[論文レビュー] Nucleation and Growth of Zinc Oxide in Zinc-Air Button Cells

Johannes Stamm, Alberto Varzi+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2016

Advanced battery technologies research参考文献 46被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、商業用Varta PowerOne亜鉛空気ボタン電池の連続体モデルを構築し、亜鉛の溶解、亜酸化亜鉛の核生成および成長、多孔質媒体内の電解質輸送、およびガス拡散電極における多相挙動を統合した。モデルは実験と優れた一致を示し、亜酸化亜鉛の生成とCO₂の溶解が放電性能および電池寿命に顕著に影響することを明らかにした。

ABSTRACT

Metal-air batteries are among the most promising next-generation energy storage devices. Relying on abundant materials and offering high energy densities, potential applications lie in the fields of electro-mobility, portable electronics, and stationary grid applications. Now, research on secondary zinc-air batteries is revived, which are commercialized as primary hearing aid batteries. One of the main obstacles for making zinc-air batteries rechargeable is their poor lifetime due to the degradation of alkaline electrolyte in contact with atmospheric carbon dioxide. In this article, we present a continuum theory of a commercial Varta PowerOne button cell. Our model contains dissolution of zinc and nucleation and growth of zinc oxide in the anode, thermodynamically consistent electrolyte transport in porous media, and multi-phase coexistance in the gas diffusion electrode. We perform electrochemical measurements and validate our model. Excellent agreement between theory and experiment is found and novel insights into the role of zinc oxide nucleation and growth and carbon dioxide dissolution for discharge and lifetime presented.

研究の動機と目的

• 二次亜鉛空気電池の寿命を制限するメカニズムを理解すること、特にアルカリ性電解質の劣化に起因するものである。
• 放電中にアノードで発生する亜酸化亜鉛の核生成および成長の役割を調査すること。
• 熱力学的に整合性のある定式化を用いて、多孔質アノードおよびガス拡散電極媒体における電解質輸送をモデル化すること。
• 大気中のCO₂の溶解が放電挙動および電池劣化に与える影響を検討すること。
• 商業用Varta PowerOneボタン電池における実験的電気化学的測定結果と照合して、モデルを検証すること。

提案手法

• 商業用Varta PowerOne亜鉸空気ボタン電池の連続体スケールモデルの開発。
• 熱力学的に整合性のある定式化を用いて、アノードにおける亜鉛の溶解および亜酸化亜鉛の核生成／成長動力学を組み込む。
• 多相共存を考慮した多孔質アノードおよびガス拡散電極媒体における電解質輸送のモデル化。
• 1つの計算フレームワーク内で電気化学反応、物質輸送および相転移プロセスを結合すること。
• 異なる運転条件下での実験的放電データを用いて、モデルの予測を検証すること。
• 多孔質媒体における境界条件および輸送方程式を熱力学的に整合性のある形で適用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アノードにおける亜酸化亜鉛の核生成および成長は、亜鉛空気ボタン電池の放電容量および劣化にどのように影響するか？
• RQ2 大気中のCO₂の溶解は、電解質の劣化を促進し、電池寿命を短縮する役割を果たすか？
• RQ3 多孔質電解質およびガス拡散電極の輸送特性は、電気化学的性能にどのように影響するか？
• RQ4 連続体モデルは、実験的放電曲線および劣化傾向をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 多孔質電極構造における相共存およびイオン輸送を支配する主要なメカニズムは何か？

主な発見

• モデルは実験的放電曲線と優れた一致を示し、実用ボタン電池の挙動を予測する能力を確認した。
• アノードにおける亜酸化亜鉛の核生成および成長は、サイクル中に容量の低下および構造的劣化を顕著に促進する。
• アルカリ性電解質へのCO₂の溶解は炭酸塩の生成を引き起こし、電解質の劣化を加速し、電池寿命を短縮する。
• ガス拡散電極における多相共存を熱力学的に整合性のある形でモデル化することで、物質輸送および反応速度論の予測精度が向上した。
• 多孔質媒体における電解質輸送は、放電効率および限界電流密度を決定づける重要な要因である。
• モデルは、ZnO生成とCO₂の侵入の間の重要な相互作用が、二次亜鉸空気電池の寿命制限要因として中心的役割を果たしていることを特定した。