Kompendium wiedzy o bateriach

Kompendium wiedzy o bateriach Podręcznik ten został przygotowany jako materiał pomocniczy dla uczestników konkursu Festiwal Baterii. Konkurs to, między innymi 1

Z naszego poradnika dowiesz się, co to jest bateria, z czego jest zbudowana i jak działa. Odpowiemy na pytanie, dlaczego baterie są niebezpiecznymi odpadami i co należy z nimi zrobić po ich zużyciu. Sprawdź, jak możesz chronić środowisko i dlaczego to takie ważne, żeby wyrzucać baterie do specjalnych pojemników. Spis treści 1. Czym tak naprawdę są baterie? 2. Jak to jest zrobione, czyli budowa baterii 3. Działanie baterii 4. Dlaczego baterie są odpadem niebezpiecznym? 5. Recykling baterii 6. Słowniczek pojęć 2

1. Czym tak naprawdę są baterie? Włoski naukowiec Alessandro Volta w 1799 roku rozpoczął pracę nad budową pierwszego ogniwa galwanicznego. Skupił się on na fakcie, że ładunek elektryczny potrafi przemieszczać się pomiędzy różnymi substancjami. Istnieją różne schematy budowy baterii, jednak ich podstawowa zasada działania i konstrukcji jest stała. Bateria zawsze posiada dwie elektrody: pierwszą, o nazwie anoda (przesyła ona ładunki ujemne czyli elektrony) oraz drugą katodę. Kiedy katoda i anoda zostają połączone w jeden obwód, elektrony są w ruchu. Tak powstanie prąd. Zatem bateria, to jedno lub więcej ogniw galwanicznych (czyli układu dwóch wymienionych wyżej elektrod: dodatniej katody i ujemnej anody), które w wyniku reakcji elektrochemicznej zmienia energię chemiczną w energię elektryczną. Dzięki temu baterie są źródłem prądu stałego i znajdują różnorodne zastosowanie w gospodarstwach domowych, m.in. w przenośnych urządzeniach takich jak elektryczna szczoteczka do zębów, aparat fotograficzny czy zabawki. 3

Wspomniane dwa bieguny baterii oznacza się plusem (+) i minusem (-). W przypadku typowych baterii cylindrycznych jak R6/AA czy R14/C (używanych np. do zasilania pilota do telewizora czy zabawek) biegunami są końce baterii. Z kolei akumulatorach samochodowych biegunami są ciężkie ołowiane klemy (zaciski mocujące kable zasilające do akumulatora). Najczęściej używanymi bateriami są tzw. baterie paluszki, czyli baterie AA i cieńsze AAA. Ale w sklepach znajdziemy znacznie więcej ich rodzajów. W przypadku ogniw pierwotnych najpopularniejszymi są baterie cynkowo-węglowe i alkaliczne. Dotyczy to jednak tylko baterii cylindrycznych oznaczanych literą R. Obie technologie dostarczają napięcie 1,5V. Jednak bardziej wydajne są baterie alkaliczne, a czas ich przechowywania wynosi do 7 lat. 2. Jak to jest zrobione, czyli budowa baterii W zależności od zastosowanego materiału, z którego wykonane są elektrody, składu elektrolitu, kształtu i budowy oraz przeznaczenia możemy wyróżnić wiele typów ogniw. Najpopularniejszy podział ogniw galwanicznych to podział na pierwotne (baterie, nieodnawialne) oraz wtórne (akumulatory, odwracalne). Przyjrzyjmy się, jak są zrobione. Budowa ogniw pierwotnych (baterii jednorazowych) Często zbudowane są z tych samych materiałów co akumulatory (ogniwa wtórne), jednak ich struktura oraz proces produkcji jest kompletnie odmienny. To oznacza, że mogą być używane tylko raz, bo ich składniki powodują, że baterie nie mogą być ponownie naładowane po wyczerpaniu. 4

Budowa ogniw wtórnych (akumulatorów) Działanie ogniw wtórnych jest oparte na tej samej zasadzie co baterii jednorazowych, ale z tą różnicą, że procesy chemiczne zachodzące wewnątrz akumulatorów mogą zostać odwrócone poprzez ładowanie. Dzięki temu akumulatory odzyskują pierwotne właściwości. Akumulatory w szybszym czasie mogą wyzwolić swoją pojemność, umożliwiając szybszą pracę urządzeń. Baterie alkaliczne zaś, w urządzeniach niskoprądowych, powinny działać dłużej. Dlatego też ważny jest dobór odpowiedniego ogniwa do urządzenia. 5

Czy wiesz, że: Tradycyjne baterie cynkowo-węglowe przeznaczone są do zasilania urządzeń o niewielkim poborze prądu (do 100 ma). Szersze zastosowanie mają trwalsze i mocniejsze baterie alkaliczne (do 300 ma). 3. Działanie baterii W czasie pracy ogniwa galwanicznego na elektrodzie dodatniej (katodzie) zachodzi proces redukcji, a na elektrodzie ujemnej (anodzie) proces utleniania. Po podłączeniu go do urządzenia, w obwodzie elektrycznym - od anody do katody - przepływają elektrony. Natomiast w elektrolicie, ładunek elektryczny przenoszony jest za pośrednictwem jonów dodatnich i ujemnych. 6

Schemat ogniwa galwanicznego Jak już wiesz, w gospodarstwach domowych wykorzystywane są dwa rodzaje ogniw galwanicznych: pierwotne baterie (nieodnawialne, jednorazowe) oraz wtórne akumulatory (odnawialne, wielokrotnego użytku). W sklepach znajdziesz wiele rodzajów baterii i akumulatorów, które różnią się nie tylko wielkością, kształtem i składem chemicznym ale przede wszystkim zastosowaniem. Niezależnie jednak od tego, jakich baterii będziecie używać, należy pamiętać o kilku bardzo ważnych zasadach. Oto one: 1. Czytaj instrukcję obsługi urządzeń zasilanych za pomocą baterii lub akumulatorów. 2. Dobieraj baterie i akumulatory odpowiednie dla danego sprzętu. 3. Instaluj ogniwo zgodnie z oznaczeniami biegunów (+) i (-). 4. Przechowuj baterie i akumulatory zgodnie z zaleceniami producenta, w temperaturze pokojowej w suchym miejscu. 5. Nie trzymaj baterii i akumulatorów z przedmiotami metalowymi, bo może to doprowadzić do ich rozładowania. 6. Nie ładuj baterii pierwotnych (jednorazowych), bo możesz wywołać eksplozję! 7. Nie wrzucaj ogniw do ognia! 7

4. Dlaczego baterie są odpadem niebezpiecznym? Baterie są odpadem niebezpiecznym zawierającym wybrane metale ciężkie takie jak ołów, kadm i rtęć, które są toksyczne dla naszego organizmu. W przypadku przedostanie się do niego wywołują choroby nerek i dysfunkcje różnych układów np.: pokarmowego i nerwowego. Z tego powodu należy zadbać o odpowiednie zabezpieczenie tego odpadu i wyeliminowanie go środowiska. Czy wiesz, że: Polacy rocznie zużywają ok. 240 milionów jednorazowych baterii! Przeciętnie w jednej tonie zużytych baterii znajduje się: 3 kg rtęci, 0,5 kg kadmu oraz kilka kilogramów niklu i litu. Rozwój przemysłu oraz nowoczesnych technologii ułatwiających życie, staje się problemem nie tylko dla świata fauny i flory, ale także dla człowieka. W zastraszającym tempie postępuje degradacja środowiska i wydłuża się lista chorób cywilizacyjnych. Jednym z licznych zagrożeń jest problem odpadów, w tym właśnie baterii. W bateriach zachodzą skomplikowane procesy chemiczne, w których udział biorą toksyczne pierwiastki. Szczególne zagrożenie dla środowiska i zdrowia człowieka, stwarzają zawarte w bateriach metale ciężkie (m.in.: ołów, kadm, rtęć) oraz kwasy bądź zasady tworzące elektrolit, które mają właściwości żrące i korozyjne. Przekonaj się, jak potrafią być niebezpieczne! Metale ciężkie niebezpieczne dla człowieka: Ołów powoduje choroby u organizmów żywych, m.in.: uszkodzenia mózgu, choroby nerek i przewodu pokarmowego, neuropatię i nadciśnienie tętnicze. Rtęć bywa przyczyną masowych skażeń środowiska, zatruwa organizmy żywe; u ludzi powoduje m.in.: uszkodzenia układu nerwowego, nerek, niewydolność oddechową, deformację kości. Kadm upośledza procesy zachodzące w organizmie, powodując, m.in.: uszkodzenia nerek, wątroby, osteoporozę, anemię i zmiany nowotworowe. 8

Nikiel uszkadza błony śluzowe, powoduje zmiany w szpiku kostnym oraz może przyczynić się do rozwoju komórek nowotworowych. Lit powoduje obrzęk płuc, uszkadza układ nerwowy, pokarmowy, sercowo-naczyniowy, a także (ze względu na właściwości żrące) skórę człowieka. NIE WYRZUCAJ ZUŻYTYCH BATERII I AKUMULATORÓW DO KOSZA NA ŚMIECI! Baterie i akumulatory to odpady niebezpieczne, powstające w głównej mierze w gospodarstwach domowych. Wszyscy ponosimy odpowiedzialność za właściwe postępowanie z nimi. Selekcja i zbiórka odpadów, w tym odpadów niebezpiecznych, stały się naszym wspólnym problemem, którego rozwiązanie wymaga poparcia i zaangażowania całego społeczeństwa. 5. Recykling baterii Zużyte baterie i akumulatory stanowią źródło cennych surowców wtórnych. Ich właściwa zbiórka pozwala nie tylko unieszkodliwić toksyczne metale ciężkie, ale także odzyskać część surowców oraz zaoszczędzić energię potrzebną do wydobycia pierwiastków, niezbędnych między innymi do produkcji nowych baterii. Pamiętaj! Wszystkie zużyte baterie zebrane selektywnie poddawane są recyklingowi, dzięki czemu: zmniejsza się zanieczyszczenie środowiska odzyskuje się wiele cennych surowców np. cynk zmniejsza się ilość odpadów na składowisku Czy wiesz, że: W 2012 roku na rynek Polski wprowadzono ok. 394,4 mln sztuk baterii i akumulatorów (GIOŚ Główny Inspektorat Ochrony Środowiska). Proces przetwarzania i recyklingu zużytych baterii i akumulatorów można podzielić na następujące etapy: 1. Zbiórka zużytych baterii i akumulatorów. 9

2. Sortowanie, np. na baterie i akumulatory kwasowo-ołowiowe, niklowo-kadmowe i pozostałe. 3. Przetwarzanie poszczególnych rodzajów na odpowiednie frakcje materiałowe i recykling wyodrębnionych metali w instalacjach. W zależności od rodzaju ogniwa najczęściej stosuje się jedną z trzech metod odzysku: 1. Hydrometalurgiczna polega na odzysku materiałów w wyniku rozpuszczenia odpadów w kwasach bądź zasadach. Proces ten polega kolejno na: rozpuszczeniu odpowiednich frakcji odpadów, oczyszczeniu i zatężeniu otrzymanego roztworu oraz wydzieleniu czystych związków chemicznych. Zaletą tej metody jest to, że powstaje niewielka ilość odpadów wtórnych. 2. Mechaniczna polega na rozdrobnieniu odpadów w specjalnych młynach, a następnie na ich rozdzieleniu na frakcje (np. z wykorzystaniem elektromagnesów czy specjalnych sit do elementów plastikowych, papierowych i innych). 3. Termiczna polega na wytopieniu metali w specjalnych piecach i odzysku niektórych materiałów. Czy wiesz, że: W 2012 roku zebrano ok. 2 933 tony zużytych baterii i akumulatorów przenośnych. Osiągnięty poziom zbiórki wyniósł 29,10% przy wymaganym w 2012 roku poziomie zbierania 25% (GIOŚ). Chroń środowisko! Kupuj z głową! Przed zakupem sprawdź, czy nie posiadasz już baterii w domu. Korzystaj z akumulatorów. Akumulatory mogą być wielokrotnie ładowane, więc ograniczasz w ten sposób ilość baterii. Pamiętaj o bateriach ukrytych w różnych przedmiotach. Oddzielaj zużyte baterie i akumulatory od pozostałych odpadów. Regularnie odnoś zużyte baterie i akumulatory do specjalnych pojemników. Te znajdziesz m.in. w sklepach oraz szkołach. 10

6. Słowniczek pojęć AKUMULATOR (bateria wtórna) rodzaj ogniwa wtórnego, które dzięki mechanizmowi ładowania odzyskuje pierwotne właściwości. ANODA w ogniwie galwanicznym jest elektrodą ujemną, na której zachodzi proces utleniania, czyli oddawania elektronów. BATERIA ALKALICZNA (ogniwo alkaliczne) rodzaj ogniwa nieodnawialnego, jednakże o nieco szerszym zastosowaniu z uwagi na trwałość i moc. BATERIA PIERWOTNA rodzaj ogniwa nieodnawialnego (bez możliwości ładowania). ELEKTRODA w baterii i akumulatorach przenośnych stanowi rodzaj półogniwa stykającego się bezpośrednio z elektrolitem, przez który następuje przepływ elektronów. W wyniku procesów elektrochemicznych elektroda uzyskuje określony potencjał elektryczny (np. ujemny anoda lub dodatni katoda). ELEKTROLIT w ogniwie galwanicznym to substancja, która w roztworze wodnym przewodzi prąd elektryczny, np. kwasy, zasady. ELEKTRON cząstka elementarna o ujemnym ładunku elektrycznym. Stanowi jeden z elementów atomu. GALWANIZACJA elektrolityczna metoda wytwarzania powłok na różnego rodzaju metalach. Galwanizacja jest procesem wykorzystującym zjawiska elektrochemiczne, towarzyszące przepływowi prądu między elektrodami umieszczonymi w elektrolicie. JON atom lub zespół atomów obdarzony ładunkiem elektrycznym. Jony są nośnikami ładunku elektrycznego w elektrolicie. KATODA w ogniwie galwanicznym jest elektrodą dodatnią, na której zachodzi proces redukcji, czyli pobierania elektronów. METALE CIĘŻKIE pierwiastki chemiczne charakteryzujące się dużą gęstością, często także właściwościami toksycznymi. OGNIWO GALWANICZNE układ złożony z dwóch elektrod dodatniej (katody) i ujemnej (anody). ODPADY NIEBEZPIECZNE odpady, które ze względu na toksyczność, zakaźny charakter, radioaktywność, łatwopalność lub inne cechy stanowią zagrożenie dla ludzi i środowiska. ODZYSK ODPADÓW działania, niestwarzające zagrożenia dla życia, zdrowia ludzi lub dla środowiska, polegające na wykorzystaniu odpadów w całości lub części. Działania te 11

mogą też prowadzić do odzyskania z odpadów substancji, materiałów lub energii i ich wykorzystania. POZIOM ZBIÓRKI wyrażony w procentach, stosunek masy zużytych baterii przenośnych i zużytych akumulatorów przenośnych, zebranych w danym roku kalendarzowym, do średniej masy baterii przenośnych i akumulatorów przenośnych, wprowadzonych do obrotu w danym roku kalendarzowym oraz w dwóch latach poprzednich; (USTAWA z dnia 24 kwietnia 2009 r. o bateriach i akumulatorach). RECYKLING rodzaj odzysku, polegający na powtórnym przetwarzaniu substancji lub materiałów zawartych w odpadach w celu uzyskania substancji lub materiału o przeznaczeniu pierwotnym lub innym przeznaczeniu, także recykling organiczny, ale z wyjątkiem odzyskania energii. SELEKTYWNA ZBIÓRKA zbiórka i gromadzenie odpadów w oddzielnych i specjalnie przeznaczonych do tego pojemnikach. SKŁADOWANIE ODPADÓW polega na ich deponowaniu na wysypiskach (składowiskach). Składowanie odpadów oraz ich magazynowanie nie są pożądane z punktu widzenia ochrony środowiska i należy dążyć do ograniczenia ilości odpadów trafiających na wysypiska. SORTOWANIE ODPADÓW stanowi jeden z etapów odzysku/recyklingu, polegający na rozdzieleniu odpadów, wg materiałów, z których zostały wykonane. SPALANIE ODPADÓW termiczne przekształcanie odpadów, w celu zmniejszenia ich ilości na składowiskach, unieszkodliwienia, czy też wytworzenia energii cieplnej. WOLT jednostka napięcia elektrycznego, oznaczana skrótem V. WOLTOMIERZ przyrząd pomiarowy służący do mierzenia napięcia elektrycznego. 12

Bibliografia: K. Kawczyńska, Bateryjne ABC, Wyd. Zakład Gospodarki Komunalnej Organizacja Odzysku Biosystem S.A., Wydanie II poprawione 2014 A. Czerwiński, Akumulatory, baterie i ogniwa, Wyd. Komunikacji i łączności 2005 T. Chmielniak, Technologie Energetyczne, Wyd. WNT 2008 USTAWA z dnia 24 kwietnia 2009 r. o bateriach i akumulatorach (Dz. U. Nr 79, poz. 666) USTAWA z dnia 14 grudnia 2012 r. o odpadach. (Dz.U. 2013 poz. 21 z późn. zm.) ROZPORZĄDZENIE Ministra Środowiska z dnia 3 grudnia 2009 r. w sprawie rocznych poziomów zbierania zużytych baterii przenośnych i zużytych akumulatorów przenośnych. (Dz.U. 2009 Nr 215 poz.1671) DYREKTYWA 2006/66/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 6 września 2006 r. w sprawie baterii i akumulatorów oraz zużytych baterii i akumulatorów oraz uchylająca dyrektywę 91/157/EWG DYREKTYWA Parlamentu Europejskiego i Rady 2013/56/UE z dnia 20 listopada 2013r. zmieniająca dyrektywę 2006/66/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie baterii i akumulatorów oraz zużytych baterii i akumulatorów w odniesieniu do wprowadzania do obrotu baterii i akumulatorów przenośnych zawierających kadm przeznaczonych do użytku w elektronarzędziach bezprzewodowych i ogniwach guzikowych o niskiej zawartości rtęci oraz uchylająca decyzję Komisji 2009/603/WE. 13