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A network model to predict ionic transport in porous materials

电解质 材料科学 介电谱 离子键合 化学物理 电极 机械 统计物理学 拓扑(电路) 电化学 离子 化学 物理 电气工程 工程类 有机化学 物理化学
作者
Filipe Henrique,Paweł J. Żuk,Ankur Gupta
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (22) 被引量:2
标识
DOI:10.1073/pnas.2401656121
摘要

Understanding the dynamics of electric-double-layer (EDL) charging in porous media is essential for advancements in next-generation energy storage devices. Due to the high computational demands of direct numerical simulations and a lack of interfacial boundary conditions for reduced-order models, the current understanding of EDL charging is limited to simple geometries. Here, we present a network model to predict EDL charging in arbitrary networks of long pores in the Debye–Hückel limit without restrictions on EDL thickness and pore radii. We demonstrate that electrolyte transport is described by Kirchhoff’s laws in terms of the electrochemical potential of charge (the valence-weighted average of the ion electrochemical potentials) instead of the electric potential. By employing the equivalent circuit representation suggested by these modified Kirchhoff’s laws, our methodology accurately captures the spatial and temporal dependencies of charge density and electric potential, matching results obtained from computationally intensive direct numerical simulations. Our network model provides results up to six orders of magnitude faster, enabling the efficient simulation of a triangular lattice of five thousand pores in 6 min. We employ the framework to study the impact of pore connectivity and polydispersity on electrode charging dynamics for pore networks and discuss how these factors affect the time scale, energy density, and power density of capacitive charging. The scalability and versatility of our methodology make it a rational tool for designing 3D-printed electrodes and for interpreting geometric effects on electrode impedance spectroscopy measurements.

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