Schädliche Inhaltsstoffe in Batterien quantitativ bestimmen

Barbara Schick,

Grenzwerte eingehalten?

Obwohl strenge Grenzwerte existieren, können Batterien noch immer zu viele schädliche Inhaltsstoffe wie Quecksilber, Cadmium und Blei enthalten. Das Schweizer Bundesamt für Umwelt (BAFU) hat deshalb eine Kontrollkampagne gestartet. Hierfür hat ein Forschungsteam der Empa eine Methode entwickelt, um Analysen der Schwermetalle Quecksilber, Blei und Cadmium an diversen Batterietypen durchführen zu können.

© Empa

Als Energiespeicher sind Batterien nicht mehr wegzudenken, ob in Kraftfahrzeugen, in Industrieanlagen oder Alltagsgegenständen. Der Bedarf an Batterien – wozu auch Akkus gehören – ist riesig. Wegen der hohen Nachfrage nach den in den Stromspeichern verwendeten Rohstoffen werden diese zum Teil schon knapp und entsprechend teuer. Daher wird intensiv daran geforscht, solche Materialien durch häufiger vorkommende zu ersetzen. Zudem sind einige Inhaltsstoffe von Batterien gesundheitsschädlich oder gar giftig. Auch hier suchen Forschende nach unproblematischen Ersatzstoffen. Hier gibt es bereits vielversprechende Ansätze für Salzbatterien und Feststoffbatterien. Bis die heute gängigen Batterietypen durch nachhaltigere ersetzt werden, kann es jedoch noch dauern. Auf dem Markt sind unterschiedlichste Batteriemodelle erhältlich. Viele funktionieren auf der Basis von Zink-Mangan. Sie können aber auch Silberoxid, Nickel, Lithium, Eisensulfid, Aluminium, Blei und Cadmium enthalten. In der Schweiz wie auch in der EU sind Handel und Verkauf von Batterien, die Quecksilber (Hg) oder Cadmium (Cd) enthalten, stark eingeschränkt. Es gilt ein Grenzwert für Quecksilber in Batterien von 5 mg/kg und ein solcher von 20 mg/kg für Cadmium. Für Blei gilt eine Deklarationspflicht auf der Batterie resp. auf der Verpackung ab einem Massenanteil von mehr als 40 mg/kg.

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Um überprüfen zu können, ob die Grenzwerte dieser Vorschriften eingehalten werden, bedarf es einer verlässlichen und anerkannten Methode, mit der die genannten Elemente in Batterien genau bestimmt werden können.

Empa-Laborantin Claudia Schreiner sortiert die Proben zur Analyse im Spektrometer ein. © Empa

Ein Team der Empa-Forschungsabteilung "Advanced Analytical Technologies" um den Chemiker Renato Figi machte sich daher im Auftrag des BAFU daran, eine Methode zu entwickeln, um Analysen der Schwermetalle Quecksilber, Blei und Cadmium an diversen Batterietypen durchführen zu können. Eine Aufgabe, die auch eine Herausforderung für die Probenvorbereitung bedeutet. Denn anders als bei vielen Gegenständen, die zur Analyse ihrer Inhaltsstoffe einfach zerkleinert und dann die chemischen Elemente in einer Lösung durch diverse Spektrometer analysiert werden können, dürfen Batterien nicht einfach geschreddert werden. Schon der Versuch, einen Stromspeicher zu öffnen, kann recht gefährlich werden. Immer wieder gibt es Unfälle, bei denen Batterien durch solche Manipulationen explodiert sind. Laborantin Claudia Schreiner im Empa-Labor folgte dem Rat von Marcel Held von der Abteilung "Transport at Nanoscale Interfaces", Spezialist auf dem Gebiet der Batterien, sämtliche zu untersuchende Batterien zunächst einmal sorgfältig zu entladen. Erst dann darf man sich an das "Innenleben" einer Batterie trauen. Hier gibt es zahlreiche verschiedene Bauweisen. Auch wenn eine Batterie von außen wie eine andere ausschaut, kann sich der Aufbau im Inneren wesentlich unterscheiden.

Bestandteile einer AA-Batterie (Alkali-Mangan-Zelle): Metallbecher aus Zink (Pluspol), Mangandioxid (Kathode), Ableitnagel (zum Minuspol), Separator (Zellstoff und Bindemittel), Zinkpulver-Gel (Anode). © Empa

Bei den Arbeiten stellte sich auch heraus, dass die potenziellen Gefahrstoffe nicht immer dort sind, wo man sie vermuten würde. Sie können sich auch in der "harmlos" scheinenden Ummantelung befinden.

Nur kleine Knopfzellen lassen sich – wegen ihrer geringen Größe – zur Analyse im Spektrometer nach dem Entladen in Säure als ganze direkt auflösen. Alle anderen Batteriezellen und große Knopfzellen müssen vorher sorgfältig zerlegt und zerkleinert werden. © Empa

Vorgehensweise für die Batterieanalytik
Zur Analyse müssen die Batterien zuerst entladen und anschließend aufgetrennt werden. Die diversen Komponenten der verschiedenen Batterietypen werden sortiert und dann mittels einer Säuremischung kochend unter Druck aufgelöst. Anschließend werden die gelösten Schwermetalle spektrometrisch analysiert.

Mit der Methode der Empa können die Inhaltsstoffe gängiger Batterien im Spurenbereich bestimmt werden. Sie kommt im Rahmen einer breit ausgelegten Kampagne des BAFU zum Einsatz, um die Einhaltung in Bezug auf bestimmte Grenzwerte in den bestehenden Vorschriften zu kontrollieren. Damit die Stichproben der unterschiedlichen Batterietypen ein möglichst repräsentatives Bild liefern, werden rund 80 verschiedene Batterien ausgewählt und anschließend bei der Empa analysiert. Die Federführung der Kampagne liegt beim Kantonalen Labor Zürich. Die Resultate werden im Laufe dieses Jahres erwartet.

Quelle: Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

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