[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究开发了一款商用Varta PowerOne锌空气纽扣电池的连续相模型，整合了锌的溶解、氧化锌成核与生长、多孔介质中的电解质传输以及气体扩散电极中的多相行为。该模型与实验结果高度吻合，揭示了氧化锌形成和CO₂溶解对放电性能及电池寿命具有关键影响。

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.

研究动机与目标

• 理解碱性电解质退化导致二次锌空气电池寿命受限的机制。
• 研究放电过程中负极锌氧化物成核与生长的作用。
• 对多孔负极和气体扩散电极介质中的电解质传输进行热力学一致的建模。
• 考察大气中CO₂溶解对放电行为和电池退化的影响。
• 利用商用Varta PowerOne纽扣电池的实验电化学测量数据验证模型。

提出的方法

• 开发商用Varta PowerOne锌空气纽扣电池的连续尺度模型。
• 采用热力学一致的公式，将负极中锌的溶解和氧化锌成核/生长动力学纳入模型。
• 在多相共存条件下，对多孔负极和气体扩散电极介质中的电解质传输进行建模。
• 在单一计算框架中耦合电化学反应、质量传输与相变过程。
• 利用实验放电数据，在不同工作条件下验证模型的预测结果。
• 应用热力学一致的边界条件和多孔介质中的传输方程。

实验结果

研究问题

• RQ1 负极中锌氧化物的成核与生长如何影响锌空气纽扣电池的放电容量和退化？
• RQ2 大气中CO₂溶解在多大程度上加速电解质退化并缩短电池寿命？
• RQ3 多孔电解质和气体扩散电极的传输特性如何影响电化学性能？
• RQ4 该连续相模型在多大程度上能准确预测实验放电曲线和退化趋势？
• RQ5 控制多孔电极结构中相共存和离子传输的主导机制是什么？

主要发现

• 模型与实验放电曲线高度吻合，证实其对真实纽扣电池行为具有出色的预测能力。
• 负极中氧化锌的成核与生长显著导致循环过程中的容量衰减和结构退化。
• CO₂溶解到碱性电解质中导致碳酸盐生成，加速电解质退化并缩短电池寿命。
• 对气体扩散电极中多相共存进行热力学一致建模，显著提升了质量传输和反应动力学预测的准确性。
• 多孔介质中的电解质传输是决定放电效率和极限电流密度的关键因素。
• 该模型识别出ZnO形成与CO₂侵入之间的关键相互作用，是二次锌空气电池寿命限制的核心机制。