Batterien und Akkumulatoren, Entsorgung und Umweltbestimmungen

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1 Batterien und Akkumulatoren, Entsorgung und Umweltbestimmungen Geschichte... 2 Begriffe... 2 Zink-Braunstein Elemente... 3 Leclanché Element... 4 Zinkchlorid... 5 Alkali-Mangan... 6 Bauformen... 7 Grundsätzlicher Aufbau von Akkus... 8 Bleiakkumulatoren... 9 Nickelcadmiumakkus (NiCd) Nickelmetallhydridakkus (NiMH) Lithiumionenakkus Entsorgungs- und Umweltbestimmungen Linkliste Fragenkatalog Batterien Seite 1 von 20

2 Geschichte Der Franzose Georges Leclanché ( ) entwickelte 1868 die nach ihm benannte Braunstein-Zelle, die bis heute das gebräuchlichste Primärelement ist. Ein Kohlestab umgeben von Mangansuperoxyd (Braunstein, MnO 2 ) als positive Elektrode steckt in einem Tonzylinder. Dieser wiederum steht in einem Gefäß mit Salmiakgeist (NH 4 Cl), in den ein Zinkstab als negative Elektrode eintaucht. Später wurde der Tonzylinder durch einen Gespinstbeutel ersetzt und der Zinkstab durch einen Zinkzylinder. Wenn man jetzt noch die Salmiaklösung durch Kleister eindickt, so erhält man unsere heutige Trockenzelle. Begriffe Batterie nennt man eigentlich eine Zusammenschaltung mehrerer galvanischer Elemente oder Zellen. Ein galvanisches Element besteht im Wesentlichen aus zwei verschiedenen Metallen in einem Elektrolyten. Ist der Elektrolyt fest, zum Beispiel in einer Paste gebunden, so spricht man auch von einem Trockenelement. Galvanische Elemente sind in der Regel Primärelemente, das heißt, sie geben eine Spannung ab, bis einer der beteiligten Stoffe verbraucht ist. Kann man diesen Vorgang rückgängig machen, in dem man eine Spannung an das Element anlegt, so spricht man von einem Sekundärelement oder Akkumulator. Batterien Seite 2 von 20

3 Zink-Braunstein Elemente Die heute meist verwendeten Primärbatterien basieren auf dem Zink-Braunstein Element, fälschlich auch Zink-Kohle Batterie genannt. Gemeinsam ist allen diesen Elementen eine Zink Anode und eine Mangandioxyd Kathode. In der ursprüngliche Form (Leclanché Element) wurde ein wässriger Ammoniak Elektrolyt verwendet. Heute verwendet man Elektrolyten: Zinkchlorid (ZnCl2) für einfache Batterien und Kalilauge (KOH) bei den Alkali-Mangan Batterien. Batterien Seite 3 von 20

4 Leclanché Element Eine Leclanché Rundzelle besteht aus einem Zinkbecher als negative Elektrode und einem Braunsteinzylinder mit Kohlestab als positive Elektrode. Dazwischen befindet sich der eingedickte Ammoniak-Elektrolyt. Heute wird zur Aufnahme eventuell austretender Reaktionsprodukte ein Stahlbecher benutzt (Leak Proof). Die chemische Reaktion ist im Wesentlichen eine Oxidation des Zinks und eine Reduktion des Braunsteins. Batterien Seite 4 von 20

5 Zinkchlorid Um den Innenwiderstand des Leclanchè-Elements weiter zu senken, wurde häufig eine Mischung aus Ammoniak und Zinkchlorid als Elektrolyt verwendet. Bei der Zinkchlorid-Zelle ist nun reines Zinkchlorid, auf Papier aufgestrichen, zwischen dem Zinkbecher und der Braunsteinpuppe angebracht. Deren Volumen und damit die Kapazität der Batterie konnte dadurch erheblich erhöht werden. Das Zinkchlorid-Element hat eigentlich nur Vorteile gegenüber dem klassischen Leclanché-Element, ist aber leider in der Herstellung teurer. Batterien Seite 5 von 20

6 Alkali-Mangan Diese Zelle unterscheidet sich im Aufbau von dem Zink-Braunstein. Hier ist der Braunstein nicht im Zentrum angeordnet, sondern an der Außenwand. Als Elektrolyt wird Kalilauge (KOH) verwendet. Da die Zinkelektrode in dem stark alkalischen Elektrolyten sehr schnell korrodieren würde, muss sie wesentlich stärker amalgamiert (Behandlung mit Quecksilber) werden. Die Alkali-Mangan Zelle hat eine wesentlich höhere spezifische Kapazität als die vorgenannten Braunsteinzellen und einen nochmals verringerten Innenwiderstand. Ihre Herstellung ist aber auch erheblich teurer. Heute wird die Zelle quecksilberfrei hergestellt. Auf die Amalgamierung konnte (wie auch immer) verzichtet werden. Batterien Seite 6 von 20

7 Bauformen Typ Bezeichnung Höhe Durchmesser (mm) (mm) Bezeichnung nach IEC AAA Micro 44,5 10,5 R 03 oder LR 03 AA Mignon 50,5 14,5 R 6 oder LR 6 A Sondergröße - - KR 17/50 C Baby 50 28,5 R 12 oder LR 14 D Mono 61,5 33 R 20 oder LR 20 N Lady R 1 oder LR 1 Batterien Seite 7 von 20

8 Grundsätzlicher Aufbau von Akkus Akkus bestehen immer aus zwei Elektroden, die in eine Elektrolytlösung eintauchen, wie dies in Bild 1 dargestellt ist. Die verschiedenen Akkutypen unterscheiden sich durch das verwendete Elektrodenmaterial und den Elektrolyten. Bild 1a: Akku laden Bild 1b: Akku entladen Beim Laden lässt man einen Strom durch den Akku fließen (Bild 1a). Dadurch kommt eine chemische Reaktion in Gange, wodurch beide Elektroden sich chemisch verändern. Welche Reaktionen das genau sind, hängt vom Akkutyp ab. Irgendwann ist nicht mehr genug Elektrodenmaterial für diese Reaktion vorhanden. Ab diesem Zeitpunkt wird der Akku nicht weiter geladen sondern die Elektrolytlösung zersetzt. Ist der Akku hermetisch verschlossen, kann er durch den entstehenden Überdruck explodieren. Daher sollte man das Laden sofort beenden. Das Explodieren verhindern die Hersteller fast immer durch Einbau eines Überdruckventils, jedoch kann dann der Elektrolyt austreten, der meistens ätzend ist. Ist der Akku geladen, kann man ihm solange Strom entnehmen (Bild 1b), bis die im Vergleich zum Ladevorgang umgekehrte chemische Reaktion zum Erliegen gekommen ist. Im Idealfall kann man genauso viel Ladung (also Strom mal Zeit) entnehmen, wie man hineingesteckt hat. In der Praxis liegt der Wirkungsgrad meistens zwischen 80% und knapp unter 100%. Batterien Seite 8 von 20

9 Bleiakkumulatoren Dieser Akkutyp gehört zur Standardausrüstung eines jeden Autos. Fälschlicherweise wird er nicht selten als Batterie oder Bleibatterie bezeichnet. Als Batterie bezeichnet man jedoch nicht wiederaufladbare Zellen. Die Bezeichnung Bleiakku rührt daher, dass die Elektroden aus Blei bestehen. Als Elektrolyt dient Schwefelsäure. Im geladenen Zustand bestehen die positive Polplatte aus Bleidioxid (PbO2) und die negative aus blankem Blei (Pb). Beim Entladen bildet sich an beiden Platten feinverteiltes Bleisulfat (PbSO4). Batterien Seite 9 von 20

10 Nickelcadmiumakkus (NiCd) Bei diesen Akkus besteht eine Elektrode aus Nickel, die andere aus Cadmium. Der Elektrolyt besteht aus Kalilauge. Bekannt sind die Bauformen als Rundzelle, wie sie auch bei ganz normalen Batterien für die Unterhaltungselektronik und Beleuchtungstechnik üblich sind: Typ Bezeichnung Circa-Maße AAA Mikrozelle 44 mm lang, Durchmesser 10,5 mm AA Mignonzelle 50 mm lang, Durchmesser 14 mm C Babyzelle 50 mm lang, Durchmesser 25,5 mm D Monozelle 60 mm lang, Durchmesser 33 mm V-Block 48 mm x 26 mm x 17 mm Nickelcadmiumakkus sind der Akkutyp schlechthin, wenn Geräte mit hoher Stromaufnahme wie Fotoblitzgeräte, Akkuschrauber etc. versorgt werden müssen. Sie besitzen einen sehr niedrigen Innenwiderstand und liefern daher hohe Ströme, ohne dass die Spannung zu sehr sinkt. Selbst eine kleine Mignonzelle besitzt einen Kurzschlussstrom von immerhin ca. 80 A. Allerdings ist die Selbstentladung mit bis zu 1% pro Tag relativ hoch. Leider sind NiCd-Akkus vor allem aufgrund des verwendeten Cadmiums, einem giftigen Schwermetall, nicht gerade besonders umweltfreundlich, falls sie unkontrolliert in die Umwelt gelangen. Ganz wichtig ist die richtige Ladetechnik, denn anhand der Zellenspannung kann man so gut wie überhaupt nicht auf den Ladezustand schließen. Die einzig wirklich sinnvolle Methode, NiCd-Akkus zu laden, sind Ladegeräte mit Delta-U-Abschaltung. Hierbei wird der Spannungsverlauf beim Laden beobachtet und der Ladevorgang unabhängig von Ladezustand und Kapazität immer rechtzeitig beendet. NiCd-Akkus sollten vorzugsweise bei Geräten mit mittlerer oder hoher Stromaufnahme verwendet werden. Batterien Seite 10 von 20

11 Neu gekaufte Akkus sind immer fast vollständig entladen und müssen vor der ersten Verwendung erst einmal aufgeladen werden. Wofür NiCd-Akkus überhaupt nicht geeignet sind, sind Geräte mit geringer Stromaufnahme wie z.b. Uhren, denn diese müssen aufgrund der relativ hohen Selbstentladung alle paar Monate ausgewechselt werden. Selbst wenn sich die Akkus rechtzeitig wieder aufladen, gewöhnen sich NiCd-Akkus an die geringen Entladeströme und lassen in ihrer Leistungsfähigkeit nach. Batterien Seite 11 von 20

12 Nickelmetallhydridakkus (NiMH) Nickelmetallhydridakkus sind im Prinzip genauso aufgebaut wie Nickelcadmiumakkus. Das Schwermetall Cadmium wurde hier jedoch durch deutlich umweltfreundlicheres Metallhydrid ersetzt. Außerdem ist die Selbstentladung deutlich geringer als bei NiCd-Akkus. Der Innenwiderstand ist erheblich höher, so dass bei Hochstromanwendungen wie z.b. Fotoblitzgeräten und Akkuschraubern NiCd-Akkus die deutlich bessere Wahl sind. Zudem vertragen NiMH-Akkus Überladung noch deutlich schlechter als NiCd-Akkus. Ideal sind NiMH-Akkus für Geräte mit mittlerer Stromaufnahme wie z.b. Taschenlampen, tragbare Musikgeräte und elektronische Spiele. Auch viele Mobiltelefone und schnurlose Festnetztelefone sind mit ihnen ausgerüstet. Aufgrund der Gefahr der Tiefentladung sollten auch NiMH-Akkus nicht in Geräten mit niedriger Stromaufnahme wie z.b. Uhren verwendet werden. Batterien Seite 12 von 20

13 Lithiumionenakkus Lithiumionenakku ist der Oberbegriff für verschiedene Akkus, bei denen eine Elektrode aus Lithium besteht. Das Material der zweiten Elektrode ist von Typ zu Typ unterschiedlich, wodurch sich auch eine unterschiedliche Nennspannung im Bereich von ca. 3,0 bis 3,6 V ergibt. Ihre Selbstentladung ist sehr gering. Aufgrund der verwendeten Materialien sind LiIon-Akkus sehr umweltfreundlich, müssen aber in Österreich wie alle Akkus und Batterien trotzdem dem Recycling zugeführt werden. Leider sind Lithiumionenakkus ziemlich teuer, weshalb ihr Einsatz meistens auf Geräte (z.b. Notebooks und Mobiltelefone) der gehobenen Preisklasse beschränkt ist. Lithiumionenakkus haben den großen Nachteil, dass man sie schon mit einer einzigen Überladung oder Tiefentladung stark beschädigen bis zerstören kann. Aus diesem Grund ist sowohl eine Lade- als auch Entladeüberwachung in die jeweiligen Geräte integriert. Dadurch wird der Akku immer richtig geladen und zudem das Gerät im Betrieb abgeschaltet, wenn die Entladeschlussspannung erreicht ist. Die Lebensdauer ist auch bei bester Pflege begrenzt und beträgt in der Regel nur 3 bis 5 Jahre ab Herstellung. LiIon-Akkus altern nämlich leider auch dann, wenn sie nicht benutzt werden. Nach Ablauf der o.g. Zeitspanne wird der Akku jedoch keineswegs schlagartig unbrauchbar, sondern hat einen definierten Prozentsatz seiner Kapazität verloren, so dass eine Neuanschaffung empfohlen wird. Batterien Seite 13 von 20

14 Gegenüberstellung Akkus vs. Batterien Statt vieler Worte eine Tabelle: Batterie NiCd NiMH accucell oder Big-Ram Spannungsverlauf Selbstentladung Ladezyklen Anfangs 1,5 Volt, lässt dann immer mehr nach in Richtung 0 Volt. sehr gering, unter 1% pro Monat 0 (nicht wiederaufladbar) Anfangs 1,2 Volt, die lange gehalten werden. Wenn die Akkus leer werden, fällt die Spannung auf einen Schlag ab. sehr hoch, 20-25% pro Monat! Anfangs 1,2 Volt, die lange gehalten werden. Wenn die Akkus leer werden, fällt die Spannung auf einen Schlag ab. Anfangs 1,5 Volt, lässt dann immer mehr nach in Richtung 0 Volt. sehr hoch, 20- sehr gering, unter 25% pro Monat! 1% pro Monat Kosten Batterien sind sinnvoll für Leute, die selten suchen gehen Hohe Einstiegs- Hohe Einstiegs- Vorteile Nachteile Bemerkung + Keine Anschaffungskosten für Ladegerät. + Kann überall gekauft werden (unterwegs an der Tankstelle etc.) + sehr geringe Selbstentladung - nicht wiederaufladbar Die billigsten Batterien sind nicht die besten! kosten, da man min. 2 Sätze Akkus und ein gutes Ladegerät braucht. + oft aufladbar, auf Dauer günstig kosten, da man min. 2 Sätze Akkus und ein gutes Ladegerät braucht. + oft aufladbar, auf Dauer günstig + kein Memoryeffekt (s.u.) - Hohe Anschaffungskosten - Hohe An- schaffungskos- (Akku-Sätze, ten (Akku- Ladegerät) Sätze, Ladegerät) - Hohe Selbstentladung - Hohe Selbstentladung - Memoryeffekt (s.u.) NiCd neigen zum Memory- Effekt, vor allem bei billigen Ladegeräten. Akku muss/sollte vor dem Laden NiMH hat keinen Memory- Effekt, wenn ein Ladegerät mit Ladestromregelung verwendet wird. Muss vor Hohe Einstiegskosten, da man min. 2 Sätze Akkus und ein gutes Ladegerät braucht. + sehr geringe Selbstentladung + kein Memoryeffekt - Hohe Anschaffungskosten (Akku-Sätze, Ladegerät) Die Akkus brauchen ein spezielles Ladegerät. Es gibt auch Ladegeräte, die diese und NiCd, NiMH laden können. Batterien Seite 14 von 20

15 immer vollständig entladen werden. Ein gutes Ladegerät mit Ladestromregelung ist das A & O! Es kostet zwar mehr, lohnt sich aber von Anfang an, da die Akkus immer ganz voll geladen werden. Zudem haben sie eine wesentlich höhere Lebensdauer. dem Laden also nicht entladen werden. Ein gutes Ladegerät mit Ladestromregelung ist das A & O! Es kostet zwar mehr, lohnt sich aber von Anfang an, da die Akkus immer ganz voll geladen werden. Zudem haben sie eine wesentlich höhere Lebensdauer. Also was nun? Batterien oder Akku s? Und welche? Immer Reserve-Batterien oder Akku s mitnehmen! Ein gutes Ladegerät mit LCD-Display zeigt die Kapazität des Akkus an, also wie "fit" der Akku noch ist. Durch die hohe Selbstentladung von NiCd und NiMH sind diese nach 2-3 Monaten ohne Benutzung fast leer! Also besser erst 1-2 Tage vorm Einsatz laden. Batterien Seite 15 von 20

16 Entsorgungs- und Umweltbestimmungen Verwendung Batterien sind aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Sie liefern - unabhängig vom Netz - Energie überall dort, wo wir sie benötigen. Mit dieser Unabhängigkeit ist aber auch eine Verpflichtung verbunden: Gebrauchte Batterien ordnungsgemäß zu entsorgen und nicht in den Hausmüll zu werfen. Auch wenn bei den in Österreich verkauften Batterien der Gehalt an Quecksilber und Cadmium in den letzten Jahren drastisch reduziert wurde, gelten Batterien und Akkus - derzeit noch - als Problemstoffe. Jeder von uns kann ganz leicht seinen Beitrag zur umweltgerechten Entsorgung leisten. Gebrauchte Batterien gehören nicht in den Hausmüll weil noch einige der heute verwendeten Batterien und Akkus Stoffe enthalten, die nicht in die Umwelt gelangen dürfen. Da sie wegen der einheitlichen Größe aber von den schadstoffarmen Batterien nicht leicht unterschieden werden können, müssen a l l e Batterien gesammelt werden. Das UFB und der Handel unternehmen große Anstrengungen, um die Rücklaufquote von Batterien weiter zu erhöhen. Erst wenn a l l e gebrauchten Batterien zurückgegeben werden, können Endverbraucher, Handel und Industrie darauf vertrauen, dass sie ihrer Verantwortung gegenüber der Umwelt auch wirklich entsprochen haben. Umweltschonende Batterien sind keine Utopie mehr. Das UFB hat in den letzten Jahren bereits erreicht, dass der überwiegende Teil der heute in Österreich verkauften Alkali-Mangan- und Zink-Kohle Batterien quecksilber- und cadmiumfrei ist. Weltweit wurden in den letzten Jahren von den Forschungs- und Entwicklungsabteilungen der Industrie enorme Anstrengungen unternommen, um auch für Knopfzellen und Nickel-Cadmium Akkus schadstoffarme Alternativen zu entwickeln. Mit Erfolg. Schon heute werden umweltschonende Knopfzellen und Akkus im österreichischen Handel angeboten und von vielen Geräteherstellern empfohlen. Allerdings wird es noch einige Jahre dauern, bis ausschließlich umweltschonende Batterien angeboten Batterien Seite 16 von 20

17 werden. Bis dahin gilt daher: Batterien sammeln und beim Händler oder bei der Problemstoffsammelstelle abgeben. Sammeln und Zurückgeben Österreichs Händler sind umweltbewusst. Gemeinsam haben sie und das Umweltforum Batterien (UFB) ein konsumentenfreundliches Batterie-Sammelsystem aufgebaut. Überall, wo man Batterien kaufen kann, werden gebrauchte Batterien kostenlos zurückgenommen. Also: Gebrauchte Batterien sammeln, beim Händler abgeben oder im Geschäft in die Batterie-Sammelbox einwerfen. Ist kein Händler in der Nähe, können gebrauchte Batterien auch bei den Problemstoffsammelstellen der Gemeinden abgegeben werden. Mehr als 60% der gekauften Batterien werden im Handel oder bei den Problemstoffsammelstellen abgegeben und damit einer umweltgerechten Entsorgung zugeführt. Batterien Seite 17 von 20

18 Linkliste Aufbau eines Akkus: Aufbau einer Batterie : Entsorgung: Batterien Seite 18 von 20

19 Fragenkatalog 1. Was versteht man unter einem so genannten Primärelement? 2. Was versteht man unter einem so genannten Sekundärelement? 3. Beschreiben Sie den Aufbau einer Zink-Kohle Batterie 4. Beschreiben Sie den Aufbau einer Alkali-Mangan Batterie 5. Der Typ einer Mignon Batterie lautet: 6. Beschreiben Sie den Aufbau eines Bleiakkumulators: 7. Beschreiben Sie den Aufbau eines Nickelcadiumakkus: 8. Nennen Sie Vor- und Nachteile eines Nickelcadiumakkus 9. Beschreiben Sie den Aufbau eines Nickelmetallhydridakkus: Batterien Seite 19 von 20

20 10. Nennen Sie Vor- und Nachteile eines Nickelmetallhydridakkus: 11. Beschreiben Sie den Aufbau eines Lithiumionenakkus: 12. Nennen Sie die Vor- und Nachteile eines Lithiumionenakkus: 13. Wo können verbrauchte Batterien abgegeben werden? 14. Wer ist verpflichtet gebrauchte Batterien anzunehmen? Batterien Seite 20 von 20