Performance Enhancement and Corrosion Studies of Metal-Air Batteries
Metal-air batteries (MABs) are an attractive and promising alternative energy storage system to existing batteries due to their high energy density, cost efficiency, and intrinsic safety. They have potential applications in both the electromobility sector and stationary energy storage. This thesis examines the possible uses of MABs, in specific silicon, aluminum, zinc and their alloys, and proposes strategies for performance improvement.
One of the main focusses in this research is the potential applications of alkaline and non-aqueous Si-air batteries in low-power electronics. As a proof–of–concept, the use of a Si–air battery with an integrated circuit (IC) on the anode to power an LED is demonstrated. Additionally, the self–destructive capability of the Si–IC is also examined. The study also surveys the potential improvement of Si electrodes through alloying with Al, which show a slight increase in the anodic current densities without passivating the electrode.
This work further extends the investigations from the primary Si–air battery to secondary Zn-air batteries (ZABs). ZABs have the advantage that the zinc electrodes can be cycled in several types of electrolytes, including neutral solutions. By doing so, the prejudicial high corrosion of Zn in the alkaline electrolytes is avoided. However, the potentials of zinc in neutral electrolytes are relatively low in comparison to alkaline solutions. To increase the discharge potential of Zn, alloying it with more electronegative materials is proposed, such as Zn–Al alloy. The tested Zn–10 wt.%Al electrodes require, however, an initial cathodic pulse to reveal the more negative potential, which is also limited over time.
This study finds that the potential enhancement can be further improved and prolonged by the introduction of the chelating agent ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). Such beneficial effect is present under discharge conditions even after applying relatively high anodic current densities on Zn electrodes. The cycling of the ZABs was possible in both electrolyte formulations but could be slightly extended in presence of EDTA, which also showed higher discharge voltages in comparison to the neat 2M NaCl electrolyte.
Metall-Luft-Batterien (Englisch: MABs) sind eine interessante und vielversprechende Alternative zu bestehenden Batterien aufgrund ihrer hohen Energiedichte, des guten Preis–Leistungs–Verhältnisses, und ihrer intrinsischen Sicherheit. Sie haben mögliche Anwendungen sowohl im Elektromobilitätssektor als auch in der stationären Energiespeicherung. Diese Arbeit untersucht die möglichen Verwendungen von MABs, insbesondere Silizium, Aluminium, Zink, sowie deren Legierungen und schlägt Strategien zur Leistungsverbesserung vor.
Einer der Hauptfokusse dieser Forschung sind die möglichen Anwendungen von
alkalischen und nicht–wässrigen Si–Luft-Batterien für Elektronik mit geringem
Strombedarf. Als Beweis des Konzepts wird die Verwendung einer Si–Luft–Batterie mit einem integrierten Schaltkreis (IC) auf der Anode gezeigt, um eine LED zu betreiben. Darüber hinaus wird die selbstzerstörende Fähigkeit des Si–IC untersucht. Die Studie erforscht auch die Verbesserung des Potenzials von Si-Elektroden durch Legierung mit Al, die eine leichte Erhöhung der Anoden–Stromdichte ohne Passivierung der Elektrode zeigt.
Diese Arbeit erweitert die Untersuchungen von der primären Si-Luftbatterie zu
sekundären Zn-Luftbatterien (Englisch: ZABs). ZABs haben den Vorteil, dass die Zink–Elektroden in mehreren Arten von Elektrolyten, einschließlich neutralen Lösungen, zyklisch betrieben werden können. Dadurch wird die nachteilige hohe Korrosion von Zink in den alkalischen Elektrolyten vermieden. Das Potenzial von Zn in neutralen Elektrolyten ist jedoch im Vergleich zu alkalischen Lösungen relativ gering. Um das Entladepotential von Zn zu erhöhen, wird die Legierung mit elektronenärmeren Materialien wie Zn–Al–Legierungen vorgeschlagen. Die getesteten Zn–10 Gew.% Al–Elektroden erfordern jedoch einen initialen kathodischen Impuls, um das negativere Potenzial zu enthüllen, dessen Einfluss auch zeitlich begrenzt ist.
Diese Studie zeigt, dass die Potenzialverbesserung durch die Einführung des
Chelatbildners Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) weiter verbessert und verlängert werden kann. Ein solcher positiver Effekt ist auch unter Entladungsbedingungen vorhanden, selbst nach Anwendung von relativ hohen anodischen Stromdichten auf Zn–Elektroden. Das Zyklusverhalten der ZABs war in beiden Elektrolytformulierungen möglich, konnte jedoch in Gegenwart von EDTA leicht verlängert werden, was auch zu höheren Entladespannungen im Vergleich zu reinem 2M NaCl führt.