Langer Weg zu innovativer Methode
Batterien sind praktisch allgegenwärtig und werden als Starterbatterien, in Industrieanlagen, aber auch in Alltagsgegenständen wie Spielzeug, Uhren, Radios, Laptops, Handys, Taschenlampen, Hörgeräte usw. verwendet. Trotz relativ strenger Grenzwerte können alte Batterietypen schädliche Inhaltsstoffe wie Quecksilber, Cadmium und Blei enthalten. Das schweizerische Bundesamt für Umwelt (BAFU) hat deshalb eine Kontrollkampagne gestartet. Mit einer eigens dafür entwickelten Methode zur Analyse von Schwermetallen hat die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) die Grundlagen dafür gelegt und am 29.09.2023 publiziert.
Batterien – Knopfzellen – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
Der Bedarf an Batterien – auch an Akkus – 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.
Was ist drin in einer Batterie?
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 und Deutschland werden – hauptsächlich von Großverteilern – die unterschiedlichsten Batteriemodelle verkauft. Viele funktionieren auf der Basis von Zink-Mangan oder Lithium-Ionen, die beide ohne Schwermetalle auskommen. Sowohl in 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 mg/kg und ein solcher von 20 mg/kg für Cadmium. Für Blei gilt eine Deklarationspflicht auf der Batterie bzw. auf der 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.
Viel über Batterien gelernt
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. Um das zu vermeiden, müssen sämtliche zu untersuchende Batterien zunächst einmal sorgfältig entladen werden. Erst dann darf man sich an das „Innenleben“ einer Batterie trauen.
Zudem ist Batterie 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.
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.
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