Abitur Mecklenburg-Vorpommern Chemie 2026 · GK · Papier-Batterien – ein nachhaltiger Ansatz?

Papier-Batterien – ein nachhaltiger Ansatz?

Überreste von alten Elektronikartikeln und auch herkömmlicher Batterien belasten die Umwelt. Die Entwicklung nachhaltiger Batterien aus Papier soll einen Beitrag leisten, diesem Umstand entgegenzuwirken.

Material 1: Papier-Batterien als nachhaltige Stromquelle in Kleinstelektronik

Viele tragbare Kleinstelektronik-Geräte, wie etwa Hörgeräte, Lauftracker, Umwelt- oder medizinische Sensoren, benötigen im Betrieb wenig Energie. Derzeit werden in diesen Geräten Batterien mit zu großen Kapazitäten eingesetzt, die nach Gebrauch nur teilentladen entsorgt werden.

Die Entwicklung und Erforschung sogenannter Papier-Batterien als Ersatz klassischer Batterien setzt sich zum Ziel, den „ Prinzipien grüner Chemie “ zu gehorchen. Dazu gehören u. a. Ressourcenschonung, Abfallvermeidung, Verwendung sicherer Chemikalien, effiziente Energienutzung, Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen sowie biologische Abbaubarkeit.

Die Entwicklung der Papier-Batterie befindet sich noch im Anfangsstadium. Nach Angaben einer Forschergruppe habe diese aber das Potential, sogar kompostierfähig zu werden.

Material 2: Die Papier-Batterie

Es handelt sich dabei um eine galvanische Zelle, bei der metallisches Zink und Sauerstoff aus der Luft für die elektrochemischen Reaktionen verantwortlich sind. Die elektrochemisch aktiven und stromleitenden Komponenten werden mit Hilfe spezieller, dafür zusammengemischter Tinten minimal dosiert auf Papier gedruckt. Zur Anwendung kommen dabei drei unterschiedliche Spezial-Tinten mit Ethanol als Lösungsmittel:

Tinte 1: Mischung aus Graphit-Flocken und Schellack (zu Schellack s. M 5)

Tinte 2: Mischung aus Zinkpulver und Schellack

Decktinte: Mischung aus Graphitflocken, Ruß und Schellack

Zur Herstellung dieser Batterie wird vorab Papier mit einer Natriumchlorid-Lösung getränkt und anschließend getrocknet.

Auf die eine Seite des Papiers wird die Tinte 1 gedruckt, auf die andere Seite die Tinte 2. Über diese beiden Tintendrucke wird jeweils die Decktinte als stromleitende Schicht gedruckt. Alle getrockneten Tintendrucke sind luft- und wasserdurchlässig.

Schon wenige Tropfen Wasser auf dem Papier genügen, um die Batterie in Gang zu setzen.

Material 3: Selbstentladung

Als Selbstentladung bezeichnet man selbstständig ablaufende Vorgänge, die zu einer mehr oder weniger schnellen Entladung von Batterien und Akkumulatoren führen, auch wenn kein Verbraucher angeschlossen ist.

Selbstentladung tritt grundsätzlich bei allen Batterien und Akkumulatoren auf. Ursachen sind z. B. Nebenreaktionen, die dann ablaufen, wenn elektrochemisch aktive Teilchen ungewollt direkt in Kontakt treten.

Material 4: Ausgewählte elektrochemische Daten

Tab. 1: Potenzial bei $T = 298{,}15\ \mathrm{K}$ und $p = 101{,}325\ \mathrm{kPa}$ reduzierte Form · $\rightleftharpoons$ · oxidierte Form $+ z\ \mathrm{e}^-$ · $E$

$4\ \mathrm{OH}^-$ · $\rightleftharpoons$ · $\mathrm{O}_2 + 2\ \mathrm{H}_2\mathrm{O} + 4\ \mathrm{e}^-$ · $+0{,}82\ \mathrm{V}\ (\mathrm{pH} = 7)$

Material 5: Eigenschaften, Verwendungen und Gefahrenhinweise ausgewählter Stoffe

Schellack · Schellack ist eine harzartige Substanz. Er ist in Wasser unlöslich und in Ethanol gut löslich. Schellack dient u. a. als Bindemittel. Schellack ist nicht als gefährlicher Stoff eingestuft. Das rein natürliche Granulat ist biologisch abbaubar und physiologisch unbedenklich.

Graphit · Graphit, eine Modifikation des Kohlenstoffs, leitet den elektrischen Strom und wird daher als Elektrodenmaterial genutzt. Graphit ist nicht als gefährlicher Stoff eingestuft.

Zinkpulver · Zink ist ein günstig zu gewinnendes Schwermetall. Zinkpulver ist als sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung eingestuft.

Zink(II)-hydroxid · Zink(II)-hydroxid ist schwer löslich in Wasser und als sehr giftig für Wasserorganismen – auch mit langfristiger Wirkung – eingestuft.

1

Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die an den Polen der Papier-Batterie ablaufenden Teilreaktionen (M 2). [2 BE]

2

Beschreiben Sie die Funktion des Anfeuchtens des mit Natriumchlorid angereicherten Papierstreifens (M 2). Erläutern Sie das Donator-Akzeptor-Prinzip anhand der Vorgänge auf Teilchenebene, die im Betrieb an Kathode und Anode der Papier-Batterie ablaufen (M 2). Berechnen Sie die theoretisch zu erwartende Spannung der Papier-Batterie bei $T = 298{,}15\ \mathrm{K}$, $p = 101{,}325\ \mathrm{kPa}$ und $c(\mathrm{Zn}^{2+}) = 1\ \mathrm{mol/L}$ (M 2, M 4). [9 BE]

3

Stellen Sie eine Hypothese auf, unter welcher Bedingung das Phänomen der Selbstentladung bei der Papier-Batterie auftreten kann (M 2, M 3, M 5). Geben Sie hiernach eine Anweisung zur Lagerung der Papier-Batterie an (M 2, M 3). [4 BE]

4

Skizzieren Sie eine galvanische Zelle, die im Chemieunterricht den Entladevorgang der Papierbatterie modellhaft darstellt (M 2). Vergleichen Sie tabellarisch drei Bestandteile dieser Zelle mit denen der Papier-Batterie (M 2). [10 BE]

5

Diskutieren Sie anhand von 4 Argumenten, ob die Papier-Batterie den „ Prinzipien grüner Chemie “ gehorcht (M 1, M 5). [5 BE]