Các nhà khoa học đang tiên phong trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng, sử dụng các công cụ tính toán tiên tiến để khai thác tiềm năng của các nguồn năng lượng bền vững và thúc đẩy sự phát triển của xe điện. Một bước đột phá gần đây là sự ra đời của mô hình vật lý cổ điển mới, được thiết kế để giải quyết một khía cạnh phức tạp của việc lưu trữ năng lượng: các quá trình động lực học ngoài cân bằng.
Mô hình Chuyển pha Ngoài Cân bằng Chen-Huang (NExT) là thành quả của công trình nghiên cứu của Hongjiang Chen và giáo sư hướng dẫn của ông, Hsiao-Ying Shadow Huang, tại Đại học Bang Bắc Carolina. Nghiên cứu của họ, được công bố trên Tạp chí Hóa lý C vào ngày 10 tháng 7 năm 2025, nhằm mục đích nâng cao hiểu biết của chúng ta về hành vi của pin, đặc biệt là trong các chu kỳ sạc và xả nhanh. Pin lithium-ion, khi không hoạt động, sẽ dần trở về trạng thái cân bằng, nơi không có dòng điện chạy qua và nồng độ ion đồng đều. Tuy nhiên, ngay cả quá trình sạc và xả chậm cũng diễn ra trong điều kiện ngoài cân bằng. Việc sạc và xả nhanh càng làm lệch khỏi trạng thái cân bằng này, gây ra những thay đổi về vật lý và hóa học có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của pin. Trong quá trình sạc nhanh, sự phân bố ion không đồng đều và nhiệt lượng tỏa ra đáng kể tạo ra các gradient nhiệt độ bên trong pin. Những gradient này dẫn đến sự thay đổi tốc độ phản ứng và làm mất ổn định hệ thống hơn nữa. Pin cũng hoạt động ở điện áp xa trạng thái lý tưởng, đòi hỏi điện thế quá lớn đẩy nó ra xa khỏi trạng thái cân bằng. Chuyển động nhanh của các ion làm cho vật liệu giãn nở và co lại nhanh hơn khả năng điều chỉnh cơ học, dẫn đến ứng suất bên trong. Sự căng thẳng cơ học này có thể tạo ra các vết nứt trong vật liệu điện cực và đẩy nhanh quá trình hao mòn. Trong các vật liệu như LiFePO4, những điều kiện này buộc các thay đổi cấu trúc phải xảy ra nhanh chóng thay vì thông qua các quá trình nhiệt động lực học ổn định.
Việc hiểu rõ các quá trình ngoài cân bằng này là rất quan trọng để phát triển các giao thức sạc nhanh hơn, cân bằng giữa tốc độ, an toàn và tuổi thọ. Nó cũng cần thiết để tạo ra các hệ thống quản lý nhiệt hiệu quả và thiết kế vật liệu điện cực có thể chịu được các điều kiện động lực học này tốt hơn. Các mô hình hiện có thường có độ chính xác dự đoán hạn chế do các giả định đơn giản hóa và việc bỏ qua các hiện tượng phức tạp như vận chuyển khối lượng. Mô hình NExT giải thích cách các vật liệu như LiFePO4 và NMC trải qua quá trình chuyển pha trong điều kiện ngoài cân bằng. Nó giới thiệu các 'hệ số đường dẫn' ảnh hưởng đến sự thay đổi năng lượng trong quá trình chèn và loại bỏ ion, tương tác với các đặc tính như hàm lượng lithium và ứng suất cơ học. Các mô phỏng cho thấy mật độ sai lệch đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy các thay đổi cấu trúc trong các phản ứng điện hóa nhanh hơn. Mô hình đã được xác thực bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm cho vật liệu LFP và NMC ở các tốc độ sạc/xả khác nhau. Sự phù hợp này hỗ trợ cơ chế thay đổi đường dẫn của mô hình như một công cụ để hiểu và có khả năng cải thiện hiệu suất pin. Mô hình này có thể được tích hợp vào các công cụ tính toán để thiết kế pin tốt hơn.
Mặc dù hiện tại tập trung vào pin lithium-ion, các nguyên tắc cơ bản của Mô hình NExT có thể áp dụng rộng rãi cho các hệ thống lưu trữ năng lượng khác, bao gồm cả pin đa hóa trị. Các hệ thống này thường thể hiện sự tương tác ion-chủ phức tạp hơn, nơi các hiệu ứng ngoài cân bằng càng trở nên rõ rệt. Mô hình NExT đóng góp vào khoa học vật liệu tính toán bằng cách cung cấp một công cụ dự đoán cho các quá trình phụ thuộc vào tốc độ. Cách tiếp cận này hỗ trợ thiết kế hợp lý các vật liệu và thiết bị lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo, đẩy nhanh quá trình khám phá và tối ưu hóa vật liệu thông qua mô hình hóa dựa trên vật lý và xác thực thực nghiệm. Mô hình cung cấp một khuôn khổ cơ chế để điều tra các quá trình phức tạp, phụ thuộc vào tốc độ trong lưu trữ năng lượng.