Nikkel-cadmium

Over

Anode: cadmium
Kathode: nikkeloxidehydroxide
Elektrolyt: kaliumhydroxide
Type: Oplaadbaar
Nominale celspanning: 1,2 volt
Energiedichtheid: 50–150 W·h/L
Maandelijkse zelfontladingsgraad: 10%

Voordelen:

Robuust - NiCd-cellen functioneren bij temperaturen van -20° tot +60°C
Snelle energieafgifte - NiCd-cellen kunnen hun volledige energie leveren in slechts 1 uur

Nadelen:

Verouderd - NiCd is grotendeels vervangen door andere batterijchemieën
Giftige materialen - cadmium is een giftig metaal dat dodelijk kan zijn voor mensen
Geheugeneffect - NiCd-cellen verliezen hun capaciteit als ze niet regelmatig volledig worden ontladen

Algemene informatie over nikkel-cadmium

Natte nikkel-cadmiumbatterijen werden in 1899 uitgevonden door de Zweedse ingenieur Waldemar Jungner, maar bestaan vandaag in veel verschillende vormen en capaciteiten. Ze komen voor in uiteenlopende formaten, van standaard AA- en AAA-batterijen tot grote, geventileerde back-upsystemen.

Hoewel ze vroeger de voorkeursbatterij waren in allerlei toepassingen, van gereedschap tot camera’s, zijn NiCd-cellen grotendeels uit gebruik geraakt door de giftigheid van cadmium en de betere capaciteit en prijs van nikkel-metaalhydridebatterijen (NiMH).

Het belangrijkste voordeel van de nikkel-cadmiumtechnologie vandaag is dat deze batterijen hun volledige lading zeer snel kunnen afgeven (soms binnen ongeveer een uur), en dit onder uiteenlopende omstandigheden (bij temperaturen van -20°C tot +60°C). Ze blijven ook een van de meest robuuste batterijtypes, en worden daarom soms nog gebruikt in de luchtvaartsector.

Een aandachtspunt bij zowel NiCd- als NiMH-batterijen is het geheugeneffect. Als de cellen herhaaldelijk slechts gedeeltelijk worden ontladen voordat ze opnieuw worden opgeladen, kunnen ze na verloop van tijd capaciteit verliezen, omdat ze minder goed volledig kunnen ontladen.

Ze worden nog gebruikt in bepaalde medische apparaten en noodstroomvoorzieningen, zoals voor noodverlichting. Een andere cadmiumgebaseerde chemie is cadmiumtelluride, dat veel wordt gebruikt in dunnefilmzonnecellen.

Een verwarrend geheugeneffect

Het echte geheugeneffect verwijst naar cyclisch geheugen: het idee dat een batterij, wanneer ze herhaaldelijk slechts deels wordt ontladen vóór het opladen, als het ware “onthoudt” hoeveel energie nodig was en daarna niet meer dan dat kan leveren. Dit fenomeen komt uit een luchtvaartexperiment en geldt alleen voor oude NiCd-cellen met gesinterde platen die telkens tot exact hetzelfde niveau worden ontladen vóór ze opnieuw worden opgeladen. Het is erg zeldzaam, maar wordt toch vaak ten onrechte als verklaring gebruikt voor slechte batterijprestaties.

Moderne NiCd-batterijen hebben geen last van dit cyclische geheugeneffect, maar wel van een ander fenomeen: kristalvorming. Dit leidt tot een vergelijkbare geleidelijke spanningsdaling. Kristalvorming ontstaat wanneer NiCd-batterijen overladen worden en niet goed worden onderhouden door ze af en toe volledig te ontladen en opnieuw op te laden. De nikkel- en cadmiumoppervlakken in de elektroden raken langzaam bedekt met kristallen, waardoor het actieve oppervlak van de metalen afneemt en de prestaties van de batterij verminderen. In een vergevorderd stadium kunnen deze kristallen zelfs de separator doorboren, wat kan leiden tot snelle zelfontlading en mogelijke kortsluiting.

Cadmium van over de hele wereld

Cadmium wordt uit de aarde gewonnen en geraffineerd, maar komt vrijwel nooit op zichzelf voor in afzonderlijke afzettingen. In plaats daarvan is het sterk verbonden met zinkertsen, zoals sfaleriet. Daardoor wordt het grootste deel van het primaire cadmium wereldwijd geproduceerd als bijproduct van zinkwinning uit deze ertsen. De grootste producenten van cadmium vandaag zijn China (34%), Zuid-Korea (18%) en Japan (9%), al dragen ook veel andere landen bij aan de wereldwijde cadmiumproductie.

Meest voorkomende toepassingen

Naast oudere elektrische gereedschappen en camera's vind je NiCd-batterijen soms in specifieke medische apparaten en noodstroomvoorzieningen voor noodverlichting en dergelijke. Cadmiumtelluride is een andere op cadmium gebaseerde celchemie en is het meest voorkomende type dunnefilmzonnecel dat wordt geproduceerd.

Waarom nikkel-cadmiumbatterijen recycleren?

De grootste bezorgdheid rond nikkel-cadmiumbatterijen is de giftigheid van cadmium, wat 6 tot 18% van de batterij uitmaakt. Blootstelling aan dit zware metaal kan kanker veroorzaken en verschillende delen van het lichaam aantasten. Daarom is de verkoop van nikkel-cadmiumbatterijen sinds 2009 verboden binnen de EU, behalve in het geval van medisch gebruik, alarmsystemen en noodverlichting.

Hoogtepunten van het proces

Leeglopen

Een eerste voorbehandelingsstap voor natte-cel cadmium batterijen is het zorgvuldig aftappen van de vloeibare elektrolyt uit de vaste componenten door het openen van de behuizingen. Deze stap moet met grote voorzichtigheid worden uitgevoerd, aangezien de elektrolyt kaliumhydroxide (KOH) bevat, een zeer corrosieve base. Direct contact met KOH kan de zenuwen in de huid beschadigen, waardoor u de ernst van chemische brandwonden niet kunt voelen. Eenmaal veilig afgetapt, kan de vloeibare elektrolyt apart worden verwerkt, terwijl de vaste componenten worden gedroogd en gecombineerd met droge-cel cadmium batterijen voor verdere verwerking.

Comminutie en fysische scheiding

Verkleining in een hamermolen en fysieke scheiding zijn standaardstappen voor de recycling van NiCd, gevolgd door pyrometallurgische processen.

Pyrometallurgisch proces

Pyrolyse wordt uitgevoerd om het cadmiumgehalte af te breken en te verdampen; de zwarte massa (nadat de fysieke scheiding is voltooid) wordt verhit tot ongeveer 900°C onder vacuümdruk in een inert gas.

Deze inerte omgeving met lage atmosferische druk bevordert de afbraak van cadmium tot puur metaal bij relatief lage temperaturen en voorkomt oxidatie. Het resultaat is 99,9% zuiver cadmium, dat in dampvorm wordt opgevangen en in een aparte kamer wordt gecondenseerd. Nadat het cadmium en andere verdampte componenten, zoals zink, zijn geëxtraheerd, stijgt de temperatuur verder om het mengsel te laten smelten. Hierdoor kunnen onzuiverheden naar de oppervlakte stijgen, die vervolgens worden afgegoten of afgeschraapt om slak te vormen.

De resterende fractie in de oven bestaat uit een legering van ijzer, nikkel en kobalt, die in baren wordt gegoten, afgekoeld en onder andere gebruikt voor de productie van roestvrij staal.

Pyrometallurgie in detail

De afbraak van cadmiumhydroxide en nikkelhydroxide tot respectievelijk cadmium en nikkel vindt plaats bij 300°C en 230°C. Zonder dat er een reducerend middel aan het mengsel wordt toegevoegd, moet de druk worden geregeld tot 10-4 bar om de afbraak van cadmiumoxide bij 850–900°C mogelijk te maken, wat resulteert in cadmiumdamp. Met een reducerend middel kookt cadmium bij 767°C. Het doel is in beide gevallen om cadmiumoxide om te zetten in cadmium, dit te verdampen, op te vangen (samen met water en oliën die verdampen) en weer te condenseren tot een vloeibare of vaste vorm. Het resulterende cadmium is 99,9% zuiver en kan worden gebruikt voor de productie van nieuwe NiCd-batterijen. Vervolgens stijgt de temperatuur verder totdat de inhoud volledig gesmolten is, zodat onzuiverheden van het oppervlak afgeschraapt kunnen worden en pure metaallegeringen tot baren kunnen worden gevormd voor commercieel industrieel gebruik.

Sommige faciliteiten recycleren nikkel-metaalhydridebatterijen (NiMH) in dezelfde batch als nikkel-cadmiumbatterijen (NiCd), omdat de twee batterijtypen veel overeenkomsten hebben, onder andere in de basiskathodematerialen en elektrolyt. Als de zeldzame aardmetalen uit NiMH-batterijen echter teruggewonnen moeten worden, zijn er extra recycleerstappen nodig.

Eindproducten

Polymeerplastics
Papier
Staal
Nikkel-, ijzer- en kobaltlegering
Cadmium
Slak

Toekomstige trends

Nikkel-cadmiumbatterijen behoren tegenwoordig grotendeels tot de verleden tijd. Behalve in een beperkt aantal toepassingen, zoals noodstroomvoorzieningen en medische apparaten, die mogelijk nog enige tijd gebruikt blijven worden, worden cadmiumbatterijen wereldwijd uitgefaseerd en vervangen door nieuwere technologieën met een kleinere impact op het milieu.

De processen voor het recycleren van cadmium zijn al goed ontwikkeld en heel efficiënt in het winnen van zeer zuiver cadmium uit gebruikte batterijen, waardoor we op dit specifieke gebied weinig innovatie verwachten.