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Scaling and Analytical Approximation of Porous Electrode Theory for Reaction-limited Batteries

缩放比例 无量纲量 扩散 电极 材料科学 电化学 电池(电) 多孔性 电迁移 机械 电阻抗 热力学 Péclet编号 反应速率 统计物理学 多孔介质 热扩散率 阶跃势薛定谔方程的解 离子 化学 水平扫描速率 电化学能量转换 系列(地层学) 储能
作者
Shakul Pathak,Martin Z. Bazant
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ae9229
摘要

Abstract Porous electrode theory (PET) provides essential insights into electrochemical states, but its computational complexity hinders real-time control and obscures scaling relations. To bridge the gap between high-fidelity simulations and reduced-order models, we present a framework of scaling analysis and analytical approximations. By assuming high-performance electrodes minimize transport limitations and overpotentials, we derive a simplified “lean model” governed by four dimensionless numbers: (i) a traditional Damköhler number, Da, scaling the characteristic reaction rate to the diffusion rate in the electrolyte-filled pores; (ii) the “process Damköhler number,” Da p , scaling the reaction rate to the applied capacity utilization rate (C-rate); (iii) the “wiring Damköhler number,” Da w , scaling the reaction rate to an effective electromigration rate for ions in the pores in series with electrons in the conducting matrix; and (iv) the “capacitive Damköhler number,” Da c , comparing the rates of Faradaic reactions and double-layer charging. For batteries, we derive analytical solutions for standard protocols, including galvanostatic discharge, chronoamperometry, and electrochemical impedance spectroscopy. Validated against numerical simulations of a practical NMC half-cell, our formulae show excellent agreement at negligible computational cost. This interpretable, physics-based framework accelerates battery design and state estimation while unifying the modeling of batteries, supercapacitors, fuel cells, and other porous electrode systems.
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