Modellierung und Simulation Primärer Zink-Luft-Knopfzellen

Primare Zink-Luft-Knopfzellen werden bereits erfolgreich in Horgeraten eingesetzt. Fur Anwendungen in portablen Geraten, sowie im Rahmen der Elektromobilitat und der Energiewende, werden allerdings elektrisch wiederaufladbare Energiespeicher benotigt, weshalb an sekundaren Zink-Luft-Zellen geforscht wird. Diese haben allerdings zum aktuellen Stand der Forschung noch eine sehr geringe Lebensdauer. In dieser Arbeit stellen wir ein thermodynamisch konsistentes, eindimensionales Modell fur die Transportvorgange in Zink-Luft-Knopfzellen, unter Berucksichtigung der Reaktionen und porosen Elektroden, auf. Die Modellgleichungen diskretisieren wir mit der Finite-Volumen-Methode und implementieren diese in Matlab und erhalten so eine Simulation der Zelle. Wir rechtfertigen unsere Ortsdiskretisierung durch eine Fehlerabschatzung, die auf Dreiecksgittern auch in zwei Dimensionen gilt. Die Zeitschritte berechnen wir mit dem Solver ode15i. Um dieses Verfahren numerisch zu validieren, berechnen wir die experimentelle Konvergenzordnung an Hand der Warmeleitungsgleichung als Testproblem. Wir untersuchen das Entladeverhalten von Zink-Luft-Knopfzellen bei konstanter Stromstarke experimentell und vergleichen die Resultate mit denen unserer Simulation. Durch die Analyse der Ergebnisse erhalten wir einen guten Einblick in die Prozesse beim Entladevorgang in der Batterie. Auserdem untersuchen wir die Selbstentladung der Zelle durch die Wechselwirkung mit Kohlendioxid aus der Luft experimentell und fuhren eine entsprechende Simulation durch. Die Ergebnisse stimmen qualitativ gut uberein und liefern eine Aussage uber die Lebensdauer der Zelle.