नई बैटरी प्रदर्शन भविष्यवाणी मॉडल

ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकियों को विकसित करने के लिए इंजीनियर कम्प्यूटेशनल उपकरणों का उपयोग कर रहे हैं, जो टिकाऊ ऊर्जा स्रोतों का लाभ उठाने और इलेक्ट्रिक वाहनों को शक्ति प्रदान करने के लिए महत्वपूर्ण हैं। शोधकर्ताओं ने अब ऊर्जा भंडारण के एक जटिल पहलू को संबोधित करने के लिए एक नया शास्त्रीय भौतिकी मॉडल बनाया है: गतिशील गैर-संतुलन प्रक्रियाएं। ये प्रक्रियाएं चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान सामग्री के रासायनिक, यांत्रिक और भौतिक संतुलन को बाधित करती हैं।

एन.सी. स्टेट में हांगजियांग चेन और उनके सलाहकार, शियाओ-यिंग शैडो हुआंग द्वारा विकसित चेन-हुआंग नॉन-इक्विलिब्रियम फेज़ ट्रांसफॉर्मेशन (NExT) मॉडल, तेजी से चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों के तहत बैटरी के व्यवहार की हमारी समझ को बेहतर बनाने का लक्ष्य रखता है। यह मॉडल, जिसे 10 जुलाई, 2025 को द जर्नल ऑफ फिजिकल केमिस्ट्री सी में प्रकाशित किया गया था, विशेष रूप से लिथियम-आयन बैटरी के लिए महत्वपूर्ण है। जब ये बैटरियां उपयोग में नहीं होती हैं, तो वे एक संतुलन स्थिति में आ जाती हैं जहां कोई करंट प्रवाहित नहीं होता है और आयन एकाग्रता समान होती है। हालांकि, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग, यहां तक कि धीमी गति से भी, गैर-संतुलन स्थितियों के तहत होती है। तेजी से चार्जिंग और डिस्चार्जिंग इस संतुलन से काफी विचलित होती है, जिससे भौतिक और रासायनिक परिवर्तन होते हैं जो बैटरी के प्रदर्शन और जीवनकाल को प्रभावित कर सकते हैं। तेजी से चार्जिंग के दौरान, असमान आयन वितरण और महत्वपूर्ण गर्मी उत्पादन बैटरी के भीतर तापमान प्रवणता पैदा करते हैं। ये प्रवणता विभिन्न प्रतिक्रिया दरों का कारण बनती हैं और सिस्टम को और अस्थिर करती हैं। बैटरी अपने आदर्श राज्य से बहुत दूर वोल्टेज पर भी काम करती है, जिसके लिए बड़े ओवरपोटेंशियल की आवश्यकता होती है जो इसे संतुलन से और दूर धकेलते हैं। आयनों की तेज गति के कारण सामग्री यांत्रिक रूप से समायोजित होने की तुलना में तेजी से फैलती और सिकुड़ती है, जिससे आंतरिक तनाव पैदा होता है। यह यांत्रिक तनाव इलेक्ट्रोड सामग्री में दरारें पैदा कर सकता है और टूट-फूट को तेज कर सकता है। LiFePO4 जैसी सामग्रियों में, ये स्थितियां स्थिर थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं के बजाय तेजी से संरचनात्मक परिवर्तन करने के लिए मजबूर करती हैं। इन गैर-संतुलन प्रक्रियाओं को समझना तेज चार्जिंग प्रोटोकॉल विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण है जो गति को सुरक्षा और दीर्घायु के साथ संतुलित करते हैं। यह प्रभावी थर्मल प्रबंधन प्रणाली बनाने और इलेक्ट्रोड सामग्री डिजाइन करने के लिए भी आवश्यक है जो इन गतिशील स्थितियों का बेहतर ढंग से सामना कर सके। मौजूदा मॉडल अक्सर सरलीकृत मान्यताओं और द्रव्यमान परिवहन जैसी जटिल घटनाओं के बहिष्कार के कारण सीमित भविष्य कहनेवाला सटीकता रखते हैं। NExT मॉडल बताता है कि LiFePO4 और NMC जैसी सामग्रियां गैर-संतुलन स्थितियों के तहत चरण संक्रमण से कैसे गुजरती हैं। यह 'पाथ फैक्टर' पेश करता है जो आयन सम्मिलन और निष्कासन के दौरान ऊर्जा परिवर्तनों को प्रभावित करते हैं, जो लिथियम सामग्री और यांत्रिक तनाव जैसे गुणों के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। सिमुलेशन से पता चलता है कि तेजी से विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के दौरान संरचनात्मक परिवर्तनों को चलाने में डिसलोकेशन घनत्व एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। मॉडल को LFP और NMC सामग्री के लिए विभिन्न चार्ज/डिस्चार्ज दरों पर प्रयोगात्मक डेटा के साथ सिमुलेशन परिणामों की तुलना करके मान्य किया गया था। यह समझौता मॉडल के पाथ-ऑल्टरिंग तंत्र का समर्थन करता है, जो बैटरी प्रदर्शन को समझने और संभावित रूप से बेहतर बनाने के लिए एक उपकरण है। इस मॉडल को बेहतर बैटरी बनाने के लिए कम्प्यूटेशनल टूल में शामिल किया जा सकता है। जबकि वर्तमान में लिथियम-आयन बैटरी पर ध्यान केंद्रित किया गया है, NExT मॉडल के अंतर्निहित सिद्धांत अन्य ऊर्जा भंडारण प्रणालियों पर भी व्यापक रूप से लागू होते हैं, जिनमें मल्टीवैलेंट बैटरी शामिल हैं। इन प्रणालियों में अक्सर अधिक जटिल आयन-होस्ट इंटरैक्शन होते हैं जहां गैर-संतुलन प्रभाव अधिक स्पष्ट होते हैं। NExT मॉडल कम्प्यूटेशनल सामग्री विज्ञान में दर-निर्भर प्रक्रियाओं के लिए एक भविष्य कहनेवाला उपकरण प्रदान करके योगदान देता है। यह दृष्टिकोण अगली पीढ़ी की ऊर्जा भंडारण सामग्री और उपकरणों के तर्कसंगत डिजाइन का समर्थन करता है। यह प्रयोगात्मक सत्यापन पर आधारित भौतिकी-सूचित मॉडलिंग के माध्यम से सामग्री की खोज और अनुकूलन को तेज करता है। मॉडल जटिल, दर-निर्भर प्रक्रियाओं की जांच के लिए एक यांत्रिक ढांचा प्रदान करता है।