Kinetik und Stofftransport der anodischen Zinkauflösung in der alkalischen Zink-Luft Batterie

Reining, Laurens GND

Durch die angestrebte Energiewende werden weitere Stromspeicher benötigt, welche schnell und kostengünstig Energie chemisch speichern können, um diesen bei Bedarf wieder abgeben zu können. Ein mögliches Konzept eines solchen Speichers bietet die Zink-Luft Batterie (ZLB). Die aktuelle Anwendung der ZLB beschränkt sich auf primäre Batterien mit niedrigen Stromdichten und langen Entladezeiten (Knopfzellen). Dies ist vor allem den nicht gelösten Schwierigkeiten in der Entwicklung einer ZLB mit hoher Zyklenzahl und hohen Leistungsdichten geschuldet. Ein Aspekt, der bisher nur unzureichend untersucht wurde, ist die Kinetik der Zinkauflösung, welche für die Auslegung von Batterien von grundlegender Bedeutung ist. In der vorliegenden Arbeit wurden die Kinetik der aktiven Zinkauflösung in einer Kaliumhydroxid-lösung mit den Konzentrationen 20 Gew.%, 30 Gew.% und 40 Gew.% mit verschiedenen Zugaben an Zinkoxid (0 % - 3 Gew.%) sowie der Einfluss der Temperatur zwischen 5 °C - 50 °C untersucht und die Grenzen des Systems anhand von Grenzstromdichten in durchströmten Systemen aufgezeigt. Die Kinetik wurde anhand von systematischen Untersuchungen mittels zwei verschiedener Methoden genauer spezifiziert und verglichen. In der vorliegenden Arbeit konnte eindeutig gezeigt werden, dass der Mechanismus der Zinkauflösung bei hoch konzentrierten KOH-Lösungen einer Kinetik folgt, welche sich aus zwei Einzelschritten zusammensetzt. Diese beiden Teilschritte können über eine gekoppelte Butler-Volmer-Gleichung beschrieben werden, welche jeweils durch einen Elektronenübertragungsschritt charakterisiert sind. Weiterhin wurde eine Zelle zur Messung von Kennlinien im durchströmten System entwickelt, um den Einfluss der Strömung des Elektrolyten im laminaren und turbulenten Bereich zu untersuchen und die Grenzen des Systems anhand von Grenzstromdichten festzulegen. Die 30 Gew.%ige KOH zeigte hierbei bei allen gemessenen Temperaturen die höchsten Grenzstromdichten. Die ermittelte Kinetikgleichung konnte dann mit einer Erweiterung um den Stofftransport auf das durchströmte System übertragen werden. Dabei zeigte sich, dass die Annahme einer Gleichgewichtsoberflächenbedeckung nicht für den gesamten Messbereich eine Gültigkeit besitzt. Die Oberflächenbedeckung folgt einer linearen Zunahme mit zunehmender Überspannung.

Because of the energy transformation to renewable energy sources, additional electricity storage units are needed which can chemically store energy quickly and cheaply so that it can be released again when needed. One possible concept for such a storage unit is the zinc-air battery (ZAB). The current application of the ZAB is limited to primary batteries with low current densities and long discharge times (button cells). This is mainly due to the unsolved difficulties in the development of a ZAB with a high number of cycles and high power densities. One aspect that has not yet been sufficiently investigated is the kinetics of zinc dissolution, which is of fundamental importance for the design of batteries. In the present work the kinetics of active zinc dissolution in a potassium hydroxide solution with concentrations of 20 ma.%, 30 ma.% and 40 ma.% with different additions of zinc oxide (0 % - 3 ma.%) as well as the influence of the temperature between 5 °C - 50 °C were investigated and the limits of the system were shown by means of limiting current densities in systems through which current flows. The kinetics are specified and compared by means of systematic investigations using two different methods. In the present work it could be clearly shown that the mechanism of zinc dissolution in highly concentrated KOH solutions follows a kinetics which consists of two single steps. These two sub-steps can be described by a coupled Butler-Volmer equation, each of which is characterized by an electron transfer step. Furthermore, a cell for the measurement of characteristic curves in the flow-through system was developed to investigate the influence of the flow of the electrolyte in the laminar and turbulent range and to determine the limits of the system based on limiting current densities. The 30 ma.% KOH showed the highest limiting current densities at all measured temperatures. The determined kinetic equation could then be transferred to the flowed through system with an extension by the mass transfer. This showed that the assumption of an equilibrium surface coverage is not valid for the entire measuring range. The surface coverage follows a linear increase with increasing overvoltage.

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Reining, Laurens: Kinetik und Stofftransport der anodischen Zinkauflösung in der alkalischen Zink-Luft Batterie. Clausthal-Zellerfeld 2020.

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