Nikkel-metaalhydride

Over

Anode: metaalhydride
Kathode: nikkeloxidehydroxide
Elektrolyt: kaliumhydroxide
Type: Herlaadbaar
Nominale celspanning: 1,2 volt
Energiedichtheid: 140–300 W·h/L
Maandelijks zelfontlaadingsgraad: 30%, afhankelijk van opslagtemperatuur

Voordelen:

Veelzijdig – NiMH-cellen dienen vele toepassingen, van camera's tot elektrische voertuigen
Hoge capaciteit – in vergelijking met NiCd-cellen
Lage toxiciteit – NiMH bevat geen zwaar toxische metalen

Nadelen:

Beperkte grondstoffen – zeldzame aardmetalen zoals lanthaan zijn schaars
Geheugeneffect – NiMH-cellen vertonen een geheugeneffect (zij het minder sterk dan bij NiCd)
Lage celspanning – cellen van 1,2 volt, waardoor er veel cellen nodig zijn om batterijen met een hogere spanning te maken

Algemene informatie over nikkel-metaalhydride

NiMH-batterijen kwamen in 1989 voor het eerst op de markt en vervingen al snel NiCd-batterijen dankzij hun grotere capaciteit (tot drie keer hoger) en energiedichtheid. Ze gebruiken vergelijkbare kathode- en anodetypen als NiCd-cellen, maar maken voor de anode gebruik van een waterstofabsorberende legering in plaats van het toxische cadmium. Een nadeel van deze chemie is dat NiMH-cellen gevoeliger zijn dan NiCd-cellen en een veel hogere zelfontladingssnelheid hebben. Daarnaast vertonen ze, net als NiCd, een vorm van geheugeneffect.

Het geheugeneffect begrijpen

Het geheugeneffect wordt vaak verkeerd begrepen door de oorsprong ervan en door een gelijkaardig verschijnsel dat op een volledig andere manier werkt. Het echte geheugeneffect komt alleen voor bij gesinterde nikkel-cadmiumbatterijen die telkens tot exact hetzelfde niveau worden ontladen voordat ze opnieuw worden opgeladen, en die nooit worden overladen. Dit is uiterst zeldzaam en blijkt zelfs onder laboratoriumomstandigheden moeilijk reproduceerbaar. Wat NiCd-cellen (en in mindere mate NiMH-cellen) wél vaak vertonen, is kristalvorming op de nikkel- en cadmiumoppervlakken. Dit treedt op wanneer de batterij regelmatig wordt overladen of niet volledig wordt ontladen. De kristallen verkleinen het actieve oppervlak, wat de prestaties van de batterij vermindert. Ook hoge en lage temperaturen kunnen de prestaties negatief beïnvloeden, net als veroudering en beschadiging van de cellen — factoren die vaak ten onrechte worden toegeschreven aan het geheugeneffect. NiMH-cellen hebben minder last van kristalvorming dan NiCd-cellen, omdat alleen de nikkelkathode gevoelig is en er geen cadmium in de anode wordt gebruikt.

Net als veel andere batterijtechnologieën verliest NiMH aan populariteit door de opkomst van lithium-ioncellen. In Japan waren in 2000 ongeveer de helft van alle verkochte herlaadbare batterijen nog NiMH-batterijen, maar dat aandeel daalde tot 22% in 2010. Innovaties in NiMH-technologie in 2015 verbeterden de duurzaamheid en het gewicht van de batterijen door hun microstructuur aan te passen, wat de energiedichtheid verder verhoogde.

De chemie achter NiMH

De reactie aan de negatieve elektrode (anode) die plaatsvindt in een NiMH-cel is:

H2O + M + e− ⇌ OH− + MH

Op de positieve elektrode (kathode) wordt nikkeloxyhydroxide, NiO(OH), gevormd:

Ni(OH)2 + OH− ⇌ NiO(OH) + H2O + e

Waarom NiMH-batterijen recycleren?

NiMH-batterijen worden beschouwd als relatief niet-toxisch. De belangrijkste aandachtspunten zijn de correcte verwerking van nikkel (dat giftig is voor sommige planten) en de alkalische kaliumhydroxide-elektrolyt: een bijtende stof die brandwonden, blindheid en andere gezondheidsproblemen kan veroorzaken. Tegelijk bevatten ze aanzienlijke hoeveelheden economisch en technologisch waardevolle materialen, zoals nikkel, kobalt en zeldzame aardmetalen (REE’s). Ongeveer 87% van de afgedankte nikkel-metaalhydridebatterijen kan worden gerecycleerd, waarvan 18% nikkel is, 17% zeldzame aardmetalen en 4% kobalt.

Tegenwoordig is het recycleren van NiMH-batterijen zelfs winstgevender dan dat van loodzuurbatterijen — een extra stimulans voor verdere recyclage-inspanningen.

Meest voorkomende toepassingen

NiMH-batterijen hebben veel van de toepassingen van nikkel-cadmiumbatterijen overgenomen. Het zijn duurzame en goedkope oplaadbare batterijen die worden gebruikt in elektrisch gereedschap, camera’s en andere draagbare elektronica, zoals elektrische tandenborstels. Ze werden in het verleden ook gebruikt in elektrische voertuigen en worden nog steeds toegepast in hybride voertuigen. In 2008 werden er meer dan twee miljoen apparaten geproduceerd die op NiMH-batterijen draaiden.

Hoogtepunten van het proces

Comminutie

Gebruikte NiMH-batterijen (aangeleverd door sorteervoorzieningen) worden versnipperd in een shredder, zoals een cross-flow shredder. Tijdens hun levenscyclus produceren NiMH-batterijen kleine hoeveelheden waterstof, die in de cel gevangen raken. Wanneer de batterijen in de shredder worden gebroken, komt de waterstof vrij en wordt deze onmiddellijk afgezogen om ophoping en vluchtige reacties te voorkomen.

De versnipperde inhoud wordt vervolgens korte tijd gestabiliseerd en geventileerd om de laatste restjes waterstof en de elektrolyt, kaliumhydroxide, te verwijderen.

Pyrometallurgische en hydrometallurgische processen

Bij de recyclage van NiMH-batterijen worden pyrometallurgie en hydrometallurgie vaak gecombineerd om de beste resultaten te behalen. Bijvoorbeeld:

Pyrometallurgische destillatie onder vacuüm kan worden uitgevoerd in een inductieoven, vergelijkbaar met de verwerking van NiCd-cellen. Wanneer de temperatuur stijgt, verdampen eerst water en oliën, die worden opgevangen. Bij verdere verhitting tot 1200–2000°C stijgt de slak naar het oppervlak van het gesmolten mengsel en kan deze worden afgegoten en verder verwerkt om zeldzame aardmetalen te winnen voor raffinage. Het overgebleven metaallegeringsmengsel lijkt op dat van het NiCd-proces. Dit wordt in baren gegoten en kan worden geraffineerd door gespecialiseerde metaalbedrijven of direct worden gebruikt voor staalproductie.

De slak bevat zeldzame aardmetalen zoals cerium, lanthaan en neodymium, die kunnen worden teruggewonnen via pyrometallurgie of hydrometallurgie. Het terugwinnen van REE’s is een recente en doorlopende ontwikkeling, aangezien deze metalen steeds belangrijker worden en het recycleren ervan steeds vaker wettelijk verplicht is.

Hydrometallurgie is waarschijnlijk beter geschikt voor deze taak, omdat hiermee de REE’s volledig en met hoge zuiverheid kunnen worden teruggewonnen, terwijl minder energie wordt gebruikt en er minder afval ontstaat. Bij zuuruitloging worden de metalen REE’s geoxideerd, gevolgd door precipitatie en solventextractie, waardoor de zeldzame aardmetalen uiteindelijk als zouten en zuivere metalen beschikbaar komen.

Sommige processen die tegenwoordig worden gebruikt, maken uitsluitend gebruik van hydrometallurgische of pyrometallurgische methoden (niet beide), wat de uiteindelijke opbrengst en zuiverheden beïnvloedt.

Zeldzame aardelementen (REE's) in de slak

Hydrometallurgische terugwinning

Eindproducten

Polymeerplastics
Papier
Staal
Nikkel-, ijzer- en kobaltlegering
Zeldzame aardelementen (REE's)
Koper
Zink
Slak

*(Sommige van deze producten kunnen worden verbruikt om energie op te wekken in een pyrometallurgisch proces of in de slak terechtkomen).

Toekomstige trends

Net als veel andere, oudere batterijtypes neemt het gebruik van NiMH langzaamaan af, nu ze worden vervangen door nieuwere technologieën zoals lithium-ion. Ze zijn niet langer competitief in de elektrische voertuigindustrie en zijn in veel draagbare elektronische apparaten vervangen door lithium-iontechnologie, die een aantal gunstige eigenschappen biedt zoals een hogere energiedichtheid en daardoor een grotere actieradius. Toch zijn er wereldwijd nog veel NiMH-cellen in productie en circulatie, die uiteindelijk gerecycleerd moeten worden.

Binnen de EU zijn zeldzame aardmetalen, zoals die in NiMH-cellen, geclassificeerd als kritieke grondstoffen (CRM). Dit soort wetgeving heeft geleid tot veel interesse in geavanceerde recyclagemethoden die deze materialen efficiënt kunnen terugwinnen. Recyclagebedrijven zullen waarschijnlijk gebruikmaken van hydrometallurgische processen of een combinatie van pyrometallurgie en hydrometallurgie om aan de regels te voldoen.