wichtigsten Herausforderungen, wie das Layout oder das Auslaufen der Batteriekapselung, wurden gelöst.

Vergleicht man eine gedruckte Batterie im flachen und im aufgerollten Formfaktor, so hat die flache Version eine höhere Kapazität als die aufgerollte Version. Der Hauptgrund dafür ist die geringere Menge an Elektrolyt in der Batterie, die für die chemische Reaktion erforderlich ist. Die Elektrolytmenge ist durch die Dicke der Versiegelung von 100 µm und den dazwischen liegenden Papierseparator begrenzt. Das Volumen betrug 500 µL. Bei dem flachen Formfaktor gibt es kein Problem, das Papiersubstrat der Batterie durch ein zu großes Elektrolytvolumen auszuwölben. Das Elektrolytvolumen betrug etwa 2 mL in jeder Zelle. Bei der aufgerollten Batterie ist dies aufgrund der übereinanderliegenden Schichten in jeder Lage nicht möglich.

Die größte Herausforderung beim Aufrollen eines flachen Substrats ist die mechanische Spannung, die in jedem gestapelten Materialsystem aufgrund der unterschiedlichen Biegeradien an der Innen- und Außenseite des Substrats entsteht. Bei Verwendung eines relativ steifen Verkapselungsmaterials werden diese Beschränkungen durch kleine Falten noch deutlicher, was zum Austreten von Elektrolyt führt. Dies geschieht vorzugsweise in der Klebeschicht, die schwächer ist als jede Papier- oder Polymerfilmschicht.

Für die Anwendung in der Landwirtschaft gibt es derzeit zwei Nachteile in Bezug auf die biologische Abbaubarkeit der in diesem Artikel beschriebenen Batterie:

1. Das chemische System benötigt H₂O im Elektrolyten für die chemische Reaktion. Daher benötigt der Elektrolyt eine hermetische Abdichtung, die dem wässrigen Elektrolyten standhalten muss. Dies wird durch eine Polymerbeschichtung des Papiers und einen Polymerrahmen mit Klebeschichten zur Verkapselung realisiert. Diese Polymere dürfen nicht wasserabbaubar sein und verbleiben daher lange Zeit im Boden.
2. Der Widerstand des Kohlenstoff-Elektronenträgers selbst ist zu hoch. Um den für den Betrieb der Elektronik erforderlichen Strom zu liefern, ist eine zusätzliches Silbergitter erforderlich, um den Gesamtwiderstand der stromleitenden Schicht zu verringern. Silber ist nicht abbaubar. Außerdem werden manchmal Silberionen verwendet, um das Wachstum von bioorganischen Zellen zu verhindern, z. B. als Dotierstoffe in Sportbekleidung. Eine Übersicht über die Diskussion über Silber im Boden wurde von [22] verfasst.

5. Schlussfolgerungen

In diesem Beitrag wurden drei wichtige Schritte für die Entwicklung und den Bau einer aufgerollten gedruckten Primärbatterie ausgewählt und beschrieben. Zum ersten Mal wurden gedruckte Zink-Kohle-Batterien nicht nur in Bezug auf Spannung und Kapazität skaliert, sondern auch hinsichtlich ihrer dreidimensionalen Form. Dabei wurde eine auf ein Papiersubstrat gedruckte Primärbatterie aufgerollt, um die Forderung der Anwendung nach einem offenen inneren Kern zu erfüllen.

6. Zusammenfassung

Bei Batteriesystemen gibt es mehrere etablierte Formfaktoren, die auf Anwendungen im Massenmarkt abzielen, so z. B. D, C, AA, AAA, Lithium-Rundzellen und Knopfzellen. Neben diesen standardisierten Batterien gibt es in der gedruckten Elektronik mehrere Ansätze zur Realisierung von Flachbatterien aus verschiedenen Materialsystemen, die primäre und sekundäre Batterietypen umfassen. Für eine spezielle Anwendung in der Landwirtschaft benötigt ein Sensorsystem eine abbaubare Primärbatterie. In diesem Beitrag wird die Entwicklung einer speziellen Zink-Kohle-Batterie beschrieben, welche die Sensoranwendung mit 4,5 Vnom versorgt. Die Batterie hat eine Länge von 170 mm und einen Außendurchmesser von 23 mm, während der innere Kern für das Antennensystem der Anwendung offen ist. Die aktive Batteriefläche beträgt bis zu 161 cm². Das Design und die Herstellungsaspekte werden beschrieben. Das aufgerollte Batteriesystem ist nach der Herstellung vollständig aufgeladen und betriebsbereit. Es kann nach dem Einsatz im Feld im Inneren des abbaubaren Sensorsystems verbleiben.

7. Danksagung

Wir möchten uns für die Förderung des Projektes (16ME0160) beim Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bedanken.

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