<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Chem.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Chemistry</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Chem.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-2646</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1502840</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fchem.2024.1502840</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Chemistry</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Incorporation of charge discreteness and ion correlations into lattice models of ionic liquids</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Bossa and May</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fchem.2024.1502840">10.3389/fchem.2024.1502840</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Bossa</surname>
<given-names>Guilherme Volpe</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2876065/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>May</surname>
<given-names>Sylvio</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/757347/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Institute of Mathematical and Physical Sciences</institution>, <institution>Universidad Austral de Chile</institution>, <addr-line>Valdivia</addr-line>, <country>Chile</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Department of Physics</institution>, <institution>North Dakota State University</institution>, <addr-line>Fargo</addr-line>, <addr-line>ND</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2686194/overview">Yury Budkov</ext-link>, National Research University Higher School of Economics, Russia</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1394854/overview">Ralf Blossey</ext-link>, UMR8576 Unit&#xe9; de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle (UGSF), France</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2857011/overview">Aleksey Khlyupin</ext-link>, Moscow Institute of Physics and Technology, Russia</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Sylvio May, <email>sylvio.may@ndsu.edu</email>
</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>05</day>
<month>12</month>
<year>2024</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2024</year>
</pub-date>
<volume>12</volume>
<elocation-id>1502840</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>27</day>
<month>09</month>
<year>2024</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>30</day>
<month>10</month>
<year>2024</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2024 Bossa and May.</copyright-statement>
<copyright-year>2024</copyright-year>
<copyright-holder>Bossa and May</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Lattice-based mean-field models of ionic liquids neglect charge discreteness and ion correlations. To address these limitations, we propose separating the short-range and long-range parts of the electrostatic interaction by truncating the Coulomb potential below a fixed distance that is equal to or slightly larger than that between neighboring ions. Interactions and correlations between adjacent ions can then be modeled explicitly, whereas longer-ranged electrostatic interactions are captured on the mean-field level. We implement this approximation into the framework of modeling a compact, solvent-free ionic liquid by, first, considering terms up to the fourth order of the operator that represents the truncated Coulomb potential and, second, by accounting for electrostatic correlations between pairs of neighboring ions on the level of the quasi-chemical approach. A set of boundary conditions for the resulting self-consistent fourth-order differential equation follows from functional minimization of the free energy. The differential capacitance of an ionic liquid in contact with a planar electrode is calculated analytically up to quadratic order in the electrode&#x2019;s surface charge density by solving the linearized model and applying a perturbation approach valid beyond the linear regime. We demonstrate that charge discreteness enhances the differential capacitance, whereas electrostatic correlations between ion&#x2013;ion pairs drive the transition from a bell-shaped to a camel-shaped profile of differential capacitance. Our approach offers a systematic way to further improve the treatment of charge discreteness, account for short-range electrostatic and non-electrostatic interactions, and include higher-order ion&#x2013;ion correlations.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>ionic liquid</kwd>
<kwd>electrostatics</kwd>
<kwd>ion correlations</kwd>
<kwd>charge discreteness</kwd>
<kwd>mean-field</kwd>
<kwd>quasi-chemical approximation</kwd>
<kwd>random mixing approximation</kwd>
<kwd>boundary conditions</kwd>
</kwd-group>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Theoretical and Computational Chemistry</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Ionic liquids consist of mixtures of cations and anions, usually of asymmetric size, that can remain in a liquid phase at temperatures typically below 100&#xb0;C (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Hayes et al., 2015</xref>). After initially being described as &#x201c;water-free salts&#x201d; (<xref ref-type="bibr" rid="B47">Walden, 1914</xref>), ionic liquids continue to gain attention due to their unique properties, including low volatility, high thermal stability, and excellent solvating capabilities (<xref ref-type="bibr" rid="B43">Sowmiah et al., 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B19">Eyckens and Henderson, 2019</xref>). Given the diversity of molecular structures that form ionic liquids (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Hayes et al., 2015</xref>) and their potential applications in energy conversion and storage (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Armand et al., 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B52">Wishart, 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B45">Torimoto et al., 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B50">Watanabe et al., 2017</xref>), it is not surprising that optimizing function&#x2013;structure relationships is both complex and highly rewarding (<xref ref-type="bibr" rid="B42">Silva et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B49">Wang et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">Khlyupin et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B38">Nesterova et al., 2025</xref>). The challenges extend even to the level of understanding underlying thermodynamic and dynamic properties of ionic liquids (<xref ref-type="bibr" rid="B51">Weing&#xe4;rtner, 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B42">Silva et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B39">Nordness and Brennecke, 2020</xref>). Compared to the ions in ordinary electrolytes, those of ionic liquids are densely packed and thus subject to ion&#x2013;ion correlations due to electrostatic and non-electrostatic interactions (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Del P&#xf3;polo and Voth, 2004</xref>).</p>
<p>Classical mean-field modeling (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Kornyshev, 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B35">May, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B22">Goodwin et al., 2023</xref>), which is a powerful conceptual tool to characterize ions in a solvent at sufficient dilution, fails for ionic liquids. Consequently, significant efforts have been undertaken in the past to incorporate ion correlations due to electrostatic and non-electrostatic interactions into the modeling of ionic liquids (<xref ref-type="bibr" rid="B29">Kondrat et al., 2023</xref>). Examples include the use of field theory (<xref ref-type="bibr" rid="B15">D&#xe9;mery et al., 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B37">Nakamura, 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Budkov, 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B11">Chao and Wang, 2020</xref>), density functional theory (<xref ref-type="bibr" rid="B53">Wu et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B27">Henderson et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B34">Ma et al., 2014</xref>), a microscopic cluster expansion model (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Avni et al., 2020</xref>), molecular dynamics (<xref ref-type="bibr" rid="B48">Wang et al., 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B20">Fedorov and Kornyshev, 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Coles et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B56">Zeman et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B54">Ye and Wang, 2022</xref>) and Monte Carlo (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Kondrat et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B5">Bhuiyan et al., 2012</xref>) simulations, as well as phenomenological extensions of mean-field approaches (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Frydel, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B23">Goodwin et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Downing et al., 2018a</xref>). To allow for oscillations in ionic concentration profiles, Bazant, Storey, and Kornyshev (BSK) proposed a phenomenological Landau&#x2013;Ginzburg-like model that leads to a fourth-order modified Poisson&#x2013;Boltzmann equation with a correlation length that accounts for short-range ion&#x2013;ion interactions (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Bazant et al., 2011</xref>). The BSK approach has been used widely (<xref ref-type="bibr" rid="B55">Yochelis, 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B40">Shalabi et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B46">Varner and Wang, 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B38">Nesterova et al., 2025</xref>) and linked to microscopic approaches (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Blossey et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B2">Avni et al., 2020</xref>). Yet, understanding of the physical basis of higher-order Poisson&#x2013;Boltzmann approaches and their relation to even the most basic molecular properties such as charge discreteness, ion polarizability, non-electrostatic interactions, and electrostatic ion&#x2013;ion correlations remains incomplete.</p>
<p>The present work aims at incorporating both charge discreteness and electrostatic correlations between ion pairs into a lattice-based model of an ionic liquid that is in contact with a single planar electrode. To account for charge discreteness, we separate the short-range and long-range parts of the electrostatic interaction by truncating the Coulomb potential below a distance <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to the neighboring ions. The operator that results from this truncation involves an infinite number of higher-order derivatives, yet it becomes equivalent to the BSK model in the limit of small <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We focus on this limit, which results in an approximate incorporation of electrostatic interactions on the level of continuum electrostatics except for nearest neighbors. In contrast, electrostatic interactions among nearest neighbor ions are modeled explicitly, thereby accounting for their discrete nature. To account for electrostatic correlations among neighboring ions, we adopt the quasi-chemical approximation (QCA) approach (<xref ref-type="bibr" rid="B41">Sher et al., 1987</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B13">Davis, 1996</xref>) when expressing the configurational entropy of the lattice gas. In principle, QCA can account for a correlation among any number of ions, but in the present work, we only include two-body correlations among nearest neighbor ions. Hence, we propose a method that accounts for both charge discreteness and electrostatic correlations between ion pairs in the modeling of ionic liquids. We recognize that the present work assumes <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is sufficiently small and neglects ion correlations that involve more than two ions. Yet, we also point out that, in principle, this approach can be extended to account for larger <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and higher-order correlations. In addition to presenting the method and deriving the self-consistency relationship (a fourth-order differential equation) plus its boundary conditions, we calculate analytic results for the differential capacitance up to quadratic order in the surface charge density of the electrode and numerical results for larger surface charge densities. Our results are compared with limiting cases, such as the absence of electrostatic correlations between ion pairs and the negligence of ion discreteness. We find that charge discreteness enhances the magnitude of the electrostatic potential, and thus also the differential capacitance, whereas electrostatic correlations between ion pairs induce a transition from a bell-shaped to a camel-shaped profile of the differential capacitance.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Theory</title>
<p>Consider a compact, solvent-free ionic liquid containing monovalently charged cations and anions of the same size. We represent the ionic liquid by a lattice of coordination number <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, volume <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> per lattice site, and lattice spacing <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with each site being occupied by either a cation or an anion. <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denote the local mole fraction of cations (index &#x201c;1&#x201d;) and anions (index &#x201c;2&#x201d;), respectively, at position <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The absence of solvent is expressed by the condition <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at every position <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the present work, we aim at separating contributions to the electrostatic energy of the ionic liquid that originate from the short-range and long-range parts of the Coulomb potential. To introduce this method, we write for the electrostatic energy due to the long-range part.<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where we have defined the difference <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in mole fractions between the cations and anions. Note that <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> specifies the local volume charge density, where <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the elementary charge, and that <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is positive in regions with an excess of cations over anions. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> accounts for all pairwise interactions among the ions within the ionic liquid: <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for cation&#x2013;cation and anion&#x2013;anion pairs, and <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for cation&#x2013;anion and anion&#x2013;cation pairs, given that the two ions are separated by a distance <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We introduce a dimensionless potential <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> through:<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where, here and in the following, we express energies in units of <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Boltzmann constant and <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the absolute temperature. In order to recast <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref> into a <italic>local</italic> equation for the potential <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we introduce a yet unknown differential operator <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> such that <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Dirac delta function. This indeed implies the local equation:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>and corresponding electrostatic energy<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>Only after specifying a concrete interaction potential <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we can determine the corresponding differential operator <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This is addressed in the following section.</p>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Truncated Coulomb potential</title>
<p>To capture the long-range part of the electrostatic interaction, we choose a truncated Coulomb potential<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Bjerrum length and <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the truncation length. Truncated Coulomb potentials have been employed in the past to cut off the long-range part with the goal to facilitate efficient computer simulations (<xref ref-type="bibr" rid="B33">Linse and Andersen, 1986</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B3">Baker et al., 1999</xref>). In contrast, we propose to cut off the short-range part of the Coulomb interaction, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>: the black solid line in both diagrams of <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> shows the truncated potential <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Equation 5</xref>. The operator <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be identified conveniently in Fourier space, where the Fourier transformation<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>together with <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> gives rise to<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="eqnarray">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>sinh</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>360</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2213;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>In <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equation 6</xref>, <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denote the nabla differential operator and the <italic>i</italic>th Bernoulli number, respectively. Recall that the set of Bernoulli numbers can be defined via a series expansion of the generating function <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. If the truncated Coulomb potential is approximated by the <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-th order operator,<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>then the corresponding potential is given by the following equation:<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>The function <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 8</xref> is the <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-th order approximation of the truncated Coulomb potential. For <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 8</xref> gives rise to the Coulomb potential <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the limit <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the truncated Coulomb potential <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as specified in <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Equation 5,</xref> is recovered. As has been pointed out by <xref ref-type="bibr" rid="B32">Lee et al. (2015)</xref>, the first-order approximation of the truncated Coulomb potential is as follows:<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>The right diagram in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> shows the truncated Coulomb potential <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> together with the increasingly more accurate approximations <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the present work, we will focus on the first-order approximation <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> only, leading to a fourth-order Poisson equation <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that utilizes the differential operator <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> similar to the BSK model (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Bazant et al., 2011</xref>). However, <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equations 7</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">8</xref> provide a method for the incorporation of higher-order approximations in a straightforward manner.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Left diagram: plot of the truncated Coulomb potential <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a function of the radial distance <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Equation 5</xref>. The truncation distance is <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the Bjerrum length is <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Right diagram: truncated Coulomb potential <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (thick solid line) together with the increasingly more accurate approximations <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (first order, shown in red color), <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (second order, orange), <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (third order, green), and <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (fourth order, blue), as defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 8</xref>. The dotted line marks the Coulomb potential <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fchem-12-1502840-g001.tif"/>
</fig>
<p>We point out that the BSK model (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Bazant et al., 2011</xref>) is an effective mean-field approach based on the pair potential <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The emergence of <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from the bare Coulomb potential can be the result of charge discreteness, which we consider in the present work, or of short-range correlations. Our present work considers electrostatic correlations beyond the short-range correlations of the BSK model. Electrostatic correlations between ion pairs are not accounted for by the BSK model.</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Free energy minimization</title>
<p>Before formulating and minimizing a free energy that accounts for charge discreteness and electrostatic correlations between ion pairs, we start with three comments: first, choosing the truncation radius <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to be equal or slightly larger than the lattice spacing <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> enables us to explicitly include the electrostatic interactions between neighboring ions: <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> between cation&#x2013;cation and anion&#x2013;anion pairs and <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> between cation&#x2013;anion and anion&#x2013;cation pairs. This introduces the definition <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the notation <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that we use in <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Equation 10</xref>. Second, we account for electrostatic correlations between ions located at neighboring lattice sites through QCA (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Davis, 1996</xref>). Correlations involving more than two ions can, in principle, be incorporated into QCA (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Bossa et al., 2015</xref>), but they are ignored in the present work. To account for correlated ion pairs, we consider the local fraction <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-<inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> pairs, where the indices <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> adopt the value 1 for a cation and 2 for an anion. Third, we introduce the chemical potentials <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the cations and anions, respectively, and choose them to ensure coexistence with a bulk phase of the ionic liquid, where <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We also recall the definition of the lattice coordination number <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. With that, we express the free energy of a lattice-based ionic liquid as follows (<xref ref-type="bibr" rid="B18">Downing et al., 2018b</xref>):<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="eqnarray">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfenced open="" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>The four contributions to this free energy account for the electrostatic energy due to the long-range part of the Coulomb potential, the mixing entropy of ion pairs according to QCA, the electrostatic energy associated with neighboring ion pairs, and a Legendre transformation that fixes the chemical potentials of the cations and anions in the ionic liquid. The <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Equation 10</xref> must fulfill the three conservation relations <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This leaves one degree of freedom for the local distribution of ion pairs, which we define conveniently as <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The difference in mole fractions <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> constitutes another degree of freedom. We thus have the following equation:<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>Note that both <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> depend on the position <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> inside the ionic liquid. Calculation of the first variation in the free energy <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> leads to<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="eqnarray">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfenced open="" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>We have not included boundary terms in <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 12</xref> because they will be discussed separately below. By symmetry, the chemical potentials <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are equal. Thermal equilibrium demands <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, thus leading to the following two equations:<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>which must be fulfilled at each position <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 13</xref> defines the two relations <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> with <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as additional parameters. Spatial compositional variations arise from the solutions of <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Equation 3</xref>. However, to simplify calculations, we replace the operator <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by its first-order approximation <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> as defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 7</xref>. This renders the level of modeling the long-range part of the electrostatic interactions similar to the BSK model (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Bazant et al., 2011</xref>) yet with different boundary conditions as discussed below. <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Equation 3</xref> then reads as follows:<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>where we have defined the length <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For example, <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mtext>nm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>nm</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> imply <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.3</mml:mn>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mtext>nm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We will use <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as unit length throughout this work. <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Equation 14</xref> is a self-consistency relationship that takes the form of a fourth-order differential equation with the function <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> defined through a set of two algebraic equations. As pointed out above, electrostatic interactions are represented by the potential <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 9</xref>. Unlike interpretations in terms of short-range ion correlations (<xref ref-type="bibr" rid="B44">Storey and Bazant, 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B36">Moon et al., 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B6">Blossey et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B40">Shalabi et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">de Souza and Bazant, 2020</xref>), we associate the use of <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with an approximation of the truncated Coulomb potential <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Equation 5</xref>, which originates in our goal to model charge discreteness rather than correlations. A complementary interpretation of <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would be in terms of excluded volume interactions between adjacent ions, and such an interpretation has been proposed recently (<xref ref-type="bibr" rid="B24">Gupta et al., 2020a</xref>).</p>
<p>The function <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that is needed to solve <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Equation 14</xref> satisfies <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 13</xref> and is displayed together with <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> for different parameters <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The solution of <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 13</xref> for <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>tanh</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, irrespective of <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and is shown as a black line in the left diagram of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. Curves of the same color refer to <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (red), <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (blue), and <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (green) and are calculated for different values of <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as indicated in the legend. Note that for <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (the red lines in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>), <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 13</xref> yields the following simple analytic result:<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>sinh</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sinh</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sinh</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>which corresponds to the solution of the one-dimensional Ising model (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Davis, 1996</xref>) in an external field <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Relationships <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (left diagram) and <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (right diagram) according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 13</xref>. Curves of the same color refer to <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (red), <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (blue), and <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (green) and are calculated for <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (solid colored lines), <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (broken lines), and <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (dotted lines). For <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 13</xref> predicts <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>tanh</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> irrespective of <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (the black curve on the left diagram). All curves colored red <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> follow the explicit expressions in <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Equation 15</xref>. The thick transparent lines in the left diagram represent third-order approximations of <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as specified in <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Equations 29</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">30</xref>. They will be utilized in <xref ref-type="sec" rid="s3-1">Sections 3.1</xref>, <xref ref-type="sec" rid="s3-2">3.2</xref> to calculate the differential capacitance for the linearized model and beyond that using a perturbation approach.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fchem-12-1502840-g002.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 Boundary conditions</title>
<p>From this point forward, we consider a single charged planar electrode that carries a uniform surface charge density <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and is in contact with the ionic liquid. We locate the origin of a Cartesian coordinate system at the electrode surface, with its <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-axis pointing normal into the ionic liquid. The electrostatic potential <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> then depends only on the distance <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to the electrode, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Equation 14</xref> reads as follows:<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>where a prime denotes the derivative with respect to the position <inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We derive solutions of this fourth-order non-linear differential equation for <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> subject to the boundary conditions <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as well as<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2034;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a scaled (dimensionless) surface charge density. Different sets of boundary conditions at the electrode surface <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> have been proposed in the past for fourth-order differential equations of the type in <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 16</xref>: <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2034;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the original BSK model (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Bazant et al., 2011</xref>) and <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> based on variational free energy minimization (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Gupta et al., 2020b</xref>). In addition, <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2034;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> have been proposed based on the continuity of the Maxwell stress tensor at the charged electrode (<xref ref-type="bibr" rid="B16">de Souza and Bazant, 2020</xref>) and on interpreting <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 9</xref> as a specific combination of Coulomb and Yukawa potentials (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Bossa and May, 2020</xref>). We take the point of view that the truncated Coulomb potential applies to all charges in the system, including those within the ionic liquid and those at the electrode surface. In this case, the energy (per unit area <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) of the system associated with the long-range part of the electrostatic interactions is as follows:<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="eqnarray">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="" close="}">
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2034;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>}</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>Its first variation is as follows:<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="" close="}">
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2034;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>}</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>The integral in <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Equation 19</xref> is <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:math>,</inline-formula> which, when combined with the variation in the non-electrostatic contributions to the free energy, will vanish, as demonstrated in <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 12</xref>. Poisson&#x2019;s equation for the truncated Coulomb potential, <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, relates the potential to the local volume charge density <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Integrating that equation across the surface of the electrode yields <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2034;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Because the scaled surface charge density <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is fixed, the ensuing relation <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2034;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> causes the first surface term in <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Equation 19</xref> to vanish. Vanishing of the second surface term demands <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Because of <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the term <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the third line of <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Equation 18</xref> vanishes. The remaining two terms, the electrostatic energy due to the surface charges on the electrode and the electrostatic energy due the ions in the ionic liquid, then render <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Equation 18</xref> identical to <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Equation 4</xref>. Hence, the boundary conditions at the electrode, <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2034;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, lead to the consistent vanishing of <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Equation 10</xref>, including all surface terms.</p>
<p>The following three comments complete our discussion of the boundary conditions. First, for <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> the potential is constant, <inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Hence, because the region <inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> does not contribute to <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the integration in <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Equation 18</xref> may start from <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="m189">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> instead of also including negative values of <inline-formula id="inf170">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Second, short-range electrostatic interactions of the ionic liquid with the electrode surface contribute another surface term <inline-formula id="inf171">
<mml:math id="m191">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf172">
<mml:math id="m192">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Equation 18</xref>. Because the variation of this term vanishes, it does not add to the boundary conditions. Third, our approach recovers the boundary condition <inline-formula id="inf173">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, used previously to solve the second-order self-consistency differential equation <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="m194">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that results from our model for <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="m195">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B18">Downing et al., 2018b</xref>).</p>
<p>The solution <inline-formula id="inf176">
<mml:math id="m196">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 16</xref> reveals how the surface potential <inline-formula id="inf177">
<mml:math id="m197">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> depends on the scaled surface charge density <inline-formula id="inf178">
<mml:math id="m198">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, allowing us to compute the differential capacitance as follows:<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m199">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>Calculation of the scaled differential capacitance <inline-formula id="inf179">
<mml:math id="m200">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a major focus of the present work.</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="results|discussion" id="s3">
<title>3 Results and discussion</title>
<p>Before computing general results for <inline-formula id="inf180">
<mml:math id="m201">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> numerically, we analytically derive quadratic expressions of the form <inline-formula id="inf181">
<mml:math id="m202">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> through linearizing our model followed by a perturbation approach to access the nonlinear regime. The determination of the two constants <inline-formula id="inf182">
<mml:math id="m203">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf183">
<mml:math id="m204">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as functions of <inline-formula id="inf184">
<mml:math id="m205">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf185">
<mml:math id="m206">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf186">
<mml:math id="m207">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> provides insights about the role of charge discreteness and electrostatic correlations between ion pairs.</p>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Linearized theory</title>
<p>For small potentials, <inline-formula id="inf187">
<mml:math id="m208">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, only the linear part of the relationship <inline-formula id="inf188">
<mml:math id="m209">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is significant. We use <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 13</xref> to perform a series expansion of <inline-formula id="inf189">
<mml:math id="m210">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> up to the linear order. The result, <inline-formula id="inf190">
<mml:math id="m211">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, can conveniently be expressed as <inline-formula id="inf191">
<mml:math id="m212">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where we have defined the length:<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m213">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>This length will be shown to play a role in separating different regimes of the solution <inline-formula id="inf192">
<mml:math id="m214">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the linear problem. We thus solve the equation<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m215">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>subject to <inline-formula id="inf193">
<mml:math id="m216">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf194">
<mml:math id="m217">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2034;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf195">
<mml:math id="m218">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The solution of the linear problem, denoted in the following by <inline-formula id="inf196">
<mml:math id="m219">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, can generally be expressed as the sum of two contributions:<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m220">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>with<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m221">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>The two constants <inline-formula id="inf197">
<mml:math id="m222">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf198">
<mml:math id="m223">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> follow from the boundary conditions in <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Equation 17</xref>,<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m224">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>In the following, we discuss how the structure of the solution changes as <inline-formula id="inf199">
<mml:math id="m225">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is varied. For <inline-formula id="inf200">
<mml:math id="m226">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the corresponding potential,<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m227">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>is characterized by a single decay length. For <inline-formula id="inf201">
<mml:math id="m228">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, there is a double-exponential decay with the two decay lengths <inline-formula id="inf202">
<mml:math id="m229">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf203">
<mml:math id="m230">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. At <inline-formula id="inf204">
<mml:math id="m231">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the decay length <inline-formula id="inf205">
<mml:math id="m232">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> diverges, and the potential becomes as follows:<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m233">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>Finally, for <inline-formula id="inf206">
<mml:math id="m234">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the quantities <inline-formula id="inf207">
<mml:math id="m235">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf208">
<mml:math id="m236">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as well as <inline-formula id="inf209">
<mml:math id="m237">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf210">
<mml:math id="m238">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, adopt complex conjugate values with<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m239">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>and<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m240">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>The potential<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m241">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>then exhibits exponentially decaying oscillations. <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> shows <inline-formula id="inf211">
<mml:math id="m242">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf212">
<mml:math id="m243">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (upper three curves) and <inline-formula id="inf213">
<mml:math id="m244">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (lower three curves) and three different ratios of <inline-formula id="inf214">
<mml:math id="m245">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, namely <inline-formula id="inf215">
<mml:math id="m246">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (black), <inline-formula id="inf216">
<mml:math id="m247">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (red), and <inline-formula id="inf217">
<mml:math id="m248">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (blue). <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> suggests the tendency of <inline-formula id="inf231">
<mml:math id="m262">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to increase the magnitude and decay length of the potential. The truncation length <inline-formula id="inf232">
<mml:math id="m263">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> only moderately modifies this tendency. Irrespective of the ratio <inline-formula id="inf233">
<mml:math id="m264">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the same linear relationship,<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m265">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>between surface potential <inline-formula id="inf234">
<mml:math id="m266">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and scaled surface charge density <inline-formula id="inf235">
<mml:math id="m267">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> results. Hence, <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Equation 27</xref> is valid within the linearized model for any choice of <inline-formula id="inf236">
<mml:math id="m268">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf237">
<mml:math id="m269">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf238">
<mml:math id="m270">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This leads to a prediction for the differential capacitance <inline-formula id="inf239">
<mml:math id="m271">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the limit of an uncharged electrode, where both <inline-formula id="inf240">
<mml:math id="m272">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf241">
<mml:math id="m273">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>,<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m274">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>Recall that <inline-formula id="inf242">
<mml:math id="m275">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> depends on <inline-formula id="inf243">
<mml:math id="m276">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf244">
<mml:math id="m277">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> through <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Equation 20</xref>. Clearly, increasing <inline-formula id="inf245">
<mml:math id="m278">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> lowers <inline-formula id="inf246">
<mml:math id="m279">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, whereas larger <inline-formula id="inf247">
<mml:math id="m280">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases <inline-formula id="inf248">
<mml:math id="m281">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>
<inline-formula id="inf218">
<mml:math id="m249">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf219">
<mml:math id="m250">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (upper three curves) and <inline-formula id="inf220">
<mml:math id="m251">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (lower three curves, magnified in the inset), with <inline-formula id="inf221">
<mml:math id="m252">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (black), <inline-formula id="inf222">
<mml:math id="m253">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (red), and <inline-formula id="inf223">
<mml:math id="m254">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (blue). All curves are calculated for <inline-formula id="inf224">
<mml:math id="m255">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The black curves <inline-formula id="inf225">
<mml:math id="m256">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are single exponentials according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Equation 24</xref> with a decay length <inline-formula id="inf226">
<mml:math id="m257">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf227">
<mml:math id="m258">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf228">
<mml:math id="m259">
<mml:mrow>
<mml:mn>4.5</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf229">
<mml:math id="m260">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The red curves <inline-formula id="inf230">
<mml:math id="m261">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are specified by <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Equation 25</xref>. The blue curves, which follow <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Equation 26</xref>, exhibit exponentially decaying oscillations.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fchem-12-1502840-g003.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Non-linear model: a perturbation approach</title>
<p>The linearized model is based on the relationship <inline-formula id="inf249">
<mml:math id="m282">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In this section, we employ a perturbation approach to analytically model the nonlinear region, where the potential deviates only slightly from <inline-formula id="inf250">
<mml:math id="m283">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. To this end, we expand the relationship <inline-formula id="inf251">
<mml:math id="m284">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> up to the third order,<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m285">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>From <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 13</xref>, we find the third-order coefficient as follows:<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m286">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>The left diagram in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> displays the third-order approximation, as specified in <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Equations 29</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">30</xref> (color-matching thick transparent lines). Hence, we aim to solve the nonlinear differential equation<disp-formula id="e36">
<mml:math id="m287">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>subject to <inline-formula id="inf252">
<mml:math id="m288">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf253">
<mml:math id="m289">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2034;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf254">
<mml:math id="m290">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We express the potential <inline-formula id="inf255">
<mml:math id="m291">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">per</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the sum of the solution for the linear problem <inline-formula id="inf256">
<mml:math id="m292">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and a small perturbation <inline-formula id="inf257">
<mml:math id="m293">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">per</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Substituting <inline-formula id="inf258">
<mml:math id="m294">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">Equation 31</xref> leads to the linear, inhomogeneous differential equation<disp-formula id="e37">
<mml:math id="m295">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">per</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>for the perturbation contribution of the potential <inline-formula id="inf259">
<mml:math id="m296">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">per</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf260">
<mml:math id="m297">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">Equation 21</xref>. The solution <inline-formula id="inf261">
<mml:math id="m298">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">per</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">inh</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">hom</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Equation 32</xref> can be expressed as the sum of a specific solution for the inhomogeneous equation (index &#x201c;inh&#x201d;):<disp-formula id="e38">
<mml:math id="m299">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="eqnarray">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">inh</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfenced open="" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf262">
<mml:math id="m300">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf263">
<mml:math id="m301">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf264">
<mml:math id="m302">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and <inline-formula id="inf265">
<mml:math id="m303">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Equations 22</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">23</xref>, and a solution for the homogeneous equation (index &#x201c;hom&#x201d;):<disp-formula id="e39">
<mml:math id="m304">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">hom</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>The two constants <inline-formula id="inf266">
<mml:math id="m305">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf267">
<mml:math id="m306">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Equation 33</xref> can be determined such that besides <inline-formula id="inf268">
<mml:math id="m307">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">per</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">per</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Equation 32</xref> also satisfies the boundary conditions <inline-formula id="inf269">
<mml:math id="m308">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">per</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf270">
<mml:math id="m309">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">per</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2034;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This results in an expression for the surface contribution of the perturbation potential <inline-formula id="inf271">
<mml:math id="m310">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">per</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with<disp-formula id="e40">
<mml:math id="m311">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>25</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>41</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>The total surface potential <inline-formula id="inf272">
<mml:math id="m312">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">per</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be used to calculate the scaled differential capacitance,<disp-formula id="e41">
<mml:math id="m313">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>analytically up to quadratic order in <inline-formula id="inf273">
<mml:math id="m314">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Using the expressions for <inline-formula id="inf274">
<mml:math id="m315">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf275">
<mml:math id="m316">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf276">
<mml:math id="m317">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Equations 28</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">30</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e40">34</xref>, respectively, to calculate the quadratic-order coefficient <inline-formula id="inf277">
<mml:math id="m318">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> yields the following:<disp-formula id="e42">
<mml:math id="m319">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>25</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>41</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>The quadratic expression for <inline-formula id="inf278">
<mml:math id="m320">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e41">Equation 35</xref> with the analytic results for <inline-formula id="inf279">
<mml:math id="m321">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf280">
<mml:math id="m322">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> given in <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Equations 28</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e42">36</xref> is the central outcome of this work, accounting (albeit on an approximate level) for both charge discreteness and electrostatic correlations.</p>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>3.3 Limiting cases</title>
<sec id="s3-3-1">
<title>3.3.1 Continuum mean-field model, <inline-formula id="inf281">
<mml:math id="m323">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf282">
<mml:math id="m324">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</title>
<p>For <inline-formula id="inf283">
<mml:math id="m325">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf284">
<mml:math id="m326">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 16</xref> reduces to the well-known classical mean-field equation <inline-formula id="inf285">
<mml:math id="m327">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>tanh</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that emerges from the lattice-based Poisson&#x2013;Boltzmann framework of a solvent-free ionic liquid (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Borukhov et al., 1997</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B31">Kornyshev, 2007</xref>). Neither charge discreteness nor ion correlations are accounted for. Subject to the boundary conditions <inline-formula id="inf286">
<mml:math id="m328">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf287">
<mml:math id="m329">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we obtain a surface potential <inline-formula id="inf288">
<mml:math id="m330">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf289">
<mml:math id="m331">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf290">
<mml:math id="m332">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf291">
<mml:math id="m333">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and thus, a scaled differential capacitance <inline-formula id="inf292">
<mml:math id="m334">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For small <inline-formula id="inf293">
<mml:math id="m335">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, this can be represented by <inline-formula id="inf294">
<mml:math id="m336">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf295">
<mml:math id="m337">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf296">
<mml:math id="m338">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. All models discussed in the present work recover this limit if both <inline-formula id="inf297">
<mml:math id="m339">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf298">
<mml:math id="m340">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s3-3-2">
<title>3.3.2 Vanishing truncation length, <inline-formula id="inf299">
<mml:math id="m341">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</title>
<p>For <inline-formula id="inf300">
<mml:math id="m342">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the expressions for <inline-formula id="inf301">
<mml:math id="m343">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf302">
<mml:math id="m344">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Equations 28</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e42">36</xref> simplify to the following:<disp-formula id="e43">
<mml:math id="m345">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>This is identical to the results derived previously by <xref ref-type="bibr" rid="B18">Downing et al. (2018b)</xref>, where an approach analogous to the present one yet without truncating the Coulomb potential was proposed. Not truncating the Coulomb potential while still adding nearest-neighbor electrostatic interactions separately into the model implies a double counting of nearest neighbor ion&#x2013;ion interactions. The truncation of the Coulomb potential introduced in the present work eliminates this inconsistency.</p>
<p>As pointed out by <xref ref-type="bibr" rid="B18">Downing et al. (2018b)</xref>, <inline-formula id="inf303">
<mml:math id="m346">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> changes sign upon increasing <inline-formula id="inf304">
<mml:math id="m347">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, indicating a transition from bell shape to camel shape of the differential capacitance <inline-formula id="inf305">
<mml:math id="m348">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This transition is caused by electrostatic correlations between ion pairs, as shown below by comparing the predictions for <inline-formula id="inf306">
<mml:math id="m349">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the presence and absence of electrostatic correlations.</p>
</sec>
<sec id="s3-3-3">
<title>3.3.3 Vanishing central charge, <inline-formula id="inf307">
<mml:math id="m350">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</title>
<p>The choice <inline-formula id="inf308">
<mml:math id="m351">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> eliminates the explicit account of electrostatic interactions between nearest neighbors. Without these interactions, ion correlations between neighboring ions are no longer present. The solution of <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 13</xref> is <inline-formula id="inf309">
<mml:math id="m352">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and the corresponding relation <inline-formula id="inf310">
<mml:math id="m353">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>tanh</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> implies mean-field electrostatics subject to a truncated Coulomb potential. The resulting fourth-order differential equation <inline-formula id="inf311">
<mml:math id="m354">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>tanh</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is equivalent to the modified Poisson&#x2013;Boltzmann equation of the solvent-free BSK model (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Bazant et al., 2011</xref>) yet with different boundary conditions. For <inline-formula id="inf312">
<mml:math id="m355">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we obtain the following from <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Equations 28</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e42">36</xref>:<disp-formula id="e44">
<mml:math id="m356">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>25</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>41</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>The negative sign of <inline-formula id="inf313">
<mml:math id="m357">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> signifies a bell shape of the differential capacitance <inline-formula id="inf314">
<mml:math id="m358">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Hence, for <inline-formula id="inf315">
<mml:math id="m359">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf316">
<mml:math id="m360">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> cannot exhibit a camel shape.</p>
</sec>
<sec id="s3-3-4">
<title>3.3.4 The influence of electrostatic correlations between ion pairs</title>
<p>The usage of the QCA approximation accounts for electrostatic correlations between neighboring ion pairs, whereas three-body and higher-order correlations are neglected. To investigate the role of electrostatic ion pair correlations, we compare QCA to a mean-field model, which is based on a random mixing approximation (RMA) (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Davis, 1996</xref>). RMA ignores ion pair correlations by modeling the entropy contribution of the free energy through an ideal lattice gas. This is accomplished by imposing <inline-formula id="inf317">
<mml:math id="m361">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which, when used in <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 11</xref>, leads to the free energy<disp-formula id="e45">
<mml:math id="m362">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>Electrostatic interactions between neighboring ions are thus described on the level of the familiar Bragg&#x2013;Williams model (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Davis, 1996</xref>), whereas the long-range components are accounted for by the truncated Coulomb potential. As above, we use <inline-formula id="inf318">
<mml:math id="m363">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf319">
<mml:math id="m364">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and note that <inline-formula id="inf320">
<mml:math id="m365">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Vanishing first variation of the free energy<disp-formula id="e46">
<mml:math id="m366">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>then implies the relation<disp-formula id="e47">
<mml:math id="m367">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>This implicitly defines the function <inline-formula id="inf321">
<mml:math id="m368">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to be used in the fourth-order self-consistency differential equation, <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Equation 14</xref>, namely, <inline-formula id="inf322">
<mml:math id="m369">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Up to the third order in <inline-formula id="inf323">
<mml:math id="m370">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> this function is given by <inline-formula id="inf324">
<mml:math id="m371">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As above, we solve the linearized model and perform a perturbation approach, yielding again an analytic expression for the scaled differential capacitance <inline-formula id="inf325">
<mml:math id="m372">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> up to quadratic order in the scaled surface charge density <inline-formula id="inf326">
<mml:math id="m373">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We find that<disp-formula id="e48">
<mml:math id="m374">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.22em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>25</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>41</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(39)</label>
</disp-formula>where we have defined <inline-formula id="inf327">
<mml:math id="m375">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">Equation 39</xref> accounts for the discrete nature of the ionic charges, but neglects electrostatic correlations between ion pairs. As for <xref ref-type="disp-formula" rid="e44">Equation 37</xref>, the negative sign of <inline-formula id="inf328">
<mml:math id="m376">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> implies a bell shape of <inline-formula id="inf329">
<mml:math id="m377">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Hence, in the absence of electrostatic correlations between ion pairs, our model does not predict a transition to a camel shape of <inline-formula id="inf330">
<mml:math id="m378">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3-4">
<title>3.4 Numerical results</title>
<p>In this section, we present numerical results for <inline-formula id="inf331">
<mml:math id="m379">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with various parameter choices for <inline-formula id="inf332">
<mml:math id="m380">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf333">
<mml:math id="m381">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf334">
<mml:math id="m382">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and then contrast the predictions of the model in the presence and absence of electrostatic ion&#x2013;ion correlations. Solutions of <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Equation 14</xref> employ the function <inline-formula id="inf335">
<mml:math id="m383">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 13</xref> in the presence of electrostatic ion correlations (modeled according to QCA) and according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">Equation 38</xref> in the absence of electrostatic ion correlations (modeled according to RMA).</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> summarizes the predictions of our model according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 16</xref> with <inline-formula id="inf336">
<mml:math id="m384">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> specified in <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 13</xref> and the boundary conditions in <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Equation 17</xref>. Recall that this model incorporates both the truncated Coulomb potential and QCA, thus accounting, approximatively, for both charge discreteness and electrostatic correlations. The scaled differential capacitance <inline-formula id="inf337">
<mml:math id="m385">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is displayed as a function of the scaled surface charge density <inline-formula id="inf338">
<mml:math id="m386">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf339">
<mml:math id="m387">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (upper three diagrams) and <inline-formula id="inf340">
<mml:math id="m388">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (lower three diagrams), as well as <inline-formula id="inf341">
<mml:math id="m389">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (left, colored purple), <inline-formula id="inf342">
<mml:math id="m390">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (middle, colored red), and <inline-formula id="inf343">
<mml:math id="m391">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (right, colored green). Each graph contains 11 curves, varying from <inline-formula id="inf344">
<mml:math id="m392">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (the light colored curve on the top of each diagram) to <inline-formula id="inf345">
<mml:math id="m393">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (the black curve on the bottom of each diagram) in steps of 0.1.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Scaled differential capacitance <inline-formula id="inf346">
<mml:math id="m394">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a function of the scaled surface charge density <inline-formula id="inf347">
<mml:math id="m395">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> based on solving <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equations 13</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">16</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">17</xref>. Each diagram shows 11 curves for <inline-formula id="inf348">
<mml:math id="m396">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (uppermost curve) to <inline-formula id="inf349">
<mml:math id="m397">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (black curve on the bottom), with <inline-formula id="inf350">
<mml:math id="m398">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> changing in steps of 0.1. Diagrams refer to <inline-formula id="inf351">
<mml:math id="m399">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (upper three diagrams) and <inline-formula id="inf352">
<mml:math id="m400">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (lower three diagrams), as well as <inline-formula id="inf353">
<mml:math id="m401">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (left column, colored purple), <inline-formula id="inf354">
<mml:math id="m402">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (middle column, colored red), and <inline-formula id="inf355">
<mml:math id="m403">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (right column, colored green).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fchem-12-1502840-g004.tif"/>
</fig>
<p>We point out that in the vicinity of <inline-formula id="inf356">
<mml:math id="m404">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf357">
<mml:math id="m405">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be represented by a quadratic function, each curve reproduces our analytic expression, as specified in <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Equations 28</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e42">36</xref>. Hence, <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> reinforces the validity of our analytic results and provides an extension of <inline-formula id="inf358">
<mml:math id="m406">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> beyond the quadratic regime. As already predicted analytically, we observe the transition from a bell-shaped to a camel-shaped profile of the differential capacitance as the strength of the electrostatic interaction <inline-formula id="inf359">
<mml:math id="m407">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is increased. The transition occurs at a value of <inline-formula id="inf360">
<mml:math id="m408">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that satisfies the equation <inline-formula id="inf361">
<mml:math id="m409">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For <inline-formula id="inf362">
<mml:math id="m410">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf363">
<mml:math id="m411">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> this amounts to <inline-formula id="inf364">
<mml:math id="m412">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>0.275</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf365">
<mml:math id="m413">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.182</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, independently of <inline-formula id="inf366">
<mml:math id="m414">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The truncation length <inline-formula id="inf367">
<mml:math id="m415">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> does affect the value of <inline-formula id="inf368">
<mml:math id="m416">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> where the bell-to-camel shape transition occurs, but the value of <inline-formula id="inf369">
<mml:math id="m417">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> where the transition happens is independent of <inline-formula id="inf370">
<mml:math id="m418">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The role of <inline-formula id="inf371">
<mml:math id="m419">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is to amplify the magnitudes of <inline-formula id="inf372">
<mml:math id="m420">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This is most clearly evidenced by the explicit relationship for the dependence of <inline-formula id="inf373">
<mml:math id="m421">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on <inline-formula id="inf374">
<mml:math id="m422">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Equation 28</xref>.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> displays the dependence of <inline-formula id="inf375">
<mml:math id="m423">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the two parameters <inline-formula id="inf376">
<mml:math id="m424">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf377">
<mml:math id="m425">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (given <inline-formula id="inf378">
<mml:math id="m426">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is fixed). Yet, if we identify the truncation radius <inline-formula id="inf379">
<mml:math id="m427">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the lattice spacing, there should be a relationship between <inline-formula id="inf380">
<mml:math id="m428">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf381">
<mml:math id="m429">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Recall the definitions <inline-formula id="inf382">
<mml:math id="m430">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf383">
<mml:math id="m431">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The lattice spacing <inline-formula id="inf384">
<mml:math id="m432">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the size of the ions in the ionic liquid, typically on the order of a nanometer. If we identify the truncation radius <inline-formula id="inf385">
<mml:math id="m433">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the lattice spacing, we obtain <inline-formula id="inf386">
<mml:math id="m434">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Hence, the choice <inline-formula id="inf387">
<mml:math id="m435">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (implying <inline-formula id="inf388">
<mml:math id="m436">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) corresponds to <inline-formula id="inf389">
<mml:math id="m437">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which is displayed by the black curve in the right column of <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>. Further increasing the Bjerrum length (implying <inline-formula id="inf390">
<mml:math id="m438">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) yields larger values for <inline-formula id="inf391">
<mml:math id="m439">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. These cases are not shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> but are easily accessible through our analytic expression for <inline-formula id="inf392">
<mml:math id="m440">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> shows a comparison of our model with and without accounting for electrostatic correlations between ion pairs. The lower three diagrams in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> reproduce the lower three diagrams of <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, calculated for <inline-formula id="inf393">
<mml:math id="m441">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and using QCA where ion pair correlations are accounted for. The upper three diagrams show analogous results, yet in the absence of ion pair correlations, employing RMA, as introduced in <xref ref-type="sec" rid="s3-3-4">Section 3.3.4</xref>. We have verified the agreement of the numerical results for RMA (upper three diagrams) in the region of small <inline-formula id="inf404">
<mml:math id="m452">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the analytic expression <inline-formula id="inf405">
<mml:math id="m453">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> specified in <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">Equation 39</xref>. As already pointed out, RMA does not predict a transition from a bell-shaped to a camel-shaped profile of the differential capacitance as the strength of the electrostatic interaction <inline-formula id="inf406">
<mml:math id="m454">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is increased. Hence, we conclude that electrostatic correlations rather than charge discreteness or excluded volume interactions cause camel-shape profiles of <inline-formula id="inf407">
<mml:math id="m455">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Starting from the classical mean-field approach, <inline-formula id="inf408">
<mml:math id="m456">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, displayed by the uppermost purple line on the left two diagrams in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>, and introducing charge discreteness without accounting for electrostatic correlations corresponds to transitioning to the black curve on the right top diagram of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>: the curve widens but without qualitatively changing its shape.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Scaled differential capacitance <inline-formula id="inf394">
<mml:math id="m442">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a function of the scaled surface charge density <inline-formula id="inf395">
<mml:math id="m443">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> based on RMA (upper three diagrams) and QCA (lower three diagrams). The lower three diagrams of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 4</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F4">5</xref> are identical. Each diagram shows 11 curves for <inline-formula id="inf396">
<mml:math id="m444">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (uppermost curve) to <inline-formula id="inf397">
<mml:math id="m445">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (black curve on the bottom), with <inline-formula id="inf398">
<mml:math id="m446">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> changing in steps of 0.1. Diagrams refer to <inline-formula id="inf399">
<mml:math id="m447">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (left column, colored purple), <inline-formula id="inf400">
<mml:math id="m448">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (middle column, colored red), and <inline-formula id="inf401">
<mml:math id="m449">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (right column, colored green). All curves are calculated for <inline-formula id="inf402">
<mml:math id="m450">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. All models are based on solving <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equations 16</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">17</xref>, yet with the relationship <inline-formula id="inf403">
<mml:math id="m451">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> emerging from <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">Equation 38</xref> for the upper three diagrams and from <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 13</xref> for the lower three diagrams.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fchem-12-1502840-g005.tif"/>
</fig>
<p>Because the presence of the bell-to-camel shape transition is independent of <inline-formula id="inf409">
<mml:math id="m457">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the reason of its existence for a compact, solvent-free ionic liquid reflects the role of electrostatic ion&#x2013;ion correlations. Correlated clusters of ions increase the decay length of the potential <inline-formula id="inf410">
<mml:math id="m458">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>. Hence, if the system of electrode and diffuse layer of counterions is represented by an effective parallel-plate capacitor, the distance between the capacitor plates is larger in the presence of electrostatic ion&#x2013;ion correlations. The correspondingly smaller value of <inline-formula id="inf411">
<mml:math id="m459">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is consistent with the existence of a transition from the bell-shaped to a camel-shaped profile of <inline-formula id="inf412">
<mml:math id="m460">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when electrostatic ion&#x2013;ion correlations are accounted for.</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s4">
<title>4 Conclusion</title>
<p>The classical lattice-based mean-field theory for a densely packed, solvent-free ionic liquid employs continuum electrostatics and ignores ion&#x2013;ion correlations, leading to a bell-shaped profile according to <inline-formula id="inf413">
<mml:math id="m461">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the scaled differential capacitance as a function of the scaled charge density <inline-formula id="inf414">
<mml:math id="m462">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The present work is an attempt to analyze how <inline-formula id="inf415">
<mml:math id="m463">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> changes if charge discreteness and electrostatic correlations between ion pairs are accounted for. To account for charge discreteness, we employ a truncated Coulomb potential (shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>) to model the long-range part of the electrostatic interactions but exclude those of a given ion with its nearest neighbors. These short-range interactions are modeled explicitly as interactions between individual point charges. Electrostatic correlations between pairs of neighboring ions are accounted for using the quasi-chemical approximation (QCA) approach. <xref ref-type="bibr" rid="B18">Downing et al. (2018b)</xref> included QCA similarly to the present approach but without truncating the Coulomb potential, which led to a double counting of electrostatic interactions between nearest neighbor ions. The present work is no longer subject to this inconsistency. We emphasize that our approach is still subject to approximations: the truncation of the Coulomb potential is modeled only on the level of fourth-order electrostatics (<inline-formula id="inf416">
<mml:math id="m464">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 7</xref>), and QCA ignores correlations of higher order and between pairs of ions separated by distances larger than one lattice spacing. Yet, these approximations can, in principle, be overcome by considering sixth- or higher-order electrostatics (<inline-formula id="inf417">
<mml:math id="m465">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or higher in <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 7</xref>) and by incorporating larger clusters into QCA (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Bossa et al., 2015</xref>).</p>
<p>Our approximation of the full self-consistency relationship, <inline-formula id="inf418">
<mml:math id="m466">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, by the fourth-order differential equation, <inline-formula id="inf419">
<mml:math id="m467">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, renders our model structurally equivalent to the BSK model (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Bazant et al., 2011</xref>). An important aspect of our study includes the boundary conditions associated with that equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Equation 17</xref>), which emerge as part of the functional minimization of the free energy (<xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equations 12</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">19</xref>) and differ from previously proposed sets of boundary conditions (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Bazant et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B25">Gupta et al., 2020b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">de Souza and Bazant, 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B8">Bossa and May, 2020</xref>).</p>
<p>A major result of our study is analytic expressions for the coefficients <inline-formula id="inf420">
<mml:math id="m468">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf421">
<mml:math id="m469">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in an expansion of <inline-formula id="inf422">
<mml:math id="m470">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> up to quadratic order in <inline-formula id="inf423">
<mml:math id="m471">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We have obtained <inline-formula id="inf424">
<mml:math id="m472">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lin</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from solving the linearized model and <inline-formula id="inf425">
<mml:math id="m473">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from performing a perturbation approach into the non-linear regime. The quadratic expression of <inline-formula id="inf426">
<mml:math id="m474">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> reveals the existence of a transition from a bell-shaped to a camel-shaped profile of the differential capacitance as a function of the electrostatic interaction strength <inline-formula id="inf427">
<mml:math id="m475">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> between neighboring ions. However, such a transition exists only in the presence of electrostatic correlations, not in their absence. Hence, we conclude that electrostatic correlations between ion pairs are able to turn the bell-shaped profile predicted by mean-field theory, <inline-formula id="inf428">
<mml:math id="m476">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, into a camel-shaped profile. Ion discreteness, on the other hand, enhances the magnitude but does not qualitatively alter the profile of <inline-formula id="inf429">
<mml:math id="m477">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Our analytic predictions agree with numerical calculations of the full profiles for <inline-formula id="inf430">
<mml:math id="m478">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">diff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, i.e., beyond the quadratic regime, that we have presented in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figures 4</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref>.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s5">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/supplementary material; further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>GB: conceptualization, formal analysis, writing&#x2013;original draft, and writing&#x2013;review and editing. SM: conceptualization, formal analysis, writing&#x2013;original draft, and writing&#x2013;review and editing.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s7">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that financial support was received for the research, authorship, and/or publication of this article. Author G.V.B. thanks Fondecyt (grant no. 11240064) and VIDCA/UACh (grant INS-INV 2022-09) for the support.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="ai-statement" id="s10">
<title>Generative AI statement</title>
<p>The author(s) declare that no Generative AI was used in the creation of this manuscript.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s9">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors, and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Armand</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Endres</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>MacFarlane</surname>
<given-names>D. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ohno</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scrosati</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Ionic-liquid materials for the electrochemical challenges of the future</article-title>. <source>Nat. Mater</source>. <volume>8</volume>, <fpage>621</fpage>&#x2013;<lpage>629</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nmat2448</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Avni</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Adar</surname>
<given-names>R. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Andelman</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Charge oscillations in ionic liquids: a microscopic cluster model</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>101</volume>, <fpage>010601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.101.010601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Baker</surname>
<given-names>N. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>H&#xfc;nenberger</surname>
<given-names>P. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>McCammon</surname>
<given-names>J. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1999</year>). <article-title>Polarization around an ion in a dielectric continuum with truncated electrostatic interactions</article-title>. <source>J. Chem. Phys.</source> <volume>110</volume>, <fpage>10679</fpage>&#x2013;<lpage>10692</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.479013</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bazant</surname>
<given-names>M. Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Storey</surname>
<given-names>B. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kornyshev</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Double layer in ionic liquids: overscreening versus crowding</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>106</volume>, <fpage>046102</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.106.046102</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bhuiyan</surname>
<given-names>L. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lamperski</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Henderson</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Monte Carlo simulation for the double layer structure of an ionic liquid using a dimer model: a comparison with the density functional theory</article-title>. <source>J. Phys. Chem. B</source> <volume>116</volume>, <fpage>10364</fpage>&#x2013;<lpage>10370</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/jp304362y</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Blossey</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Maggs</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Podgornik</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Structural interactions in ionic liquids linked to higher-order Poisson-Boltzmann equations</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>95</volume>, <fpage>060602</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.95.060602</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Borukhov</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Andelman</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Orland</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1997</year>). <article-title>Steric effects in electrolytes: a modified Poisson-Boltzmann equation</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>79</volume>, <fpage>435</fpage>&#x2013;<lpage>438</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.79.435</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bossa</surname>
<given-names>G. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>May</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Stability of ionic liquid modeled by composite Coulomb-Yukawa potentials</article-title>. <source>Phys. Rev. Res.</source> <volume>2</volume>, <fpage>032040</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevresearch.2.032040</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bossa</surname>
<given-names>G. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roth</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>May</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Modeling lipid&#x2013;lipid correlations across a bilayer membrane using the quasi-chemical approximation</article-title>. <source>Langmuir</source> <volume>31</volume>, <fpage>9924</fpage>&#x2013;<lpage>9932</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.langmuir.5b01719</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Budkov</surname>
<given-names>Y. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Statistical field theory of ion&#x2013;molecular solutions</article-title>. <source>Phys. Chem. Chem. Phys.</source> <volume>22</volume>, <fpage>14756</fpage>&#x2013;<lpage>14772</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/d0cp02432e</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chao</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z.-G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Effects of surface transition and adsorption on ionic liquid capacitors</article-title>. <source>J. Phys. Chem. Lett.</source> <volume>11</volume>, <fpage>1767</fpage>&#x2013;<lpage>1772</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.jpclett.0c00023</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Coles</surname>
<given-names>S. W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Park</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nikam</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kanduc</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dzubiella</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rotenberg</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Correlation length in concentrated electrolytes: insights from all-atom molecular dynamics simulations</article-title>. <source>J. Phys. Chem. B</source> <volume>124</volume>, <fpage>1778</fpage>&#x2013;<lpage>1786</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.jpcb.9b10542</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Davis</surname>
<given-names>H. T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1996</year>). &#x201c;<article-title>Statistical mechanics of phases, interfaces, and thin films</article-title>,&#x201d; in <source>Advances in interfacial engineering series (VCH)</source>.</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Del P&#xf3;polo</surname>
<given-names>M. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Voth</surname>
<given-names>G. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>On the structure and dynamics of ionic liquids</article-title>. <source>J. Phys. Chem. B</source> <volume>108</volume>, <fpage>1744</fpage>&#x2013;<lpage>1752</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/jp0364699</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>D&#xe9;mery</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dean</surname>
<given-names>D. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hammant</surname>
<given-names>T. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horgan</surname>
<given-names>R. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Podgornik</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>The one-dimensional Coulomb lattice fluid capacitor</article-title>. <source>J. Chem. Phys.</source> <volume>137</volume>, <fpage>064901</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.4740233</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>de Souza</surname>
<given-names>J. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bazant</surname>
<given-names>M. Z.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Continuum theory of electrostatic correlations at charged surfaces</article-title>. <source>J. Phys. Chem. C</source> <volume>124</volume>, <fpage>11414</fpage>&#x2013;<lpage>11421</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.jpcc.0c01261</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Downing</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Berntson</surname>
<given-names>B. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bossa</surname>
<given-names>G. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>May</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018a</year>). <article-title>Differential capacitance of ionic liquids according to lattice-gas mean-field model with nearest-neighbor interactions</article-title>. <source>J. Chem. Phys.</source> <volume>149</volume>, <fpage>204703</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.5047490</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Downing</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bossa</surname>
<given-names>G. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>May</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018b</year>). <article-title>The role of ion&#x2013;ion correlations for the differential capacitance of ionic liquids</article-title>. <source>J. Phys. Chem. C</source> <volume>122</volume>, <fpage>28537</fpage>&#x2013;<lpage>28544</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.jpcc.8b09756</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eyckens</surname>
<given-names>D. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Henderson</surname>
<given-names>L. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>A review of solvate ionic liquids: physical parameters and synthetic applications</article-title>. <source>Front. Chem.</source> <volume>7</volume>, <fpage>263</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fchem.2019.00263</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fedorov</surname>
<given-names>M. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kornyshev</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Towards understanding the structure and capacitance of electrical double layer in ionic liquids</article-title>. <source>Electroch. Acta</source> <volume>53</volume>, <fpage>6835</fpage>&#x2013;<lpage>6840</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.electacta.2008.02.065</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Frydel</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Mean field electrostatics beyond the point charge description</article-title>. <source>Adv. Chem. Phys.</source> <volume>160</volume>, <fpage>209</fpage>&#x2013;<lpage>260</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/9781119165156.ch4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Goodwin</surname>
<given-names>Z. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Souza</surname>
<given-names>J. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bazant</surname>
<given-names>M. Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kornyshev</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). &#x201c;<article-title>Mean-field theory of the electrical double layer in ionic liquids</article-title>,&#x201d; in <source>Encyclopedia of ionic liquids</source> (<publisher-name>Springer</publisher-name>), <fpage>837</fpage>&#x2013;<lpage>850</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Goodwin</surname>
<given-names>Z. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Feng</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kornyshev</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Mean-field theory of electrical double layer in ionic liquids with account of short-range correlations</article-title>. <source>Electroch. Acta</source> <volume>225</volume>, <fpage>190</fpage>&#x2013;<lpage>197</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.electacta.2016.12.092</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gupta</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Govind Rajan</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Carter</surname>
<given-names>E. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stone</surname>
<given-names>H. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020a</year>). <article-title>Ionic layering and overcharging in electrical double layers in a Poisson-Boltzmann model</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>125</volume>, <fpage>188004</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.125.188004</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gupta</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Govind Rajan</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Carter</surname>
<given-names>E. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stone</surname>
<given-names>H. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020b</year>). <article-title>Thermodynamics of electrical double layers with electrostatic correlations</article-title>. <source>J. Phys. Chem. C</source> <volume>124</volume>, <fpage>26830</fpage>&#x2013;<lpage>26842</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.jpcc.0c08554</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hayes</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Warr</surname>
<given-names>G. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Atkin</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Structure and nanostructure in ionic liquids</article-title>. <source>Chem. Rev.</source> <volume>115</volume>, <fpage>6357</fpage>&#x2013;<lpage>6426</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/cr500411q</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Henderson</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lamperski</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jin</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Density functional study of the electric double layer formed by a high density electrolyte</article-title>. <source>J. Phys. Chem. B</source> <volume>115</volume>, <fpage>12911</fpage>&#x2013;<lpage>12914</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/jp2078105</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Khlyupin</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nesterova</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gerke</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Molecular scale roughness effects on electric double layer structure in asymmetric ionic liquids</article-title>. <source>Electrochim. Acta</source> <volume>450</volume>, <fpage>142261</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.electacta.2023.142261</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kondrat</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Feng</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bresme</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Urbakh</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kornyshev</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Theory and simulations of ionic liquids in nanoconfinement</article-title>. <source>Chem. Rev.</source> <volume>123</volume>, <fpage>6668</fpage>&#x2013;<lpage>6715</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.chemrev.2c00728</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kondrat</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Georgi</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fedorov</surname>
<given-names>M. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kornyshev</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>A superionic state in nano-porous double-layer capacitors: insights from Monte Carlo simulations</article-title>. <source>Phys. Chem. Chem. Phys.</source> <volume>13</volume>, <fpage>11359</fpage>&#x2013;<lpage>11366</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c1cp20798a</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kornyshev</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Double-layer in ionic liquids: paradigm change?</article-title> <source>J. Phys. Chem. B</source> <volume>111</volume>, <fpage>5545</fpage>&#x2013;<lpage>5557</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/jp067857o</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kondrat</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vella</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Goriely</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Dynamics of ion transport in ionic liquids</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>115</volume>, <fpage>106101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.115.106101</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Linse</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Andersen</surname>
<given-names>H. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1986</year>). <article-title>Truncation of Coulombic interactions in computer simulations of liquids</article-title>. <source>J. Chem. Phys.</source> <volume>85</volume>, <fpage>3027</fpage>&#x2013;<lpage>3041</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.451011</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Woodward</surname>
<given-names>C. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Forsman</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Classical density functional study on interfacial structure and differential capacitance of ionic liquids near charged surfaces</article-title>. <source>J. Phys. Chem. C</source> <volume>118</volume>, <fpage>15825</fpage>&#x2013;<lpage>15834</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/jp504001u</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>May</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Differential capacitance of the electric double layer: mean-field modeling approaches</article-title>. <source>Curr. Opin. Electrochem.</source> <volume>13</volume>, <fpage>125</fpage>&#x2013;<lpage>131</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.coelec.2018.12.002</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Moon</surname>
<given-names>G. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ahn</surname>
<given-names>M. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kang</surname>
<given-names>I. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Osmotic pressure of ionic liquids in an electric double layer: prediction based on a continuum model</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>92</volume>, <fpage>063020</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.92.063020</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nakamura</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Dipolar self-consistent field theory for ionic liquids: effects of dielectric inhomogeneity in ionic liquids between charged plates</article-title>. <source>J. Phys. Chem. C</source> <volume>119</volume>, <fpage>7086</fpage>&#x2013;<lpage>7094</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/jp511770r</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nesterova</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Evstigneev</surname>
<given-names>N. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ryabkov</surname>
<given-names>O. I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gerke</surname>
<given-names>K. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khlyupin</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2025</year>). <article-title>Mechanism of overscreening breakdown by molecular-scale electrode surface morphology in asymmetric ionic liquids</article-title>. <source>J. Colloid Interface Sci.</source> <volume>677</volume>, <fpage>396</fpage>&#x2013;<lpage>405</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcis.2024.08.040</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nordness</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brennecke</surname>
<given-names>J. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Ion dissociation in ionic liquids and ionic liquid solutions</article-title>. <source>Chem. Rev.</source> <volume>120</volume>, <fpage>12873</fpage>&#x2013;<lpage>12902</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.chemrev.0c00373</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shalabi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Daniels</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scott</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mi&#x161;kovi&#x107;</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Differential capacitance of ionic liquid interface with graphene: the effects of correlation and finite size of ions</article-title>. <source>Electrochim. Acta</source> <volume>319</volume>, <fpage>423</fpage>&#x2013;<lpage>434</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.electacta.2019.06.171</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sher</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>van Schilfgaarde</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>A.-B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1987</year>). <article-title>Quasichemical approximation in binary alloys</article-title>. <source>Phys. Rev. B</source> <volume>36</volume>, <fpage>4279</fpage>&#x2013;<lpage>4295</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevb.36.4279</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Silva</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zanatta</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ferreira</surname>
<given-names>A. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Corvo</surname>
<given-names>M. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cabrita</surname>
<given-names>E. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Revisiting ionic liquid structure-property relationship: a critical analysis</article-title>. <source>Int. J. Mol. Sci.</source> <volume>21</volume>, <fpage>7745</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/ijms21207745</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sowmiah</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Srinivasadesikan</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tseng</surname>
<given-names>M.-C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chu</surname>
<given-names>Y.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>On the chemical stabilities of ionic liquids</article-title>. <source>Molecules</source> <volume>14</volume>, <fpage>3780</fpage>&#x2013;<lpage>3813</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/molecules14093780</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B44">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Storey</surname>
<given-names>B. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bazant</surname>
<given-names>M. Z.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Effects of electrostatic correlations on electrokinetic phenomena</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>86</volume>, <fpage>056303</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.86.056303</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B45">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Torimoto</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tsuda</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Okazaki</surname>
<given-names>K.-i.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kuwabata</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>New frontiers in materials science opened by ionic liquids</article-title>. <source>Adv. Mater.</source> <volume>22</volume>, <fpage>1196</fpage>&#x2013;<lpage>1221</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/adma.200902184</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B46">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Varner</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z.-G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Effects of dilution in ionic liquid supercapacitors</article-title>. <source>Phys. Chem. Chem. Phys.</source> <volume>24</volume>, <fpage>27362</fpage>&#x2013;<lpage>27374</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/d2cp03398d</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B47">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Walden</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1914</year>). <article-title>Molecular weights and electrical conductivity of several fused salts</article-title>. <source>Bull. Acad. Imper. Sci. St. Petersbg.</source> <volume>1800</volume>.</citation>
</ref>
<ref id="B48">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jiang</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yan</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Voth</surname>
<given-names>G. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Understanding ionic liquids through atomistic and coarse-grained molecular dynamics simulations</article-title>. <source>Acc. Chem. Res.</source> <volume>40</volume>, <fpage>1193</fpage>&#x2013;<lpage>1199</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/ar700160p</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B49">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Y.-L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sarman</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mocci</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>Z.-Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yuan</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Microstructural and dynamical heterogeneities in ionic liquids</article-title>. <source>Chem. Rev.</source> <volume>120</volume>, <fpage>5798</fpage>&#x2013;<lpage>5877</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.chemrev.9b00693</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B50">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Watanabe</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thomas</surname>
<given-names>M. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ueno</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yasuda</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dokko</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Application of ionic liquids to energy storage and conversion materials and devices</article-title>. <source>Chem. Rev.</source> <volume>117</volume>, <fpage>7190</fpage>&#x2013;<lpage>7239</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.chemrev.6b00504</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B51">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Weing&#xe4;rtner</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Understanding ionic liquids at the molecular level: facts, problems, and controversies</article-title>. <source>Angew. Chem. Int. Ed.</source> <volume>47</volume>, <fpage>654</fpage>&#x2013;<lpage>670</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/anie.200604951</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B52">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wishart</surname>
<given-names>J. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Energy applications of ionic liquids</article-title>. <source>Energy Environ. Sci.</source> <volume>2</volume>, <fpage>956</fpage>&#x2013;<lpage>961</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/b906273d</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B53">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jiang</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jiang</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jin</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Henderson</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>A classical density functional theory for interfacial layering of ionic liquids</article-title>. <source>Soft Matter</source> <volume>7</volume>, <fpage>11222</fpage>&#x2013;<lpage>11231</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c1sm06089a</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B54">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ye</surname>
<given-names>B. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z.-G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>A coarse-grained model of room-temperature ionic liquids between metal electrodes: a molecular dynamics study</article-title>. <source>Phys. Chem. Chem. Phys.</source> <volume>24</volume>, <fpage>11573</fpage>&#x2013;<lpage>11584</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/d2cp00166g</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B55">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yochelis</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Transition from non-monotonic to monotonic electrical diffuse layers: impact of confinement on ionic liquids</article-title>. <source>Phys. Chem. Chem. Phys.</source> <volume>16</volume>, <fpage>2836</fpage>&#x2013;<lpage>2841</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c3cp55002h</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B56">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zeman</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kondrat</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Holm</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Ionic screening in bulk and under confinement</article-title>. <source>J. Chem. Phys.</source> <volume>155</volume>, <fpage>204501</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0069340</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>