DE69105962T2

DE69105962T2 - Messeinrichtung und -verfahren zum sortieren gebrauchter batterien und akkumulatoren.

Info

Publication number: DE69105962T2
Application number: DE69105962T
Authority: DE
Inventors: Trong Nguyen; Michel Schwab; Xuan Mai Tu; Jean Wiaux
Original assignee: Detra SA; Titalyse SA
Current assignee: Detra SA; Titalyse SA
Priority date: 1990-03-27
Filing date: 1991-03-27
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2011-03-28
Also published as: ES2069882T3; WO1991015036A1; CA2079219A1; ATE115776T1; DE69105962D1; US5429889A; AU7566491A; EP0521990A1; EP0521990B1

Description

Aufgrund ihrer bequemen Verwendung und auch aufgrund der Zunahme an tragbaren elektrischen und elektronischen Geräten haben die Batterien und sogenannten wiederaufladbaren Akkumulatoren einen bedeutenden Platz im täglichen Leben der Haushalte eingenommen.
Diese Batterien oder Akkumulatoren sind Vorrichtungen zur Speicherung und Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie. Angesichts ihres stark schwermetallhaltigen chemischen Inhalts haben diese Batterien und Akkumulatoren am Ende ihrer Lebensdauer einen Nachteil: Sie sind im Hausmüll unerwünscht und erfordern eine spezielle Aufbereitung, um alle toxischen Bestandteile zu entfernen.
Im Bereich der Aufbereitung der verbrauchten Batterien und Akkumulatoren müssen die ins Auge gefaßten Verfahren drei besonderen Aspekten des Problems begegnen:
- Quantitativer Aspekt: Der Markt für Batterien und Akkumulatoren expandiert ständig. Zur Zeit wird der Aufbereitungsbedarf auf 100 Tonnen Batterien und Akkumulatoren pro Jahr und Million Einwohner geschätzt. Dabei bedeutet eine Tonne Batterien oder Akkumulatoren im Durchschnitt 20.000 bis 22.000 Stück. Diese Aufbereitungskapazität müßte bis zum Jahr 2000 um den Faktor 3 erhöht werden.
- Qualitativer Aspekt: Eine hierunter aufgeführte Aufstellung des Gehaltes an Schwermetallen der verschiedenen gebräuchlichen Batterien und Akkumulatoren erlaubt es, die Komplexität der chemischen Beschaffenheit des Aufbereitungsproblems sichtbar zu machen. Kohle-Zink-Element Alkalizelle Quecksilberbatterie Silberbatterie Zink-Luft-Batterie Ni-Cd-Akkumulator
Zur Zeit haben die Kohle-Zink-Elemente und Alkalizellen einen Marktanteil von 97%, die Ni-Cd-Akkumulatoren schwanken zwischen 0,5% und 2%. Es wird jedoch eine Steigerung der letzteren bis zu 5% in 3 bis 5 Jahren erwartet.
- Aspekt Reinheit: Ein Verfahren zur Aufbereitung von verbrauchten Batterien und Akkumulatoren kann technisch und ökonomisch nur erwogen werden, wenn die sich ergebenden Produkte wieder in ihrer ursprünglichen Weise in Umlauf gebracht werden können. Die Werteinschätzung dieser Recycling-Produkte ist direkt mit ihrem Reinheitsgrad verbunden.
Verschiedene Verfahren zur Aufbereitung von verbrauchten Batterien und Akkumulatoren sind entwickelt worden. Die verwendete Technik ist entweder Aufbereitung auf thermischem Weg oder auf nassem Weg mittels Elektrolyse. In beiden Techniken kann minimale Reinheit der wiederaufbereiteten Produkte nur bei Abwesenheit, oder Anwesenheit einer minimalen Menge, der Fremdelemente erreicht werden. Beispielsweise erlauben die für die Wiederaufbereitung von Ni-Cd-Akkumulatoren entwickelten thermischen oder elektrolytischen Verfahren nur 1% Zink enthaltende Elemente (Alkalizellen oder Kohle-Zink-Elemente). Im anderen Fall sind für das thermische Verfahren, das auf die Alkalizellen oder auf Kohle-Zink-Elemente angewandt wird, nur 1% cadmiumhaltiger Akkumulatoren akzeptabel.
Bei dem Problem der Aufbereitung der verbrauchten Batterien und Akkumulatoren, die von den privaten Haushalten stammen, ist eine selektive Sammlung nach Beschaffenheit der Batterien oder Akkumulatoren schwierig, wenn nicht unmöglich. Ein Verfahren zum Sortieren dieser gesammelten Batterien oder Akkumulatoren ist also für die folgenden Aufbereitungsverfahren von entscheidender Bedeutung.
Die vorliegende Erfindung hat daher eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Analyse verbrauchter Batterien und Akkumulatoren zum Gegenstand, um deren Sortierung nach ihrer chemischen Beschaffenheit zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erlauben es, verbrauchte Batterien und Akkumulatoren zu sortieren, wie auch immer ihr Zustand und ihre Beschaffenheit sein mag, und zwar schnell, zuverlässig und wirtschaftlich.
Mehrere Möglichkeiten kommen in Betracht, um die chemische Beschaffenheit einer verbrauchten Batterie oder eines Akkumulators zu bestimmen, beispielsweise die Messung der Dichte. Ein Kohle-Zink-Element hat nämlich eine Dichte von ungefähr 1 9 g/cm³, eine Alkalizelle (Zn-MnO&sub2;) von 3,0 g/cm³ und ein Ni-Cd-Akkumulator von 3,6 g/cm³. Diese Dichteunterschiede sind, obwohl theoretisch deutlich ausgeprägt leider in der Praxis viel geringer und in gewissen Fällen sind diese Werte vollkommen umgekehrt. Wenn nämlich eine Batterie oder ein verbrauchter Akkumulator an einem ungeschützten Ort gelagert wird, kann seine Dichte nach langer Zeit aufgrund der Probleme Feuchtigkeitsaufnahme, Austreten von Elektrolyt oder Korrosion in weiten Grenzen variieren. Aus diesem Grund ist die Messung der Dichte einer Batterie oder eines Akkumulators kein zuverlässiges Mittel, um seine chemische Beschaffenheit zu bestimmen.
Die Beschaffenheit einer Batterie oder eines Akkumulators kann ebenfalls durch Analyse der im Inneren enthaltenen Elemente bestimmt werden. Diese Analyse ist durch Röntgenstrahlfluoreszenz möglich. Dieses Verfahren ist relativ zuverlässig, aber kostspielig und erfordert eine relativ lange Meßdauer, was es aus ökonomischen Gründen unanwendbar macht.
Um den vorgenannten Nachteilen Abhilfe zu schaffen, schlägt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Beschaffenheit verbrauchter Batterien oder Akkumulatoren vor, das auf der Analyse der ferromagnetischen Eigenschaften der in der Batterie oder dem Akkumulator enthaltenen Elemente beruht.
Die Erfindung wird bei Lektüre der folgenden Beschreibung besser verständlich werden, die sich auf die beigefügte Zeichnung bezieht. Es zeigen:
- Fig. 1.a, 1.b und 1.c Schnitte eines Kohle-Zink-Elementes, einer Alkalizelle und eines Ni-Cd-Akkumulators,
- Fig. 2 die erfindungsgemäße Meßvorrichtung,
- Fig. 3 Spannungscharakteristiken der Meßvorrichtung der Fig. 2,
- Fig. 4 Frequenzgänge der Meßvorrichtung der Fig. 2.
Fig. 1.a stellt den Schnitt durch ein Kohle-Zink-Element dar, das einen Mantel 1 aus Stahl oder Kunststoff oder Papier aufweist, eine Anode 2 aus Zink, eine Scheidewand 3 aus porösem Kunststoff, eine Kathodenmasse 4, bestehend aus einem Gemisch aus Manganoxid- und Kohlenstoffpulver mit einem Elektrolyten, einen Kathodenstromkollektor 5 aus Graphit.
Fig. 1.b stellt den Schnitt durch eine Alkalizelle dar, die einen Mantel 6 aus Stahl aufweist, eine Anodenmasse 7, bestehend aus einem Gemisch von Zinkpulver mit einem Elektrolyten, eine Scheidewand 8 aus porösem Kunststoff, eine Kathodenmasse 9, bestehend aus einem Gemisch von Manganoxidpulver und Kohlenstoff mit einem Elektrolyten, einen Anodenstromkollektor 10 aus Messing.
Fig. 1.c stellt den Schnitt durch einen Ni-Cd-Akkumulator dar, der einen Mantel 11 aus vernickeltem Stahl aufweist, die Anoden 12 in Form eingerollter Cadmiumfolien, die Scheidewände 13 aus porösem Kunststoff, die Kathoden 14 aus Nickelfolie, imprägniert mit einem Gemisch aus Nickeloxidpulver und einem Elektrolyten.
Wie leicht zu sehen ist, besteht der Inhalt der Batterien auf Zink-Basis (Kohle-Zink-Element und Alkalizelle) aus sogenannten nicht-ferromagnetischen Elementen. Im Fall eines Ni-Cd-Akkumulators beruht die ferromagnetische Eigenschaft des Inhalts auf der Anwesenheit der Bestandteile auf Nickelbasis. Dadurch unterscheidet sich unter Berücksichtigung der Stahlmasse des Mantels die ferromagnetische Masse der Batterien auf Zinkbasis stark von der der Ni-Cd-Akkumulatoren.
Fig. 2 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung dar. Die Erregerwicklung 17 erzeugt, gespeist von einer veränderlichen Spannungsquelle 16, einen veränderlichen magnetischen Fluß, der die Masse der zu analysierenden Batterie oder des zu analysierenden Akkumulators 15 durchfließt. Dieser veränderliche Fluß wird durch einen Induktionsaufnehmer 18 aufgenommen, der mit den Verarbeitungsmitteln 19 und 20 verbunden ist. Das Verarbeitungsmittel 19 besteht aus einem oder mehreren Spannungsverstärkern, die es erlauben, den Betrag der Spannung C am Ausgang des Induktionsaufnehmers der Eingangsspannung F des Verarbeitungsmittels 20 anzupassen. Das Verarbeitungsmittel 20 besteht aus einem oder mehreren aktiven oder passiven Filtern, die es erlauben, die unerwünschten Interferenzen zu unterdrücken, die vom Aufnehmer 18 stammen.
Diese Meßvorrichtung liefert am Ausgang der Verarbeitungsmittel ein Signal S, dessen Amplitude von der ferromagnetischen Masse der zu analysierenden Batterie oder des zu analysierenden Akkumulators 15 abhängig ist. Die Analyse der Amplitude des Signals S ermöglicht also, die chemische Beschaffenheit der zu analysierenden Batterie oder des zu analysierenden Akkumulators zu bestimmen. Natürlich kann die Spannung des Signals S durch eine Software-Verarbeitung kodiert werden, um zur Steuerung einer elektropneumatischen oder elektromechanischen Vorrichtung, hier nicht dargestellt, verwendet zu werden, die die Batterien oder Akkumulatoren dem Signal S entsprechend ihrer Beschaffenheit nach trennt.
Fig. 3 stellt ein Beispiel der Amplitude des Signals S in Abhängigkeit von der Amplitude der Speisespannung U in der Erregerwicklung 17 dar. In dieser Figur stellt die Kurve a die Charakteristik S einer ersten Alkalizelle (Zn- MnO&sub2;) dar, die Kurve b die einer zweiten Alkalizelle anderer Marke und die Kurve c die Charakteristik eines Ni-Cd-Akkumulators. Bei Anlegen einer Erregerspannung U1 in der Größenordnung von 7 Volt erlaubt die Charakteristik S, die erste Alkalizelle vom Ni-Cd-Akkumulator leicht zu unterscheiden. Dagegen muß zur Unterscheidung der zweiten Alkalizelle vom Ni-Cd-Akkumulator eine Erregerspannung U2 in der Größenordnung von 20 Volt angelegt werden. In einem derartigen Fall ist die Analyse nur zuverlässig, wenn die Meßvorrichtung zwei verschiedene Spannungsbeträge an die Erregerwicklung 17 anlegen kann.
Die Fig. 4 stellt die Variation der Amplitude des Signals S als Funktion der Frequenz f der Erregerspannung U dar, die an die Wicklung 17 angelegt wird, wobei in diesem Fall die E rregerspannung U konstant bei 10 Volt gehalten wird. In dieser Figur stellt die Kurve d den Frequenzgang S einer Alkalizelle dar und die Kurve e den eines Ni-Cd-Akkumulators. Wie zu sehen ist, ist die Unterscheidung zwischen der Alkalizelle und dem Ni-Cd- Akkumulator durch Messung der Amplitude des Signals S bei einer Erregerfrequenz f1 in der Größenordnung von 500 Hz möglich.
Diese Beispiele zeigen, daß zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Analyse die beiden Charakteristiken des Signals S, in Funktion der Frequenz bzw. der Amplitude der Erregerspannung, kombiniert werden können. Es ist möglich, in diesem Fall in die Meßvorrichtung zwei oder mehrere Erregerwicklungen 17 aufzunehmen und nacheinander an diese beiden Erregerwicklungen zwei verschiedene Spannungsbeträge U mit zwei verschiedenen Frequenzen anzulegen.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung ferromagnetischer Eigenschaften verbrauchter Batterien oder Akkumulatoren, mit einer Erregerwicklung (17), einem Induktionsaufnehmer (18) und Verarbeitungseinrichtungen (19, 20), wobei die Erregerwicklung eine oder mehrere Spulen enthält, die durch mindestens eine veränderliche Spannungsquelle gespeist werden, wodurch ein Feld erzeugt wird, das durch den ferromagnetischen Körper der zu analysierenden Batterie oder Akkumulators (15) verläuft, und mit dem Induktionsaufnehmer (18) gekoppelt ist, wobei die Spannungsquelle(n) so ausgebildet ist (sind), um zumindest zwei verschiedene Spannungsamplituden gleicher Frequenz und/oder zumindest zwei verschiedenen Frequenzen gleicher Spannungsamplitude auf die Erregerwicklung zu bringen, wobei die Verarbeitungseinrichtungen ein Ausgangssignal als Funktion der Eigenschaft und des ferromagnetischen Körpers der Batterie oder des Akkumulators liefern.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktionsaufnehmer eine oder mehrere Spulen aufweist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktionsaufnehmer eine Hall-Sonde aufweist.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungs einrichtungen zumindest einen Spannungsverstärker (19) und/oder einen Filter (20) aufweisen.

5. Sortiergerät für verbrauchte Batterien und Akkumulatoren mit mindestens einer Batterie-Sortiervorrichtung, die durch das Ausgangs-Signal einer Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gesteuert wird.

6. Meßverfahren unter Verwendung der Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Erregerwicklung mindestens zwei verschiedene Spannungs amplituden gleicher Frequenz gebracht werden.

7. Meßverfahren unter Verwendung der Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Erregerwicklung mindestens zwei verschiedene Frequenzen gleicher Spannungsamplitude gebracht werden.

8. Sortierverfahren für verbrauchte Batterien oder Akkumulatoren unter Verwendung der Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal durch eine Verarbeitungs-Logik kodiert wird, um den Befehl zumindest einer Sortiervorrichtung für verbrauchte Batterien oder Akkumulatoren zuzuführen.