Tailored porous electrode resistance for controlling electrolyte depletion and improving charging response in electrochemical systems

电解质 电极 超级电容器 材料科学 电化学 消散 多孔性 储能 化学 复合材料 热力学 物理 物理化学 功率(物理)
作者
James W. Palko,Ali Hemmatifar,Juan G. Santiago
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier]
卷期号:397: 252-261 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2018.06.102
摘要

The rapid charging and/or discharging of electrochemical cells can lead to localized depletion of electrolyte concentration. This depletion can significantly impact the system's time dependent resistance. For systems with porous electrodes, electrolyte depletion can limit the rate of charging and increase energy dissipation. Here we propose a theory to control and avoid electrolyte depletion by tailoring the value and spatial distribution of resistance in a porous electrode. We explore the somewhat counterintuitive idea that increasing local spatial resistances of the solid electrode itself leads to improved charging rate and minimal change in energy loss. We analytically derive a simple expression for an electrode matrix resistance profile that leads to highly uniform electrolyte depletion. We use numerical simulations to explore this theory and simulate spatiotemporal dynamics of electrolyte concentration in the case of a supercapacitor with various tailored electrode matrix resistance profiles which avoid localized depletion. This increases charging rate up to ∼2-fold with minimal effect on overall dissipated energy in the system.
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