Balboa Blanco, Luis Humberto (2026) Finite Element Method Simulations of Redox Processes in Nanoporous Gold and in Lithium Batteries. PhD, Universität Oldenburg.

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Abstract

This thesis investigates the transport phenomena in nanoporous electrodes and in lithium electrodes using a combination of scanning electrochemical microscopy (SECM) and finite element method (FEM) simulations. The primary goal is to develop and validate analytical models that accurately describe key properties such as porosity, film thickness, and current density distribution in electrochemical systems with complex geometries. Initial studies are devoted to heterogeneous models of nanoporous gold (NPG) and platinum on carbon (Pt/C), highlighting how variations in pore structure impact electrochemical responses. These findings led to the development of improved analytical equations that capture the dynamics of mass transport more effectively. Subsequently, homogeneous models are introduced to simplify the representation of transport by diffusion properties while maintaining accuracy across a range of porosities. A new analytical equation for SECM approach curves was developed, validated through simulations, and shown to be applicable under diverse experimental conditions. The thesis further examines lithium electrodes and SEI evolution using numerical simulations to model the secondary current density distribution under realistic conditions. The results demonstrate how probe positioning and geometry affect the local current density distribution and data interpretation, offering practical guidance for minimizing measurement artefacts in SEI studies. Overall, this work provides valuable tools for optimizing electrode design and contributes to advancing high-performance electrochemical systems.

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Finite-Elemente-Methoden-Simulationen von Redoxprozessen in nanoporösem Gold und in Lithiumbatterien

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Diese Dissertation untersucht die Transportphänomene in nanoporösen Elektroden und Lithium-Elektroden mithilfe einer Kombination aus elektrochemischer Rastermikroskopie (SECM, scanning electrochemical microscopy) und Simulationen mit der Methode der finiten Elemente (FEM). Das Hauptziel besteht darin, analytische Modelle zu entwickeln und zu validieren, die Schlüsseleigenschaften wie Porosität, Schichtdicke und Stromdichteverteilung in komplexen elektrochemischen Systemen genau beschreiben. Zunächst werden heterogene Modelle von nanoporösem Gold (NPG) und Platin auf Kohlenstoff (Pt/C) vorgestellt, wobei deutlich wird, wie Variationen in der Porenstruktur die elektrochemischen Reaktionen beeinflussen. Diese Erkenntnisse führten zur Entwicklung verbesserter analytischer Gleichungen, die die Dynamik des Massentransports effektiver erfassen. Anschließend werden homogene Modelle eingeführt, um die Darstellung der Transporteigenschaften zu vereinfachen, während die Genauigkeit über einen breiten Porositätsbereich erhalten bleibt. Eine neue analytische Gleichung für SECM-Annäherungskurven wurde entwickelt, durch Simulationen validiert und erwies sich als anwendbar unter unterschiedlichen experimentellen Bedingungen. Die Arbeit untersucht auch Lithium-Elektroden und die Entwicklung der Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI) mithilfe numerischer Simulationen, mit denen die sekundäre Stromdichteverteilung unter realistischen Bedingungen modelliert wird. Die Ergebnisse zeigen, wie die Positionierung und Geometrie der SECM-Sonde die lokale Stromdichteverteilung und die Datenauswertung beeinflussen, und liefern praktische Hinweise zur Minimierung von Messartefakten in SEI-Studien. Insgesamt bietet diese Arbeit wertvolle Werkzeuge zur Optimierung des Elektroden­designs und leistet einen Beitrag zur Weiterentwicklung leistungsfähiger elektrochemischer Systeme.

Item Type:	Thesis (PhD)
Uncontrolled Keywords:	diffusion, simulation, nanoporous electrodes, scanning electrochemical microscopy (SECM), finite element method (FEM)
Subjects:	Science and mathematics > Chemistry
Divisions:	Faculty of Mathematics and Science > Department of Chemistry (IfC)
Date Deposited:	15 Apr 2026 09:26
Last Modified:	15 Apr 2026 09:26
URI:	https://oops.uni-oldenburg.de/id/eprint/7406
URN:	urn:nbn:de:gbv:715-oops-74870
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