DIE WELT DER BATTERIEN

 AUSZUG AUS

"DIE WELT DER BATTERIEN"   (August 2001)

Herausgegeben von: Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien, Heidenkampsweg 44, 20097 Hamburg

Die Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem wurde gegründet von den Batterieherstellern

DURACELL
ENERGIZER DEUTSCHLAND GMBH
PANASONIC INDUSTRIAL EUROPE GMBH
PHILIPPS LICHT GMBH
SAFT GMBH
SANYO ENERGY (EUROPE) CORPORATE GMBH
SONY DEUTSCHLAND GMBH
VARTA GERÄTEBATTERIE GMBH
und dem ZVEI ( ZENTRALVERBAND ELEKROTECHNIK- UND ELEKTRONIK INDUSTRIE E.V.)

QUELLEN

Berndt, D.: Die Entwicklung der Batterie, Hannover, 1998

Verordnung über die Rücknahme und Entsorgung gebrauchter Batterien und Akkumulatoren- Batterieverordnung vom 27. März 1998  und erste Verordnung zur Änderung der Batterieverordnung vom 26. Juni 2001.

Richtlinie 98/101/EG zur Anpassung der Richtline 91/157/EWG

Kiehne, H.-A.: Entsorgung verbrauchter Gerätebatterien, 1996

Fricke, J./ Knudsen,  N.: Entsorgung und Verwertung verbrauchter Batterien, Hamburg, 2001

AUTOREN:

Elke Döhring-Nisar, VARTA AG
Dr. Reiner Korthauer, ZVEI
Nicole Knudsen, GRS
Helmut Siegmann, PANASONIC
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WIR DANKEN DER -STIFTUNG GEMEINSAMES RÜCKNAHMESYSTEM BATTERIEN-  FÜR DIE ERLAUBNIS DIESEN ARTIKEL AUSZUGSWEISE IN UNSEREN UNTERLAGEN VERWENDEN ZU DÜRFEN.   

Falls Sie mehr über die Arbeit der  STIFTUNG GEMEINSAMES RÜCKNAHMESYSTEM BATTERIEN  wissen möchten:
                                                                    www.grs-batterien.de
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"ANFÄNGE

Die Geschichte der elektrochemischen Energiespeicher begann mit der naturwissenschaftlichen Untersuchung der Elektrizität. Namen wie Luigi Galvani (1737-1798) und Allessandro Conti di Volta (1745-1827) sind mit diesen Arbeiten verbunden und leben noch heute in Bezeichnung wie "galvanische Zelle" und  "Volt" fort. Galvani fiel bei Experimenten 1789 auf, daß Froschbeine zu zucken beginnen,  wenn sie mit zwei verschiedenen Metallen in Berührung kommen. Er schloss daraus auf einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und Muskeltätigkeit.
Zehn Jahre später baute Volta die erste einfache Batterie: Er schichtete Kupfer- und Zinkscheiben abwechselnd übereinander und legte zwischen die Scheiben jeweils ein in Salzlösung getränktes Stück Pappe. Diese Volta'sche Säule lieferte Energie, wenn die Scheiben durch Draht verbunden wurden. Die Spannung ließ sich mit mehreren in Serie geschalteten Säulen noch erhöhen.
Johann Wilhelm Ritter (1776-1810), der mit Goethe auf dem Gebiet der Naturwissenschaften zusammenarbeitete, entwickelte 1802 eine Batterie, die so genannte "Ritter'sche Säule". Die Säule bestand aus übereinander geschichteten und mit Tafelsalz (Natriumchlorid) getränkten Kupfer- und Kartonscheiben. Diese Vorrichtung konnte mit elektrischem Strom geladen werden und gab bei der Entladung Strom ab. Sie gilt als die Urform des Akkumulators.
Die Industrialisierung beschleunigte die Entwicklung elektrochemischer Energiespeicher. Dynamo und Glühlampe waren gegen Ende des 19. Jahrhunderts erfunden - es gab einen rasch wachsenden Bedarf, elektrische Energie zu speichern

Am Anfang der Nickel-Cadmium Batterie stehen zwei Namen: Waldemar Jungner (1869-1924) und Thomas Alva Edison (1847-1931). Die beiden Erfinder beschäftigten sich mit einer Reihe von elektrochemischen Energiespeicher-Geräten und erlangten 1901 Patente für den Nickel-Cadmium- beziehungsweise Nickel-Eisen-Akkumulator.

Funktionsweisen

Elektrischer Strom besteht aus fließenden Elektronen. Sie bewegen sich infolge einer elektrischen Spannung als treibende Kraft. Sie fließen durch elektrische Leiter, wie zum Beispiel Kabel oder Glühlampen. Der Strom bringt CD-Player zum Spielen und die Glühlampe zum Leuchten.
Strom kommt nicht nur aus der Steckdose. Auch eine Batterie stellt Strom zur Verfügung. Statt von Strom sollte man genauer von elektrischer Leistung sprechen, da der Strom stets von einer Spannung begleitet wird, und Strom mal Spannung ist Leistung. Leistung mal Zeit ist Energie. Die Batterie ist ein elektrochemischer Energiewandler, der gespeicherte chemische Energie auf direktem Wege in elektrische Energie umwandeln kann. Bildlich gesprochen bietet der Minuspol die Elektronen in großer Stückzahl und mit "hohem Druck" an und der Pluspol "saugt" die Elektronen wieder ab. Der "Druckunterschied" entspricht der Spannung der Batterie! Die pro Zeiteinheit fließende Menge der Elektronen ist der Strom.
Der Strom hört in den Polen natürlich nicht auf, es gibt einen vollständigen Stromkreis.  In der Batterie fließt der Strom als Ionenstrom  in der Elektrolytflüssigkeit von einer Elektrode zur anderen. Hier laufen die dazugehörigen elektrochemischen Reaktionen ab. Verschiedene Elektrodenmaterialien geben die Elektronen ab (Minuspol) andere "saugen" sie wieder auf (Pluspol). Für Taschenlampen und Kassettenrekorder werden meistens Braunstein-Zink-Batterien benutzt. Hier gibt es die Varianten "Zink-Kohle" und "Alkali-Mangan", auch Alkaline genannt. Bei beiden versorgt Zink den Minuspol mit Elektronen, weil das Zink seine Elektronen so schnell wie möglich abgeben möchte. Hinter dem Pluspol befindet sich der Braunstein, der diese Elektronen dann wieder aufnimmt.
Diese Elektromaterialien heißen "aktive Masse". Sie dürfen sich in der Batterie nicht berühren, sonst entsteht ein Kurzschluss und die Batterie entlädt sich von selbst. Deshalb trennt ein Separator die aktiven Massen. Dieser besteht aus einer Art Papier, das mit Elektrolytflüssigkeit getränkt ist. 
Durch seine Poren fließen die Ionen vom Braunstein zum Zink, so dass sich der Stromkreis schließt.
Ist das Gerät ausgeschaltet, ruht auch die Batterie und die Prozesse der Entladung kommen zum Erliegen. Die positive Elektrode und die negative Elektrode stellen unter dieser Bedingung ihr elektrochemisches Gleichgewicht ein. Diese ist für ein gegebenes System mit einer bestimmten Spannung verbunden (zum Beispiel Zink-Kohle 1,5V, Bleibatterie 2V). In der Praxis laufen unter dieser Bedingung noch Selbstentladungsvorgänge ab, die - je nach System - von unterschiedlich großen Einfluss sind.
Die Selbstentladung ist ein temperaturunabhängiger Reaktionsprozess an den Elektroden der Zelle und ist unabhängig vom Verbraucher. Sie ist bei Primärbatterien sehr klein, im Gegensatz zu wieder aufladbaren Systemen. Hier kann es Boten-Ionen geben, die die Selbstentladung fördern, wie etwa bei Nickel-Cadmium- (NiCd) und Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren (NiMH). Diese Boten-Ionen (der Fachmann spricht von einem so genannten Redox-System) wandern zwischen den Elektroden hin und her und transportieren dabei Ladungen. Bei den Systemen NiCd und NiMH kommt hinzu, dass ihre Nickel-(hydroxid)-Elektrode nicht lagerstabil ist. Eine Selbstentladung von bis zu 30 Prozent pro Monat sind bei diesen Systemen "normal". Akkus sind also nach rund drei Monaten "leer". Aus diesem Grund ist es es nicht ratsam, Taschenlampen oder Warnleuchten mit Akkus zu bestücken. Werden diese dann irgendwann gebraucht, sind die Batterien garantiert entladen. Für diese Zwecke empfehlen sich Primärbatterien der Systeme Zink-Kohle oder Alkali-Mangan.

UNTERSCHIEDE ZWISCHEN PRIMÄR- UND SEKUNDÄR-SYSTEMEN

Kommen wir zu wieder aufladbaren Batterien,  auch Sekundärbatterien, Akkumulatoren oder kurz Akkus genannt. Hier lässt sich die verbrauchte chemische Energie durch einen Aufladevorgang wiederherstellen. Dafür pumpt das Ladegerät die Elektroden vom Pluspol zum Minuspol zurück, wobei die dazugehörigen entladenen Elektrodenmassen wieder aufgeladen und damit reaktiviert werden. Der Entlade-/Ladevorgang lässt sich bis zu 1.000-mal wiederholen.
Primärbatterien sind dagegen nur einmal entladbar.
Deutliche Unterschiede zwischen Primär- und Sekundär-Systemen bestehen bei der spezifischen speicherbaren Energie und Belastbarkeit sowie der Selbstentladung. So ist beispielsweise die gewichts- und  volumenbezogene Energiedichte von Primärbatterien in der Regel deutlich größer als die von Sekundärbatterien. Energiedichte ist die in einer Batterie oder Zelle gespeicherte Energie. Sie wird entweder zur Masse (spezifische Energie-Wattstunden pro Gramm) oder zum Volumen (Energiedichte-Wattstunden pro Kubikzentimeter) in Beziehung gesetzt. Bei der Belastung ist die Reihenfolge genau umgekehrt: Hier weisen wieder aufladbare Systeme bessere Werte auf. Eine Ausnahme unter den wieder aufladbaren Systemen bezüglich ihres Energieinhalts bilden Lithium-Ionen-Batterien. Diese können von allen Akku-Systemen pro Volumen oder Gewicht am meisten Energie speichern und das für viele Male (Entladungen/Ladungen). Den höchsten Energieinhalt von allen elektrochemischen Systemen bietet die alkalische Zink-Luft-Primärzelle. Selbstentladung ist bei Akkus deutlich höher als bei Primärbatterien. Eine Ausnahme sind Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien.  Ihre Stärke ist eine geringere Selbstentladung bei gleichzeitig hohem Energieinhalt und hohe Belastbarkeit. Bei Primärbatterien ist die elektrochemische Selbstentladung nicht nennenswert. Sie liegt bei Raumtemperatur deutlich unter zwei Prozent pro Jahr. Parallel wirken jedoch noch Vorgänge, die ihren inneren Widerstand während der Lagerung erhöhen.  Diese Vorgänge sind mit einer Abnahme ihrer Belastbarkeit verbunden. Bemerkbar macht sich der Verlust an nutzbarer Energie nur bei hohen Belastungen (Motor-Anwendung, Blitzlicht). Dieser Effekt hat jedoch nichts mit der elektrochemischen Selbstentladung zu tun. Bei niedrigen Entladeströmen ist der während der Lagerung gestiegene innere Widerstand nicht feststellbar.

BEZEICHNUNGEN

Die kleinste elektrochemische Einheit einer Batterie heißt Zelle. Sie besitzt noch kein gebrauchsfertiges Gehäuse, keine anschlusssicheren Kontakte und ist in der Regel durch Löt- oder Schweißkontakte mit der Nachbarzelle innerhalb der Batterie verbunden. Eine Batterie ist an einem gebrauchsfertigen Gehäuse zu erkennen. Es verfügt über anschlusssichere Kontakte und ist gekennzeichnet mit Hersteller- und Typangabe, Batteriespannung und weiteren Angaben.

PRIMÄRBATTERIEN

BEZEICHNUNG VOLT BESONDERE MERKMALE ANWENDUNGEN
Zink-Kohle (ZnC) 1,5 Für weniger anspruchsvolle
Anwendungen
Taschenlampen, Spielzeuge,Fernbedienung
Alkali-Mangan (AlMn) 1,5 Wird hoher Stromanforderung und Dauernutzung gerecht Tragbare Audiogeräte, Fotoapparate, Spiele
Zink-Luft (Zn-Luft) 1,4 Hohe Belastbarkeit Hörgeräte, Personenrufgeräte
Lithium (Li) 3,0 Hohe Belastbarkeit, niedrige Selbstentladung Fotoapparate mit hohem Strombedarf (z.B. Blitz, automatischer Filmtransport), elektronische Datenpseicher
Silberoxid (AgO) 1,55 Hohe bis mittlere Belastbarkeit Uhren, Fotoapparate, Taschenrechner

SEKUNDÄRBATTERIEN (AKKUS)

NICKEL-CADMIUM (NiCd) 1,2 Sehr hohe Belastbarkeit, wieder aufladbar SchnurlsoeTelefone, elektrische Zahnbürsten, Akkuwerkzeuge, Notbeleuchtungen
Nickel-Metall-Hydrid (NiMH) 1,2 HoheBelastbarkeit, wieder aufladbar Handys, schnurlose Telefone, Camvcorder, Rasierer
Lithium-Ionen (Li-Ion) 3,7 Hohe Belastbarkeit, hohe Energiedichte, wieder aufladbar Handys, Camcorder, Notebooks, Organizer

 

SEKUNDÄRBATTERIE-SYSTEME

NiCD NICKEL-CADMIUM

Die aktiven Komponenten von NiCd-Akkumulatoren sind im geladenen Zustand Nickelhydroxid in der positiven Elektrode und Cadmium in der negativen Elektrode. Der Elektrolyt besteht aus Kaliumhydroxid.
Die Vorteile dieses Batteriesystems, auch gegenüber neueren Akku-Systemen, sind hohe Belastbarkeit, Schnelladefähigkeit und Kältefestigkeit bix minus 15°C. Ein Nachteil ist der relativ geringe Energieinhalt gegenüber alkalischen und Lithium-Primärsystemen. Außerdem kann es zum "Memory-Effekt" kommen
Der klassische Memory-Effekt hat mit den Eigenschaften der negativen Cadmium-Elektrode zu tun, tritt also nur bei Nickel-Cadmium Akkus auf. Er ist ein Phänomen, das die Akkus bei falscher Handhabung schnell außer Gefecht setzen kann. Die technische Erklärung: Bei einer Dauerladung mit niedrigen Strömen oder bei Aufladung vor der vollständigen Entleerung entstehen an der negativen  Elektrode bestimmte metallische Kristalle. Dadurch verringert sich die verfügbare Kapazität der negativen Elektrode bei gegebener Belastung immer mehr, so dass der Akku nur noch wenige Minuten die nötige Spannung liefert. Jetzt empfiehlt sich , auf keinen Fall vorsorglich nachzuladen, sondern den Energiespeicher soweit zu entleeren, bis das Gerät nicht mehr funktioniert. Dann ist die so genannte Geräte Abschaltspannung erreicht und der Ladevorgang kann beginnen. Ein Akku kann auf einfache Weise entladen werden, indem man das Gerät so lange betreibt, bis dieses nicht mehr genügend Spannung erhält. Besser ist es jedoch, ein Ladegerät mit Entladefunktion zu verwenden.
Ist ein NiCd-Akku einmal durch den klassischen Memory-Effekt lahm gelegt, kann er durch vollständige Entladung mit einem speziellen "Refreshing"-Gerät wieder reaktiviert werden. Der klassische Memory-Effekt ist also reversibel. Moderne Ladegeräte vermeiden den Memory-Effekt durch exakte Messung des Ladezustands von der eigentlichen Ladung bis zur maximalen Kapazitätsgrenze.

NiMH NICKEL-METALL-HYDRID

Batterien dieses Systems bestehen aus den folgenden Hauptkomponenten (geladener Zustand): einer positiven Elektrode aus Nickelhydroxid, einer negativen Elektrode aus einer Wasserstoff speichernden Legierung und einem alkalischen Elektrolyt. Der wesentliche Unterschied zwischen NiMH- und NiCd-Batterien besteht darim. dass das Cadmium vollständig durch eine Wasserstoff speichernde Legierung ersetzt ist. Die Energiedichte pro Volumen ist für NiMH-Akkus höher als bei herkömmlichen NiCd-Akkus. Sie kommen für fast alle Anwendungen als Ersatz für das NiCd-System in Frage. Der prinzipielle Aufbau beider Batteriesysteme ist identisch.
Bei der NiMH-Technologie kann eine Lazy-Battery-Effekt vergleichbar mit dem klassischen Memory-Effekt auftreten. Dieser lässt sich ebenfalls wieder vollständig beseitigen. Die Ursachen sind im Prinzip die gleichen wie beim klassischen Memory-Effekt (Dauerladung beziehungsweise nur Teilentladungen), wirken sich aber auf die positive Nickelhydrid-Elektrode aus. Die Entladespannung sinkt hier nur geringfügig ab, zudem gibt es die gleiche einfache Verjüngungskur: Den Akku von Zeit zu Zeit komplett entladen und dann wieder aufladen. Am besten zwei- bis dreimal hintereinander. Für diesen Vorgang ist ein Ladegerät mit Entladefunktion von Vorteil. So lassen sich die Folgen des Lazy-Battery-Effekts vollständig beseitigen und der Akku erhält seine alte Leistungsfähigkeit zurück.
Der Lazy-Battery-Effekt ist weit weniger gravierend als der klassische Memory-Effekt. Die Spanung liegt zwar etwas tiefer als normal, die Nutzungsdauer bleibt jedoch fast vollkommen erhalten. Wie beim klassischen Memory Effekt nimmt der Akku auch hier keinen Schaden.

LI-ION LITHIUM-IONEN

Diese Batterien besitzen von allen wieder aufladbaren Systemen die höchste Energiedichte und können daher am meisten Energie abgeben, bezogen auf ein bestimmtes Volumen oder Gewicht. Wie bei anderen Sekundär-Systemen hängt die Zyklenzahl von der Anwendung ab.
Nicht wiederaufladbare Lithium-Batterien sind bereits seit über 20 Jahren im Handel. Ein wesentliches Anwendungsbeispiel liegt im Fotobereich (Hochstromanwendung). Die Batterien können bei Anwendungen im Niedrigstrombereich eine Lebensdauer von zehn Jahren erreichen. Schon sehr früh versuchte man, wieder aufladbare Lithium Batterien zu entwickeln. Heute sind Lithium-Ionen Batterien für viele Einsatzzwecke das System der Wahl., wenn es auf hohe Energiedichten ankommt. Hauptanwendungen sind Telekommunikation und tragbare Computer. Als Großbatterie finden Lithium-Ionen-Systeme ihren Einsatz in Hybridfahrzeugen oder in Fahrzeugen mit neuen Bordnetzen. Lithium-Ionen-Akkus sind nicht kompatibel zu NiCd- oder NiMH-Akkus. Sie erfordern eine spezielle Ladetechnik und ein besonderes Zellemanagement. "

 

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