Empa überprüft schädliche Inhaltsstoffe in Batterien

Aus unserem Leben sind Batterien als Energiespeicher nicht mehr wegzudenken. Sie sind praktisch allgegenwärtig und werden als Starterbatterien, in Industrieanlagen, aber auch in Alltagsgegenständen wie Spielzeug, Uhren, Radios, Laptops, Handys, Taschenlampen, Hörgeräten usw. verwendet. 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. Daher wird intensiv daran geforscht, knappe oder sogar rare Materialien durch häufiger vorkommende zu ersetzen.

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 Li-Ionen-Akkus – ohne Schwermetalle erhältlich sind, gibt es immer noch alte Batterietypen mit Schwermetallen. In der Schweiz 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. Sowohl in der Schweiz wie auch in der EU sind Handel und Verkauf von Batterien, die Quecksilber (chemisch: Hg) oder Cadmium (Cd) enthalten, stark eingeschränkt. Es gilt ein Grenzwert für Quecksilber in Batterien von 5 Milligramm pro Kilo und ein solcher von 20 Milligramm pro Kilo für Cadmium. Für Blei gilt eine Deklarationspflicht auf der Batterie respektive auf der Verpackung ab einem Massenanteil von über 40 Milligramm pro Kilo.

Überprüfen der Einhaltung gestaltet sich schwierig 

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

Die Bestandteile einer AA-Batterie: Metallbecher, Mangandioxid, Ableitnagel, Separator und Zinkpulver-Gel (v.l., Source: 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 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.

Dieser Gefahr durfte sich Claudia Schreiner im Empa-Labor nicht aussetzen. Sie wandte sich daher an einen Empa-Kollegen, einen Spezialisten auf dem Gebiet der Batterien und deren Gefahren. Marcel Held von der Abteilung Transport at Nanoscale Interfaces riet ihr vor allem, sämtliche zu untersuchende 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 potenziellen Gefahrenstoffe dort, wo man sie vermuten würde. Sie können sich durchaus auch in der harmlos scheinenden Ummantelung befinden.

Ein langer Weg zu einer innovativen Methode

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.

Batterien können unabhängig von ihrem Typ zu viele Schwermetalle enthalten. Mit der neuen Analysemethode der Empa lässt sich das selektiv analysieren. (Source: Empa)

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 Lauf des Jahres 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.

Dieser Beitrag erschien zuerst bei der Empa.

Apropos Batterien: Ein Konsortium unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) forscht an einer neuartigen Zink-Batterie. Erste Tests zeigen, dass die Batterie einen doppelten Wirkungsgrad besitzt und Wasserstoff produzieren kann. Mehr darüber lesen Sie hier.