Die austauschbare Akkus bezieht sich auf eine Sammlung von Personen Zellen, die durch chemische Reaktionen Strom erzeugen können. Zellen werden als beides kategorisiert primär or Sekundär-. In Primärzellen sind die chemischen Reaktionen, die den Elektronenfluss erzeugen, nicht umkehrbar, und daher können die Zellen nicht einfach wieder aufgeladen werden. Umgekehrt müssen Sekundärzellen vor ihrer Verwendung aufgeladen werden, was erreicht wird, indem ein elektrischer Strom durch die Zelle geleitet wird. Sekundärzellen haben den Vorteil, dass sie durch den Gebrauch oft immer wieder aufgeladen und entladen werden können.

Die klassische Primärbatterie im täglichen Gebrauch ist die Leclanché-Trockenzelle, so genannt, weil der Elektrolyt eine Paste und keine Flüssigkeit ist. Typisch für die Leclanché-Zelle sind zylindrische Batterien, die in Taschenlampen, tragbaren Radios, Taschenrechnern, elektrischen Spielzeugen und dergleichen verwendet werden. In den letzten Jahren sind Alkalibatterien, wie z. B. die Zink-Mangandioxid-Zelle, für diese Art der Verwendung immer häufiger geworden. Miniatur- oder „Knopf“-Batterien haben Verwendung in Hörgeräten, Computern, Uhren, Kameras und anderen elektronischen Geräten gefunden. Einige Beispiele sind die Silberoxid-Zink-Zelle, die Quecksilberzelle, die Zink-Luft-Zelle und die Lithium-Mangandioxid-Zelle. Siehe Abbildung 1 für eine Schnittansicht einer typischen Alkali-Miniaturbatterie.

Abbildung 1. Schnittansicht einer alkalischen Miniaturbatterie

Die klassische Sekundär- oder Speicherbatterie ist die Blei-Säure-Batterie, die in der Transportindustrie weit verbreitet ist. Sekundärbatterien werden auch in Kraftwerken und in der Industrie eingesetzt. Wiederaufladbare, batteriebetriebene Werkzeuge, Zahnbürsten, Taschenlampen und dergleichen sind ein neuer Markt für Sekundärzellen. Nickel-Cadmium-Sekundärzellen werden immer beliebter, insbesondere in Taschenzellen für Notbeleuchtung, Dieselstarter sowie stationäre und Traktionsanwendungen, bei denen die Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer, häufige Wiederaufladbarkeit und Leistung bei niedrigen Temperaturen ihre zusätzlichen Kosten aufwiegen.

Wiederaufladbare Batterien, die zur Verwendung in Elektrofahrzeugen entwickelt werden, verwenden Lithium-Eisen-Sulfid, Zink-Chlor und Natrium-Schwefel.

Tabelle 1 gibt die Zusammensetzung einiger gebräuchlicher Batterien an.

Tabelle 1. Zusammensetzung gängiger Batterien

Herstellungsprozess

Während es deutliche Unterschiede bei der Herstellung der verschiedenen Batterietypen gibt, gibt es mehrere gemeinsame Prozesse: Wiegen, Mahlen, Mischen, Komprimieren und Trocknen der Bestandteile. In modernen Batteriefabriken sind viele dieser Prozesse geschlossen und hochgradig automatisiert, wobei abgedichtete Anlagen verwendet werden. Daher kann es während des Wiegens und Beladens sowie während der Reinigung der Ausrüstung zu einer Exposition gegenüber den verschiedenen Inhaltsstoffen kommen.

In älteren Batterieanlagen werden viele der Mahl-, Misch- und anderen Vorgänge manuell durchgeführt, oder die Übertragung von Zutaten von einem Schritt des Prozesses zu einem anderen erfolgt manuell. In diesen Fällen besteht ein hohes Risiko des Einatmens von Stäuben oder des Hautkontakts mit ätzenden Stoffen. Zu den Vorsichtsmaßnahmen für stauberzeugende Vorgänge gehören die vollständige Einhausung und die mechanisierte Handhabung und das Wiegen von Pulvern, lokale Absaugung, tägliches Nasswischen und/oder Staubsaugen und das Tragen von Atemschutzgeräten und anderer persönlicher Schutzausrüstung während der Wartungsarbeiten.

Lärm ist auch eine Gefahr, da Kompressionsmaschinen und Verpackungsmaschinen laut sind. Maßnahmen zur Lärmkontrolle und Gehörschutzprogramme sind unerlässlich.

Die Elektrolyte in vielen Batterien enthalten ätzendes Kaliumhydroxid. Gehäuse sowie Haut- und Augenschutz sind angezeigte Vorsichtsmaßnahmen. Expositionen können auch gegenüber den Partikeln toxischer Metalle wie Cadmiumoxid, Quecksilber, Quecksilberoxid, Nickel und Nickelverbindungen sowie Lithium und Lithiumverbindungen auftreten, die als Anoden oder Kathoden in bestimmten Batterietypen verwendet werden. Der Blei-Säure-Akkumulator, manchmal auch als Akkumulator bezeichnet, kann erhebliche Bleiexpositionsgefahren beinhalten und wird separat im Artikel „Herstellung von Blei-Säure-Akkus“ behandelt.

Lithiummetall ist sehr reaktiv, daher müssen Lithiumbatterien in einer trockenen Atmosphäre zusammengebaut werden, um eine Reaktion des Lithiums mit Wasserdampf zu vermeiden. Schwefeldioxid und Thionylchlorid, die in einigen Lithiumbatterien verwendet werden, gefährden die Atemwege. Wasserstoffgas, das in Nickel-Wasserstoff-Batterien verwendet wird, ist brand- und explosionsgefährlich. Diese sowie Materialien in neu entwickelten Batterien erfordern besondere Vorsichtsmaßnahmen.

Leclanché-Zellen

Leclanché-Trockenzellenbatterien werden wie in Abbildung 2 gezeigt hergestellt. Die positive Elektroden- oder Kathodenmischung besteht zu 60 bis 70 % aus Mangandioxid, der Rest besteht aus Graphit, Acetylenruß, Ammoniumsalzen, Zinkchlorid und Wasser. Trockenes, fein gemahlenes Mangandioxid, Graphit und Acetylenruß werden abgewogen und einem Mühlenmischer zugeführt; Elektrolyt, der Wasser, Zinkchlorid und Ammoniumchlorid enthält, wird hinzugefügt, und die hergestellte Mischung wird auf einer handbeschickten Tablettier- oder Agglomerierpresse gepresst. In bestimmten Fällen wird die Mischung vor dem Tablettieren in einem Ofen getrocknet, gesiebt und erneut befeuchtet. Die Tabletten werden geprüft und nach einigen Tagen Aushärtung auf handbeschickten Maschinen verpackt. Die Agglomerate werden dann in Schalen platziert und mit Elektrolyt getränkt und sind nun bereit für den Zusammenbau.

Abbildung 2. Batterieproduktion mit Leclanché-Zellen

Die Anode ist das Zinkgehäuse, das aus Zinkrohlingen auf einer Heißpresse hergestellt wird (oder Zinkbleche werden gefaltet und mit dem Gehäuse verschweißt). In großen Bottichen wird ein organischer Gelatinebrei aus Mais- und Mehlstärken angerührt, der mit Elektrolyt getränkt ist. Die Zutaten werden in der Regel ohne Wiegen aus Säcken eingefüllt. Die Mischung wird dann mit Zinkspänen und Mangandioxid gereinigt. Quecksilberchlorid wird dem Elektrolyten zugesetzt, um mit dem Inneren des Zinkbehälters ein Amalgam zu bilden. Diese Paste bildet das leitende Medium oder den Elektrolyten.

Die Zellen werden durch automatisches Gießen der erforderlichen Menge an gelatineartiger Paste in die Zinkgehäuse zusammengebaut, um eine innere Hülsenauskleidung auf dem Zinkbehälter zu bilden. In einigen Fällen erhalten die Kisten eine Chromatierung durch Einfüllen und Entleeren einer Mischung aus Chrom- und Salzsäure, bevor die gallertartige Paste hinzugefügt wird. Das Kathodenagglomerat wird dann in der Mitte des Gehäuses positioniert. Ein Kohlenstoffstab wird zentral in der Kathode angeordnet, um als Stromkollektor zu fungieren.

Die Zinkzelle wird dann mit geschmolzenem Wachs oder Paraffin versiegelt und mit einer Flamme erhitzt, um eine bessere Versiegelung zu erreichen. Die Zellen werden dann zusammengeschweißt, um die Batterie zu bilden. Die Reaktion der Batterie ist:

2MnO₂ + 2NH₄Cl + Zn → ZnCl₂ + H₂O₂ + Mn₂O₃

Arbeiter können Mangandioxid während des Wiegens, Beladens des Mischers, Mahlens, Reinigens des Ofens, Siebens, Handpressens und Verpackens ausgesetzt sein, je nach Automatisierungsgrad, geschlossener Einhausung und lokaler Absaugung. Beim manuellen Pressen und Nassverpacken kann es zu Kontakt mit der nassen Mischung kommen, die trocknen kann, um einatembaren Staub zu erzeugen; Dermatitis kann durch Kontakt mit dem leicht ätzenden Elektrolyten auftreten. Persönliche Hygienemaßnahmen, Handschuhe und Atemschutz für Reinigungs- und Wartungsarbeiten, Duschmöglichkeiten und getrennte Schließfächer für Arbeits- und Straßenkleidung können diese Risiken reduzieren. Wie oben erwähnt, können von der Verpackungs- und Tablettenpresse Lärmgefahren ausgehen.

Das Mischen erfolgt automatisch während der Herstellung der gelatineartigen Paste, und die einzige Exposition erfolgt während der Zugabe der Materialien. Bei der Zugabe von Quecksilberchlorid zur gallertartigen Paste besteht die Gefahr der Inhalation und Hautresorption und einer möglichen Quecksilbervergiftung. LEV oder persönliche Schutzausrüstung ist erforderlich.

Auch die Exposition gegenüber verschütteter Chromsäure und Salzsäure beim Chromatieren sowie die Exposition gegenüber Schweißrauch und Rauch beim Erhitzen der Vergussmasse sind möglich. Die Mechanisierung des Chromatierungsprozesses, die Verwendung von Handschuhen und LEV zum Heißsiegeln und Schweißen sind geeignete Vorsichtsmaßnahmen.

Nickel-Cadmium-Batterien

Das heute gebräuchlichste Verfahren zur Herstellung von Nickel-Cadmium-Elektroden besteht darin, das aktive Elektrodenmaterial direkt auf ein poröses gesintertes Nickelsubstrat oder eine Platte aufzubringen. (Siehe Abbildung 3.) Die Platte wird hergestellt, indem eine Paste aus gesintertem Nickelpulver (häufig durch Zersetzung von Nickelcarbonyl hergestellt) in das offene Gitter aus vernickeltem perforiertem Stahlblech (oder Nickelgaze oder vernickeltem Stahlgaze) gepresst wird. und dann Sintern oder Trocknen in einem Ofen. Diese Platten können dann für bestimmte Zwecke geschnitten, gewogen und geprägt (komprimiert) oder für Haushaltszellen zu einer Spirale gerollt werden.

Abbildung 3. Produktion von Nickel-Cadmium-Batterien

Die gesinterte Platte wird dann mit Nickelnitratlösung für die positive Elektrode oder Cadmiumnitrat für die negative Elektrode imprägniert. Diese Platten werden gespült und getrocknet, in Natriumhydroxid getaucht, um Nickelhydroxid oder Cadmiumhydroxid zu bilden, und erneut gewaschen und getrocknet. Normalerweise besteht der nächste Schritt darin, die positiven und negativen Elektroden in eine große provisorische Zelle einzutauchen, die 20 bis 30 % Natriumhydroxid enthält. Lade-Entlade-Zyklen werden durchgeführt, um Verunreinigungen zu entfernen, und die Elektroden werden entfernt, gewaschen und getrocknet.

Ein alternativer Weg zur Herstellung von Cadmiumelektroden besteht darin, eine Paste aus Cadmiumoxid gemischt mit Graphit, Eisenoxid und Paraffin herzustellen, die gemahlen und schließlich zwischen Walzen verdichtet wird, um das aktive Material zu bilden. Dieses wird dann in ein laufendes perforiertes Stahlband gepresst, das getrocknet, manchmal komprimiert und in Platten geschnitten wird. In diesem Stadium können Nasen angebracht werden.

Die nächsten Schritte umfassen die Zell- und Batteriemontage. Bei großen Batterien werden die einzelnen Elektroden dann zu Elektrodengruppen mit Platten entgegengesetzter Polarität zusammengefügt, die mit Kunststoffseparatoren verschachtelt sind. Diese Elektrodengruppen können miteinander verschraubt oder verschweißt und in einem vernickelten Stahlgehäuse untergebracht werden. In jüngerer Zeit wurden Batteriegehäuse aus Kunststoff eingeführt. Die Zellen sind mit einer Elektrolytlösung aus Kaliumhydroxid gefüllt, die auch Lithiumhydroxid enthalten kann. Die Zellen werden dann zu Batterien zusammengesetzt und miteinander verschraubt. Kunststoffzellen können zementiert oder zusammengeklebt werden. Jede Zelle ist mit einem Leitungsverbinder mit der benachbarten Zelle verbunden, wobei ein positiver und ein negativer Anschluss an den Enden der Batterie verbleiben.

Bei zylindrischen Batterien werden die imprägnierten Platten zu Elektrodengruppen zusammengesetzt, indem die positiven und negativen Elektroden, getrennt durch ein inertes Material, in einen dichten Zylinder gewickelt werden. Der Elektrodenzylinder wird dann in ein vernickeltes Metallgehäuse eingesetzt, mit Kaliumhydroxid-Elektrolyt versetzt und die Zelle verschweißt.

Die chemische Reaktion beim Laden und Entladen von Nickel-Cadmium-Batterien ist:

Die größte potenzielle Exposition gegenüber Cadmium ergibt sich aus der Handhabung von Cadmiumnitrat und seiner Lösung bei der Herstellung von Paste aus Cadmiumoxidpulver und der Handhabung der getrockneten aktiven Pulver. Eine Exposition kann auch während der Rückgewinnung von Cadmium aus Schrottplatten auftreten. Gehäuse und automatisches Wiegen und Mischen können diese Gefahren in den frühen Schritten verringern.

Ähnliche Maßnahmen können die Exposition gegenüber Nickelverbindungen kontrollieren. Die Herstellung von gesintertem Nickel aus Nickelcarbonyl, obwohl sie in abgedichteten Maschinen erfolgt, beinhaltet die potenzielle Exposition gegenüber extrem giftigem Nickelcarbonyl und Kohlenmonoxid. Der Prozess erfordert eine kontinuierliche Überwachung auf Gaslecks.

Der Umgang mit ätzendem Kalium- oder Lithiumhydroxid erfordert eine geeignete Belüftung und persönlichen Schutz. Schweißen erzeugt Rauch und erfordert LEV.

Gesundheitliche Auswirkungen und Krankheitsbilder

Die schwerwiegendsten Gesundheitsgefahren bei der Herstellung herkömmlicher Batterien sind die Exposition gegenüber Blei, Cadmium, Quecksilber und Mangandioxid. Gefahren durch Blei werden an anderer Stelle in diesem Kapitel erörtert und Enzyklopädie. Cadmium kann Nierenerkrankungen verursachen und ist krebserregend. Es wurde festgestellt, dass die Cadmiumexposition in US-amerikanischen Nickel-Cadmium-Batteriewerken weit verbreitet ist, und viele Arbeiter mussten aufgrund hoher Cadmiumspiegel in Blut und Urin medizinisch entfernt werden, gemäß den Bestimmungen des Cadmiumstandards der Arbeitsschutzbehörde (Occupational Safety and Health Administration) (McDiarmid et al. 1996). . Quecksilber beeinflusst die Nieren und das Nervensystem. Eine übermäßige Exposition gegenüber Quecksilberdampf wurde in Studien an mehreren Quecksilberbatterieanlagen nachgewiesen (Telesca 1983). Es hat sich gezeigt, dass Mangandioxid beim Mischen und Handhaben von Pulvern bei der Herstellung alkalischer Trockenzellen hoch ist (Wallis, Menke und Chelton 1993). Dies kann bei Batteriearbeitern zu neurofunktionellen Defiziten führen (Roels et al. 1992). Manganstäube können bei übermäßiger Aufnahme zu Parkinson-ähnlichen Störungen des zentralen Nervensystems führen. Weitere besorgniserregende Metalle sind Nickel, Lithium, Silber und Kobalt.

Der Kontakt mit Zinkchlorid-, Kaliumhydroxid-, Natriumhydroxid- und Lithiumhydroxidlösungen, die in den Elektrolyten von Batterien verwendet werden, kann zu Hautverbrennungen führen.

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