Mathematical Modelling of Metal-Air Battery

Abstract

The aim of this thesis was to develop a mathematical model and simulation of magnesium-air battery. Together, they can provide insight into the performance of the battery with respect to the design parameters obtained from experimental data. The thesis was carried out at VEBIC, a research and innovation platform hosted by the University of Vaasa.

In the first step, literature was reviewed which helped to identify active materials of the cell. In the second step, the mathematical model of magnesium-air battery was developed. This entailed solving the mass balance and electrochemical kinetic equations by using numerical methods. Finally, a computational simulation of the cell was developed in Python programming language.

The thesis resulted in a development of magnesium-air battery model. The model output corroborated with experimental data. It predicted cell performance under chosen operating conditions. Going forward, the model could be utilized to opti-mize magnesium-air battery performance.

Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli kehittää matemaattinen malli ja simulaatio magnesium-ilma-akulle. Niiden avulla voidaan analysoida akkukennon suorituskykyä kokeellisista tuloksista valituilla suunnitteluparametreillä. Opinnäytetyö tehtiin VEBIC:lle, joka on Vaasan yliopiston isännöimä tutkimus- ja innovaatio-alusta.

Mallinnettavan akkukennon komponentit valittiin julkaistujen tutkimustulosten perusteella. Tämän pohjalta aloitettiin kehittämään magnesium-ilma-akun matemaattista mallia, joka muodostui massatasapainon ja sähkökemiallisen kinetiikan yhtälöiden numeerisista ratkaisuista. Akkukennon laskennallinen simulaatio kehitettiin Python-ohjelmointikielellä.

Opinnäytetyön tuloksena syntyi magnesium-ilma-akun malli, jonka antamat tulokset olivat sopusoinnussa kokeellisten arvojen kanssa. Sen avulla voitiin ennustaa akkukennon suorituskykyä valituissa olosuhteissa. Jatkossa mallia voidaan hyödyntää magnesium-ilma-akun suorituskyvyn optimoinnissa.