Characterization of electrolyte additives in zinc-air battery and mathematical modelling

The purpose of this work is to analyze the performance of the Zn-air battery in different working conditions, seeking among a variety of additives the optimal composition for the electrolyte. The first part of the work discusses the analysis of the additives used into the electrolyte and the optimal composition in order to improve the zinc anode electrode. The applied organic and inorganic compounds were dodecyl trimethylammonium bromide (C15H34BrN), sodium dodecyl sulphate (SDS), polyethylene glycol 300 (PEG300), potassium carbonate (K2CO3), polyoxyethylene octyl phenyl ether (TRITON X-100). The analysis of the additives was preceded by the comparison at different concentration of potassium hydroxide (KOH), zinc oxide (ZnO) and zinc acetate dihydrate (ZnAc). The effect of each additive was studied by the cyclic voltammetry (CV), linear swipe voltammetry (LSV), extrapolated Tafel graph for the characterization of the solution. By adding 0.2mM of SDS or 0.2mM CTAB it has been demonstrated that a shift of about 10mV for the corrosion potential can be detected. While a better performance has been identified in the case of TRITON X-100, giving a shift of 20mV. However, the combination mixture of 0.3mM TRITON X-100 and 0.3mM PEG300 giving even a better performance, since beside the shift of corrosion potential, a lower and more flat corrosion current has been detected, was found to be the suitable combination of additives for the Zn-based electrolyte. Beside the experimental procedures, having a proper mathematical model able to simulate the behavior of the cell is equally fundamental in order to save time and resources. The last part of this work is addressed to develop a model taking into account the principal physical phenomena that occur inside the battery. The results showed that the model is able to simulate the charge and discharge process of the battery, defining the crucial contribution of the zinc and air overpotential and demonstrating the fatal role of hydrogen evolution reaction especially during the charge.

Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare le prestazioni della batteria Zinco-Aria in diverse condizioni di lavoro, cercando tra una varietà di additivi la composizione ottimale per l'elettrolita. La prima parte del lavoro discute dell'analisi degli additivi utilizzati nell'elettrolita e della composizione ottimale al fine di migliorare le performance dell'anodo di zinco. I composti organici e inorganici applicati sono dodeciltrimetilammonio bromuro (C15H34BrN), sodio dodecilsolfato (SDS), polietilenglicole 300 (PEG300), carbonato di potassio (K2CO3), poliossietilene ottifenil etere (TRITON X-100). L'analisi degli additivi è stata preceduta dal confronto a diverse concentrazioni di idrossido di potassio (KOH), ossido di zinco (ZnO) e acetato di zinco diidrato (ZnAc). L'effetto di ciascun additivo è stato studiato dalla voltammetria ciclica (CV), voltammetria a scorrimento lineare (LSV), grafico Tafel estrapolato per la caratterizzazione della soluzione. Aggiungendo 0.2mM di SDS o 0.2mM CTAB è stato dimostrato che provoca uno spostamento di circa 10mV per il potenziale di corrosione. Mentre una prestazione migliore è stata identificata nel caso di TRITON X-100, che ha dato uno spostamento di 20mV. Tuttavia, è stato scoperto che la miscela combinata di 0.3 mM TRITON X-100 e 0.3 mM PEG300 ha dato prestazioni ancora migliori, poiché oltre allo spostamento del potenziale di corrosione, è stata rilevata una corrente di corrosione nettamente più bassa e più piatta. Oltre alle procedure sperimentali, avere un modello matematico adeguato in grado di simulare il comportamento della cella è di eguale importanza per risparmiare tempo e risorse. L'ultima parte di questo lavoro è indirizzata allo sviluppo di un modello che tenga conto dei principali fenomeni fisici che si verificano all'interno della batteria. I risultati hanno mostrato che il modello è in grado di simulare il processo di carica e scarica della batteria, definendo il contributo cruciale della sovratensione di zinco e aria e dimostrando il ruolo fondamentale della reazione dell'evoluzione dell'idrogeno, specialmente durante la carica.