Das erste praktische Design einer Blei-Säure-Batterie wurde 1860 von Gaston Planté entwickelt, und die Produktion ist seitdem stetig gewachsen. Autobatterien stellen den Haupteinsatzbereich der Blei-Säure-Technologie dar, gefolgt von Industriebatterien (Stand-by-Strom und Traktion). Mehr als die Hälfte der weltweiten Bleiproduktion fließt in Batterien.

Die niedrigen Kosten und die einfache Herstellung von Blei-Säure-Batterien im Vergleich zu anderen elektrochemischen Paaren sollten eine anhaltende Nachfrage nach diesem System in der Zukunft sicherstellen.

Die Blei-Säure-Batterie hat eine positive Elektrode aus Bleiperoxid (PbO₂) und eine negative Elektrode aus schwammigem Blei (Pb) mit großer Oberfläche. Der Elektrolyt ist eine Schwefelsäurelösung mit einem spezifischen Gewicht im Bereich von 1.21 bis 1.30 (28 bis 39 Gew.-%). Bei der Entladung wandeln sich beide Elektroden wie unten gezeigt in Bleisulfat um:

Herstellungsprozess

Der Herstellungsprozess, der im Prozessflussdiagramm (Abbildung 1) dargestellt ist, wird im Folgenden beschrieben:

Abbildung 1. Herstellungsprozess von Blei-Säure-Batterien

Oxidherstellung: Bleioxid wird aus Bleischweinen (Bleimassen aus Schmelzöfen) nach einer von zwei Methoden hergestellt – einem Barton-Pot- oder einem Mahlprozess. Beim Barton-Pot-Verfahren wird Luft über geschmolzenes Blei geblasen, um einen feinen Strom von Bleitröpfchen zu erzeugen. Die Tröpfchen reagieren mit Luftsauerstoff und bilden das Oxid, das aus einem Bleikern mit einer Bleioxid (PbO)-Beschichtung besteht.

Beim Mahlprozess wird festes Blei (das in der Größe von kleinen Kugeln bis zu ganzen Schweinen reichen kann) in eine rotierende Mühle eingeführt. Die Taumelbewegung des Bleis erzeugt Wärme und die Oberfläche des Bleis oxidiert. Während die Partikel in der Trommel herumrollen, werden die Oberflächenschichten des Oxids entfernt, um mehr sauberes Blei für die Oxidation freizulegen. Der Luftstrom trägt das Pulver zu einem Beutelfilter, wo es gesammelt wird.

Netzproduktion: Gitter werden hauptsächlich durch Gießen (sowohl automatisch als auch manuell) oder, insbesondere für Autobatterien, durch Expansion aus geschmiedeter oder gegossener Bleilegierung hergestellt.

Einfügen: Batteriepaste wird durch Mischen des Oxids mit Wasser, Schwefelsäure und einer Reihe von proprietären Additiven hergestellt. Die Paste wird maschinell oder von Hand in das Gittergitter gepresst und die Platten werden meist in einem Hochtemperaturofen blitzgetrocknet.

Beklebte Platten werden gehärtet, indem sie in Öfen unter sorgfältig kontrollierten Temperatur-, Feuchtigkeits- und Zeitbedingungen gelagert werden. Freies Blei in der Paste wandelt sich in Bleioxid um.

Formung, Plattenzuschnitt und Montage: Batterieplatten werden einem elektrischen Bildungsprozess auf eine von zwei Arten unterzogen. Bei der Tankbildung werden Platten in große Bäder mit verdünnter Schwefelsäure geladen und ein Gleichstrom wird geleitet, um die positiven und negativen Platten zu bilden. Nach dem Trocknen werden die Platten geschnitten und mit Separatoren dazwischen zu Batteriekästen zusammengesetzt. Platten gleicher Polarität werden durch Verschweißen der Plattenfahnen verbunden.

Bei der Glasformung werden die Platten elektrisch geformt, nachdem sie zu Batteriekästen zusammengebaut wurden.

Gefahren und Kontrollen für die Gesundheit am Arbeitsplatz

Führen (Lead)

Blei ist das größte Gesundheitsrisiko im Zusammenhang mit der Batterieherstellung. Der Hauptexpositionsweg ist die Inhalation, aber auch die Einnahme kann ein Problem darstellen, wenn der persönlichen Hygiene nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt wird. Eine Exposition kann in allen Phasen der Produktion auftreten.

Die Herstellung von Bleioxid ist potentiell sehr gefährlich. Expositionen werden durch die Automatisierung des Prozesses kontrolliert, wodurch die Arbeiter von der Gefahr befreit werden. In vielen Fabriken wird der Prozess von einer Person bedient.

Beim Gitterguss wird die Exposition gegenüber Bleidämpfen durch die Verwendung einer lokalen Absaugung (LEV) zusammen mit einer thermostatischen Steuerung der Bleitöpfe minimiert (die Bleidämpfe steigen deutlich über 500 C). Bleihaltige Schlacke, die sich oben auf dem geschmolzenen Blei bildet, kann ebenfalls Probleme verursachen. Die Krätze enthält eine große Menge an sehr feinem Staub, und es muss große Sorgfalt walten, wenn sie entsorgt wird.

Klebebereiche haben traditionell zu hohen Bleibelastungen geführt. Aufgrund des Herstellungsverfahrens gelangen häufig Spritzer von Bleischlamm auf Maschinen, Böden, Schürzen und Stiefel. Diese Spritzer trocknen aus und erzeugen Bleistaub in der Luft. Die Kontrolle wird erreicht, indem der Boden ständig nass gehalten und die Schürzen häufig mit einem Schwamm abgewischt werden.

Bleifreisetzungen in anderen Abteilungen (Umformung, Plattenzuschnitt und Montage) entstehen durch den Umgang mit trockenen, staubigen Platten. Expositionen werden durch LEV zusammen mit der angemessenen Verwendung von persönlicher Schutzausrüstung minimiert.

Viele Länder haben Gesetze erlassen, um das Ausmaß der beruflichen Exposition zu begrenzen, und es gibt numerische Standards für Bleigehalte in der Luft und im Blut.

Normalerweise wird ein Arbeitsmediziner angestellt, um Blutproben von exponierten Arbeitern zu entnehmen. Die Häufigkeit der Blutuntersuchungen kann von jährlich für Mitarbeiter mit geringem Risiko bis zu vierteljährlich für Mitarbeiter in Hochrisikoabteilungen (z. B. Kleben) reichen. Wenn der Blutbleispiegel eines Arbeiters den gesetzlichen Grenzwert überschreitet, sollte der Arbeiter von jeglicher Bleiexposition am Arbeitsplatz ausgeschlossen werden, bis der Blutbleispiegel auf einen vom medizinischen Berater als akzeptabel erachteten Wert fällt.

Die Luftprobenahme auf Blei ist eine Ergänzung zum Blutbleitest. Die bevorzugte Methode ist die persönliche statt der statischen Probenahme. Aufgrund der inhärenten Variabilität der Ergebnisse ist normalerweise eine große Anzahl von Blei-in-Luft-Proben erforderlich. Die Verwendung der richtigen statistischen Verfahren bei der Analyse der Daten kann Informationen über Bleiquellen liefern und eine Grundlage für die Verbesserung der technischen Konstruktion bieten. Regelmäßige Luftproben können verwendet werden, um die anhaltende Wirksamkeit von Kontrollsystemen zu beurteilen.

Die zulässigen Bleikonzentrationen in der Luft und im Blut variieren von Land zu Land und liegen derzeit zwischen 0.05 und 0.20 mg/m³ bzw. 50 bis 80 mg/dl. Bei diesen Limits gibt es einen anhaltenden Abwärtstrend.

Zusätzlich zu den normalen technischen Kontrollen sind weitere Maßnahmen erforderlich, um die Bleiexposition zu minimieren. In allen Produktionsbereichen darf nicht gegessen, geraucht, getrunken oder Kaugummi gekaut werden.

Es sollten geeignete Wasch- und Umkleidemöglichkeiten vorhanden sein, damit Arbeitskleidung in einem von persönlicher Kleidung und Schuhen getrennten Bereich aufbewahrt werden kann. Wasch-/Duschgelegenheiten sollten sich zwischen den sauberen und schmutzigen Bereichen befinden.

Schwefelsäure

Während des Bildungsprozesses wird das aktive Material auf den Platten in PbO umgewandelt₂ an der positiven und Pb an der negativen Elektrode. Wenn die Platten vollständig aufgeladen sind, beginnt der Formationsstrom, das Wasser im Elektrolyten in Wasserstoff und Sauerstoff zu dissoziieren:

Positiv:        

Negativ:      

Beim Begasen entsteht Schwefelsäurenebel. Zahnerosion war einst ein weit verbreitetes Merkmal bei Arbeitern in Ausbildungsgebieten. Batterieunternehmen haben traditionell die Dienste eines Zahnarztes in Anspruch genommen, und viele tun dies auch weiterhin.

Neuere Studien (IARC 1992) haben einen möglichen Zusammenhang zwischen der Exposition gegenüber Nebeln anorganischer Säuren (einschließlich Schwefelsäure) und Kehlkopfkrebs nahegelegt. Die Forschung in diesem Bereich wird fortgesetzt.

Der berufliche Expositionsstandard im Vereinigten Königreich für Schwefelsäurenebel beträgt 1 mg/m³. Die Expositionen können unter diesem Niveau gehalten werden, wenn LEV über den Formationskreisläufen vorhanden ist.

Ein Hautkontakt mit der ätzenden Schwefelsäureflüssigkeit ist ebenfalls besorgniserregend. Zu den Vorsichtsmaßnahmen gehören persönliche Schutzausrüstung, Augenduschen und Notduschen.

Talk

Talkum wird bei bestimmten Handgussvorgängen als Formtrennmittel verwendet. Langfristige Exposition gegenüber Talkstaub kann Pneumokoniose verursachen, und es ist wichtig, dass der Staub durch geeignete Belüftungs- und Prozesskontrollmaßnahmen kontrolliert wird.

Künstliche Mineralfasern (MMFs)

Separatoren werden in Blei-Säure-Batterien verwendet, um die positiven von den negativen Platten elektrisch zu isolieren. Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Materialtypen verwendet (z. B. Gummi, Zellulose, Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen), aber zunehmend werden Glasfaserseparatoren verwendet. Diese Separatoren werden aus MMFs hergestellt.

Ein erhöhtes Lungenkrebsrisiko bei Arbeitern wurde in den Anfängen der Mineralwollindustrie nachgewiesen (HSE 1990). Dies kann jedoch durch andere krebserregende Materialien verursacht worden sein, die zu dieser Zeit verwendet wurden. Es ist dennoch ratsam sicherzustellen, dass jegliche Exposition gegenüber MMFs entweder durch vollständige Einschließung oder durch LEV auf ein Minimum beschränkt wird.

Stibin und Arsenwasserstoff

Antimon und Arsen werden üblicherweise in Bleilegierungen verwendet, und Stibin (SbH₃) oder Arsin (AsH₃) können unter bestimmten Umständen hergestellt werden:

• wenn eine Zelle übermäßig überladen wird
• wenn Krätze einer Blei-Calcium-Legierung mit Krätze einer Blei-Antimon- oder Blei-Arsen-Legierung vermischt wird. Die beiden Krätzen können chemisch reagieren, um Calciumstibid oder Calciumarsenid zu bilden, die bei anschließender Benetzung SbH erzeugen können₃ oder AsH₃.

Stibin und Arsenwasserstoff sind beide hochgiftige Gase, die durch die Zerstörung roter Blutkörperchen wirken. Strenge Prozesskontrollen während der Batterieherstellung sollten jegliches Risiko einer Exposition gegenüber diesen Gasen verhindern.

Physikalische Gefahren

Bei der Batterieherstellung gibt es auch eine Vielzahl physikalischer Gefahren (z. B. Lärm, geschmolzenes Metall und Säurespritzer, elektrische Gefahren und manuelle Handhabung), aber die daraus resultierenden Risiken können durch geeignete technische und Prozesskontrollen reduziert werden.

Umweltprobleme

Die Wirkung von Blei auf die Gesundheit von Kindern wurde ausführlich untersucht. Es ist daher sehr wichtig, dass die Freisetzung von Blei in die Umwelt auf ein Minimum beschränkt wird. Für Batteriefabriken sollten die umweltschädlichsten Luftemissionen gefiltert werden. Alle Prozessabfälle (normalerweise eine saure bleihaltige Aufschlämmung) sollten in einer Abwasserbehandlungsanlage verarbeitet werden, um die Säure zu neutralisieren und das Blei aus der Suspension auszuscheiden.

Zukünftige Entwicklungen

Es ist wahrscheinlich, dass es in Zukunft zunehmende Beschränkungen für die Verwendung von Blei geben wird. Im beruflichen Sinne wird dies zu einer zunehmenden Automatisierung von Prozessen führen, so dass der Arbeiter aus der Gefahr entfernt wird.

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