Loodzuurbatterijen
Over
- Anode: lood
- Kathode: looddioxide
- Elektrolyt: zwavelzuur/watergeloplossing
- Type: Herlaadbaar
- Nominale celspanning: 2,1 volt
- Energiedichtheid: 60-75 W·h/L
- Maandelijkse zelfontladingsgraad: 3 - 20%
Voordelen:
- Goedkope productie - loodzuurbatterijen zijn de goedkoopste productiebatterijen die er zijn
- Efficiënte recyclage - loodzuur kan gemakkelijk en efficiënt gerecycleerd worden
- Robuust & betrouwbaar - deze batterijen functioneren in verschillende omstandigheden
Nadelen:
- Zelfontlading - loodzuurbatterijen verliezen langzaam hun lading in de loop van de tijd
- Lage energiedichtheid - dit is deels de reden waarom ze zo groot zijn
- Giftige inhoud - zowel lood als zwavelzuur zijn gevaarlijke stoffen
Algemene informatie over loodzuur
Loodzuurbatterijen waren een van de allereerste batterijtechnologieën, uitgevonden in 1859 door Gaston Planté en commercieel beschikbaar vanaf 1881. Het was ook ’s werelds eerste herlaadbare batterij en, enigszins opmerkelijk, is hij nog steeds heel populair.
Deze cellen hebben een lage energiedichtheid en hoge zelfontlading, maar worden nog steeds geproduceerd vanwege hun vermogen om hoge piekstroom te leveren, bijvoorbeeld om een motor te starten. Bovendien zijn ze goedkoop in productie, onderhoud en recyclage. In 2014 bedroeg de wereldwijde verkoop van loodzuurbatterijen 44,7 miljard USD, waarmee het de best verkochte batterij ter wereld was, gevolgd door lithium-ion, NiMH en NiCd.
Het recycleren van loodzuurbatterijen begon ook al vroeg. In 1912 introduceerde Cadillac de ‘starterbatterij’, die een alternatief bood voor het met de hand starten van auto’s. Door de hoge waarde van loodzuur en het relatief eenvoudige proces om het uit autobatterijen te winnen, ontstonden al snel commerciële recyclage-initiatieven.
Meest voorkomende toepassingen
Tegenwoordig worden loodzuurbatterijen in verrassend veel toepassingen gebruikt, grotendeels dankzij hun lage productiekosten en eenvoudige, robuuste betrouwbaarheid. Naast autostartystemen worden loodzuurcellen gebruikt om golfkarretjes en elektrische rolstoelen, boten, zonne-energiesystemen, reservebatterijen voor noodsituaties, tijdelijke verkeerslichten en nog veel meer van stroom te voorzien.
Waarom loodzuurbatterijen recycleren?
De recyclage van loodzuurbatterijen is al goed ingeburgerd, omwille van één simpele reden: het is winstgevend! Maar los van geld zijn loodzuurcellen voornamelijk opgebouwd uit lood (een giftig metaal dat zich in ons lichaam kan ophopen) en zwavelzuur (een sterk bijtende, op zichzelf al schadelijke stof). Als ze niet correct worden afgevoerd, kunnen deze batterijen watervoorraden vergiftigen, in de bodem doordringen en ons en het milieu aanzienlijk schaden.
De laatste reden om loodzuur te recycleren is een positieve: het is eenvoudig en extreem efficiënt. Over het algemeen is batterijrecyclage energie-intensief en duurder dan het winnen van nieuwe grondstoffen uit de aarde. Maar de loodzuurbatterij is een uitstekend voorbeeld van gesloten kringlooprecyclage. 99% van al het lood dat in batterijen wordt gebruikt in België, wordt gerecycleerd! Sommige bronnen schatten dat wereldwijd ongeveer 98% van alle loodzuurbatterijen wordt gerecycled.
Hoogtepunten van het proces
Een groeiende bezorgdheid bij het recycleren van loodzuurbatterijen is de zuiverheid van de batterijen die sorteervoorzieningen aanleveren. Tegenwoordig bestaan er lithium-ionautobatterijen, die vaak op het zicht niet te onderscheiden zijn van loodzuur-startbatterijen. Er zijn zelfs voorbeelden bekend waarbij lithium-ionbatterijen werden "vermomd" als loodzuurbatterijen (met een baksteen of zwaar gewicht in de verpakking, om het gewicht van een loodzuurbatterij na te bootsen) voor financieel gewin. Zulke batterijen vormen een groot risico voor recyclers, omdat het niet altijd eenvoudig is om de inhoud te identificeren.
Hierdoor komen steeds vaker lithium-ionautobatterijen in de stroom van loodzuurbatterijen terecht, wat extreem gevaarlijk is vanwege de volatiele eigenschappen van lithium-ion. Deze cellen kunnen brand veroorzaken of exploderen wanneer ze worden verhit, doorboord of fysiek beschadigd, precies wat er kan gebeuren tijdens het recyclageproces van loodzuurbatterijen. Dit wordt geïllustreerd in deze video.
Daarom is het inspecteren van de gesorteerde batterijstromen vóór het recyclageproces een noodzakelijke eerste stap om lithium-ioncellen, afval en andere ongepaste materialen te verwijderen.
De details van veel batterijrecyclageprocessen zijn vertrouwelijk of gepatenteerd, omdat ze voortkomen uit privé-onderzoek en investeringen die nog in ontwikkeling zijn. Het recycleren van loodzuurbatterijen is echter transparant, vanwege de traditionele eenvoud van het proces en de lange historie ervan.
Comminutie
De eerste stap is een hamermolen om de batterijen te vermalen, waardoor de vloeibare zuur-elektrolyt vrijkomt. Deze loopt uit de cellen en wordt opgevangen voor verdere verwerking.
Dichtheidsscheiding
Het gebroken batterijmateriaal bestaat vrijwel volledig uit lood en plastics. Dit mengsel wordt in een waterbad onderworpen aan dichtheidsscheiding, waarbij de plastics naar de oppervlakte drijven en de zware metalen zinken, waardoor ze heel efficiënt van elkaar worden gescheiden.
Pyrometallurgisch proces
Het loodmetaal wordt in een oven gesmolten, samen met enkele toegevoegde elementen om het lood van onzuiverheden te scheiden. Zodra het mengsel volledig gesmolten is, drijven deze onzuiverheden naar de oppervlakte en vormen ze slak (definitie: vreemde deeltjes, slib of mineraalafval, met name schuim dat zich vormt op het oppervlak van gesmolten metaal), die vervolgens wordt afgeschraapt. Het gezuiverde lood wordt daarna in baren van verschillende formaten gegoten, afgekoeld en naar metaalbedrijven gestuurd, vaak om direct opnieuw te worden gebruikt in de productie van loodzuurbatterijen.
Ook de plastics worden verwarmd tot een halfvloeibare toestand en gevormd tot kleine, uniforme polypropyleenpellets. Deze kunnen worden gebruikt als brandstof in geschikte faciliteiten of voor de productie van nieuwe plastics.
Neutralisatie en destillatie
Tot slot wordt ook de zwavelzuuroplossing behandeld die aan het begin van het proces wordt gewonnen. Er zijn twee manieren om dat te doen: ofwel wordt het zuur geneutraliseerd (door een stof toe te voegen die lijkt op bakpoeder), verwerkt en als water geloosd (met koolstofdioxide als bijproduct), ofwel ondergaat het destillatie om natriumsulfaatkristallen uit het zuur te scheiden, die onder andere in wasmiddelen kunnen worden gebruikt.
Loodzuurbatterijen hebben een zeer hoge recycleerbare fractie en vormen momenteel het dichtstbijzijnde voorbeeld van een ‘gesloten kringloop’-batterijsysteem, waarbij de onderdelen van oude batterijen (lood, plastics, zuur) worden gerecycleerd om nieuwe batterijen te maken.
Eindproducten
- Loodbaren
- Plastic polypropyleenkorrels
- Natriumsulfaat / water
Toekomstige trends
Lithium-ionbatterijen worden steeds vaker aangetroffen in de stroom van loodzuurbatterijen, wat gevaarlijke situaties creëert. Sommige bronnen spreken van een tienvoudige toename in gerapporteerde incidenten. Dit gebeurt onder andere omdat men in veel landen moet betalen om gebruikte lithium-ioncellen te laten recycleren, terwijl oude loodzuurbatterijen juist winstgevend zijn. Dit is uiteraard een drijfveer om lithium-ionbatterijen als loodzuurbatterijen door te geven. Sorteerfaciliteiten pakken dit stap voor stap aan om een veiliger recyclageproces te waarborgen. Ook acties van toezichthouders om de verplichte etikettering van batterijen te verbeteren, dragen bij aan dit doel.
Hoewel loodzuurbatterijen mogelijk het meest gerecycleerde product ter wereld zijn, is lood historisch gezien ook een van de ergste vervuilers. Sinds de jaren '80 is de loodvervuiling in de lucht met 99% gedaald, maar loodsmeden blijft een oud en milieubelastend proces dat nog steeds verbeterd kan worden. Bedrijven zoals Aqua Metals ontwikkelen alternatieven voor pyrometallurgie bij de behandeling van lood, zoals galvanisatie en hydrometallurgische processen.
