多孔电极电容充电与脱盐的非线性动力学
化学物理
2015-05-14 v1
摘要
多孔电极与水溶液之间快速高效的离子交换在许多应用中至关重要，例如通过超级电容器进行电能存储、通过电容去离子(或脱盐)进行水脱盐和净化，以及通过盐度差电容式提取可再生能源。本文中，我们提出了一个统一的平均场理论，用于描述在薄双电层(相对于典型孔隙尺寸)极限下，理想可极化多孔电极(无法拉第反应或离子特异性吸附)的电容充电和脱盐过程。我们以稀薄、对称的二元电解质为例，使用双电层的 Gouy-Chapman-Stern (GCS) 模型来说明该理论，该模型提供了盐吸附和双电层扩散部分电容充电的简单公式。我们针对电容去离子中的实际参数，数值求解了完整的 GCS 平均场理论，并推导了两种具有不同时间尺度的极限情况下的简化模型：(i) 在“超级电容器状态”下，即小电压和/或早期时间，多孔电极类似于传输线，由静电势的线性扩散方程控制，时间尺度缩放至单个孔隙的 RC 时间。(ii) 在“脱盐状态”下，即大电压和长时间，多孔电极缓慢吸附中性盐，由孔隙平均电势和盐浓度的耦合非线性扩散方程控制。
引用
@article{arxiv.0911.1747,
title = {Nonlinear Dynamics of Capacitive Charging and Desalination by Porous Electrodes},
author = {P. M. Biesheuvel and M. Z. Bazant},
journal= {arXiv preprint arXiv:0911.1747},
year = {2015}
}