Numerical modelling of Zinc chloride cell

Abstract

Tässä työssä mallinnettiin yksi- ja kaksiulotteista sinkkikioridikennoa elementtimenetelmällä, sekä tutkittiin mallin parametrien vaikutusta purkukäyrään. Kennon purkua mallinnettiin vakiokuormalla ja galvanostaattisesti, ja simulaatioita verrattiin kokeellisiin tuloksiin. Lisäksi rakennettiin malli eri komponenttien sähkönjohtavuuksien vaikutuksesta kennon sisäiseen vastukseen. Numeerinen mallintaminen on tärkeää, koska simuloimalla pariston suorituskykyä rajoittavia tekijöitä voidaan tutkia nopeasti, ja mallia voidaan hyödyntää pariston optimoinnissa. Lisäksi mallinnus antaa tietoa muuttujista, joita on vaikea mitata käytännössä, esimerkiksi elektrolyytin konsentraatiosta ja pHsta anodilla.

Johtokykysimulaatioissa sähkövirran kulkua pariston läpi mallinnettiin Ohmin lailla. Koko kennon malli perustui huokoisten elektrodien teoriaan, jossa elektrodi kuvataan jatkuvien kiinteän faasin ja liuosfaasien seoksena kiinteän faasin spesifisen pinta-alan ja huokoisuuden avulla. Aineensiirto elektrolyytissä kuvattiin Nernst-Planck-yhtälöillä ja elektrodikinetiikka Butler-Volmer-yhtälöillä. Katodilla huomioitiin lisäksi protonien diffuusio mangaanidioksidipartikkelien sisään, ja malli ratkaistiin elementtimenetelmällä käyttäen COMSOL Multiphysics -ohjelmaa. Mallia parannettiin huomioimalla sinkkihydroksikloridisakan saostuminen, epätasaisesta kontaktista eri kerrosten välillä aiheutuva filmivastus, sekä MnOOH:n disproportionaatio.

Johtokykysimulaatioiden mukaan pariston sisäinen vastus aiheutui pääasiassa anodista ja virrankerääjästä. Sinkkikloridipariston mallin mukaan katodin parametreilla on suurin vaikutus purkukäyrään, kun taas muut parametrit ovat lähes merkityksettömiä. Myös elektrolyytin konsentraatiolla ja pH:lla on pieni vaikutus. Mangaanidioksidipartikkelien koolla on suuri merkitys protonien diffuusion ollessa hidas. Partikkelikoon kasvaessa kennojännite alenee ja purkuaika lyhenee. Toisaalta diffuusiokertoimen ollessa suurempi mangaanidioksidipartikkelin koolla ei ole suurta merkitystä. Katodin huokoisuutta pienennettäessä kennojännite ja purkuaika kasvavat. Samoin käy, kun katodin paksuutta kasvatetaan. Elektrolyyttikonsentraation ja pH:n nousu alentaa kennojännitettä ja pidentää purkausaikaa. 2D-simulaatioissa todettiin, että kontaktien sijainnilla ei ole vaikutusta pariston suorituskykyyn. Pariston sisäistä vastusta voidaan pienentää parantamalla anodin ja virrankerääjän sähkönjohtavuutta. Anodin parametreilla ei ole vaikutusta, kunhan anodilla on riittävästi sinkkiä. Suurin vaikutus pariston suorituskykyyn on katodilla. Paristoa voidaan parantaa pienentämällä mangaanidioksidipartikkelien kokoa sekä katodin huokoisuutta.