Battery management of rechargeable zinc-air batteries

Abstract

La demanda de almacenamiento de energía está aumentando masivamentedebido a la electrificación del transporte y la expansión de lasenergías renovables. Las actuales tecnologías de baterías no puedensatisfacer esta creciente demanda porque son difíciles de reciclar, porquelas materias primas necesarias se extraen en condiciones precariasy porque la densidad energética es insuficiente. Las baterías metal-aireofrecen una alta densidad energética porque sólo hay una masa activadentro de la celda y la reacción catódica utiliza el aire del ambiente. Sepueden utilizar varios metales, pero el zinc es muy prometedor por sucarácter desechable, su comportamiento no tóxico y porque es posiblesu funcionamiento como celda secundaria. Una característica típica delas baterías de zinc-aire son las curvas planas de carga y descarga. Porun lado, esto es una ventaja para su uso en electrónica de potencia,ya que puede optimizarse para rangos de tensión más pequeños yconstantes. Por otro lado, la determinación del estado del sistema sevuelve más compleja, ya que el nivel de tensión no es suficiente paradeterminar el estado de la batería. En este contexto, la espectroscopiade impedancia electroquímica es un candidato prometedor, ya que losespectros de impedancia resultantes dependen del estado de carga, elpunto de trabajo, el desgaste acutal y la temperatura. Por lo tanto, enesta tesis se desarrolla y parametriza un modelo electroquímico de lacelda de zinc-aire utilizando los espectros de impedancia electroquímicamedidos. La modificación de los parámetros permite determinarcon éxito el estado de carga cuando la celda se está descargando yproporcionar una detección de ausencia de carga. Además, la espectroscopiade impedancia electroquímica se combina con varias técnicasde inteligencia artificial para determinar también con éxito el estadode carga durante la carga de la celda. Asimismo, se realiza un análisisdel consumo de oxígeno y del rendimiento de la celda a diferentesconcentraciones de oxígeno, de manera que, con un control de lagestión del electrolito, se podría poner en funcionamiento con éxitoun moelo de demostración compuesto por varias celdas de zinc-aire.