Les ingénieurs explorent de nouvelles voies dans le stockage d'énergie grâce à des outils de calcul avancés, essentiels pour exploiter les sources d'énergie renouvelable et alimenter les véhicules électriques. Une avancée notable est la création d'un nouveau modèle basé sur la physique classique, conçu pour élucider les processus complexes hors équilibre qui affectent l'intégrité des matériaux lors des cycles de charge et de décharge.
Développé par Hongjiang Chen et son mentor, Hsiao-Ying Shadow Huang, à l'Université d'État de Caroline du Nord, le modèle NExT (Nonequilibrium Phasex Transformation) a été présenté dans "The Journal of Physical Chemistry C" le 10 juillet 2025. Ce modèle vise à affiner notre compréhension du comportement des batteries, particulièrement sous des cycles de charge et décharge rapides. Les batteries lithium-ion, lorsqu'elles ne sont pas sollicitées, tendent vers un état d'équilibre. Cependant, même les processus de charge et décharge lents s'opèrent dans des conditions hors équilibre, qui sont exacerbées lors de cycles rapides. Ces déviations de l'équilibre peuvent induire des changements physico-chimiques altérant les performances et la durée de vie des batteries.
Lors d'une charge rapide, une distribution inégale des ions et une génération de chaleur significative créent des gradients de température au sein de la batterie. Ces variations entraînent des vitesses de réaction hétérogènes, déstabilisant davantage le système. La batterie fonctionne alors à des tensions éloignées de son état idéal, nécessitant des surtensions importantes qui l'éloignent encore plus de l'équilibre. Parallèlement, le mouvement accéléré des ions provoque une expansion et une contraction rapides des matériaux, excédant leur capacité d'adaptation mécanique. Cette contrainte mécanique peut engendrer des fissures dans les matériaux d'électrode, accélérant ainsi leur usure. Des matériaux comme le LiFePO4 subissent des transformations structurelles accélérées, s'écartant des processus thermodynamiques stables.
La compréhension de ces phénomènes hors équilibre est primordiale pour concevoir des protocoles de charge plus rapides, tout en préservant la sécurité et la longévité des batteries. Elle est également essentielle pour développer des systèmes de gestion thermique efficaces et des matériaux d'électrode plus résistants. Les modèles actuels peinent souvent à prédire avec précision en raison d'hypothèses simplifiées et de l'omission de phénomènes complexes tels que le transport de masse. Le modèle NExT, quant à lui, explique comment des matériaux tels que le LiFePO4 et le NMC évoluent sous ces conditions hors équilibre. Il introduit des 'facteurs de chemin' qui modulent les changements d'énergie lors de l'insertion et du retrait des ions, interagissant avec des propriétés comme la teneur en lithium et la contrainte mécanique.
Les simulations révèlent que la densité de disclocation joue un rôle clé dans la conduite des changements structurels lors de réactions électrochimiques rapides. La validation du modèle par comparaison avec des données expérimentales pour les matériaux LFP et NMC à différentes vitesses de charge/décharge confirme son mécanisme d'altération de chemin comme un outil prometteur pour améliorer les performances des batteries. Bien que centré sur les batteries lithium-ion, les principes du modèle NExT sont applicables à d'autres systèmes de stockage d'énergie, notamment les batteries multivalentes où les interactions ion-hôte sont plus complexes et les effets hors équilibre plus prononcés. Cette approche soutient la conception rationnelle de matériaux et de dispositifs de stockage d'énergie de nouvelle génération, accélérant la découverte et l'optimisation des matériaux grâce à une modélisation guidée par la physique et validée expérimentalement. Le modèle offre un cadre mécanistique pour l'étude des processus complexes dépendant de la vitesse dans le stockage d'énergie.