Elektrikli araçlara güç sağlamak ve sürdürülebilir enerji kaynaklarından yararlanmak için kritik öneme sahip yeni enerji depolama teknolojileri geliştiren mühendisler, hesaplamalı araçlardan faydalanmaktadır. Bu alandaki son gelişmelerden biri, enerji depolamanın karmaşık bir yönü olan dinamik dengesiz süreçleri ele alan yeni bir klasik fizik modelinin geliştirilmesidir. Bu süreçler, şarj ve deşarj sırasında malzemelerin kimyasal, mekanik ve fiziksel dengesini bozarak batarya performansını etkiler.
NC State Üniversitesi'nden Hongjiang Chen ve danışmanı Doç. Dr. Hsiao-Ying Shadow Huang tarafından geliştirilen Chen-Huang Dengesiz Faz Dönüşümü (NExT) Modeli, bataryaların hızlı şarj ve deşarj döngüleri sırasındaki davranışlarını daha iyi anlamayı amaçlamaktadır. Bu araştırma, 10 Temmuz 2025'te The Journal of Physical Chemistry C'de yayımlanmıştır. Lityum-iyon bataryalar, bağlantıları kesildiğinde akım akışı olmayan bir denge durumuna yaklaşır. Ancak, yavaş şarj ve deşarj işlemleri bile dengesiz koşullar altında gerçekleşir. Hızlı şarj ve deşarj, bu dengeden önemli ölçüde saparak batarya performansı ve ömrünü etkileyebilecek fiziksel ve kimyasal değişikliklere neden olur.
Hızlı şarj sırasında, iyon dağılımındaki dengesizlikler ve önemli ısı üretimi batarya içinde sıcaklık gradyanlarına yol açar. Bu gradyanlar, reaksiyon oranlarında farklılıklara neden olarak sistemi daha da istikrarsızlaştırır. Batarya ayrıca ideal durumundan uzak voltajlarda çalışır ve denge durumundan daha da uzaklaşmasına neden olan büyük aşırı potansiyeller gerektirir. İyonların hızlı hareketi, malzemelerin mekanik olarak uyum sağlayabileceğinden daha hızlı genleşip büzülmesine neden olarak iç gerilime yol açar. Bu mekanik gerilim, elektrot malzemelerinde çatlaklar oluşturabilir ve aşınmayı hızlandırabilir. LiFePO4 gibi malzemelerde bu koşullar, kararlı termodinamik süreçler yerine yapısal değişikliklerin hızla meydana gelmesine neden olur.
Bu dengesiz süreçleri anlamak, hız ile güvenlik ve uzun ömür arasında denge kuran daha hızlı şarj protokolleri geliştirmek için kritik öneme sahiptir. Ayrıca, etkili termal yönetim sistemleri oluşturmak ve bu dinamik koşullara daha iyi dayanabilecek elektrot malzemeleri tasarlamak için de gereklidir. Mevcut modeller, basitleştirilmiş varsayımlar ve kütle taşınımı gibi karmaşık olguların dışlanması nedeniyle genellikle sınırlı bir tahmin doğruluğuna sahiptir.
NExT Modeli, LiFePO4 ve NMC gibi malzemelerin dengesiz koşullar altında nasıl faz geçişleri yaşadığını açıklar. İyon ekleme ve çıkarma sırasındaki enerji değişikliklerini etkileyen 'yol faktörlerini' tanıtır ve bu faktörler lityum içeriği ve mekanik gerilim gibi özelliklerle etkileşime girer. Simülasyonlar, dislokasyon yoğunluğunun daha hızlı elektrokimyasal reaksiyonlar sırasında yapısal değişiklikleri yönlendirmede kritik bir rol oynadığını göstermektedir. Model, LFP ve NMC malzemeleri için çeşitli şarj/deşarj oranlarındaki simülasyon sonuçlarının deneysel verilerle karşılaştırılmasıyla doğrulanmıştır. Bu uyum, modelin yol değiştirme mekanizmasının batarya performansını anlama ve potansiyel olarak iyileştirme aracı olarak desteklenmesini sağlamaktadır.
Bu model, daha iyi bataryalar tasarlamak için hesaplamalı araçlara entegre edilebilir. Şu anda lityum-iyon bataryalara odaklanmış olsa da, NExT Modelinin temel prensipleri, özellikle dengesiz etkilerin daha belirgin olduğu çok değerlikli bataryalar gibi diğer enerji depolama sistemlerine de geniş ölçüde uygulanabilir. Bu yaklaşım, deneysel doğrulama ile desteklenen fizik tabanlı modelleme yoluyla malzeme keşfini ve optimizasyonunu hızlandırarak, yeni nesil enerji depolama malzemelerinin ve cihazlarının rasyonel tasarımını desteklemektedir. Model, karmaşık, hız bağımlı süreçleri araştırmak için mekanistik bir çerçeve sunmaktadır.