Direct numerical simulations of the modified Poisson-Nernst-Planck equations for the charging dynamics of cylindrical electrolyte-filled pores

无量纲量 能斯特方程 德拜长度 电解质 兰姆达 普朗克 半径 物理 电化学 等温过程 超级电容器 热力学 材料科学 电极 离子 量子力学 计算机安全 计算机科学
作者
Jie Yang,Mathijs Janssen,Cheng Lian,René van Roij
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2204.01384
摘要

Understanding how electrolyte-filled porous electrodes respond to an applied potential is important to many electrochemical technologies. Here, we consider a model supercapacitor of two blocking cylindrical pores on either side of a cylindrical electrolyte reservoir. A stepwise potential difference $2\Phi$ between the pores drives ionic fluxes in the setup, which we study through the modified Poisson-Nernst-Planck equations, solved with finite elements. We focus our discussion on the dominant timescales with which the pores charge and how these timescales depend on three dimensionless numbers. Next to the dimensionless applied potential $\Phi$, we consider the ratio $R/R_b$ of the pore's resistance $R$ to the bulk reservoir resistance $R_b$ and the ratio $r_{p}/\lambda$ of the pore radius $r_p$ to the Debye length $\lambda$. We compare our data to theoretical predictions by Aslyamov and Janssen ($\Phi$), Posey and Morozumi ($R/R_b$), and Henrique, Zuk, and Gupta ($r_{p}/\lambda$). Through our numerical approach, we delineate the validity of these theories and the assumptions on which they were based.

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