Інженери активно розробляють передові технології зберігання енергії, використовуючи потужні обчислювальні інструменти, що є ключовим для ефективного використання відновлюваних джерел енергії та живлення електромобілів. Команда дослідників представила нову модель, засновану на класичній фізиці, для вирішення складного аспекту зберігання енергії: динамічних процесів у нерівноважних станах. Ці процеси порушують хімічну, механічну та фізичну рівновагу матеріалів під час циклів зарядки та розрядки. Модель Chen-Huang Nonequilibrium Phasex Transformation (NExT) була розроблена Хонгцзян Ченом та його науковим керівником, Сяо-Їн Шень Хуан, у Північно-Каролінському університеті. Результати їхньої роботи були опубліковані в журналі The Journal of Physical Chemistry C 10 липня 2025 року. Модель має на меті поглибити розуміння поведінки акумуляторів під час швидких циклів заряджання та розряджання. Навіть повільні процеси зарядки та розрядки відбуваються в умовах нерівноваги, а швидкі цикли значно відхиляють систему від цього стану, спричиняючи фізичні та хімічні зміни, що впливають на продуктивність та термін служби акумулятора. Під час швидкої зарядки нерівномірний розподіл іонів та значне виділення тепла створюють температурні градієнти всередині акумулятора, що призводить до різної швидкості реакцій та подальшої дестабілізації системи. Акумулятор також працює при напрузі, що значно відрізняється від ідеальної, вимагаючи великих перенапруг. Швидкий рух іонів змушує матеріали розширюватися та стискатися швидше, ніж вони можуть механічно адаптуватися, що призводить до внутрішніх напружень та утворення тріщин в електродних матеріалах. У таких матеріалах, як LiFePO4, ці умови змушують структурні зміни відбуватися швидко. Розуміння цих нерівноважних процесів є критично важливим для розробки швидших протоколів зарядки, які забезпечують баланс між швидкістю, безпекою та довговічністю, а також для створення ефективних систем терморегулювання та розробки електродних матеріалів.
Існуючі моделі часто мають обмежену точність прогнозування через спрощені припущення та виключення складних явищ. Модель NExT пояснює, як матеріали, подібні до LiFePO4 та NMC, зазнають фазових переходів в умовах нерівноваги, вводячи 'фактори шляху', які впливають на зміни енергії під час вставки та вилучення іонів. Симуляції показують, що щільність дислокацій відіграє вирішальну роль у спричиненні структурних змін під час швидших електрохімічних реакцій. Модель була перевірена шляхом порівняння результатів симуляцій з експериментальними даними для матеріалів LFP та NMC при різних швидкостях заряджання/розряджання, що підтверджує запропонований моделлю механізм зміни шляху. Ця модель може бути інтегрована в обчислювальні інструменти для створення кращих акумуляторів. Хоча модель наразі зосереджена на літій-іонних акумуляторах, її базові принципи мають широке застосування до інших систем зберігання енергії, включаючи багатовалентні акумулятори. Модель NExT робить внесок у обчислювальну матеріалознавство, пропонуючи інструмент прогнозування для залежних від швидкості процесів, що підтримує раціональне проектування матеріалів та пристроїв зберігання енергії наступного покоління. Дослідження показують, що швидкість зарядки може бути збільшена до 20% без значного зниження терміну служби акумулятора, якщо використовуються оптимізовані матеріали, що враховують нерівноважні ефекти, відкриваючи шлях до швидшого заряджання електромобілів.