Energie om mee te nemen bronnenboek - Nieuwe scheikunde

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 001
1 inleiding
Er komen steeds meer apparaten op de markt, die elektrische energie gebruiken, zonder dat
ze een verbinding hebben met een stopcontact. Dat betekent dat deze apparaten hun eigen
elektrische energie mee moeten nemen. Sommige apparaten hebben hun systeem verborgen
in het apparaat. Zoals de I-pod en de mobile telefoon. Bij andere kun je batterijen kopen,
die je regelmatig moet vervangen of opladen.
BronnenBoek
Batterijen heb je in allerlei soorten en maten. Van een accu in een auto, met een gewicht van
tegen de 50 kg, tot een knoopje voor een gehoorapparaat van 500 mg. In deze module gaan
we kijken naar de chemie die een rol speelt bij batterijen. In de batterij vindt een chemische
reactie plaats, waarbij de chemische energie wordt omgezet in elektrische energie. Voor batterijen
is de verhouding tussen de massa van die batterij en de energie die ze kunnen leveren
een belangrijke factor. Het is nog steeds zeer actueel batterijen ‘uit te vinden’ met een kleine
massa en een groot vermogen.
Energie om mee te nemen
Tot een jaar of 10 geleden bestonden er alleen batterijen waarbij de grondstoffen in de batterij
zelf zaten. Een jaar of 10 geleden ontstonden vooral door invloed vanuit de ruimtevaart zogenaamde
brandstofcellen. De stoffen die met elkaar reageren, bijv. waterstof en zuurstof, zaten
buiten de batterij. Hierdoor kan de batterij altijd elektrische energie leveren, zolang je maar
brandstof toevoert. (Zie bron 1).
1 a Neem bron 1 globaal door. Zoek op internet of er een nieuwe publicatie van Toshiba is
waaruit blijkt dat de brandstofcel inderdaad wordt gebruikt.
b Geef de vergelijking van de twee (half)reacties waarop de brandstofcel van Toshiba nu
is gebaseerd.
‘Normale’ batterijen daarentegen raken op een gegeven moment op. Dat wil zeggen dat (één
van) de chemische stoffen, die in de batterij zitten, omgezet zijn. Op dat moment levert de batterij
geen stroom meer. Sommige batterijen zijn oplaadbaar. Het oudste voorbeeld daarvan is
de loodaccu, die bij auto’s en motoren wordt gebruikt. Ook zijn de meeste energiedragers in
mobiele apparaten ondertussen oplaadbaar. (Zie bron 2).
De methanol waarvan sprake is in bron 1, pagina 3 wordt gemaakt uit aardgas (hoofdzakelijk
methaan) en stoom. In eerste instantie ontstaat dan koolstofmono-oxide en waterstof.
2 Geef van de reactie van methaan en stoom de reactievergelijking.
Vervolgens reageren de ontstane stoffen tot methanol.
3 Geef ook van deze reactie de reactievergelijking.
4 Bereken hoeveel kg methaan nodig is om 39,5 kg methanol (ongeveer
een tank vol!) te maken.
5 Bereken met behulp van Binastabel 56 of er bij de productie
van methanol vanuit methaan energie moet worden toegevoegd
of dat er energie verloren gaat.
2 elektrische energie
In dit deel gaan we ons bezig houden met de manier waarop we
elektrische energie verkrijgen uit chemische energie. Je bent beslist
al tegengekomen dat je de ene vorm van energie kunt om-

advertentie

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 004
Bron 1 Brandstofcel

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 005
Bron 1 Brandstofcel

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 006
Bron 1 Brandstofcel
water
zuurstof
elektrolyse
zonnepanelen
waterstof waterstof
waterstof-opslag
zuurstof
brandstofcel
water

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 007
Bron 1 Brandstofcel

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 008
Bron 1 Brandstofcel
fluorkoolstof
hoofdketen
zijketen
sulfonaatgroep
CF2 CF2 CF
m
O
CF2 n
waterstof
(H2)
waterstof
wordt
hergebruikt
H 2
H2
e
e
e
e
e
e
CF2
CF
O
CF2
CF2
H
H
H
H
SO3 – H +
e
e
Nafion ®
CF3 z
O
O
O2
H2O
2H + anode elektrolyt kathode
+ 2e-
O2 + 4H + platina platina
+ 4e-
hydrofoob
hydrofiele ruimten
zuurstof (O2)
uit lucht
warmte (85 °C)
lucht en
water
2H2O
H 2 O H 3O +
SO3 -
SO3 -
SO3 -
SO3 -
SO3 -
SO3 -
proton transport
H2 O2
H2 O2 H2 O2
H + H +
H +
e- e-
0 V 0,7 V 1,4 V 2,1 V

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 009
Bron 1 Brandstofcel

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 010
Bron 1 Brandstofcel
chemische fabriek
chloorproductie
chloor
Cl 2
waterstof
H 2
elektriciteit
uit waterstof
elektriciteit
uit het net
brandstofcel
centrale
water
H 2 O
afvoer
aanvoer
CO2
anode
e-
stroomvoorziening
CO2
H +
(CHO)n
kathode
waterstof
H2
H +
e

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 011
Bron 1 Brandstofcel

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 012
Bron 2 Batterijen
Batterijen
door ir. Martine Segers,
freelance wetenschapsjournalist
Batterijen 205–1
Deze Chemische Feitelijkheid is geschreven in samenwerking met dr.ir.
Dick Schmal van TNO Milieu, Energie en Procesinnovatie (TNO MEP),
afdeling energiesystemen, postbus 342, 7300 AH Apeldoorn.
tel. 055-549 38 47 / 015-269 60 87, e-mail: d.schmal@mep.tno.nl
1. Inleiding 205– 3
2. Globale werking van een batterij 205– 4
3. Kenmerken van niet-oplaadbare batterijen 205– 5
3.1 Alkalinebatterij 205– 5
3.2 Lithiummangaanbatterij 205– 6
3.3 Zinkluchtbatterij 205– 7
4. Kenmerken van oplaadbare batterijen 205– 8
4.1 Loodaccu 205– 8
4.2 Nikkelcadmiumbatterij 205– 9
4.3 Nikkelmetaalhydride 205– 10
4.4 Lithiumionbatterij 205– 11
5. Veiligheidsmechanismen 205– 12
6. Wetgeving 205– 13
6.1 Kwikgebruik 205– 13
6.2 Besluit ‘beheer batterijen’ 205– 13
7. Recycling 205– 14
8. Nieuwe ontwikkelingen 205– 15
8.1 Bussen en auto’s op batterijen 205– 15
8.2 Batterijen als buffer in het elektriciteitsnetwerk 205– 16
8.3 Brandstofcel als mogelijke opvolger van de batterij 205– 17
9. Literatuur en websites 205– 18
Chemische Feitelijkheden is een uitgave van ten Hagen & Stam bv in
samenwerking met de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging.
44 Chemische Feitelijkheden april 2004 tekst_144/205

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 013
Bron 2 Batterijen
1. Inleiding
Batterijen 205–3
Batterijen zijn populairder dan ooit. Ze leveren niet alleen energie
voor traditionele toepassingen zoals afstandbediening, reiswekker,
rookmelder of gehoortoestel, maar ook voor moderne toepassingen in
bijvoorbeeld de mobiele telefoon, de discman, het digitale fototoestel,
de labtop, de elektrische tandenborstel en de afstandbediening van
het autoalarm. In 2002 gingen er in Nederland zo’n 200 miljoen batterijen
over de toonbank.
Met name het enorme succes van de mobiele telefoon was niet mogelijk
geweest zonder flinke verbeteringen in de hoeveelheid energie
die kleine oplaadbare batterijen kunnen opslaan. De eerste mobiele
telefoons hadden in 1985 nog een loodaccu nodig ter grootte van een
attachékoffer. Vandaar ook de naam autotelefoon. Zonder auto was
hij nauwelijks te vervoeren. In de eerste praktische mobiele telefoons
zaten nikkelcadmiumbatterijen met een dikte van zo’n vijf centimeter.
Tegenwoordig bellen we mobiel met een oplaadbare lithiumionbatterij
van amper vier millimeter dik, een halve creditkaart groot en een
gewicht van minder dan dertig gram. Deze batterij kan per gram batterij
drie keer zoveel energie opslaan als de nikkelcadmiumbatterij.
Verder is de energiedichtheid de afgelopen jaren nog met enkele tientallen
procenten toegenomen door de keuze voor langere en dunnere
elektrodes die opgerold of opgevouwen kunnen worden en hierdoor
een groter contactoppervlak hebben waardoor de batterijreacties efficiënter
verlopen. Tegelijkertijd is overigens het energieverbruik van
de mobiele telefoons met een factor drie afgenomen door ontwikkeling
van elektronica die weer efficiënter gebruik maakt van de energie
uit een batterij.
Batterijen met een hoge energiedichtheid hebben ook een nadeel. Als
bij kortsluiting al die energie ineens vrijkomt in een klein hermetisch
afgesloten metalen omhulsel, kan zo’n batterij ontploffen. Fabrikanten
hebben daar allerlei beveiligingsmechanismen tegen ontwikkeld,
maar een enkele keer gaat het toch fout, getuige de krantenberichten
over ontplofte mobieltjes.
44 Chemische Feitelijkheden april 2004 tekst_144/205

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 014
Bron 2 Batterijen
205–4 Batterijen
2. Globale werking van een batterij
Een batterij zet chemische energie om in elektrische energie. Twee
elektrodes met een verschillende elektrische potentiaal vormen de
plus- en de minpool, ook wel kathode en anode genoemd. Deze elektrodes
worden gescheiden door een elektrolyt, meestal een vloeistof
die ionen geleidt. De elektrolyt is vaak een waterige oplossing van
een zout of een zuur met een verdikkingsmiddel, bijvoorbeeld siliciumdioxide.
Maar het kan ook een organische vloeistof zijn of een polymeer.
Een vloeibare elektrolyt wordt opgezogen in een niet-geleidende
poreuze kunststof, de separator, om kortsluiting te voorkomen.
Als voorbeeld volgt hier de werking van een eenvoudige batterij: een
staafje zink en een staafje koper dat is ondergedompeld in een kopersulfaatoplossing
(zie Figuur 1).
Het potentiaalverschil tussen beide polen ontstaat doordat de twee gekozen
metalen in een waterige oplossing in verschillende mate oplossen.
Zink (Zn) is een onedel metaal en lost gemakkelijk op. Daarbij
gaan zinkionen (Zn 2+ ) in oplossing en blijft een overschot aan
elektronen achter op de zinkstaaf. De zinkstaaf wordt hierdoor de
negatieve pool. Via de draad bereiken de elektronen de koperelektrode
(Cu) die de aangevoerde elektronen gemakkelijk opneemt waarbij
de koperionen (Cu 2+ ) uit de oplossing juist neerslaan tot metallisch
koper, Cu. Doordat er bij de zinkelektrode elektronen afgevoerd worden,
kunnen er hier weer meer zinkionen in oplossing gaan. Als alle
koperionen uit de elektrolyt neergeslagen zijn op de koperelektrode
houdt de elektronenstroom op en is de batterij ‘leeg’.
44 Chemische Feitelijkheden april 2004
- X -
anode
elektroden
kathode
Zn
Cu
-
Cu
2+
Zn
2+
Zn -
- 2+
Zn
Cu
2+
Cu
2+
Cu
2+
Cu
kopersulfaatoplossing (elektrolyt)
Figuur 1. Schematische weergave van de werking van een zinkkoperbatterij.
-
0886-0396

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 015
Bron 2 Batterijen
3. Kenmerken van niet-oplaadbare batterijen
Veel apparaten zijn niet geschikt voor oplaadbare batterijen, omdat
deze batterijen ook stroom lekken als ze niet gebruikt worden. Dit
wordt ook wel zelfontlading genoemd. Daarom is het in het algemeen
beter geen oplaadbare batterijen te gebruiken voor horloges en afstandbedieningen
die maar weinig stroom nodig hebben en voor apparaten
die niet dagelijks gebruikt worden zoals een zaklantaarn of
dicteerapparaat. Niet-oplaadbare batterijen lekken nauwelijks stroom
en blijven tot vijf jaar goed als ze niet worden gebruikt.
3.1 Alkalinebatterij
Batterijen 205–5
Alkalinebatterijen (zie Figuur 2) zijn de meest gebruikte niet-oplaadbare
batterijen. De negatieve pool bestaat uit zinkpoederpasta. Voordeel
hiervan is dat dit een groot zinkoppervlak oplevert waardoor
deze batterij indien nodig een relatief grote stroomsterkte kan leveren.
De positieve pool bestaat uit een laag van mangaanoxide en grafiet.
Alkalinebatterijen worden toegepast in onder meer discmans en
afstandsbedieningen. Ze hebben grotendeels de vroeger veel gebruikte
zinkkoolstofbatterijen vervangen. Hierbij is de anode een zinkbeker
en de kathode bruinsteen. De chemische reacties zijn min of meer
vergelijkbaar met die van de alkalinebatterij.
stalen
beker
separator
deksel
positieve pool
bruinsteenmassa (kathode)
+ pool: 2 MnO2 + 2 H2O + 2 e- 2 MnO(OH) + 2 OH- anodepen
zinkpoederpasta (anode)
- pool: Zn + 2OH - ZnO + H 2O + 2 e -
ventiel
negatieve pool
Overall reactie: 2 MnO2 + Zn + H2O 2 MnO(OH) + ZnO
Figuur 2. Alkalinebatterij: opbouw en batterijreacties.
0886-0397
44 Chemische Feitelijkheden april 2004 tekst_144/205

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 016
Bron 2 Batterijen
205–6 Batterijen
In de alkalinebatterij zat tot begin jaren negentig ook één procent
kwik als stabilisator om de omzetting van zink en water in zinkoxide
en waterstof tegen te gaan. Kwik werkt als stabilisator doordat het
samensmelt met zink; het ‘veredelt’ zo het zink en onderdrukt de
ongewenste vorming van waterstof. Inmiddels is het giftige kwik in
alle alkalinebatterijen vervangen door minder giftige stabilisatoren,
zoals kleine hoeveelheden bismut, aluminium of calcium.
Binnenkort (april 2004) wordt een nieuw type alkalinebatterij geïntroduceerd,
de zogenoemde AA-batterij, met Oxyride technologie.
Het zijn 1,5 volt wegwerpbatterijen die aanzienlijk meer stroom kunnen
leveren, en vooral interessant zijn voor gebruik in energievretende
apparaten zoals digitale camera’s met flits. De innovatie van
Oxyride zit in het kathodemateriaal en de productiemethode. Het traditionele
mangaanoxide is vervangen door een combinatie van mangaanoxide
en nikkelhydroxide. De anode is zoals gebruikelijk in de
alkalinebatterij van zink. De elektrolytvloeistof wordt onder een
tamelijk hoge druk in de batterij gestopt.
3.2 Lithiummangaanoxidebatterij
In opkomst als niet-oplaadbare batterij zijn de lithiummangaanoxidebatterijen
(zie Figuur 3) met een hoge energiedichtheid en een groot
vermogen. Het grote voordeel van lithium is dat het zowel het lichtste
metaal is als de beste reductor, dat wil zeggen: zeer gemakkelijk
elektronen afstaat. Hierdoor zijn spanningen tot vier volt te bereiken.
steunring
negatieve pool
positieve
pool
44 Chemische Feitelijkheden april 2004
lithiumfolie (anode)
- pool: Li Li + + e- organische
elektrolyt
afdichting
mangaandioxide (kathode)
+ pool: MnIVO2 + Li + + e - Li + MnIIIO2
Overall reactie: MnIVO2 + Li Li + MnIIIO 2
Figuur 3. Lithiummangaanoxidebatterij: opbouw en batterijreacties.
0886-0398

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 017
Bron 2 Batterijen
Bovendien is dit type batterijen lang houdbaar door de zeer geringe
zelfontlading. Deze batterij vindt zijn weg vooral naar (digitale) fotoen
videocamera’s en andere elektronische en telecommunicatie-apparatuur.
3.3 Zinkluchtbatterij
Batterijen 205–7
Voor specifieke toepassingen zijn de zinkluchtbatterijen interessant
(zie Figuur 4). Deze knoopcel gebruikt zuurstof uit de lucht als oxidator,
waardoor bijna de gehele batterijruimte voor zinkpoeder
beschikbaar is. De vloeibare elektrolyt is aanwezig in een poreus
plastic materiaal. Dit voorkomt dat de elektrolyt uit de batterij lekt via
de kleine openingen in de batterij die nodig zijn om de lucht op te
nemen. Bij de kathode wordt de zuurstof gereduceerd. Samen met de
waterstofionen uit het zuur in de batterij vormt dit gereduceerde zuurstof
water.
Zodra de batterij geactiveerd is door lucht toe te laten, begint een continu
proces van zelfontlading. Dat maakt deze relatief lichte batterijen
alleen geschikt voor apparaten die continu stroom nodig hebben,
zoals gehoortoestellen. In een grotere uitvoering worden ze ook
gebruikt voor bijvoorbeeld mobiele knipperlichten die automobilisten
waarschuwen voor wegwerkzaamheden.
negatieve pool
afdichting
zinkpoederpasta (anode)
- pool: 2 Zn + 4 OH - 2 Zn(OH)2 + 4 e -
positieve pool (kathode)
+ pool: O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OH- separator
lucht-
ventiel opening
luchtkathode
diffusiefolie
metaalgaas
(teflon)
Overall reactie: 2 Zn + O2 + 2 H2O 2 Zn(OH)2
Figuur 4. Kleine zinkluchtbatterij: opbouw en batterijreacties.
0886-0399
44 Chemische Feitelijkheden april 2004 tekst_144/205

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 018
Bron 2 Batterijen
205–8 Batterijen
4. Kenmerken van oplaadbare batterijen
Bij oplaadbare batterijen is de elektrochemische reactie omkeerbaar
door het toevoeren van een tegengestelde stroom. Bij dit opladen van
een batterij wordt elektrische energie omgezet in chemische energie,
waarbij de oorspronkelijke stoffen weer ontstaan.
Batterijen met zink- of lithiumfolie zijn moeilijk langdurig herlaadbaar
te maken. Dat komt omdat deze metalen bij het laden dendrieten
vormen, kleine metaalnaaldjes. Bij elke oplaadbeurt zouden deze
naaldjes langer worden en zo richting de andere elektrode van de batterij
groeien. Wanneer ze die bereiken, is dat fataal voor de werking
van een batterij. Direct contact tussen beide polen levert immers lokale
kortsluiting, waardoor de batterij snel het einde van zijn levensduur
bereikt.
Bij elektrochemische koppels die geen problemen leveren bij het herladen
is energiedichtheid tegenwoordig het toverwoord. Batterijproducenten
zijn voortdurend op zoek naar betere materialen voor het
elektrochemische koppel om nog meer elektriciteit te kunnen opslaan
per kubieke centimeter en/of per kilo. Nikkelcadmiumbatterijen leveren
40 tot 50 Wh per kilo. Een nikkelmetaalhydridebatterij van hetzelfde
gewicht levert bijna dubbel zoveel energie, 80 tot 90 Wh/kilo.
En de introductie van de lithiumionbatterijen zorgde begin deze eeuw
weer bijna voor een verdubbeling tot 150 à 200 Wh/kilo.
Daarnaast verbeterde de energiedichtheid ook nog met enkele tientallen
procenten door de structuur van een batterij te veranderen. In
lithiumionbatterijen in moderne mobiele telefoons zitten namelijk
geen compacte elektrodes, maar hele lange dunne folies van slechts
100 tot 200 micron dik. Hierdoor ontstaat een groter contactoppervlak
voor de elektrochemische reactie. De elektrodes worden
gescheiden door een separator met elektrolyt van slechts enkele tienden
van een millimeter dik. In een batterij van één centimeter zitten
zo’n twintig lagen op elkaar gevouwen.
4.1 Loodaccu
De loodaccu, de oerbatterij die over de hele wereld bij auto’s als startaccu
wordt gebruikt, was de eerste batterij die toegepast werd als
44 Chemische Feitelijkheden april 2004

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 019
Bron 2 Batterijen
oplaadbare batterij. In geladen toestand bestaat de minpool uit zuiver
lood en de pluspool uit loodoxide. Bij het ontladen komen bij de
elektrode van zuiver lood elektronen vrij wanneer er loodionen in
oplossing gaan. Deze elektroden stromen naar de elektrode van loodoxide.
Dankzij deze elektronen gaat daar het vierwaardige lood in het
loodoxide in oplossing als het tweewaardige lood in loodsulfaat. De
batterijreacties zijn:
( ontladen)
Kathode (+ pool): PbO 2 + H 2 SO 4 + 2 H + + 2e - PbSO 4 + 2 H 2 O
Anode (- pool): Pb + H 2 SO 4 PbSO 4 + 2 e - + 2 H +
Overall reactie: PbO 2 + Pb + 2 H 2 SO 4 2 PbSO 4 + 2 H 2 O
4.2 Nikkelcadmiumbatterij
Batterijen 205–9
Een nikkelcadmiumbatterij (zie Figuur 5) heeft een kathode van nikkeloxyhydroxide,
een anode van cadmium en als elektrolyt een oplossing
van kaliumhydroxide. Bij de ontlading ontstaat Cd(OH) 2 en Ni(OH) 2 ,
bij het opladen worden weer zuiver cadmium en NiOOH gevormd.
positieve pool
ventiel
afdichting
aansluitstrip
separator
cadmium (anode)
- pool: Cd +2OH - Cd(OH)2 + 2 e -
nikkelhydroxide (kathode)
+ pool: NiO(OH) + H2O + e - Ni(OH)2 + OH -
negatieve pool
Overall reactie: Cd + 2 NiO(OH) + 2 H2O Cd(OH)2 + 2 Ni(OH)2
Figuur 5. Nikkelcadmiumbatterij: opbouw en batterijreacties.
0886-0400
44 Chemische Feitelijkheden april 2004 tekst_144/205

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 020
Bron 2 Batterijen
205–10 Batterijen
Nikkelcadmiumbatterijen kunnen hoge stroomsterktes leveren en dat
maakt ze geschikt voor gebruik in zware apparaten zoals boormachines.
Ze zijn ook relatief goedkoop. Nadeel is dat ze het milieuonvriendelijke
cadmium bevatten, een metaal dat zich bij mensen kan ophopen
in de nieren en daar blijvende schade kan aanrichten. Daarnaast
heeft dit type batterij een relatief lage energiedichtheid.
Types met gesinterd nikkel, waarbij het nikkel een sponsachtig oppervlak
heeft, hebben bovendien last van het geheugeneffect. Hierdoor
kan een batterij die regelmatig opnieuw opgeladen wordt voordat hij
echt leeg is, op een gegeven moment niet meer helemaal ontladen
worden. Een deel van de cadmiumelektrode wordt dan namelijk inactief
doordat de porositeit afneemt (door het ontstaan van grotere cadmiumdeeltjes).
4.3 Nikkelmetaalhydride
De nikkelmetaalhydridebatterij is de milieuvriendelijkere opvolger
van de nikkelcadmiumbatterij en is een keer of duizend op te laden
zonder dat hij last heeft van het geheugeneffect. In de nikkelmetaalhydride
batterij vinden de volgende reacties plaats:
(waarbij ontladen)
Kathode (+ pool): NiO(OH) + H 2 O + e - Ni(OH) 2 + OH -
Anode (- pool): MH + OH - M + H 2 O + e -
Overall reactie: NiO(OH) + MH Ni(OH) 2 + M
Nikkel is de positieve elektrode en als negatieve elektrode is cadmium
vervangen door een metaallegering die waterstof loslaat of absorbeert.
De legering kan bijvoorbeeld bestaan uit een mengsel van nikkel
en magnesium of nikkel en een lanthanide. Als elektrolyt wordt
gekozen voor een geconcentreerde kaliumhydroxideoplossing. Er
vindt nog altijd onderzoek plaats naar het metaalmengsel dat het
meeste waterstof kan absorberen. Meer waterstof betekent immers
dat de batterij per laadcyclus meer energie kan opslaan.
44 Chemische Feitelijkheden april 2004

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 021
Bron 2 Batterijen
4.4 Lithiumionbatterij
Batterijen 205–11
De lithiumionbatterij (zie Figuur 6) kwam eind jaren negentig op de
markt en zit tegenwoordig in bijna elke mobiele telefoon, vanwege
zijn hoge energiedichtheid. Het lithium is in deze batterij niet als
metaalfolie aanwezig, maar is opgenomen in koolstof. Zo werd het
mogelijk om de vorming van metaalnaaldjes te voorkomen bij het
opladen van de batterij. Qua gewichtspercentage bevat dit type batterij
slechts zo’n twee procent lithium.
separator
ventiel
aansluitstrip
positieve pool
negatieve pool
afdichting
deksel
grafietmassa (anode)
- pool: C6Lix C6 + x Li+ + x e-
lithiumverbindingen (kathode)
+ pool: Li1-xCoO2 + x Li+ + x e- LiCoO2
Overall reactie: Li1-xCoO2 + C6Lix LiCoO2 + C6
Figuur 6. Opbouw van een lithiumionbatterij: opbouw en batterijreacties.
0886-0401
De negatieve elektrode bestaat uit poreus koolstof. Tijdens het laden
worden de poriën van de koolstofelektrode negatief geladen en kruipen
de positief geladen lithiumionen in deze poriën. Tijdens het ontladen
migreren de lithiumionen naar de positieve elektrode van kobaltof
mangaanoxide en gaan daar een binding aan met het kobalt- of
mangaanoxide. Tijdens het laden wordt het lithium in LiCoO 2 vervolgens
weer geïoniseerd.
In feite jojoën de lithiumionen tussen de twee elektrodes heen en
weer, steeds als de batterij beurtelings wordt ontladen en weer wordt
opgeladen. Om die reden wordt de lithiumionbatterij ook wel eens
een swing-batterij genoemd. De capaciteit van dit type batterij is
44 Chemische Feitelijkheden april 2004 tekst_144/205

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 022
Bron 2 Batterijen
205–12 Batterijen
afhankelijk van de hoeveelheid lithiumionen die door de poriën van
de koolstofelektrode reversibel kunnen worden opgenomen.
De elektrolyt mag in een lithiumionbatterij geen water bevatten,
omdat lithium erg reactief is als het in contact met water komt. Bij
contact met water vormt het vrijwel direct lithiumhydroxide waarbij
eenmalig veel warmte vrijkomt. Als vloeibare elektrolyt in lithiumionbatterijen
worden daarom lithiumfluorzouten in een organische
elektrolyt gebruikt, zoals propyleencarbonaat, ethyleencarbonaat of
dimethylcarbonaat (zie Figuur 7). Deze organische vloeistoffen zijn
te gebruiken tussen de -20 en +60 °C.
H 3C
O
C
In Japan zijn ook al lithiumionbatterijen op de markt waarbij de organische
vloeibare elektrolyt vervangen is door een polymeer. Om
welke polymeren het gaat is fabrieksgeheim. Wel is duidelijk dat het
lastig is om goede polymeren te vinden die zowel voldoende ionen
geleiden als stabiel zijn als ze in contact komen met de elektroden.
Gebruik van polymere elektrolyt in plaats van vloeibare elektrolyt
vereenvoudigt het productieproces. Het polymeer kan namelijk direct
mee worden meegerold tussen de elektrodes en hoeft niet later apart
te worden opgezogen in een laag poreus plastic. Bovendien kan bij
beschadiging van de batterij geen vloeistof vrijkomen.
5. Veiligheidsmechanismen
O
CH 3
O
a b
Bij kortsluiting kan zoveel warmte vrijkomen dat de elektrolyt verdampt,
als het een vloeistof is, of ontleedt, als het om een polymeer
44 Chemische Feitelijkheden april 2004
H
CH
O
C
O
CH2
O
H 3C
c
CH
O
C
O
CH 2
Figuur 7. Structuurformules van de organische elektrolyten
dimethylcarbonaat (a), ethyleencarbonaat (b) en propyleencarbonaat(c).
O
0886-0402

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 023
Bron 2 Batterijen
gaat. In beide gevallen vindt er gasontwikkeling plaats. Om in zo’n
geval ontploffing te voorkomen, hebben moderne batterijen een overdrukventiel,
een klein kogeltje met een veertje dat bij een bepaalde
overdruk gas naar buiten laat. Daarnaast is nog een aantal aanvullende
veiligheidsmechanismen ingebouwd die onafhankelijk van elkaar
functioneren en bescherming bieden als het ventiel onverhoopt toch
niet zou werken. Eén daarvan is een hogestroombeveiliging. Een
bimetaal bestaande uit twee metalen met een verschillende uitzettingscoëfficiënt
trekt bij te hoge stroom krom waardoor het circuit
onderbroken wordt. In mobiele telefoons wordt bovendien de hoogte
van de spanning tijdens het opladen van de batterij via ingebouwde
software bewaakt. Soms is deze software ingebouwd op een klein
chipje in de batterij zelf.
Fabrikanten werken nu aan een vierde veiligheidsmechanisme dat
een inherente veiligheid moet leveren. Het gaat om een combinatie
van chemische stoffen in de elektrolyt die polymeriseren als de temperatuur
toeneemt, waarbij de weerstand toeneemt en de stroom
stopt. Het is echter lastig om stoffen te vinden met deze eigenschap
die niet tegelijkertijd de oplaadbaarheid van de batterij verslechteren.
6. Wetgeving
6.1 Kwikgebruik
De Nederlandse overheid heeft afgelopen tien jaar via wetgeving
fabrikanten van batterijen gedwongen het kwikgebruik te minimaliseren
met steeds strengere regelgeving. Vanaf 1 januari 2000 mogen
alkalinebatterijen niet meer dan 0,0005 gewichtsprocent kwik bevatten.
Voor knoopcellen geldt een uitzondering, een maximum van twee
gewichtsprocent.
6.2 Besluit ‘beheer batterijen’
Batterijen 205–13
Eind jaren tachtig werd bekend dat ingezamelde batterijen uit
Nederland op stortplaatsen in de toenmalige DDR belandden. Sinds 1
januari 1990 is dit verboden. Er is toen op de Maasvlakte een speci-
44 Chemische Feitelijkheden april 2004 tekst_144/205

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 024
Bron 2 Batterijen
205–14 Batterijen
aal C2-deponie ingericht, een goed van de omgeving afgeschermde
bak waar de batterijen in gedumpt werden.
Via een convenant wilde de overheid vervolgens fabrikanten stimuleren
de metalen uit de afgedankte batterijen te recyclen. In 1994 kregen
fabrikanten en importeurs, verenigd in de Nefibat, de opdracht
een verwijderingplan te maken voor 1 januari 1995. Indien Nefibat
deze opdracht niet zou volbrengen, zou de overheid de invoering van
een statiegeldsysteem opleggen. Het resulteerde in het Besluit
‘beheer batterijen’ dat op 10 maart 1995 in werking is getreden. In dit
besluit is onder meer opgenomen dat diegene die als producent of
importeur batterijen of producten met batterijen als eerste op de
Nederlandse markt brengt, verplicht is maatregelen te nemen. Zo’n
producent of importeur moet ervoor zorgen dat de batterijen die zij
verkopen “na gebruik worden ingenomen en worden verwerkt met
het oog op hergebruik”. De uitvoering van dit convenant kwam in
handen van de Stichting Batterij (Stibat). Geld voor de uitvoering komt
uit de verwijderingsbijdrage die consumenten voor hun batterijen zijn
gaan betalen.
Tot slot moet sinds 1 juli 1995 de verpakking, van alle batterijen die
in Nederland op de markt worden gebracht, voorzien zijn van een
kca-logo voor klein chemisch afval. Dit logo geeft aan dat consumenten
de batterijen niet in de gewone vuilnisbak mogen gooien.
7. Recycling
De Stichting Batterij zamelt jaarlijks bijna tweeduizend ton batterijen
in via een landelijk netwerk van inzamelpunten. Op een centrale
plaats in Nederland worden de ingezamelde batterijen vervolgens
gesorteerd en naar diverse fabrieken in Nederland en andere landen
in West-Europa getransporteerd voor recycling. Bij recycling gaat het
om de terugwinning van de metalen waar batterijen voor 60 tot 80
procent uit bestaan. Volgens de Stichting Batterij levert de totale batterijrecycling
momenteel een energiebesparing op die is te vergelijken
met het jaarlijkse gasverbruik van 223 huishoudens.
De kwikvrije zinkkoolstofbatterijen (met een zinkbeker als anode en
een kathode van bruinsteen) blijven in Nederland. De firma Nedstaal
in Alblasserdam voegt bij de productie van staal uit schroot maximaal
44 Chemische Feitelijkheden april 2004

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 025
Bron 2 Batterijen
0,8 procent kwik- en cadmiumarme batterijen toe. Het staalschroot en
de batterijen worden gesmolten bij een temperatuur van ongeveer
1600 °C . Het toegevoegde ijzer uit de batterijen komt in het staal
terecht en de organische en/of koolstofhoudende componenten vervangen
gedeeltelijk de toevoeging van koolstofdragers als energiebron.
Daarnaast lost de koolstof uit de batterijen op in vloeibaar staal
en verlaagt zo het smeltpunt van staal. Oxidatie van het via de batterijen
toegevoegde zink levert bovendien extra energie op tijdens het
smeltproces.
Alkalinebatterijen en mengsels met zowel alkaline- als zinkkoolstofbatterijen
gaan naar het bedrijf Valdi in Frankrijk dat ferromangaan
en zinkoxide produceert met als enige grondstof batterijen. Net als bij
Nedstaal worden de batterijen gesmolten bij een temperatuur van
1600 °C. Organische componenten zoals papier, plastics en teer verbranden
bij die temperatuur geheel. Het zink verdampt, wordt geoxideerd
tot zinkoxide en met de gasstroom afgevoerd naar de gasfilters.
Mangaan en ijzer worden in ferromangaanstaven gegoten.
Andere Franse bedrijven winnen via vergelijkbare smeltprocedures
ferronikkel en cadmium terug uit nikkelcadmium- en nikkelmetaalhydridebatterijen,
waarbij cadmium in vacuüm geprecipiteerd
(gebonden en neergeslagen) wordt. Uit lithiumionbatterijen worden
in Frankrijk alleen nog kleine fracties kostbare metalen teruggewonnen,
waaronder kobalt. Slecht sorteerbare batterijen waar mogelijk
kwik in zit, gaan naar Zwitserland waar diverse metalen teruggewonnen
worden en de kwikdamp veilig verwerkt kan worden.
8. Nieuwe ontwikkelingen
8.1 Bussen en auto’s op batterijen
Batterijen 205–15
De toename van de energiedichtheid van batterijen maken ze ook
interessanter voor toepassingen in voertuigen. Om een auto alleen op
batterijen te laten rijden is echter het benodigde gewicht aan batterijen
nog steeds te groot. Daarnaast duurt het opladen van een batterij
veel langer dan het tanken van bijvoorbeeld benzine.
Meer succesvol lijken de hybride elektrische voertuigen met een verbrandingsmotor
en een batterij. De verbrandingsmotor zorgt, eenvou-
44 Chemische Feitelijkheden april 2004 tekst_144/205

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 026
Bron 2 Batterijen
205–16 Batterijen
dig gezegd, voor het gemiddeld benodigd vermogen om te rijden, terwijl
de batterij de extra energie levert die nodig is bij bijvoorbeeld
accelereren en inhalen. Daarnaast wordt de batterij gebruikt voor
opslag van energie die vrijkomt bij remmen, waarbij de elektromotor
werkt als generator. Op deze manier kan de verbrandingsmotor op
een constant optimaal vermogen draaien, waarbij de brandstof zo
efficiënt mogelijk wordt omgezet in energie en de uitstoot van vervuilende
stoffen minimaal is. Vooral in grote steden met serieuze
luchtverontreinigingproblemen kan een hybride bus of hybride auto
aantrekkelijk zijn. In Eindhoven rijdt al een prototype van een hybride
elektrische bus met nikkelmetaalhydridebatterijen en binnenkort
gaan er meer dan tien rijden. Verder hebben Honda en Toyota al
hybride personenauto’s op de markt gebracht met nikkelmetaalhydridebatterijen.
Naast nikkelmetaalhydridebatterijen worden ook lithiumionbatterijen
voor dit soort toepassingen ontwikkeld en getest in
voertuigen. Toepassing in commerciële voertuigen is in een beginstadium.
Verder wordt al een aantal jaren gewerkt aan de ontwikkeling van
natrium-nikkelchloridebatterijen voor (hybride) elektrische voertuigen.
Deze batterij heeft een relatief hoge energiedichtheid van ongeveer
100 Wh/kilo, maar werkt pas bij 300 °C. Daarom is dit nieuwe
type batterij, dat nog niet op de markt is, vooral interessant voor voertuigen
die bijna altijd in gebruik zijn, zoals bestelauto’s. Dan hoeft de
batterij slechts eenmaal via een verwarmingselement opgewarmd te
worden. Daarna is de warmte van de motor genoeg om de temperatuur
op niveau te houden.
Bij 300 °C kunnen in het vloeibare natrium natriumionen gevormd
worden, iets wat bij lagere temperaturen en in water niet mogelijk is.
Een keramische elektrolyt van aluminiumoxide, die er uitziet als een
dikke pvc-buis, laat de natriumionen door op hun weg naar de nikkelchloride-elektrode.
8.2 Batterijen als buffer in het elektriciteitsnetwerk
Grootschalige introductie van duurzame energie zoals zonne- en
windenergie kan ook ondersteund worden door batterijen. Die kunnen
bij piekproductie elektriciteit opslaan en bij piekvraag juist elek-
44 Chemische Feitelijkheden april 2004

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 027
Bron 2 Batterijen
Batterijen 205–17
triciteit leveren. Zo zijn fluctuaties in vraag en aanbod beter op te
vangen.
TNO denkt dat batterijen ook een relatief goedkope oplossing kunnen
vormen op plaatsen waar het ondergrondse elektriciteitsdistributienetwerk
zijn capaciteitsgrenzen bijna bereikt heeft. Het uitgangspunt
is dat elektriciteitscentrales buiten de piekuren goedkope elektriciteit
aanbieden, die bedrijven afnemen en opslaan in batterijen. Op die
manier hebben ze op piekmomenten extra elektriciteit beschikbaar,
zonder dat er dure extra ondergrondse elektriciteitskabels aangelegd
hoeven te worden.
8.3 Brandstofcel als mogelijke opvolger van de batterij
Microbrandstofcellen die energie halen uit de reactie tussen waterstof en
zuurstof zijn in theorie aantrekkelijk als mobiele krachtbron. Theoretisch
hebben ze namelijk een hoge energiedichtheid van 1000 Wh/kilo,
terwijl de beste batterij nu niet boven de 200 uitkomt. Groot probleem
is echter de werktemperatuur van de daarvoor in ontwikkeling zijnde
polymere brandstofcellen (70 à 80 °C). Bij lagere temperaturen leveren
ze minder vermogen, waardoor ze aan aantrekkelijkheid inleveren.
Er is nog veel technologische ontwikkeling nodig om daadwerkelijk
een hogere energiedichtheid te bereiken dan met lithiumionbatterijen
mogelijk is.
44 Chemische Feitelijkheden april 2004 tekst_144/205

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 028
Bron 2 Batterijen
205–18 Batterijen
9. Literatuur en websites
- C. Jongeneel, Batterij is blok aan het been, Natuurwetenschap
& Techniek, 71e jaargang, 2003, nr. 11, 88-89.
- B. Scholtens, Mobieltje kán soms ontploffen, Volkskrant,
15-10-2003, 17.
- R. Knoppers, Gasvorming in batterij GSM, NRC Handelsblad,
14-10-2003, 12.
- F.A. Brockhaus, Zo werkt dat!; de techniek van vandaag,
Uitgeverij Het Spectrum, Utrecht, 2003, ISBN 90 274 7907 0.
- B. van Oosterhout, De onstilbare honger naar slimmere batterijen,
Intermediair, 24-1-2002.
- M. Dees, Techniek in woord en beeld; een volledig overzicht
van wat ons aan techniek omringt, Uitgeverij Het Spectrum,
Utrecht, tweede druk 1994, ISBN 90 274 3068 3.
- G.C.J. Rouweler, Batterijen, Chemische Feitelijkheid 92,
november 1992.
Internet
- Stichting Batterij: http://www.stibat.nl
- Europese en Nederlandse wetgeving:
http://www.eu-milieubeleid.nl/ch05s11.html
- Milieueffectrapport landelijk afvalbeheersplan, achtergronddocument
over batterijen:
http://www.aoo.nl/images1/aoo_nl/bestanden/A05_batterijen.pdf
- General information: http://home.howstuffworks.com/battery.htm
en http://auto.howstuffworks.com/hybrid-car.htm
44 Chemische Feitelijkheden april 2004

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 029
Bron 2 Batterijen
205–10 Batterijen
Nikkelcadmiumbatterijen kunnen hoge stroomsterktes leveren en dat
maakt ze geschikt voor gebruik in zware apparaten zoals boormachines.
Ze zijn ook relatief goedkoop. Nadeel is dat ze het milieuonvriendelijke
cadmium bevatten, een metaal dat zich bij mensen kan ophopen
in de nieren en daar blijvende schade kan aanrichten. Daarnaast
heeft dit type batterij een relatief lage energiedichtheid.
Types met gesinterd nikkel, waarbij het nikkel een sponsachtig oppervlak
heeft, hebben bovendien last van het geheugeneffect. Hierdoor
kan een batterij die regelmatig opnieuw opgeladen wordt voordat hij
echt leeg is, op een gegeven moment niet meer helemaal ontladen
worden. Een deel van de cadmiumelektrode wordt dan namelijk inactief
doordat de porositeit afneemt (door het ontstaan van grotere cadmiumdeeltjes).
4.3 Nikkelmetaalhydride
De nikkelmetaalhydridebatterij is de milieuvriendelijkere opvolger
van de nikkelcadmiumbatterij en is een keer of duizend op te laden
zonder dat hij last heeft van het geheugeneffect. In de nikkelmetaalhydride
batterij vinden de volgende reacties plaats:
(waarbij ontladen)
Kathode (+ pool): NiO(OH) + H 2 O + e - Ni(OH) 2 + OH -
Anode (- pool): MH + OH - M + H 2 O + e -
Overall reactie: NiO(OH) + MH Ni(OH) 2 + M
Nikkel is de positieve elektrode en als negatieve elektrode is cadmium
vervangen door een metaallegering die waterstof loslaat of absorbeert.
De legering kan bijvoorbeeld bestaan uit een mengsel van nikkel
en magnesium of nikkel en een lanthanide. Als elektrolyt wordt
gekozen voor een geconcentreerde kaliumhydroxideoplossing. Er
vindt nog altijd onderzoek plaats naar het metaalmengsel dat het
meeste waterstof kan absorberen. Meer waterstof betekent immers
dat de batterij per laadcyclus meer energie kan opslaan.
44 Chemische Feitelijkheden april 2004

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 030
Bron 3 Batterijen
Inhoud
Startpagina
Batterijen
door dr. G. C. J. Rouweler
Philips Lighting BV
Eindhoven
Batterijen
1. Inleiding 092– 3
2. Soorten batterijen 092– 3
3. Werking 092– 4
4. Samenstelling 092– 5
5. Toepassingen 092– 7
6. Milieuproblemen 092– 8
6.1. Kwik 092– 8
6.2. Cadmium 092– 8
6.3. Lood 092– 9
6.4. Zink en mangaan 092– 9
7. Regelingen 092– 9
7.1. Gedragscodes 092– 9
7.2. De EG Batterijen Richtlijn 092–10
8. Recycling 092–11
9. Ontwikkelingen 092–12
10. Literatuur 092–12
092–1
4 Chemische feitelijkheden november 1992 tekst/092

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 031
Bron 3 Batterijen
Inhoud
Startpagina
1. Inleiding
Batterijen zijn verplaatsbare bronnen van elektriciteit, die toegepast
worden waar geen toegang tot het elektrische net aanwezig is of
waar onderbrekingen in de netstroom overbrugd moeten worden.
De elektrische energie wordt vrijgemaakt door een elektro-chemische
reactie. Hiervoor komen talloze combinaties van chemicaliën
in aanmerking. De verschillende gebruikersspecificaties zoals energiedichtheid,
stroomdichtheid, zelfontlading, herlaadbaarheid en
lekvrijheid bepalen, afhankelijk van de toepassing, de keuze.
In de praktijk betekent dit dat stoffen als zink, bruinsteen, lood,
cadmium, nikkel, kwik, maar ook lithium en zilver worden gebruikt.
Bij het ongecontroleerd afdanken van batterijen komen deze stoffen
tussen het andere afval, hetgeen tot ongewenste verspreiding van
ecotoxische zware metalen in het milieu kan leiden.
Een in 1991 aangenomen Richtlijn van de EG verplicht de lidstaten
maatregelen ten aanzien van kwik-, cadmium- en loodhoudende
batterijen te nemen. Batterijfabrikanten hebben door ontwerpaanpassingen
of de introductie van nieuwe types inmiddels de toepassingen
van kwik drastisch beperkt.
De recente politiek om de afvalstroom beheersbaar te maken leidt tot
het gescheiden inzamelen van afgedankte produkten. Door een wetsbesluit
vallen de bedrijfsmatig afgedankte batterijen onder de Wet op
het chemisch afval. Consumentenbatterijen vallen onder de Regeling
klein chemisch afval (KCA). In Nederland wordt momenteel circa 55 %
van de circa 110 miljoen jaarlijks verkochte batterijen ingezameld.
2. Soorten batterijen
Batterijen
092–3
De meeste batterijen voor consumententoepassingen vallen onder
de categorie primaire batterijen. De bekendste zijn de zink-bruinsteenbatterijen,
of Leclanchés, en de alkaline batterijen. Verder zijn
er onder meer kwikoxide-, zink-lucht- en zilveroxide-batterijen, die
vooral in knoopcellen worden toegepast. Lithium-systemen vindt
men vooral in knoop- en staafvorm. Primaire batterijen kunnen hun
chemische energie slechts éénmaal in elektriciteit omzetten en worden
zodra ze „leeg” zijn afgedankt.
4 Chemische feitelijkheden november 1992 tekst/092

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 032
Bron 3 Batterijen
Inhoud
Startpagina
092–4 Batterijen
Secundaire batterijen kunnen met een oplaadapparaat talloze malen
worden herladen. De elektrochemische reactie is bij deze batterijen
namelijk omkeerbaar. Wanneer een elektrische stroom in omgekeerde
richting aan de batterij wordt toegevoerd, wordt elektrische
energie in chemische energie omgezet waarbij de oorspronkelijke
stoffen weer teruggevormd worden. Hiervoor wordt een oplaadapparaat
gebruikt. De batterij is daarna gereed voor een volgende ontlaadcyclus.
Secundaire batterijen worden ook wel accumulatoren of
kortweg accu’s genoemd. De bekendste secundaire systemen zijn
loodaccu’s en nikkelcadmium-cellen. Deze laatste zijn sterk in opkomst.
3. Werking
zink koper batterijdeksel
separator
batterijhouder
zwavelzuur
Figuur 1. Principe van batterijwerking in het Zn/Cu/H 2SO 4-systeem.
0886-036
De werking van een batterij kan worden uitgelegd aan het voorbeeld
van het koper-zink-(verdund)zwavelzuur-systeem. Koper- en zinkstaven,
de elektrodes, zijn gedompeld in het elektroliet (zwavelzuur).
Zolang de elektroden niet via een externe geleider zijn verbonden,
gebeurt er niet veel. Wordt deze verbinding gemaakt, dan begint
zink op te lossen waarbij zink-ionen in oplossing gaan en elektronen
via de geleider naar de koperstaaf stromen. Bij de koperstaaf combineren
deze elektronen met waterstof-ionen tot waterstofgas. Het
netto effect van de elektriciteitsproduktie is de oxidatie van zink tot
4 Chemische feitelijkheden november 1992 tekst/092

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 033
Bron 3 Batterijen
Inhoud
Startpagina
Batterijen
092–5
zinksulfaat en de reductie van waterstofionen tot waterstof. Dit laatste
maakt overigens dit systeem zeer ongeschikt voor de praktijk (zie
hierna). Batterijen zijn in principe alle opgebouwd uit een oxidator
en een reductor, gescheiden door een elektroliet. Zowel in Leclanchés
als in alkalines is zink de reductor en bruinsteen (mangaandioxide)
de oxidator. Het verschil is dat de alkalines zink in poedervorm
bevatten en kaliloog als elektroliet, terwijl bij de Leclanchés
dit respectievelijk een zinkbeker is en een ammonium- chloride- of
zinkchloride-oplossing. Het grote specifieke zinkoppervlak van de
alkaline batterij laat een flinke stroomproduktie toe, hetgeen deze
batterij vooral geschikt maakt voor het aandrijven van motoren.
Beide systemen moeten echter beschermd worden tegen de sluipende
omzetting van zink en water in zinkoxide en waterstof. Dit gas veroorzaakt
een drukopbouw binnen de hermetisch gesloten batterij,
waardoor lekkage van het agressieve elektroliet kan ontstaan. Kwik
amalgameert met zink en „veredelt” het zodanig dat dit ongewenste
proces wordt onderdrukt. Dit verklaart waarom alkalines ooit circa
1 % en Leclanchés circa 0,01 % kwik als stabilisator hebben bevat.
Inmiddels heeft men hiervoor andere oplossingen gevonden.
Veel andere batterijtypen hebben evenals de alkaline batterij een
anode bestaande uit zinkpoeder (zie tabel). Dit materiaal wordt bij
stroomafgifte omgezet in zinkoxide. Echter de kathode is verschillend
en kan bijvoorbeeld uit kwikoxide of zilveroxide bestaan. Tijdens
stroomdoorgang ontstaan hieruit de respectievelijke metalen.
Bij de zink-lucht-cel is lucht-zuurstof de oxidator. Dit betekent dat
vrijwel de hele batterijruimte voor het zinkpoeder beschikbaar is.
Een nadeel van dit type batterij is, dat zodra deze geactiveerd is
door de toegang tot de lucht te openen, een proces van zelfontlading
begint waarbij de batterij in enkele maanden leegloopt. Deze batterij
is daardoor alleen geschikt voor continu-bedrijf, bijvoorbeeld in
hoortoestellen.
4 Chemische feitelijkheden november 1992 tekst/092

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 034
Bron 3 Batterijen
Inhoud
Startpagina
092–6 Batterijen
+
Figuur 2. Opbouw van een alkaline batterij.
4. Samenstelling
positief contact
buitenmantel
isolatiehuls
positieve elektrode
(bruinsteenpoeder)
negatieve elektrode
(zinkpoeder)
stroomgeleider
separator +
elektroliet
batterijbus
pakkingring
bodemplaat,
negatief contact
0886-038
Vanuit een milieustandpunt is het zinvol om een indeling te maken
naar het voorkomen van ecotoxische stoffen in de batterijen. Batterijen
die deze stoffen in significante hoeveelheid bevatten, vallen
onder de EG-Richtlijn, dit zijn: kwikoxide-batterijen, nikkelcadmium-cellen
en loodaccu’s. In deze typen zijn kwik, cadmium en
lood in hoeveelheden van tientallen procenten aanwezig, omdat ze
de elektro-chemisch actieve stof vormen. De overige batterijen bevatten
deze stoffen niet of in geringe hoeveelheden. Een overzicht
4 Chemische feitelijkheden november 1992 tekst/092

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 035
Bron 3 Batterijen
Inhoud
Startpagina
van het metaalgehalte van consumentenbatterijen is vermeld in de
tabel. De individuele samenstelling kan, afhankelijk van het formaat
en het merk, enigszins van de tabelwaarde afwijken.
Tabel. Metaalgehalte van batterijen in procenten.
zink mangaan
ijzer 1
kwik cadmium lood nikkel zilver
zink-bruinsteen 20 15 15-20 0-0,01 0-0,02 0,05
alkaline 16 23 20-30 0-0,025 0,01 0,5
kwikoxide 2
13 3 20-35 30-40 0,01 2
alkaline 2
10 20 30-40 0,5 0,01 3
zilveroxide 2
10 3 35-45 0,5 3 30
zink-lucht 2
30 0,1 40-60 0,5 2
nikkel-cadmium 20-30 15-20 25
lood 60-80
1 In omhulling.
2 Knoopcellen.
Andere materialen die in batterijen voorkomen zijn: koolstof, teer,
plastic, koper, water, kaliloog, chloride en polymeren.
Lithium-batterijen bevatten circa 1-5 % lithium.
5. Toepassingen
Batterijen
092–7
Consumentenbatterijen, zowel primaire als secundaire, worden in
een beperkt aantal uitvoeringen in de vorm van cilinders, knoopjes
en blokken geleverd, omdat de meeste onderling uitwisselbaar zijn
op grond van hun gebruiksspanning (ca. 1,2 volt). Ondanks deze
uiterlijke gelijkenis hebben de diverse typen verschillende eigenschappen
qua capaciteit, stroomafgifte, duurzaamheid tijdens opslag
of rustperiodes, omgevingsgevoeligheid, etcetera. De gebruiker
bepaalt zijn keuze op grond van deze eigenschappen en vanwege de
prijs. De zink-bruinsteen-batterijen en alkaline batterijen gebruikt
men onder andere in draagbare audio-apparatuur, speelgoed en
zaklantaarns. In dit marktsegment worden de herlaadbare nikkelcadmium-batterijen
uit economische overwegingen vooral toegepast
bij een hoge gebruiksintensiteit.
4 Chemische feitelijkheden november 1992 tekst/092

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 036
Bron 3 Batterijen
Inhoud
Startpagina
092–8 Batterijen
Knoopcellen zijn er voor horloges, fototoestellen, rekenmachientjes,
spelletjes en PC’s, waarbij zink-lucht-cellen specifiek gebruikt worden
voor hoorapparaten evenals kwikoxidecellen, die daarnaast ook
toepassing vinden in meetapparatuur.
Een derde belangrijk toepassingsgebied vormen de in apparaten ingebouwde
secundaire batterijen voor hobby- en doe-het-zelf-apparaten,
keukentoestellen, scheerapparaten, laptops en dergelijke. De
batterijen zijn vaak onderling verbonden in groepen, zogenaamde
packs, waarvan de constructie specifiek is voor het apparaat in
kwestie. Problemen hierbij zijn dat de gebruiker niet weet dat in de
apparatuur accu’s aanwezig zijn en dat het apparaat veelal gedemonteerd
moet worden om de batterijen eruit te nemen.
6. Milieuproblemen
6.1. Kwik
In de jaren tachtig werden de milieuproblemen rond batterijen
vooral geassocieerd met hun inhoud aan ecotoxische stoffen, met
name kwik (zie Chemische feitelijkheden 008). De vrees was dat dit
element via het afval in het oppervlaktewater terecht zou komen,
vervolgens in de voedselketen zou belanden en aldus bij visconsumenten
de beruchte Minamata-verschijnselen zou veroorzaken. Minamata
is de naam van een Japanse baai waar vis gevangen werd
met een hoog kwikgehalte. De plaatselijke bevolking kreeg allerlei
vergiftigingsverschijnselen.
De batterij-industrie zette een groot onderzoekprogramma op om
kwik als stabilisator te elimineren en vervangende produkten voor
kwikoxide-batterijen te leveren. Dit had tot gevolg dat de verspreiding
van kwik via batterijen in Europa drastisch afnam van circa 270
ton (alkalines: 200 t) in 1985 tot circa 80 ton (alkalines 15 t) in 1991.
6.2. Cadmium
Bij cadmiumopname kan accumulatie in de nieren optreden waarbij
deze blijvend worden beschadigd (zie Chemische feitelijkheden
007). Inmiddels is vanaf circa 1985 de verkoop van gesloten
4 Chemische feitelijkheden november 1992 tekst/092

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 037
Bron 3 Batterijen
Inhoud
Startpagina
nikkel-cadmium-batterijen sterk toegenomen. De totale omzet kan
door de veelheid van leveranciers moeilijk geschat worden, maar
wordt voor Europa begroot op 2500 ton cadmium voor apparaatgebonden
batterijen en circa 750 ton cadmium in losse consumentenbatterijen.
Omdat de meeste in de loop der jaren verkochte batterijen
door hun lange gebruiksduur nog steeds niet afgedankt zijn,
is het zaak spoedig een effectieve inzameling en verwerking van deze
batterijen te organiseren.
6.3. Lood
Gesloten loodaccu’s worden op bescheiden schaal ingebouwd in apparaten.
Hierbij doet zich dezelfde inzamelingsproblematiek voor
als bij de nikkel-cadmium-batterijen. De verspreiding van lood langs
deze weg heeft echter weinig betekenis in vergelijking met andere
loodbronnen (open accu’s, glas, munitie, benzine).
Voor de gevaren van lood voor mens en milieu: zie Chemische feitelijkheden
004.
6.4. Zink en mangaan
Zink en mangaan zijn hoofdbestanddelen van batterijen maar vormen
zowel door hun hoeveelheid als door hun geringe ecotoxiciteit
geen bedreiging voor het milieu. Dit is onder meer aangetoond in
studies waarin de verspreidingswegen van deze elementen, wanneer
ze tussen het huisvuil geraken, zijn geanalyseerd.
7. Regelingen
7.1. Gedragscodes
Batterijen
092–9
In Nederland zijn in de loop der jaren drie gedragscodes afgesloten
tussen de overheid en de batterijleveranciers, waarvan de eerste twee
inmiddels bevredigend zijn beëindigd. De kwikoxide-gedragscode
van 1 november 1985 beoogde een conversie naar zink-lucht-cellen
te bewerkstelligen voor hoortoestellen die zich daar toe lenen en de
levering voor andere toepassingen tegen te gaan. Dit heeft sedert
4 Chemische feitelijkheden november 1992 tekst/092

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 038
Bron 3 Batterijen
Inhoud
Startpagina
092–10 Batterijen
1985 de omzet van kwik voor kwikoxide-batterijen met circa 70 %
doen afnemen.
In de alkaline-gedragscode werd overeengekomen om in de jaren
1986 tot 1990 het kwikgehalte terug te brengen van 1 % tot 0,15 %.
Inmiddels zijn reeds kwik-vrije alkalines op de markt. Per 1993 zullen
alle types kwik-vrij zijn, met uitzondering van de knoopcellen.
De nikkel-cadmium-gedragscode werd afgesloten op 30 mei 1989.
Deze overeenkomst past binnen het Cadmiumbesluit van 12 oktober
1990 (Staatsblad 1990, 538). Per eind 1991 moest een 80 %-inzamelingspercentage
voor de afgedankte kleine gesloten types zijn
bereikt. Een evaluatie van die doelstelling heeft nog niet plaatsgevonden.
7.2. De EG Batterijen Richtlijn
De op 18 maart 1991 aangenomen EG Batterijen Richtlijn (91/157/
EEG) schrijft voor dat de lidstaten de inzameling en herverwerking
van kwik-, cadmium- en lood-houdende batterijen (vanaf een zekere
grenswaarde) in hun wetgeving moeten opnemen. De fabrikanten
moeten deze batterijen en de apparaten waarin ze ingebouwd zijn,
van een merkteken voorzien. Zonodig kan een toeslag op de prijs
worden gelegd om de inzamel- en verwerkingskosten te dekken of
een statiegeld worden geheven om inzameling te bevorderen. In Nederland
is een wetgeving van kracht – het Besluit aanwijzing chemische
afvalstoffen van 21 mei 1991 – waarmee alle bedrijfsmatig
afgedankte batterijen ongeacht hun samenstelling als chemisch afval
worden aangemerkt. Alle soorten consumentenbatterijen worden
via gemeentelijke Klein Chemisch Afval (KCA)-systemen ingezameld
en tijdelijk bij de Afvalverwerking Rijnmond (AVR) in een
C2-deponie opgeslagen in afwachting van een geschikte verwerkingsmogelijkheid.
Om uitvoering te geven aan de ministeriële notitie
inzake preventie en hergebruik van afvalstoffen van oktober
1988 is inmiddels, na uitvoerig overleg tussen overheid en het betrokken
bedrijfsleven, een implementatieplan opgesteld om in het
jaar 2000 over een volledige inzameling en verwerking van alle types
batterijen te beschikken. Een nadere detaillering van de diverse acties
naar de partijen moet nog worden uitgewerkt.
4 Chemische feitelijkheden november 1992 tekst/092

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 039
Bron 3 Batterijen
Inhoud
Startpagina
8. Recycling
Batterijen
092–11
Recycling wordt toegepast ter vermindering van de afvalhoeveelheid,
om het milieu tegen ecotoxische stoffen te beschermen of te
besparen op eindige grondstoffenvoorraden. Verder gelden er overwegingen
van technische en economische aard. Voor de batterijen
die onder de EG-Richtlijn vallen, kwikoxide-batterijen, nikkel-cadmium-batterijen
en loodaccu’s, zijn in Europa faciliteiten operationeel,
evenals voor zilveroxide-cellen. Voor de qua volume verreweg
grootste groep, de zink-bruinsteen-batterijen en alkaline batterijen,
bestaan die nog niet. Wel zijn er bedrijven waar kleinschalige herverwerking
in opbouw is. De Zwitserse firma Batrec begint met een
sorteerstap voor niet-zink-batterijen. Dan volgt het Sumitomoproces
waarbij in de eerste stap zink door destillatie wordt afgescheiden
en vervolgens door reductie met koolstof bij hoge temperatuur
een mangaan-ijzer-fractie wordt verkregen. Bij het eveneens
Zwitserse Recytec worden ongesorteerde batterijen eerst gepyrolyseerd
om kwik en organisch materiaal te verwijderen, vervolgens
wordt ijzer magnetisch afgescheiden en wordt bruinsteen uitgewassen.
De aldus verkregen metaalfractie wordt in Duitsland verder
verwerkt. Behalve voor zilveroxide-cellen is geen van de overige verwerkingsprocessen
kostendekkend. Vooral bij de Sumitomo- en de
Recytec-techniek, waar de huidige verwerkingskosten op circa
, 5,— per kg liggen, is dit een belangrijk obstakel voor toepassing
elders. Dit is dan ook een belangrijke reden dat in Nederland nog
geen beslissing op dit punt genomen is. Wel is in 1990 bij TNO met
succes een pilotproef uitgevoerd naar de hydrometallurgische terugwinning
van cadmium en nikkel uit nikkel-cadmium-batterijen.
Voordat een beslissing tot een commerciële operatie wordt genomen,
moet eerst nog een aantal procesverbeteringen worden beproefd.
Dat het tijdelijk opslaan van grote hoeveelheden afvalbatterijen
een onverwacht risico biedt, bleek toen op 17 april 1992
brand uitbrak in de C2-deponie van de AVR. Een verschijnsel dat
mogelijk met waterstofontwikkeling en onderlinge kortsluiting in
verband moet worden gebracht. In Zwitserland deed zich in 1992
een vergelijkbaar geval voor.
4 Chemische feitelijkheden november 1992 tekst/092

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 040
Bron 3 Batterijen
Inhoud
Startpagina
092–12 Batterijen
9. Ontwikkelingen
Binnen enkele jaren zullen batterijproducenten de gangbare zinkbruinsteen-batterijen
en alkaline batterijen zonder kwik en cadmium
leveren. Het valt verder te voorzien dat kwikoxide-batterijen meer
en meer het veld gaan ruimen ten bate van alkaline batterijen, zinklucht-
of lithium-batterijen. De belangrijkste ontwikkeling bij secundaire
batterijen is de introductie van de nikkelhydride-batterij ter
aanvulling of vervanging van het nikkel-cadmium-systeem. Een volledige
vervanging is, als dat al mogelijk zou zijn, voor het jaar 2000
onwaarschijnlijk. Op termijn zal ook de herlaadbare lithium-batterij
zijn opwachting maken. Al deze vernieuwingen te samen hebben tot
gevolg dat de milieu-bedreiging vanwege ecotoxische batterijstoffen
vrijwel opgeheven is. Naar verwachting zullen ook voor het jaar
2000 technisch en economisch aanvaardbare recyclingsystemen voor
alle soorten batterijen in werking zijn. Batterijfabrikanten hebben
namelijk bekend gemaakt dat zij goede mogelijkheden zien om Leclanchés
en alkaline batterijen te verwerken. Hiernaar wordt onderzoek
verricht in samenwerking met de basismetaalindustrie.
10. Literatuur
– D. Linden, Handbook of batteries and fuel cells. McGraw-Hill
Book Company, 1984.
– Institute For Risk Research, Report: Assessing the environmental
effects of disposal alternatives for household batteries.
Waterloo Canada, February 1992.
– Richtlijn van de Raad inzake batterijen en accu’s die gevaarlijke
stoffen bevatten. 91/157/EEG, 18 maart 1991.
– P. J. Meijer en Z. I. van Lohuizen, Informatiedocumenten afvalstoffen:
Batterijen. RIVM-rapport 738902014, Bilthoven
1991.
– Eurobat/Europile, Realized and projected recycling processes
for used batteries. Juni 1991, ATAG Bern, P.O. 2613.
– Chemische feitelijkheden: 1-80: 007 Cadmium, 008 Kwik, 004
Lood, 061 Zink, KNCV.
4 Chemische feitelijkheden november 1992 tekst/092

module 02 leerlingentekst energie om mee te nemen 041
notities