Ingenieurs ontwikkelen nieuwe energieopslagtechnologieën met behulp van computationele hulpmiddelen, essentieel voor duurzame energie en elektrische voertuigen. Onderzoekers van NC State hebben een nieuw klassiek natuurkundig model, het Chen-Huang Nonequilibrium Phasex Transformation (NExT) Model, ontwikkeld om dynamische niet-evenwichts-processen in energieopslag aan te pakken. Deze processen, die de chemische, mechanische en fysische balans van materialen verstoren tijdens het laden en ontladen, zijn cruciaal voor het verbeteren van batterijprestaties, met name tijdens snelle laad- en ontlaadcycli. Het model, ontwikkeld door Hongjiang Chen en Hsiao-Ying Shadow Huang, is gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry C op 10 juli 2025. Het verklaart hoe materialen zoals LiFePO4 en NMC faseovergangen ondergaan onder deze omstandigheden, door middel van 'path factors' die energieveranderingen beïnvloeden en interageren met eigenschappen zoals lithiumgehalte en mechanische spanning.
Het NExT Model is gevalideerd door simulaties te vergelijken met experimentele gegevens voor LFP- en NMC-materialen bij verschillende laad-/ontlaadsnelheden, waarbij de overeenkomst het pathway-altering mechanisme van het model ondersteunt. Dit model kan worden geïntegreerd in computationele tools voor het ontwerpen van betere batterijen en is breed toepasbaar op andere energieopslagsystemen, zoals multivalente batterijen, waar niet-evenwichtseffecten prominenter zijn. Het model draagt bij aan computationele materiaalkunde door een voorspellend en mechanistisch hulpmiddel te bieden voor snelheidsafhankelijke processen, wat het rationele ontwerp van energieopslagmaterialen en -apparaten van de volgende generatie versnelt. Dit werk bouwt voort op eerdere studies naar de mechanische en elektrochemische koppelingseffecten in lithium-ionbatterijen onder niet-evenwichtsomstandigheden, zoals gepresenteerd door Chen in zijn PhD-verdediging in juli 2024.