Modelling the transient behaviour of lead-acid batteries : electrochemical impedance of adsorbed species

Huck, Moritz; Kowal, Julia; Sauer, Dirk Uwe

doi:10.18154/RWTH-2020-08362

Modelling the transient behaviour of lead-acid batteries : electrochemical impedance of adsorbed species = Modellierung des transienten Verhaltens von Blei-Säure Batterien : Elektrochemische Impedanz von adsorbierten Spezies

Huck, Moritz^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Moritz Huck, M.Sc.

ImpressumAachen : ISEA 2020

Umfang1 Online-Ressource (vii, 151 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheAachener Beiträge des ISEA ; 146

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Kowal, Julia (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-07-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-08362
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/795495/files/795495.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
impedance spectroscopy (frei) ; lead-acid (frei) ; physical modeling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Blei-Säure Batterien sind seit mehr als einem Jahrhundert bekannt. Jedoch haben die sich schnell ändernden Anforderungen an Batterietechnologien in den letzten Jahrzehnten aufgezeigt, dass die Blei-Säure Technologie noch nicht verstanden ist. Die elektrochemische Impedanz Spektroskopie (EIS) ist eine vielseitige Technik um transiente Prozesse zu untersuchen. Die EIS Messungen müssen mit Modellberechnungen verglichen werden, um die Spektren interpretieren zu können. Die üblicherweise genutzten Ersatzschaltbilder sind dafür nur bedingt geeignet, wenn die zu Grunde liegenden Reaktionen unbekannt sind. In der Arbeit wurde ein auf Kontinuitätsgleichungen basierendes Modell entwickelt, welches es erlaubt EIS Spektren zu simulieren. Mit diesem Modell können die EIS Spektren für verschiede Reaktionsgleichungen simuliert und mit Messdaten verglichen werden. Des Weiteren erlaubt das Model die Einflüsse der langsameren Prozesse wie z.B. Elektrolytdiffusion auf die EIS Spektren zu analysieren.

Lead-acid batteries are known for more than one century. The fast changing requirements for battery technologies during the last decade have shown that the lead-acid is not well understood. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) is a versatile technique for examining transient processes. To understand the resulting spectra, the EIS measurement have to be compared to model calculations. Usually Electrical Equivalent Circuits (EEC) are used to analyse EIS measurements. EEC are insufficient to explore the underlying reactions and mechanisms which results in the EIS spectra.In this work, a model is developed that is based on continuity equations. This model can simulate EIS spectra, which allows comparing EIS measurements with simulated EIS spectra.The model covers effects with fast time constants like the electrochemical reactions and the charging of the electrochemical double layer at the electrode-electrolyte interface. In addition, effects with slower time constants like the electrolyte diffusion or the precipitation and dissolution of lead sulphate are covered. For the crystal precipitation, growth and dissolution a specific model is employed which has a reduced state space. The reduced state space allows simulating the crystal distribution on fine FEM mesh.The presented model can simulate realistic EIS spectra in the frequency domain and shows realistic transient behaviour in the time domain.

OpenAccess:
PDF
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