Schadstoffquelle Batterie

Quecksilber, Cadmium und Blei: Eigentlich in modernen Batterien stark limitiert, doch immer wieder tauchen diese Schwermetalle in zu hohen Dosen in den praktischen Energiespendern auf. Offizielle Stellen sehen sich deshalb zu vermehrten Kontrollen genötigt. Grundlage dafür schafft die schweizerische Empa, die eine spezielle Kontrollmethode entwickelt.

Batterien sind, neutral betrachtet, mit vielen Nachteilen versehen. Sie sind teuer, sie sind schnell leer, sie liefern (von wenigen Spezialkonstruktionen abgesehen) nur Gleichstrom und Dreck machen sie auch. Trotzdem sind sie aus unserem Leben als Energiespeicher nicht mehr wegzudenken.

Ob in der Industrie, beim Militär, im Bereich der Mobilität oder im Privathaushalt: In vielerlei Bereichen erfüllen sie ihre Aufgaben als Starterbatterien, als Backup in der Industrie, in Konsumgegenständen wie Spielzeug, Uhren, Radios, Laptops, Handys, Taschenlampen. Aber auch in medizinischen Anwendungen wie Hörgeräten, Herzschrittmachern oder Messgeräten finden sie Verwendung.

Der Bedarf an Batterien – wozu auch Akkus gehören – ist riesig. Wegen der extremen Nachfrage nach den in den Stromspeichern verwendeten Rohstoffen werden diese teilweise schon knapp und entsprechend teurer. Ein weiterer Rohstoffkiller ist die steigende Anzahl elektrisch betriebener Fahr-, Schwimm- oder gar Flugzeuge. Daher wird intensiv daran geforscht, knappe oder sogar rare Materialien durch häufiger vorkommende zu ersetzen.

Inhaltsstoffe von bestimmten Batterien wie Cadmium oder Blei sind gesundheitsschädlich oder gar giftig

Zudem sind einige Inhaltsstoffe von bestimmten Batterien wie Cadmium oder Blei gesundheitsschädlich oder gar giftig. Auch hier sucht die Wissenschaft nach unproblematischen Ersatzstoffen. Und tatsächlich gibt es vielversprechende Forschungsansätze, um die Nachhaltigkeit von Batterien weiter zu verbessern.

Obwohl heute auf dem Markt bereits viele weit verbreitete Batterietypen – etwa Lithium-Ionen-Akkus – ohne Schwermetalle erhältlich sind, gibt es immer noch alte Batterietypen mit Schwermetallen. In der Schweiz zum Beispiel werden – hauptsächlich durch Großverteiler – die unterschiedlichsten Batteriemodelle verkauft. Sie unterscheiden sich etwa durch die eingesetzten Materialien. Viele funktionieren auf der Basis von Zink-Mangan oder Lithium-Ionen, die beide ohne Schwermetalle auskommen. In der EU und der EU nahe stehenden Staaten wie der Schweiz oder Norwegen 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 oder deren Verpackung ab einem Massenanteil von mehr als 40 mg/kg.

Doch was nützen Vorschriften, wenn nicht kontrolliert werden kann, ob sie auch eingehalten werden? Denn bis vor kurzem gab es kaum eine Möglichkeit, die Einhaltung zu überprüfen; es gab schlicht keine verlässliche und anerkannte Methode, die genannten Elemente in Batterien genau zu bestimmen.

Innovative Analytik löst schwierige chemische Aufgaben

Ein Team der Empa-Forschungsabteilung „Advanced Analytical Technologies“ um den Chemiker Renato Figi machte sich daher im Auftrag des schweizerischen Bundesamtes für Umwelt (BAFU) daran, eine Methode zu entwickeln, um Analysen der Schwermetalle Quecksilber, Blei und Cadmium in diversen Batterietypen durchführen zu können. Eine Aufgabe, die sich als nicht ganz simpel herausstellen sollte. 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.

Nach der Entladung und der gewaltsamen Öffnung der Batterie bietet sich dem Betrachter ein durchaus einfaches Bild des Innenlebens. Komplex allerdings stellt sich oft die Zusammensetzung der verwendeten Chemikalen dar

Dieser Gefahr durfte sich Claudia Schreiner im Empa-Labor nicht aussetzen. Sie wandte sich daher an einen Empa-Kollegen, einem Spezialisten auf dem Gebiet der Batterien und deren Gefahren. Marcel Held von der Abteilung „Transport at Nanoscale Interfaces“ riet ihr vor allem, sämtliche zu untersuchenden Batterien zunächst einmal sorgfältig zu entladen. Erst dann darf man sich an das Innenleben einer Batterie trauen.

Doch Batterie ist nicht gleich Batterie. Es gibt unzählige verschiedene Bauweisen. Selbst wenn eine Batterie von außen einer anderen wie ein Zwilling gleicht, kann sich der Aufbau im Inneren wesentlich unterscheiden. Und etwas Weiteres stellte sich bei den Arbeiten heraus: Nicht immer stecken die potentiellen Gefahrenstoffe dort, wo man sie vermuten würde. Sie können sich durchaus auch in der harmlos erscheinenden Ummantelung befinden.

Zuverlässige Analyse selbst im Spurenbereich

Doch die mühevolle Arbeit im Labor hat sich gelohnt: Mit der innovativen Methode der Empa können die Inhaltsstoffe der gängigen Batterien nun zuverlässig im Spurenbereich bestimmt werden. 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. So gelangen die Schwermetalle in Lösung und können spektroskopisch bestimmt werden.

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

Die Methode ermöglicht es nun, die Einhaltung der bestehenden Vorschriften zu kontrollieren. Sie kommt im Rahmen einer breit ausgelegten Kampagne des BAFU zum Einsatz. Damit die Stichproben der unterschiedlichen Batterietypen ein möglichst repräsentatives Bild liefern, werden im Laufe dieses Jahres noch rund 80 verschiedene Batterien ausgewählt und anschließend bei der Empa analysiert. Die Federführung der Kampagne liegt beim kantonalen Labor Zürich. Die Resultate werden 2024 erwartet.

Alle Fotos: Empa