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New Electrolyte Rezept hält Lithium-Ionen-Batterien vor dem Fangen Feuer
Aug 24, 2018

Wissenschaftler fanden Inspiration in Maisstärke und Wassermischung, die in wissenschaftlichen Demos verwendet werden.


Quelle: https: //arstechnica.com

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Vergrößern / Das Hinzufügen von pulverförmigem Siliziumdioxid zum Elektrolyten, der in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, verhindert, dass diese Feuer fangen

 

Explodierende Lithium-Ionen-Batterien können bei Flügen mit Fluggesellschaften oder in Abfallentsorgungseinrichtungen verheerende Schäden anrichten , nachdem die Menschen ihre alte Elektronik in den Müll geworfen haben. Jetzt haben Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ein neues chemisches Rezept entwickelt, das das Problem bekämpfen könnte.

Eine Lithiumbatterie hat zwei Elektroden, die durch eine dünne Kunststofffolie getrennt und in einen flüssigen Elektrolyten getaucht sind - das ist ein chemisches Medium (normalerweise ein brennbares Lithiumion-Fluid), das den Ladungsfluss zwischen einer Lithium-Ionen-Kathode und einer Kohlenstoff-Anode ermöglicht. Wenn diese dünne Plastikfolie bricht (zum Beispiel wegen zu viel Drängen im Laderaum eines Flugzeugs), können sich die Elektroden zusammenschließen, wodurch die Batterie kurzgeschlossen wird. Dies erzeugt Wärme, die den flüssigen Elektrolyt entzünden kann, und Boom! Sie haben ein kleines Feuer im Laderaum.

Aus diesem Grund verbietet die FAA alles, was Lithium-Ionen-Batterien im aufgegebenen Gepäck enthält. Allein im Jahr 2017 meldete die Agentur 46 Vorfälle von explodierenden Batterien in Flugzeugen.

Nicht brennbare Festelektrolyte könnten das Problem lösen, aber der ORNL-Physiker Gabriel Veith sagt, dass dies eine erhebliche Überholung des Produktionsprozesses für Lithium-Ionen-Batterien erfordern würde, eine beträchtliche Kapitalinvestition, die die Hersteller vielleicht nicht wünschen würden. Deshalb erforschen er und seine Kollegen Wege, das herkömmliche Elektrolyt-Rezept zu optimieren.

Bei der dieswöchigen Tagung der American Chemical Society in Boston sagte Veith, er habe eine Inspiration für eine Feinabstimmung gefunden, während er seinen Kindern eine Mischung aus Maisstärke und Wasser vorstellte, die im Volksmund "Oobleck" genannt wird.

Der Spitzname ist eine Anspielung auf Dr. Seuss Kindergeschichte, Bartholomew und der Oobleck , in der ein magischer Zauber, der schief gegangen ist, dazu führt, dass klebriges Grünzeug vom Himmel herab regnet. Das reale Erdloch ist ein Beispiel für eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit. Isaac Newtons Definition einer idealen Flüssigkeit ist eine, in der die Viskosität (wie viel Reibung oder Widerstand es gibt zu fließen) hauptsächlich von Temperatur und Druck abhängt. Das heißt, Wasser fließt auch dann, wenn Sie eine Scherkraft durch Rühren oder Mischen anwenden.

Bei nicht-Newtonschen Flüssigkeiten wie Oobleck ändert sich jedoch die Viskosität als Reaktion auf eine Scherkraft. Zu Beginn sind die Partikel in der Substanz (in diesem Fall ein Kolloid, in dem Maisstärkekörner in Wasser suspendiert sind) lose verbunden, aber jeder scharfe Einfluss bewirkt, dass sich die Bindungen verstärken, so dass die Partikel einrasten. Schlagen Sie eine Schüssel Oobleck, und es verhärtet sich zu einem festen, wieder erweichen, wie die Energie zerstreut.

Technisch gesehen handelt es sich um eine Flüssigkeit, die die Scherkräfte verdickt, wie sie in prototypischen kugelsicheren Westen verwendet wird, oder um die " intelligente Rüstung ", die erstmals von kanadischen Skifahrern bei den Olympischen Winterspielen 2006 getragen wurde. Veith erkannte, dass diese Eigenschaft in einer Elektrolytlösung von unschätzbarem Wert sein könnte, die sich bei einem Aufprall verfestigen und ein Berühren der beiden Elektroden verhindern würde.

Das Rezept ist einfach: Hängen Sie nur kugelförmige Silica-Nanopartikel in den üblichen flüssigen Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien auf, und Sie sind fertig. Der schwierige Teil besteht darin sicherzustellen, dass alle Nanopartikel die gleiche Größe haben (200 Nanometer im Durchmesser); ansonsten hat es den gegenteiligen Effekt und die Flüssigkeit wird beim Aufprall weniger viskos (eine scherverdünnende Flüssigkeit). "Und das ist schlecht", sagte Veith. (Wiederum Ka-Boom.) Es gibt einen kleinen Kompromiss in Bezug auf die reduzierte Batteriekapazität und das langsamere Laden, aber ansonsten ist die Leistung vergleichbar mit der aktuellen Generation von Lithium-Ionen-Batterien. Und es wird nur eine kleine Modifikation des Produktionsprozesses erfordern.