Modeling and experimental investigation of transport processes in the porous cathode of aqueous Li-air batteries

Abstract

Lithium-air batteries are promising candidates as power sources for next-generation battery electric vehicles. Due to their high theoretical capacity they might allow driving ranges which are impossible to realize with state-of-the-art Li-ion technology. Mainly two types of Li-O2 batteries are in the focus of intensive research at the moment, namely, batteries employing aprotic or aqueous electrolytes. Most of the publications are reported on the aprotic Li-O2 battery, however, the stability of the solvent proved to be a major issue of this system. Moreover, the formation of solid, insulating discharge products limits the capacity of the battery. The aqueous Li-O2 battery is an interesting alternative. Offering a similar theoretical capacity it has a stable electrolyte and better rate-capability due to the applicability of so-called gas diffusion electrodes (GDE). In this type of electrode hydrophobic binders ensure the coexistence of gas and liquid phase, thereby, offering fast transport of O2 in the gas phase. Similar to the aprotic system the formation of solid LiOH.H2O limits the capacity of the battery. The interplay of transport, electrochemistry, and precipitation is very complex and hard to study experimentally. In this work a multiscale modeling framework for the investigation of transport processes in porous GDEs for application in Li-O2 batteries was developed. First, electrochemical measurements in a half-cell setup were conducted to access the electrochemical properties of Ag/Ag2O model electrodes. In a following step 3D reconstructions of the electrode were used for Lattice-Boltzmann multiphase simulations on the micro-structure of the GDE. The simulations allow the determination of pore space saturation and corresponding effective transport parameters. The results of experiments and micro-structure simulations were used for the parametrization of a detailed continuum model. Simulations of the half-cell setup are in good agreement to the experimental data over a large range of conditions and demonstrate the validity of the model. The validated model allows the determination and optimization of important design parameters and is able to guide the development of future electrodes for application in Li-O2 batteries. Moreover, the GDE model was inserted into a virtual battery cell. This allows conclusive insights in the operation of aqueous Li-O2 batteries and reveals the limitations of different battery designs. The model gives the unique opportunity for the assessment of battery power and energy which already in this early stage of research allows a comparison to other battery chemistries.

Die Lithium-Luft-Batterie ist eine vielversprechende neue Technologie, welche in den Elektrofahrzeugen der Zukunft zum Einsatz kommen könnte. Durch ihre hohe theoretische Kapazität könnte sie Reichweiten ermöglichen, die mit konventionellen Li-Ionen Akkumulatoren undenkbar sind. Lithium-Luft Batterien können entweder mit organischen oder wässrigen Elektrolyten betrieben werden. Der Fokus der internationalen Batterieforschung liegt momentan bei den aprotischen Systemen. Allerdings stellt die Stabilität dieser Elektrolyte sowie die Bildung isolierender Entladeprodukte eine große Herausforderung dar. Die wässrige Li-O2-Batterie erreicht eine vergleichbare Kapazität und bietet darüber hinaus aber eine reversible Elektrochemie und eine Entladung bei höheren Strömen. Dies wird erreicht durch den Einsatz von Gasdiffusionselektroden. Hydrophobe Binder ermöglichen die Koexistenz von Gas- und Flüssigphase im Porenraum der Elektrode, wodurch der Transport von Sauerstoff erheblich verbessert wird. Auch im wässrigen System wird die Kapazität begrenzt durch den Ausfall des festen Entladeprodukts LiOH.H2O. Das Zusammenspiel von Transport, Elektrochemie und Ausfallreaktionen in der porösen Elektrode ist äußerst komplex und experimentell nur schwer zugänglich. In dieser Arbeit wurde ein skalenübergreifendes Modell zur Untersuchung der Transportvorgänge in der porösen Gasdiffusionselektrode einer Li-O2 Batterie entwickelt. Zunächst wurde eine experimentelle elektrochemische Charakterisierung von Ag/Ag2O Modellelektroden in einer Halbzellen-Anordnung durchgeführt. Die Messungen dienen der Bestimmung von kinetischen Parametern und bieten die Basis zur Validierung des späteren Elektrodenmodells. Im nächsten Schritt wurden Mehrphasensimulationen beruhend auf einem Gitter-Boltzmann-Verfahren dazu verwendet, das Sättigungs- und Transportverhalten der porösen Elektroden zu untersuchen. Als Grundlage diente hierzu eine dreidimensionale Rekonstruktion der realen Mikrostruktur. Die Ergebnisse der Messungen und Mikrostruktur-Simulationen fließen direkt in ein detailliertes makroskopisches Kontinuumsmodell ein. Simulationen der Halbzell-Anordnung sind in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten und demonstrieren die Aussagekraft des erstellten Modells. Dies ermöglicht die Bestimmung und Optimierung wichtiger struktureller Parameter, wodurch mögliche Maßnahmen für die Entwicklung besserer Gasdiffusionselektroden abgeleitet werden können. Darüber hinaus wurde das Modell der Gasdiffusionselektrode in eine virtuelle Batteriezelle eingesetzt. Diese Vorgehensweise ermöglicht einen detaillierten Einblick in den Betrieb wässriger Li-O2 Batterien und gibt Aufschluss über limitierende Prozesse und Designkonzepte. So kann durch das Modell die wahrscheinliche Energie- und Leistungsdichte des Systems vorhergesagt werden, wodurch ein direkter Vergleich mit anderen Speichertechnologien ermöglicht wird.