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Grenzflächeninstabilitäten

Langwellige Grenzflächen- oder Oberflächeninstabilitäten sind seit langer Zeit aus der Aluminium-Elektrolyse bekannt. Dort limitieren sie die minimal mögliche Dicke der Elektrolytschicht bzw. den maximalen Elektrolysestrom. Die Instabilität (Abb. 1) wird durch die Wechselwirkung vertikaler Magnetfelder mit horizontalen Strömen verursacht. Letztere entstehen unweigerlich, sobald die Grenzfläche Elektrolyt-Metall deformiert wird (Abb. 2). Vertikale Magnetfelder entstehen durch die Zuleitungen der Batterie bzw. der Aluminium-Reduktionszellen, bzw. sind bereits durch das Erdmagnetfeld vorhanden.

Metal pad roll instability Compensation current metal pad roll instability
Fig. 1: Grenzflächeninstabilität in einer Flüssigmetallbatterie. FIg. 2: Ausgleichsstrom in einer Batterie in Folge der deformierten Phasengrenzen.

Grenzflächeninstabilitäten können potentiell zum Kurzschluss einer Flüssigmetallbatterie führen. Sie müssen daher dringend vermieden werden. Besonders flache Zellen, große Zellströme und vertikale Hintergrundmagnetfelder fördern das Auftreten der Instabilität. Die Dichtedifferenz zwischen Metall und Elektrolyt sollte möglichst groß sein, um Deformationen der Grenzschicht zu vermeiden. Am HZDR erforschen wir unter Nutzung von Experimenten, numerischen Simulationen und Potentialtheorie das Auftreten und die Folgen von Grenzflächeninstabilitäten in Zusammenhang mit Flüssigmetallbatterien. Darüber hinaus untersuchen wir die Kopplung der beiden Grenzflächen in einer Flüssigmetallbatterie. Abhängig vom Dichteverhältnis bzw. den Oberflächenspannungen können sehr verschieden Wellenbewegungen auftreten (Abb. 3).

   Coupling top    Coupling bottom
   Tilt instability    Bulge instability
Fig. 3: Verschiedene Instabilitäten der zwei Grenzflächen einer Flüssigmetallbatterie.

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