ノースカロライナ州立大学の研究者、Hongjiang Chen氏とHsiao-Ying Shadow Huang氏は、バッテリーの性能向上に不可欠な「動的非平衡プロセス」を理解するための新しい古典物理学モデル「Chen-Huang Nonequilibrium Phasex Transformation (NExT) Model」を開発しました。この研究成果は、2025年7月10日に「The Journal of Physical Chemistry C」に掲載されました。このモデルは、特に急速な充放電条件下でのリチウムイオンバッテリーの挙動をより深く理解することを目指しています。
NExTモデルは、LFP（リン酸鉄リチウム）やNMC（ニッケル・マンガン・コバルト系リチウムイオン二次電池）のような材料が非平衡条件下でどのように相転移を起こすかを説明します。「パスファクター」という概念を導入し、イオンの挿入・除去時のエネルギー変化がリチウム含有量や機械的ひずみといった特性と相互作用する様子を捉えています。シミュレーションによると、転位密度が、より高速な電気化学反応中の構造変化を駆動する上で重要な役割を果たすことが示唆されています。このモデルの有効性は、様々な充放電レートでのLFPおよびNMC材料のシミュレーション結果と実験データを比較することで検証されました。このアプローチは、計算材料科学の進歩に寄与し、特にエネルギー貯蔵材料における速度依存プロセスを予測・理解するためのメカニズムを提供します。将来的には、このモデルを計算ツールに組み込むことで、より高性能なバッテリーの設計が可能になると期待されています。
現在リチウムイオンバッテリーに焦点を当てていますが、NExTモデルの基本原理は、イオンとホスト材料間の相互作用がより複雑で非平衡効果が顕著な多価電池を含む、他のエネルギー貯蔵システムにも広く応用可能です。この研究は、次世代エネルギー貯蔵材料およびデバイスの合理的な設計を支援し、実験的検証に基づいた物理情報モデリングを通じて材料の発見と最適化を加速させるものです。