Chemicus wil brandrisico lithium-ionaccu's tegengaan met silica in elektrolyten

De chemicus Gabriel Veith van het Oak Ridge National Laboratory stelt dat silica-nanodeeltjes in het elektrolyt het brand- en ontploffingsgevaar van lithium-ionaccu's kunnen inperken. Daarmee zou een belangrijk nadeel van dit type accu's deels worden weggenomen.

Tijdens het zomercongres van de American Chemical Society heeft Veith voorgesteld om silicapoeder te gebruiken om het elektrolyt in lithium-ionaccu's beter bestand te maken tegen brand. Silica, oftewel siliciumoxide, wordt toegevoegd aan het elektrolyt. Als een accu bijvoorbeeld een harde val maakt, zorgt het silica ervoor dat het elektrolyt verhardt. Daarmee wordt voorkomen dat de positieve en negatieve elektroden met elkaar in contact kunnen komen. Elektrolyt is de vloeistof die ervoor zorgt dat de ionen in een accu zich kunnen bewegen en er sprake is van een stroomvoorziening.

Om elektrolyten impact-bestendig te maken wil Veith perfect bolvormige deeltjes van siliciumoxide gebruiken met een homogene diameter van 200nm. In essentie is dat superfijn zand. Die deeltjes kunnen, doordat ze zo homogeen en klein zijn, goed door vloeibare, hedendaags gebruikte elektrolyten gemengd worden. Volgens de chemicus is de homogeniteit van de deeltjes cruciaal, omdat de vloeistof van het elektrolyt anders minder stroperig wordt. Bij een impact klonteren de silicadeeltjes samen, waardoor ze de beweging van ionen en het vloeistof blokkeren.

Volgens de chemicus vergt het toevoegen van silica slechts een kleine aanpassing van het conventionele hedendaagse fabricageproces van accu's. Dat maakt het in theorie een relatief goedkope manier om brandveiligere accu's te produceren. Hij stelt voor om bij de productie eerst het silica aan te brengen en pas daarna het elektrolyt toe te voegen. Als het poeder namelijk door het elektrolyt wordt gemengd, wordt het elektrolyt meteen vast als het in de accu wordt gespoten. Veith heeft een octrooi aangevraagd op deze fabricagetechnologie.

Er zijn al andere laboratoria die enigszins vergelijkbare toepassingen met silica hebben bestudeerd; daarbij zijn onregelmatige gevormde of staafvormige silicadeeltjes gebruikt. Veith denkt dat het wellicht eenvoudiger is om zijn sferische deeltjes te maken. Bovendien denkt hij dat zijn deeltjes sneller reageren bij een impact en dus meer stopping power hebben. Wetenschappers werken ook al langer aan de ontwikkeling van solidstateaccu's, waarbij geen vloeistoffen worden gebruikt. Die zijn daardoor veiliger en hebben ook hogere energiecapaciteiten, maar vooralsnog is het lastig om dit type accu's goedkoop en op grote schaal te maken.

Brandgevaar ligt bij lithium-ionaccu's in theorie altijd op de loer als ze een impact krijgen te verduren, bijvoorbeeld bij een beschadiging of als ze niet goed zijn verpakt. Als daardoor de anode en de kathode contact met elkaar maken, ontstaat kortsluiting. De temperatuur kan dan snel oplopen waardoor het elektrolyt vlam kan vatten. De temperatuur wordt dan alsmaar hoger, waarna de accu zelfs kan exploderen omdat de druk te hoog wordt. Een ontwerpfout van de accu's van de Samsung Note 7-smartphone leidde bijvoorbeeld tot relatief veel telefoons die vlam vatten.

Veith kwam op dit idee toen hij met zijn kinderen in de keuken aan het spelen was met maizena en water. Deze suspensie van zetmeel in water wordt ook wel oobleck genoemd. In een rusttoestand is de stof vloeibaar, maar zodra je het oppervlak waar de stof op ligt klappen geeft, wordt het een vaste stof door de toenemende druk. Er kunnen bijvoorbeeld heel goed balletjes van gekneed worden, maar in rust wordt het weer vloeibaar.

Uiteindelijk wil hij zijn systeem doorontwikkelen zodat alleen het beschadigde deel van een accu hard wordt, terwijl de rest van de accu gewoon blijft werken. De onderzoeker en zijn team willen deze accutechnologie in eerste instantie toepassen in drones, maar uiteindelijk zien ze ook mogelijkheden voor de automarkt. Tevens denkt Veith op basis van de toevoeging van silica grotere batterijen te kunnen maken die zo sterk zijn dat ze als kogelwerend vest kunnen dienen. Dat kan volgens hem het gewicht dat soldaten op een missie moeten meeslepen aanzienlijk beperken, omdat dan het meesjouwen van aparte, extra batterijen niet meer nodig is.

Reacties (44)

[burne]

Misschien is het een idee om vooraf even na te denken over wat 200nm glasbolletjes doen als ze in het milieu terecht komen. Het zal niet het eerste nanodeeltje zijn wat voor ongewenste effecten zorgt.

[Jelle E]

In het algemeen reageert het lichaam niet al te best op zeer fijne silicaten https://nl.m.wikipedia.org/wiki/Silicose. Al zal de mate van blootstelling er ook zeker mee te maken hebben.

[Reactie gewijzigd door Jelle E op 25 juli 2024 00:51]

[Stoney3K]

Dan heb je het ook over verstoven silica wat je kan inademen.

Dat is een heel verschil met de 'natte' silica die door een elektrolyt is gemengd en er dus niet zomaar uit kan.

Overigens bestaat silicapoeder van 0,2 micron in de natuur gewoon, dat noemen we in de volksmond 'klei'.

[Jelle E]

Zeker waar. Maar het zal ergens als droog fijnstof gewonnen en verwerkt moeten worden voor gebruik in accu's. Dan volstaat een handje lutum uitsmeren niet

Asbest is overigens ook geheel natuurlijk

[Reactie gewijzigd door Jelle E op 25 juli 2024 00:51]

[Stoney3K]

Dat lijkt me dan ook een lokaal probleem in het productieproces en geen algemene milieu-kwestie waar we ons druk over moeten maken als iemand in 2024 zijn Tesla Model 5 in de prak rijdt.

[Jelle E]

Er zit dan inderdaad meer dan genoeg in accu's wat een aanleiding zal geven tot bodemsanering bij een ongeval. Silica zal dat inderdaad niet zijn.

[Hulliee]

Volgens mij liggen de stranden er al vol mee.

[NSG]

200nm = 0,0002mm

Volgens wiki is “very fine sand” 0.62mm. Enorm verschil dus!

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Grain_size

[Valen_76]

Moet je wel de juiste regel uit de tabel halen. Factor 10 kleiner dan je schrijft. Maar OK nog geen 200nm.
Krumbein phi scale:
4 to 3 phi 62.5–125 µm 0.0025–0.0049 in Very fine sand


ISO 14688-1:2002 :
Fine sand FSa 0.063–0.2 (mm) 0.0024803–0.0078740 (inch)

[Yalopa]

Is dat -kort door de bocht- geen soort zand?

[[Remmes]]

Een soort van.. maar dan flink wat kleiner.

[spyro]

Een hele goede vraag. Aanvankelijk dacht ik; het is silica, SiO2 = zand, dus niets aan de hand. Dat is een van de meest voorkomende stoffen op aarde (wiki; 12%). Maar de chemische reactiviteit is niet wat het gevaarlijk kan maken, het is juist de fysieke vorm ervan, en daar gaat het hier om, kleine nano-bolletjes. Elders lees ik dat juist fijn verdeeld amorf silica, mogelijk kankerverwekkend is. Dat is dus net als met asbest; het is daar de fijne vezelstructuur die kanker tot gevolg hebben, en waarschijnlijk niet de chemische samenstelling. Waarschijnlijk is het bij SiO2 vooral gevaarlijk in de droge vorm, bij inademen, net als bij asbest. Maar desalnietemin dus niet iets om zo maar terzijde te schuiven louter omdat het chemisch gezien zand is.

[Reactie gewijzigd door spyro op 25 juli 2024 00:51]

[beerendlauwers]

Bedoel je als de batterij toch wordt doorboord? Want dat is sowieso desastreus. De geproduceerde rook is zeer schadelijk. Permanente longschade en levenslang steroïden nemen om het allemaal wat te managen.

[Reactie gewijzigd door beerendlauwers op 25 juli 2024 00:51]

[burne]

Waar zou fluor vandaan moeten komen? Er zit geen fluor of fluorverbindingen in een Lithium accu.

Maar zelfs als ze goed gerecycled worden zal een deel in het milieu terecht komen en daar hun inhoud verspreiden. En nanodeeltjes zijn vaak problematisch.

[beerendlauwers]

Je hebt gelijk, ik heb de bron waar ik het van had vernomen verkeerd geïnterpreteerd. Ik heb de post aangepast.

Bron was deze post (die ook op zich naar de oorspronkelijke berichten linkt): https://www.reddit.com/r/...a_hover_board_out/e4p25n5

[Orion64]

Lijkt me wel meer gewicht per capaciteit van de batterij, aangezien de silica nanodeeltjes waarschijnlijk niets met elektronen doen, niet zo handig, meer gewicht.

[Maurits van Baerle]

Het silica neemt de plaats in van een beetje electrolyt. Het zou dus om het verschil in soortelijk gewicht tussen die twee gaan. Ik weet niet welk van de twee zwaarder is maar het zou dus zelfs kunnen gebeuren dat batterijen minder gaan wegen door silica door het electrolyt te mengen.

Het echte nadeel is dat een batterij dus ietsje minder capaciteit krijgt aangezien een silica bolletje op de plek zit waar anders electrolyt had gezeten.

[Orion64]

'het echte nadeel ... ietsje minder capaciteit' is toch hetzelfde als dezelfde capaciteit met meer gewicht?

[Gamerstijn]

Toch zou je liever de keuze voor het lagere gewicht kiezen als beide opties op dezelfde rijafstand uitkomen.

[Orion64]

Geen idee hoeveel het gewicht en de actieradius elkaar wederzijds beïnvloeden. Beetje te weinig gegevens ook. Does not compute...

[spyro]

Niet alleen gewicht, ook volume. Dus capaciteit van de accu gaat omlaag.

[Orion64]

Het gaat inderdaad om het gewicht per volumeeenheid. Nam ook aan dat per volumeenheid de capaciteit omlaag zou gaan.

[Aardedraadje]

Wat zou dit doen met de levensduur van een batterij op lange termijn? Ik kan me voorstellen dat door diffusie of andere processen, zoals trillingen, de silica deeltjes langzaam alsnog samenklonteren en uitharden en zo de energievoorziening stopzetten.

[DropjesLover]

Dat en dat het ook fijn zou zijn als na een schok het scillica-klontje weer uiteen valt en je je elektronica nog kan gebruiken. Aangezien accu's zo makkelijk te vervangen zijn tegenwoordig...
Daarnaast is het ook een afweging, hoe groot is het risico cq de benodigde schok op kortsluiting/ontbranding/ontploffing vergeleken met het "bricken" van je accu?

[Knijper1962]

Maar als het silicaklontje weer uiteenvalt na verloop van tijd, en de anode en kathode laten nog steeds een kortsluitstroom lopen, kan er, ZONDER NIEUWE SCHOK, misschien wel weer opnieuw brand -of ontploffings(deflagratie) gevaar ontstaan. Dan zou het nieuwe truukje alleen maar uitstel geven. Daar is het natuurlijk niet om te doen, want dat zou een vals gevoel van veiligheid creëren.

[Stoney3K]

Maar als het silicaklontje weer uiteenvalt na verloop van tijd, en de anode en kathode laten nog steeds een kortsluitstroom lopen, kan er, ZONDER NIEUWE SCHOK, misschien wel weer opnieuw brand -of ontploffings(deflagratie) gevaar ontstaan.

Op het moment dat het klontje uit elkaar valt en er een kortsluitstroom kan lopen, loopt de druk weer op en wordt de silica weer massief, wat de stroom onderbreekt, en er in principe geen lading meer in de batterij achter blijft.

Kortsluiten van de batterij betekent dus dat het ding (letterlijk!) een baksteen wordt.

[Step5]

Ik denk dat het de bedoeling is dat er bij impact juist (bijna) niks vervormd en dat zodra het geheel weer rustig is, alles weer vloeibaar kan worden want de anode en kathode zijn nooit bij elkaar in de buurt gekomen en gaan dat ook niet meer doen. Theoretisch dan want randgevallen zul je wel houden.

[Keef]

Het effect treedt mogelijk alleen op in de gevallen waar het normaal gesproken waarschijnlijk mis gegaan zou zijn. Hiermee zou je dus, ongeacht de moeilijkheidsgraad van het vervangen, de accu wel kunnen vervangen, waar normaal je device in rook op gegaan was.

[DexterDee]

In theorie klinkt het handig en veilig, maar in de praktijk kunnen we wel wat haken en ogen aanzitten. Hoeveel G-krachten zijn benodigd om de silica deeltjes aan elkaar te laten klonteren? Met andere woorden, als ik m'n telefoon laat vallen, valt dan de accu uit om nooit meer opgeladen te kunnen worden? Dat wordt een duur geintje. En een hele nieuwe volkssport, happy slapping op broekzakken van argeloze voorbijgangers.

[Maurits van Baerle]

Bij dit soort non-Newtoniaanse vloeistoffen gaat het om een tijdelijk iets. Als het een seconde na de val weer vloeibaar is maakt het dus niets uit voor de lange termijn. Mijn vraag is voornamelijk wat er gebeurt tijdens die seconde, valt de spanning of de stroom die zo'n batterij levert tijdelijk weg? Dan zou het dus kunnen gebeuren dat je telefoon reboot dankzij een val, op zich een overkomelijk probleem.

[Moosenl]

Denkt, zou, volgens...
Alleen maar speculaties en geen werkend model.
Laat eerst maar eens wat zien.

[Mignol]

Met zand als non-Newtoniaanse vloeistof een kogelwerend vest maken. Dat klinkt vergezocht. Er bestaat al jaren een soort kunststof als bescherming voor stuntmensen, dat tijdelijk hard wordt bij een stoot of val. Dat maakt het echter nog niet kogelwerend.
Ik weet niet hoeveel zand er nodig is voor een non-Newtoniaanse vloeistof, maar zand kan vederlicht zijn. Een grote zak met fumed silica weegt vrijwel niets.

Wanneer een apparaat goed is gebouwd, dan heeft de accu nauwelijks last van mechanische druk die het zou kunnen samenpersen. Alle andere onveilige dingen (warmte en kou en opladen) blijven onveilig.

Dat lithium accu's in de brand kunnen vliegen heeft vooral met de kwaliteit van de accu's te maken. Als de dure accu's nog beter worden, en de goedkope accu's even slecht blijven, dat verandert er vrijwel niets. Er zouden regels kunnen komen dat het voor alle accu's verplicht wordt, dan heeft het pas zin.

Als er toch regels zouden komen, waarom dat niet meteen alle Li-ion en Lipo accu's verbieden en voortaan alleen nog maar LiFePO4 accu's gebruiken. En dan hopen dat over 10 of 20 jaar er iets beters komt.

[Reactie gewijzigd door Mignol op 25 juli 2024 00:51]

[letatcest]

In het artikel wordt de niet-newtonse (of newtoniaanse) vloeistof oobleck genoemd, maar dat is een titel van een kinderspeelboek (of zo).

Het blijft trouwens tof om dat proefje te doen, ongeveer 1 deel water en 2 delen maïzena en als je er vervolgens met een vork of zoiets in wil prikken met hoge snelheid, dan kom je er niet door, terwijl je de vork er wel rustig in kunt laten zakken

Je kunt er natuurlijk ook een zwembad mee vullen en eroverheen rennen.

Of in een batterij stoppen en zo met een ander, niet organisch, materiaal een vergelijkbaar effect verkrijgen.

[spyro]

Dat deden ze bij mythbusters al eens. Ziet er gaaf uit.

[Sk313t0r]

Deze niet-newtonse vloeistof wordt in de volksmond Oobleck genoemd en is vernoemd naar groene vloeistof uit het boek Bartholomew and the Oobleck van Dr. Seuss.

[letatcest]

Ik had er nog nooit van gehoord op die manier. Ook niet toen ik voor een experiment bij NEMO met de UvA samenwerkte om een renbaan van maizena-vloeistof te maken. Ik kende alleen niet-newtonse vloeistof. Beetje jammer dat alles weer naar een kinderspeelgoednaam moet

[DeKoeDoeMoe]

Volgens een NOVA documentaire staan er anderen toch pak verder: cfr: https://www.youtube.com/watch?v=m9-cNNYb1Ik

[Mignol]

Is die video echt of fake? Die video bevat wel erg veel manieren om fake te zijn. Op 1:55 zie je dat de voet van de ledlamp een grote zwarte doos is. Daar past een flinke batterij in. Waarom wordt überhaupt zo'n rare led lamp gebruikt?

[Reactie gewijzigd door Mignol op 25 juli 2024 00:51]

[Drazi]

Het omgekeerde proces, liquefaction geheten, bestaat ook, waarbij een met vloeistof verzadigde los gestapelde vaste stof door trillingen zijn stevigheid verliest en het geheel zich tijdelijk als een vloeistof gaat gedragen. Dit fenomeen is voornamelijk bekend als soil liquefaction (bodem vervloeiing) na aardbevingen.

[matroosoft]

Als dit goed werkt is het een belangrijke vinding voor de toekomst met elektrische auto's. Als je bijvoorbeeld naar Tesla kijkt, die doet er alles aan om de accu's zo veilig mogelijk te houden (brandvertragend schuim als isolatie, koeling, automatisch unplug bij impact).

Maar nog steeds vatten de accu's vlam als de auto met hoge snelheid over een voorwerp rijd en de bodemplaat beschadigd raakt. De bestuurder krijgt dan direct een melding om uit te stappen en het brandvertragende schuim heeft tot nu ervoor gezorgd dat bestuurders veilig konden wegkomen, maar als een bestuurder onwel raakt kan dat onveilige situaties veroorzaken. Met de huidige generatie lithium-ion batterijen is dit het vlamvatten bij doorsnijden eenvoudigweg niet te voorkomen. Daarvoor zou dit een geweldige oplossing zijn!