Modelling and Simulation of Zinc-Air Batteries

Abstract

Renewable energy sources are key components of a sustainable future. However, most of the renewable energy sources have intermittent natures, that can significantly affect the stability of grids. Thus, Energy Storage Systems (ESS) are introduced to store the energy produced for later use. Even though there are various ESS candidates, batteries are superior candidates due to technological readiness. Batteries still suffer from disadvantages that prevent their mass adoption as ESS for grid-scale applications. As an ESS, a battery that can last long cycles, have high power densities, and material availability should be designed and commercialized. Commercial batteries such as lead-acid and Li-ion batteries still suffer from material availability, environmental friendliness, or feasibility. Therefore metal-air batteries, especially zinc-air batteries (ZAB), have significant potential due to their high-power densities, material abundance, and technological readiness. However, ZABs are not ready enough to be commercialized as grid-scale ESS due to their low cycle lives due to aging mechanisms. Therefore, more research should be conducted to improve the rechargeability of a ZAB. However, experimental procedures are time and resource-consuming. To tackle this, accurate mathematical models and simulations should be implemented. In this study, the electrochemical behavior of zinc-air batteries was simulated with Finite Element Analysis (FEM) method. The motivation of the work was to demonstrate the feasibility of a simple 1-D zinc-air battery model to investigate the effect of various phenomena on the battery capacity and charge-discharge cycles. The results were compared to literature and experimental values to evaluate the model's accuracy.

Yenilenebilir enerji kaynakları sürdürülebilir bir geleceğin temelini oluşturmaktadır. Ancak, çoğu yenilenebilir enerji kaynağı dengesiz bir yapıya sahip olduğu için, şebekelerin stabilitesi önemli ölçüde etkilenme riski ile karşı karşıyadır. Bu nedenle, üretilen enerjinin depolanması adına Enerji Depolama Sistemleri (EDS) ortaya çıkmıştır. Her ne kadar süperkapasitörler plug-in elektrikli araçlar gibi EDS adayları olsa da bataryalar aralarındaki en umut vadedenidir. Yine de bataryalar, şebeke ölçeğinde EDS olarak benimsenmek için hazır değildir. Yüksek şarj-deşarj ömrü, fizibilite, yüksek güç yoğunluğu ve malzeme bulunabilirliği bataryalar için ana kriterlerdir. Bu nedenle, uzun şarj-deşarj ömrüne sahip, yüksek güç yoğunluklu ve malzeme bulunabilirliği yüksek bir batarya tasarlanmalı ve ticarileştirilmelidir. Kurşun-asit ve lityum-iyon piller gibi yaygın olarak kullanılan ticari batarya teknolojileri olmasına rağmen, bu bataryalar hala malzeme bulunabilirliği, çevre dostu olmama veya fizibilite gibi sorunlarla karşı karşıyadır. Bu nedenle, yüksek güç yoğunlukları, malzeme bolluğu ve teknolojik olarak hazır olmaları nedeniyle metal-hava bataryaları, özellikle çinko-hava bataryaları (ÇHB) önemli bir potansiyele sahiptir. Ancak, ÇHB'ler yıpranma mekanizmaları nedeniyle düşük şarj-deşarj ömrüne sahip olduklarından, şebeke ölçekli EDS olarak ticarileştirilmeye yeterince hazır değildir. Bu nedenle, bir ÇHB'nin yeniden şarj edilebilirliğini artırmak için daha fazla araştırma ve çalışma yapılmalıdır. Fakat, deneysel prosedürler zaman ve kaynak açısından maliyetlidir. Bu unsurlardan tasarruf sağlamak için, doğru matematiksel modeller ve simülasyonlar uygulanmalıdır. Bu çalışmada, çinko-hava pillerinin elektrokimyasal davranışı Sonlu Elemanlar Analizi (SEA) metodu ile simüle edilmiştir. Çalışmanın motivasyonu, batarya kapasitesi ve şarj-deşarj döngü sayısı üzerinde çeşitli fenomenlerin etkisini araştırmak için basit bir 1-D çinko-hava pil modelinin uygulanabilirliğini göstermektir. Elde edilen sonuçlar literatürdeki veriler ile karşılaştırılarak modelin tutarlılığı değerlendirilmiştir.