Battery management of rechargeable zinc-air batteries

Abstract

The demand for energy storage is increasing massively due to the electrification of transport and the expansion of renewable energies. Current battery technologies cannot satisfy this growing demand because they are difficult to recycle, because the necessary raw materials are mined under precarious conditions, and because the energy density is insufficient. Metal-air batteries offer a high energy density because there is only one active mass inside the cell and the cathodic reaction uses the ambient air. Various metals can be used, but zinc is very promising because of its disposability, non-toxic behavior, and because operation as a secondary cell is possible. Typical characteristics of zinc-air batteries are flat charge and discharge curves. On the one hand, this is an advantage for the subsequent power electronics, which can be optimized for smaller and constant voltage ranges. On the other hand, the state determination of the system becomes more complex, since the voltage level is not sufficient to determine the state of the battery. In this context, electrochemical impedance spectroscopy is a promising candidate since the resulting impedance spectra depend on the state of charge, working point, state of aging, and temperature. Therefore, in this thesis, an electrochemical model of the zinc-air cell is developed and parameterized using measured electrochemical impedance spectra. The modification of the parameters enables to successfully determine the state of charge when the cell is being discharged and provide a charge termination detection. In addition, electrochemical impedance spectroscopy is combined with various artificial intelligence techniques to also determine successfully the state of charge during charging of the cell. Furthermore, an analysis of the oxygen consumption and the cell performance at different oxygen concentrations is performed, such that with a control of the electrolyte management a demonstrator consisting of several zinc-air cells could be successfully put into operation.

La demanda de almacenamiento de energía está aumentando masivamente debido a la electrificación del transporte y la expansión de las energías renovables. Las actuales tecnologías de baterías no pueden satisfacer esta creciente demanda porque son difíciles de reciclar, porque las materias primas necesarias se extraen en condiciones precarias y porque la densidad energética es insuficiente. Las baterías metal-aire ofrecen una alta densidad energética porque sólo hay una masa activa dentro de la celda y la reacción catódica utiliza el aire del ambiente. Se pueden utilizar varios metales, pero el zinc es muy prometedor por su carácter desechable, su comportamiento no tóxico y porque es posible su funcionamiento como celda secundaria. Una característica típica de las baterías de zinc-aire son las curvas planas de carga y descarga. Por un lado, esto es una ventaja para su uso en electrónica de potencia, ya que puede optimizarse para rangos de tensión más pequeños y constantes. Por otro lado, la determinación del estado del sistema se vuelve más compleja, ya que el nivel de tensión no es suficiente para determinar el estado de la batería. En este contexto, la espectroscopia de impedancia electroquímica es un candidato prometedor, ya que los espectros de impedancia resultantes dependen del estado de carga, el punto de trabajo, el desgaste acutal y la temperatura. Por lo tanto, en esta tesis se desarrolla y parametriza un modelo electroquímico de la celda de zinc-aire utilizando los espectros de impedancia electroquímica medidos. La modificación de los parámetros permite determinar con éxito el estado de carga cuando la celda se está descargando y proporcionar una detección de ausencia de carga. Además, la espectroscopia de impedancia electroquímica se combina con varias técnicas de inteligencia artificial para determinar también con éxito el estado de carga durante la carga de la celda. Asimismo, se realiza un análisis del consumo de oxígeno y del rendimiento de la celda a diferentes concentraciones de oxígeno, de manera que, con un control de la gestión del electrolito, se podría poner en funcionamiento con éxito un moelo de demostración compuesto por varias celdas de zinc-aire.