Lithium verbrennen - Druck berechnen?

[MarioAudi]

Hallo miteinander

mich würde interessieren, wie man den Druck berechnen kann, der bei der Verbrennung von Lithium entsteht.

Also Volumen ist konstant und enthält X Gramm Lithium. Könnt ihr mir sagen, wie man den Druck berechnet, der nach der vollständigen Verbrennung vor liegt?

VG Mario

[mgritsch]

In der Kürze der Angabe schwer zu sagen was alles mit angenommen ist
Isotherm (nach vollständige Verbrennung ist alle Wärme abgeführt und wieder Standardbedingung) oder adiabatisch?
Was ist das Reaktionsmedium - Luft oder reiner O2?
Wenn Luft, ist eine Nebenreaktion zum Nitrid mit zu betrachten?

Sonst ist Li2O ein Feststoff von vermutlich vernachlässigbarem Volumen und die Aufgabe somit recht trivial..

[MarioAudi]

Hallo mgritsch,

mich interessiert nur privat, es gibt keine Aufgabe o.Ä.

Was der Hintergrund ist: Ich hab gelesen, dass Lithium-Ionen Batterien entweder explodieren können oder eben brennen. Im Auto sind ja neuerdings durch die E-Autos ganz viele Batterien in einer Wanne verbaut. Was ich mich frage ist: Wenn da eine das Brennen anfängt (und nicht explodiert), welcher Druck sich dann in der Wanne ergibt.

Wenn jetzt aber Lithiumoxid ein Feststoff ist, dann bildet sich nur Druck durch die Erwärmung der Luft beim Brand, oder?


VG Mario

EDIT: Achja, Annahmen: Adiabatisch und Isochor

[mgritsch]

alles klar

das lässt sich kaum vernünftig berechnen denn:
a) die Reaktion die da zur Anwendung kommt dürfte nur teils auf einer geordneten Verbrennung mit Luft basieren, da spielen mehrere Möglichkeiten mit
b) die Explosion passiert vor allem dann wenn der Berstdruck des Behälters erreicht ist und nciht dann wenn die Reaktion fertig ist
c) "Explosion" wird umganssprachlich für alle möglichen heftigeren Reaktionen gesagt. Bei den meisten wäre es bestenfalls eine Deflagration und geht mit recht wenig Druck einher. Wie du selbst schreibts- brennen anfängt, da gibt es mal gar keinen Druckaufbau.

Sonst müsste man:
a) die Reaktionsenthalpie errechnen (bei Endtemperatur wenn man es genau nimmt...)
b) die Wärmekapazität des betrachteten Systems (Luft, Behälter, Li2O) kennen (auch Temperaturabhängig)
c) daraus eine Endtemperatur des Systems errechnen (siehe a und b -> iterativ?)
d) die ideale (oder reale?) Gasgleichung auf das Volumen anwenden um einen Druck zu erhalten

Lässt sich mit vernünftigem Aufwand somit nur unter idealisierten Bedingungen (konstante Enthalpie u Wärmekapa, Vernachlässigung von Behälter/Li2O; ideale Gasgleichung) wie sie in einer Schulaufgabe vorkommen nachrechnen.

[MarioAudi]

Vielen Dank für die ausführliche Antwort

Nur mal für mich zum Verständnis: Ein Hauptteil der Wärme ensteht aber schon durch die Oxidation des Lithiums, oder?

http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-18 ... 04-29.html

In dem Link oben steht, dass die Batterie 1000 °C warm wird. Kann man da nicht einfach mit der idealen Gasgleichung unter isochorer Bedingung den Druck berechnen oder liegt dieser Überschlagswert zu weit von der Realität entfernt?

E: Unter der Annahme der Batteriebehälter hält dem Druck stand.

VG Mario

[mgritsch]

Nur mal für mich zum Verständnis: Ein Hauptteil der Wärme ensteht aber schon durch die Oxidation des Lithiums, oder?

ohne Kenntnis aller anderen Bestanteile der Batterie wäre da mal zumindest eine erste Näherung.

In dem Link oben steht, dass die Batterie 1000 °C warm wird. Kann man da nicht einfach mit der idealen Gasgleichung unter isochorer Bedingung den Druck berechnen oder liegt dieser Überschlagswert zu weit von der Realität entfernt?
E: Unter der Annahme der Batteriebehälter hält dem Druck stand.

a) Da steckt ein Widerspruch. Wenn der Batteriebhälter dicht ist, ist keine Luft drin. Ist Luft drin, ist der Behälter nicht dicht und Druck entweicht. Bzw würde dann der Zustrom von Luft rasch den limitierenden Faktor darstellen. Da liegt ja nicht ein Stück Li in einer sonst leeren (luftgefüllten) geschlossenen Box herum. Oder wie hast du gedacht dass die Batterie aufgebaut ist?
b) welches Luftvolumen würdest du konkret annehmen das sich da ausedehnen soll? Ein verirrtes Gasbläschen von 0,5 ml? Und selbst wenn der Behälter dicht ist - er muss sich nur ein klein wenig ausdehnen (aufbauchen) und der Druck sindkt sofort wieder weswegen ein kleines Luftbläschen nie die Explosion ausmachen kann.
c) wenn die Temperatur "gegeben" ist dann braucht es nur noch die gasgleichung p2/p1 = T2/T1, somit bei 1273 K/ 293 K = Faktor 4,3 somit nur 4,3 bar.

Eine "echte" Explosion wird nicht durch den Druck der Temperaturerhöhung erzielt sondern dadurch dass sich durch die chemische Reaktion große Gasvolumina bilden (die dann nochmal zusätzlich mit der temp etwas mehr Volumen einnehmen). Deswegen wird eine Reaktion bei der nur Feststoffe entstehen (auch wenn sie super heftig ist) nie eine Explosion verursachen. (Vorbehalt: sollten die Reaktanden feucht sein, dann kann sehrwohl das Wasser das auf einmal verdmpft eine Explosion verursachen!)

edit: zweiter Vorbehalt - bei einer atomaren Explosion reicht die Temperaturerhöhung sehr wohl

[MarioAudi]

Ich bin in der Zwischenzeit noch auf diesen Artikel gestoßen: https://www.researchgate.net/profile/Ma ... 21dac4.pdf

Da wird ein Explosionsdruck auf Seite 4 von 110 bar (1600 psi) im Diagramm erwähnt. Kann ich da jetzt im Umkehrschluss sagen, dass nicht nur Lithium in der Zelle war, weil es sonst zu keiner Explosion gekommen wäre?

Das mit dem Gas ist aber sehr interessant. Wenn also nur Lithium oxidiert wird es bloß warm, aber weil kein Gas entsteht gibt es keine Explosion?


Ich dachte, dass unter den Elektroautos eine Wanne ist, in der mehrere Lithiumbatterien untergebracht sind und zwischen und über den Batterien ist Luft. Und die Wanne wirk dann quasi wie ein Druckkessel. Wenn das natürlich nicht so ist, hab ich wieder was gelernt

[mgritsch]

Du verbeißt dich zu sehr an den Begriffen "Explosion" und "Druck".
Recherchiere lieber mal genau was in so einer Zelle alles drin ist.

[zweitens]

Weil hier so viel "Ratrei" aber auch gute gemeinte Ratschläge ist/sind:
Wenn Lithium verbrennt, wird es so heiß, dass z.B. Lithiumhydroxid (durchaus aus Luftfeuchtigkeit vorhanden (in situ gebildet) oder aus lagerndem, nicht gnaz frischem Li bereits als Kruste mit dabei) z.B. schon gasförmig ist und einen Druck erzeugt. Größe nach Menge, also unbekannt.

Ein Gefäß /Behälter aus Alu z.B. geht nicht, der schmiltzt durch. Eigene Erfahrung...

Keramik würde sicher brechen, geht also auch nicht also bleibt wohl Gusseisen oder Stahl als Druckbehälter.
Dann noch genug Sauerstoff im Behälter bedenken weil sonst die Reaktion erstickt.

Also für mcih viel zu viele offene Fragen für eine seriöse Antwort hier.

[Pok]

Weil hier so viel "Ratrei" aber auch gute gemeinte Ratschläge ist/sind:

Warum Raterei? mgritsch hat in seinem zweiten Post die Frage bereits vollständig beantwortet. Man kann es nicht berechnen.

Wenn Lithium verbrennt, wird es so heiß, dass z.B. Lithiumhydroxid (durchaus aus Luftfeuchtigkeit vorhanden (in situ gebildet) oder aus lagerndem, nicht gnaz frischem Li bereits als Kruste mit dabei) z.B. schon gasförmig ist und einen Druck erzeugt.

In einem Akku gibt es weder verkrustetes Lithium noch Luftfeuchtigkeit.

Ein Gefäß /Behälter aus Alu z.B. geht nicht, der schmiltzt durch. Eigene Erfahrung...

Du hast einen Lithium-Akku in einem Alubehälter verbrennen lassen? Es geht nicht um reines metallisches Lithium, wie der Threadtitel vermuten lässt. Aus dem link geht hervor, dass die "Verbrennung von Lithium" bei der Explosion eines Akkus überhaupt keine Rolle spielt. Da finden ganz andere Reaktionen statt. Und weil das so viele sind, die auch noch mit einander wechselwirken können, kann man überhaupt nicht wissen, welche Reaktionsprodukte entstehen und demnach auch keinen Enddruck berechnen.

Dann noch genug Sauerstoff im Behälter bedenken weil sonst die Reaktion erstickt.

Ein Akkubrand braucht keinen externen Sauerstoff.

@MarioAudi: die werden die Akkus schon so verbauen, dass im schlimmsten Fall höchstens ein Abbrand des Akkus stattfindet. Ansonsten wären das fahrende Autobomben, die bestimmt nicht zugelassen werden.

[Xyrofl]

Die rechnerische Temperatur, die das Bisschen Luft in der Wanne annimmt wenn das ganze Lithium aus den Batterien "verbrennt", wäre natürlich extrem hoch, vermutlich viele tausend Grad, wenn nicht sogar fünfstellig. Es kann auch nicht nur den Sauerstoff verzehren wie normale Brennstoffe, sondern auch den Stickstoff der Luft. Natürlich passiert das nicht. Das Lithium muss gar nicht verbrennen (dazu ist sowieso zu wenig Luft in der Wanne), der Akku bringt doch den Oxidator selber mit und genau das passiert dann, der Oxidator frisst das Lithium, der Akku schließt sich innerlich kurz. Also rechnest du die Energie des Akkus aus seiner Energiedichte aus und weißt in etwa, was da frei wird (vorerst). Kleiner Funfact in dem Akku ist gar kein Lithium drin, es sind Lithiumintercalate des Graphits enthalten, aber nicht Lithiummetall selber.

Dann kommt die zweite Frage: Was tut diese Energie, denn sie erhitzt nicht nur ein bisschen Luft, sondern hauptsächlich erstmal alle Bestandteile des Akkus... Der Akku enthält nicht nur Lithium, er enthält noch wie gesagt das Graphit, das selber mit verbrennen wird, was aber weniger wichtig ist, denn Graphit brennt nicht besonders aggressiv. Dazu enthält er aber noch Elektrolyte und weil Lithium so ein aggressives Metall ist, können wir keine wässrigen Elektrolyte einsetzen. Es sind organische Lösemittel wie Propylencarbonat oder NMP und die brennen nicht schlecht. Bei den gegebenen Temperaturen durch den inneren Kurzschluss der havarierten Batterie kochen also die Elektrolyten und bauen einen sehr hohen Druck aus, den man anhand ihres Dampfdruckes bei gegebener Temperatur berechnen kann, wenn sie nicht sogar in den Bereich der kritischen Temperatur kommen, oder sich pyrolytisch zersetzen. Auf jeden Fall können sie in den zweistelligen Bar-Bereich kommen, wenn nicht sogar dreistellig. Dann platzt die Wanne auf - vermutlich schon recht früh, weil kein Konstrukteur so optimistisch ist zu glauben, eine Blechwanne könnte den Druck unter Kontrolle halten, man wird stattdessen Sollbruchstellen einbauen, damit sich niemals ein zweistelliger Druck aufbauen kann - und das überhitzte Dampfgemisch tritt aus und verbrennt im schlimmsten Fall in einer Stichflamme. Richtig blöd wird es wenn als Elektrolyt noch Lithiumperchloratlösung verwendet wird, dann ist gleich ein Oxidationsmittel wie aus Feuerwerksraketen mit enthalten. Das wäre sehr blöd. Neuere Akkus sind natürlich sicherer als alte und experimentelle Akkus.

Es ist bei Weitem nicht nur das Lithium, das da verbrennen kann, die aprotischen Lösemittel kann man sich in etwa vorstellen wie Biodiesel. Chemisch sind sie etwas anders, aber sie brennen nicht viel schlechter. Diese Elektrolyte sind auch der Grund, warum die Li-Akkus viel gefährlicher sind als Zink-Silberoxid-Akkus oder NiMeH-Akkus vergleichbarer Energiedichte. Würde es nur um das Aufheizen von Luft gehen, wäre das nicht zu verstehen.

[CD-ROM-LAUFWERK]

Wie Pok schon sagte: Der winzige Lithiumanteil spielt gar keine Rolle.
Auch nicht das Grafit. (wie soll Sauerstoff entgegen dem Gasstrom hinein kommen?)
Einzig die chemisch gespeicherte Energie spielt eine Rolle, welche beim Kurzschluss (z.B. überladen -> Dendriten -> Perforierung des Separators -> Kurzschluss) dann sehr schnell freigesetzt wird.
Die hohe Temperatur sorgt für den Druckanstieg durch die Lösungsmittel. Dann reißt am Plus-Pol (normalerweise) die Sollbruchstelle und lässt den Druck ab. Der entweichende Dampf kann sich dann entzünden und zu einer Stichflamme führen. Besonders "hochwertige" Zellen können auch mal längs der Zelle aufplatzen, das mag man als Explosion bezeichnen können.

[MarioAudi]

Vielen lieben Dank euch allen. Ich werde mir die sehr ausführlichen Antworten noch Mal ganz langsam durchlesen und hoffentlich auch alles verstehen. Aber auf den ersten Blick super verständlich.

Ihr seid die Besten

[zweitens]

Im ersten Post steht nicht, dass es um einen Akku geht. Da würde dann nicht nur Li brennen sondern ein Teil vom Grafit etc, die Frage wäre also noch dämicher udn gar nicht mehr zu beantworten. Man sollte sene Frage schon konkret mit Mengengaben und Volumina stellen, sonst geht sowie nix u rechnen. (im ersten Post meine ich.
Alle youf Youtube zerstörten Samsung S8 (habe eines) zeigen keinen Funken/Feuererscheinung. Da wird wohl ein "Löschmittel" im Akku mit drin sein.

Ich hatte 100g Li Folie und das war teilweise außen mit Feuchtigkeit zum Hydroxid reagiert und das im Freien verbrannt. Ich weiß wie heiß das wird und wie viel Alublech dabei weggeschmolzen ist.
Ansonsten sind mir Poks Beiträge wurscht, daher lese ich den auch nicht ganz Unsere Antipathie ist ja bekannt.