Modellierung und Simulation Primärer Zink-Luft-Knopfzellen
2016
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.
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