Insinyur terus berinovasi dalam teknologi penyimpanan energi, yang krusial untuk pemanfaatan sumber energi berkelanjutan dan kendaraan listrik. Sebuah terobosan baru telah dicapai dengan pengembangan model fisika klasik yang mampu menganalisis proses non-ekuilibrium dinamis, sebuah aspek kompleks dalam penyimpanan energi yang mengganggu keseimbangan material selama siklus pengisian dan pengosongan.
Model Chen-Huang Nonequilibrium Phasex Transformation (NExT) dikembangkan oleh Hongjiang Chen dan Hsiao-Ying Shadow Huang dari NC State. Penelitian mereka, yang dipublikasikan di The Journal of Physical Chemistry C pada 10 Juli 2025, bertujuan untuk memperdalam pemahaman tentang perilaku baterai, khususnya dalam siklus pengisian dan pengosongan yang cepat. Ketika baterai lithium-ion tidak digunakan, mereka cenderung mencapai keadaan ekuilibrium. Namun, bahkan pengisian dan pengosongan yang lambat pun terjadi dalam kondisi non-ekuilibrium, yang semakin diperparah oleh siklus cepat. Kondisi ini menyebabkan perubahan fisik dan kimia yang signifikan, memengaruhi kinerja dan umur pakai baterai. Selama pengisian cepat, distribusi ion yang tidak merata dan panas yang dihasilkan menciptakan gradien suhu di dalam baterai, menyebabkan variasi laju reaksi dan destabilisasi sistem lebih lanjut. Baterai juga beroperasi pada tegangan yang jauh dari ideal, membutuhkan potensial berlebih yang mendorongnya semakin menjauh dari ekuilibrium. Pergerakan ion yang cepat menyebabkan material mengembang dan berkontraksi lebih cepat daripada kemampuan penyesuaian mekanisnya, menimbulkan tekanan internal. Stres mekanis ini dapat menyebabkan retakan pada material elektroda dan mempercepat keausan. Pada material seperti LiFePO4 (LFP) dan NMC (Nikel Mangan Kobalt), kondisi ini memaksa perubahan struktural terjadi secara instan, bukan melalui proses termodinamika yang stabil.
Memahami proses non-ekuilibrium ini sangat penting untuk mengembangkan protokol pengisian daya yang lebih cepat, yang menyeimbangkan kecepatan dengan keamanan dan umur panjang. Ini juga esensial untuk menciptakan sistem manajemen termal yang efektif dan merancang material elektroda yang lebih tahan terhadap kondisi dinamis ini. Model yang ada sering kali memiliki akurasi prediksi yang terbatas karena asumsi yang disederhanakan dan penghilangan fenomena kompleks seperti transpor massa. Model NExT menjelaskan bagaimana material seperti LiFePO4 dan NMC mengalami transisi fasa dalam kondisi non-ekuilibrium. Model ini memperkenalkan 'faktor jalur' yang memengaruhi perubahan energi selama penyisipan dan pelepasan ion, berinteraksi dengan sifat-sifat seperti kandungan litium dan tegangan mekanis. Simulasi menunjukkan bahwa kepadatan dislokasi memainkan peran penting dalam mendorong perubahan struktural selama reaksi elektrokimia yang lebih cepat. Validasi model dilakukan dengan membandingkan hasil simulasi dengan data eksperimental untuk material LFP dan NMC pada berbagai laju pengisian/pengosongan, menunjukkan kesepakatan yang mendukung mekanisme pengubahan jalur model sebagai alat untuk memahami dan meningkatkan kinerja baterai.
Meskipun saat ini berfokus pada baterai lithium-ion, prinsip-prinsip dasar model NExT dapat diterapkan secara luas pada sistem penyimpanan energi lain, termasuk baterai multivalen yang sering menunjukkan interaksi ion-inang yang lebih kompleks di mana efek non-ekuilibrium lebih menonjol. Model NExT berkontribusi pada ilmu material komputasi dengan menawarkan alat prediktif untuk proses yang bergantung pada laju. Pendekatan ini mendukung desain rasional material dan perangkat penyimpanan energi generasi mendatang, mempercepat penemuan dan optimalisasi material melalui pemodelan yang didukung fisika dan divalidasi secara eksperimental. Model ini menyediakan kerangka kerja mekanistik untuk menyelidiki proses kompleks yang bergantung pada laju dalam penyimpanan energi.