Alkaline- en zink-koolstofbatterijen
Over
- Anode: zink
- Kathode: mangaandioxide
- Elektrolyt: kaliumhydroxide / ammoniumchloride
- Type: primair / oplaadbaar
- Nominale celspanning: 1,5 volt
- Energiedichtheid: 250 - 434 W·h/L
- Maandelijkse zelfontladingsgraad: 0,3%
Voordelen:
- Prijs-kwaliteitsverhouding - alkalinecellen bieden een lange houdbaarheid en hoge energiedichtheid voor de prijs
- Lage toxiciteit - mangaan, staal en zink zijn alle drie relatief onschadelijke materialen
Nadelen:
- Prestatie - alkaline en zink-koolstof zijn minderwaardig aan veel nieuwe batterijchemieën
- Interne weerstand - alkalinecellen hebben een hoge interne weerstand
- Lekkage - wanneer ze te lang in apparaten blijven zitten, lekken alkalinecellen vaak corrosieve materialen
Algemene informatie over zink-koolstof
Alkaline en zink-koolstofbatterijen lijken genoeg op elkaar om samen te worden gerecycleerd. De zink-koolstofbatterij was de eerste commercieel verkrijgbare droge batterij. Experimenten in de late 19e eeuw door Georges Leclanché en Carl Gassner leidden tot de verfijning en het wijdverbreide gebruik van zink-koolstofbatterijen in de allereerste zaklamp, waaruit ook batterijfabrikant Eveready ontstond.
Zink-koolstofbatterijen hebben een zinkbehuizing die als anode dient, en een koolstofstaaf omgeven door mangaandioxide als kathode, vandaar de naam. Het is een relatief inefficiënt batterijontwerp met een lage capaciteit, een beperkte duurzaamheid en een aanzienlijk risico op lekkage, maar het wordt tot op de dag van vandaag nog geproduceerd dankzij de ongeëvenaarde lage productiekosten.
Algemene informatie over alkaline
De moderne alkalinebatterij werd in de jaren vijftig uitgevonden door een Canadese ingenieur die werkte bij Eveready. Het was een verbetering op de zink-koolstofbatterij, waarbij het ammoniumchloride- of zinkchloride-elektrolyt werd vervangen door alkalisch kaliumhydroxide, en de massieve zinkbehuizing werd vervangen door zinkpoeder als anode. Het resultaat was een betere capaciteit en duurzaamheid, en een hogere energiedichtheid.
Sinds hun commerciële introductie zijn alkalinebatterijen enorm populair. Vandaag de dag zijn ze goed voor zo'n 80% van alle batterijen die in de Verenigde Staten worden geproduceerd, terwijl binnen de EU 47% van de jaarlijkse batterijverkoop uit alkalinebatterijen bestaat. In 1992 kwamen oplaadbare alkalinebatterijen op de markt, maar die zijn veel minder efficiënt dan andere oplaadbare types en kunnen in het beste geval slechts een paar keer worden opgeladen.
Meest voorkomende toepassingen
Alkaline- en zink-koolstofbatterijen worden vooral gebruikt voor kleine, alledaagse huishoudelijke apparaten. Denk aan afstandsbedieningen, speelgoed, klokken, ...
Waarom zink-koolstofbatterijen recycleren?
Hoewel moderne alkaline- en zink-koolstofbatterijen relatief weinig giftige en vluchtige stoffen bevatten, zijn het wel de meest gebruikte batterijen van vandaag. Het recycleren ervan heeft dan ook een grote impact. Het helpt natuurlijk ook om de grondstoffen te compenseren die uit de aarde worden gewonnen voor de productie van nieuwe alkaline- en zinkbatterijen.
Oudere alkaline- en zink-koolstofbatterijen kunnen ook kleine hoeveelheden kwik bevatten, wat zeer giftig is. Zink-koolstofbatterijen zonder kunststofbehuizing zijn daarnaast gevoelig voor lekkage en mogelijke kortsluiting.
Hoogtepunten van het proces
Algemeen
Alkaline en zink-koolstofbatterijen volgen een relatief standaard recyclageproces. Ze vereisen weinig gespecialiseerde behandeling, omdat ze eenvoudige materialen bevatten en geen grote gezondheids- of milieurisico's met zich meebrengen. Toch zijn er wereldwijd verschillende methoden in gebruik, en wordt er dagelijks onderzoek gedaan naar nieuwe manieren.
Comminutie
In de meeste gevallen worden de batterijen eerst versnipperd in een grijpversnipperaar of snijmolen om ze op te breken in deeltjes van 1 tot 3 millimeter doorsnede. Sommige recyclagebedrijven slaan de versnipperingsstap echter over en verwerken hele batterijen in hoogovens, voornamelijk om zink en mangaan terug te winnen.
Afhankelijk van de gebruikte verkleiningsmethode (comminutie) kunnen de daaropvolgende scheidingsstappen verschillen, al is het soms eerder in efficiëntie dan in methode. Een betere verkleining zorgt voor zuiverdere outputstromen.
Fysieke scheiding
Magnetische scheiding wordt gebruikt om de stalen omhulsels van alkalinebatterijen terug te winnen.
Dense Medium Separation (DMS) wordt ingezet om plastics en papier te scheiden van de zwaardere zwarte massa-materialen. Daarna wordt DMS opnieuw toegepast om lichte plastics van zware plastics te scheiden.
Zeven is ook een veelgebruikte optie bij dit type batterij, al vereist dit een intensieve comminutie om de materialen voldoende fijn te maken. Op dat punt kan de zwarte massa worden teruggewonnen als de fijnste fractie in het mengsel – ongeveer 0,5 tot 0,75 millimeter.
Pyrometallurgische verwerking
Zodra plastic, papier en stalen behuizingen zijn gesorteerd in hun eigen stromen, zijn ze klaar om naar staalfabrieken en fabrieken voor raffinage, productie of brandstofdoeleinden gestuurd te worden.
De meeste recyclagefaciliteiten kiezen vervolgens voor een pyrometallurgische aanpak om de resterende stroom (de zwarte massa) te verwerken. Bij alkaline- en zink-koolstofbatterijen bestaat de zwarte massa voornamelijk uit zink, mangaandioxide en kalium, maar vaak ook uit sporen van andere metalen zoals ijzer, staal en kwik, en koolstof. Deze bevinden zich meestal in erts- of sulfideverbindingen, waardoor de chemische bindingen moeten worden verbroken om de metalen te scheiden van organisch materiaal, dat vervolgens meestal de vorm aanneemt van slak. Voor het onderstaande proces wordt vaak een roterende Waelz-oven gebruikt.
- De scheiding van kwik uit chloorionen vindt plaats bij 450°C met behulp van een vacuüm.
- Zink wordt gereduceerd uit zinkoxide bij temperaturen boven 920°C en opgevangen als damp om verder te worden gedistilleerd.
- Mangaan blijft gedurende het pyrolyseproces in vaste toestand, maar wordt gereduceerd tot mangaanoxide door het koolstof in het mengsel.
- De resterende materialen na deze pyrometallurgische processen zijn mangaanoxide en ijzer.
- Het ijzer wordt afgescheiden voor verdere verwerking, terwijl het resterende kalium- en mangaanoxidegehalte als slak eindigt.
Alternatieve hydrometallurgische methoden
Als alternatief worden ook hydrometallurgische methoden onderzocht, voorlopig vooral op laboratoriumschaal. Dit proces ziet er ongeveer als volgt uit:
Na mechanische verwerking om een metaalstroom terug te winnen (via magnetische scheiding en scheiding op basis van verschillen in dichtheid), bevat het resterende zwarte poeder koolstof, mangaan en zink.
Dit poeder wordt uitgeloogd om een oplossing te produceren die rijk is aan mangaan en zink.
Deze oplossing wordt vervolgens gezuiverd, wat resulteert in mangaan- en zinkzouten.
Eindproducten
De meeste recyclagemethoden voor alkaline- en zinkbatterijen leveren het volgende op
- Kunststoffen
- Papier
- Staal
- Zink
- Mangaanrijke slak
Toekomstige trends
Naarmate grondstoffen schaarser worden en duurzaam omgaan met onze planeet steeds meer prioriteit krijgt, is het goed mogelijk dat zink-koolstofbatterijen volledig worden uitgefaseerd — mogelijk gevolgd door alkalinebatterijen, wanneer nieuwe en efficiëntere batterijchemieën hun intrede doen.
Desondanks worden er, vanwege het enorme aantal alkaline- en zink-koolstofbatterijen dat vandaag in gebruik is, voortdurend nieuwe recyclagemethoden onderzocht om het proces te verbeteren.
