Umur baterai lithium-ion yang diisi dengan arus tinggi meningkat 50%

 (eurekalert.org)
2 poin oleh GN⁺ 2024-09-10 | 1 komentar | Bagikan ke WhatsApp
  • Dengan mengubah kondisi pengisian pertama, tahap terakhir dalam pembuatan baterai, umur rata-rata meningkat 50%, sementara waktu pengisian awal berkurang dari 10 jam menjadi 20 menit
  • Tahap ini adalah proses formation yang membentuk lapisan pelindung SEI di permukaan anoda, dan sangat memengaruhi kinerja pengisian/pengosongan serta laju degradasi setelahnya
  • Dalam analisis ilmiah berbasis machine learning, suhu dan arus dipersempit sebagai variabel kunci di antara kondisi pengisian pertama, dan pengisian arus tinggi meningkatkan inaktivasi lithium awal dari sekitar 9% menjadi sekitar 30%
  • Kehilangan lithium awal yang lebih besar tampak seperti kerugian dalam jangka pendek, tetapi memiliki efek menciptakan ruang cadangan di katoda sehingga sirkulasi elektroda berikutnya menjadi lebih efisien
  • Praktik manufaktur yang selama ini lebih menyukai pengisian pertama berarus rendah dapat ditinjau ulang ke arah optimasi umur pakai dan efisiensi manufaktur sekaligus

Kondisi pengisian pertama mengubah umur pakai dan waktu manufaktur

  • Pengisian pertama baterai lithium-ion menentukan seberapa stabil baterai akan beroperasi setelahnya, dan berapa banyak siklus pengisian/pengosongan yang dapat ditahan sebelum mengalami degradasi
  • Dalam studi yang diterbitkan di Joule, para peneliti SLAC-Stanford Battery Center menemukan bahwa ketika baterai baru pertama kali diisi dengan arus yang tidak lazim tinggi, umur rata-ratanya meningkat 50%
  • Dalam kondisi yang sama, waktu pengisian awal berkurang dari 10 jam menjadi 20 menit
  • Studi ini dipimpin oleh tim SLAC/Stanford dan melibatkan peneliti dari Toyota Research Institute(TRI), MIT, serta University of Washington

Tahap formation tempat lapisan pelindung SEI terbentuk

  • Tim peneliti membuat pouch cell dengan katoda dan anoda yang dikelilingi larutan elektrolit, lalu mengamati perubahan yang terjadi pada siklus awal
  • Saat baterai diisi, ion lithium bergerak ke anoda untuk disimpan, dan saat baterai dikosongkan, ion tersebut kembali ke katoda untuk menghasilkan aliran elektron
  • Katoda pada baterai baru awalnya terisi 100% oleh lithium, dan sebagian lithium menjadi tidak aktif seiring berulangnya siklus pengisian/pengosongan
  • Sebagian kehilangan lithium awal digunakan untuk membentuk lapisan lunak di permukaan anoda yang disebut solid electrolyte interphase(SEI)
    • SEI melindungi anoda dari reaksi samping
    • Reaksi samping dapat mempercepat kehilangan lithium dan membuat baterai lebih cepat terdegradasi
  • Pengisian pertama adalah formation, tahap terakhir dalam proses manufaktur, dan jika tahap ini gagal, nilai serta upaya yang telah dimasukkan ke baterai hingga saat itu menjadi sia-sia

Perbedaan antara praktik arus rendah dan eksperimen arus tinggi

  • Produsen umumnya melakukan pengisian pertama baterai baru dengan arus rendah dengan pendekatan untuk membentuk lapisan SEI yang paling kuat
  • Pengisian arus rendah memakan waktu lama dan berbiaya tinggi, serta tidak selalu menghasilkan hasil optimal
  • Studi-studi terbaru menunjukkan bahwa pengisian cepat dengan arus lebih tinggi pun belum tentu menurunkan kinerja baterai, dan studi kali ini menganalisis alasannya lebih mendalam
  • Ada puluhan variabel yang terlibat dalam pembentukan SEI pada pengisian pertama, sehingga sulit menguji semua kombinasinya di laboratorium

Machine learning mempersempit suhu dan arus sebagai variabel kunci

  • Tim peneliti menggunakan machine learning ilmiah untuk menemukan variabel yang paling penting dalam menghasilkan hasil yang baik
  • Di antara banyak variabel, suhu dan arus pengisian terbukti memiliki pengaruh yang sangat besar
  • Pengisian pertama berarus tinggi memberikan efek jelas, yaitu meningkatkan umur baterai uji rata-rata sebesar 50%
  • Kondisi arus tinggi meningkatkan rasio inaktivasi lithium awal dari sekitar 9% pada metode konvensional menjadi sekitar 30%, tetapi perubahan ini justru berujung pada peningkatan kinerja

Cara kehilangan awal yang besar meningkatkan efisiensi berikutnya

  • Cara membuat lebih banyak ion lithium tidak aktif di awal diibaratkan seperti mengurangi sebagian air sebelum memindahkan ember yang penuh air
  • Seperti ember yang memiliki ruang cadangan sehingga air tidak terlalu banyak terciprat saat dipindahkan, membuat lebih banyak lithium tidak aktif selama pembentukan SEI menciptakan ruang cadangan di katoda
  • Ruang cadangan ini membantu elektroda bekerja lebih efisien pada siklus berikutnya dan meningkatkan kinerja lanjutan
  • Dibanding sekadar mencari kondisi untuk membuat baterai yang baik, memahami bagaimana kondisi itu bekerja membuatnya lebih mudah diterapkan dalam proses manufaktur
  • Pemahaman seperti ini diperlukan untuk menyeimbangkan kembali kinerja baterai dan efisiensi manufaktur

Potensi berujung pada optimasi proses manufaktur

  • Manufaktur baterai adalah proses yang membutuhkan banyak modal, energi, dan waktu, dan menjalankan lini produksi baru juga memerlukan waktu lama
  • Ada banyak variabel proses, sehingga sulit menemukan kondisi yang optimal
  • Hasil ini menyajikan pendekatan yang dapat digeneralisasi untuk memahami dan mengoptimalkan pengisian pertama, tahap penting dalam manufaktur baterai
  • Pihak TRI menyebutkan kemungkinan bahwa temuan dari studi ini dapat dialihkan ke proses, fasilitas, peralatan, dan komposisi kimia baterai baru di masa depan
  • Studi ini didanai melalui program Accelerated Materials Design and Discovery dari Toyota Research Institute

Bacaan terkait

1 komentar

 
GN⁺ 2024-09-10
Komentar Hacker News

  • Dari sudut pandang saya yang pernah bekerja sebentar di industri ini, saya agak skeptis terhadap penelitian ini. Kalau ini benar, semestinya penelitian atau eksperimen sebelumnya yang memakai kondisi pengisian awal berbeda juga menunjukkan performa degradasi yang lebih baik, dan saya jelas pernah melihat kasus-kasus seperti itu
    Selain itu, perlu juga dilihat seberapa besar lapisan antarmuka elektrolit padat (SEI) yang bertambah itu mengubah impedansi sel, sehingga mengurangi kecepatan pengisian berikutnya dan kapasitas yang bisa digunakan

    • Setuju. Ringkasan ini saja tidak cukup untuk menjelaskan kontradiksinya dengan puluhan uji laboratorium lain. Saya punya beberapa boks sel 21700 dari beberapa produsen (Samsung/Sony/Panasonic) dan sudah melakukan uji penuaan selama lebih dari 2 tahun
      Hal yang tampak umum di semua kimia lithium-ion dan lithium-polymer adalah: jika dikosongkan dalam hingga di bawah 60%, jumlah siklus pengisian yang bisa dipakai turun dari 8000 kali menjadi di bawah 2000 kali; pelepasan arus tinggi atau pengisian cepat mempercepat kehilangan kapasitas sekitar 15% per tahun; dan korsleting akibat cacat dendrit merusak sel sambil menaikkan resistansi internal serta laju self-discharge
      Kalau teknik ini berlaku untuk semua kimia sel, hasilnya cukup mengejutkan
    • Bukankah penggunaan Supercharger untuk kendaraan listrik awalnya dianggap cukup buruk, tetapi belakangan muncul hasil bahwa dampaknya terhadap umur baterai tidak seburuk yang dibayangkan?
      https://electrek.co/2023/08/29/tesla-battery-longevity-not-a...
    • Analogi yang dipakai dalam artikelnya juga mencurigakan dalam banyak hal
      Kira-kira bunyinya, “Mengeluarkan lebih banyak ion litium di awal mirip seperti menyendok sedikit air dari ember penuh sebelum membawanya. Dengan ruang kosong yang lebih banyak, air tidak terlalu banyak memercik saat dibawa. Demikian pula, dengan menonaktifkan lebih banyak ion litium selama pembentukan SEI, ada ruang ekstra di elektroda positif dan elektroda bersirkulasi lebih efisien, sehingga performa berikutnya membaik,” tetapi penjelasannya tidak terasa terlalu kokoh

  • Kalau ini juga terbukti di tahap produksi, ini benar-benar temuan yang keren. Berarti selama ini ada variabel proses yang tersembunyi di depan mata

    • Menurut saya perusahaan-perusahaan pasti tidak akan melakukannya. Karena ini akan mengurangi pendapatan
      Tulisan bahwa langkah sederhana bisa sangat memperpanjang umur baterai cukup sering terlihat di mana-mana, tetapi kecuali untuk penggunaan yang sangat khusus, jarang benar-benar diterapkan
      Biasanya arah yang diambil adalah mempertahankan umur yang sama sambil menaikkan densitas energi. Sel lithium-ion tegangan tinggi (tegangan akhir pengisian di atas 4,2V) adalah contohnya; jika hanya diisi sampai 4,2V, sel itu akan bertahan jauh lebih lama daripada tipe sebelumnya, tetapi produsen cenderung mengiklankan 4,3V, 4,35V, bahkan 4,4V dan menonjolkan kapasitas ekstra yang dihasilkan

  • Ringkasnya, dalam proses awal formation charge baterai, sebagian litium dinonaktifkan dan membentuk lapisan antarmuka elektrolit padat (SEI), lapisan pelindung lunak di sekitar elektroda negatif
    Saat ini produsen biasanya melakukan formation charge lambat, dan sekitar 9% litium hilang menjadi SEI pada proses itu. Selama ini dianggap bahwa cara seperti itu diperlukan untuk membuat lapisan yang kuat, tetapi dalam penelitian ini, dengan arus pengisian awal yang lebih tinggi, 30% menjadi SEI
    Jadi penjelasannya: untuk jumlah litium yang sama, kapasitas baterai sedikit berkurang, tetapi lapisan pelindung elektroda menjadi lebih tebal sehingga umur pada siklus pengisian berikutnya membaik

    • Kalau strukturnya menukar kapasitas dengan umur, saya jadi berpikir kenapa tidak sekalian sedikit mengubah kimianya seperti LTO. Namun artikel ini tampaknya lebih berfokus pada keberadaan fenomena itu sendiri ketimbang penerapan praktisnya
    • Saya penasaran berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk membuat lapisan 9% itu

  • Saya pernah menghidupkan kembali baterai litium yang terlalu habis dayanya sampai tidak bisa diisi, dengan menghubungkannya selama beberapa detik ke baterai yang terisi penuh

    • Itu lebih dekat ke masalah sirkuit elektronik di dalam baterai daripada masalah kimia. Sistem manajemen baterai (BMS) standar bisa dilewati dan baterai bisa dipaksa diberi daya dengan catu daya apa pun
    • Itu mirip men-jump-start mobil yang mengira alternatornya rusak menggunakan mobil lain dan alternatornya
      Secara harfiah, itu gaya “ambil risiko dan berharap berhasil”

  • Kalau lapisan SEI yang baik di atas elektroda itu penting, tidak bisakah lapisan itu dilapiskan dulu ke elektroda sebelum baterai dirakit? Dengan begitu bentuk lapisannya juga bisa dibuat lebih seragam

  • Saya bingung umur baterai tepatnya berarti apa. Apakah penurunan kapasitas, atau kegagalan acak?
    Jika temuan ini memperlambat penurunan kapasitas tetapi menaikkan peluang baterai kendaraan listrik tiba-tiba gagal 100 kali lipat, dari sisi biaya itu bukan perbaikan. Mungkin masih cocok untuk perangkat konsumen

    • Umur itu ada dua jenis. Umur simpan dan umur siklus pengisian, yaitu jumlah siklus mengisi hingga 100% dan mengosongkan hampir sampai 0%
      Jika pengisian dan pengosongan dijaga dalam rentang 80/20, umur baterai terutama dibatasi oleh umur simpan. Misalnya, jika Nissan Leaf dijaga pada rentang status pengisian 20–80%, mungkin bisa bertahan 20 tahun, tetapi jika setiap kali diisi sampai 100% dengan pengisian cepat DC, kemungkinan hanya bisa dipakai 2000 siklus, kira-kira 5–7 tahun

  • Saya bingung, ini hanya prediksi atau sudah diverifikasi lewat eksperimen?

  • Saya ingat pernah melihat hasil di sebuah makalah baru-baru ini bahwa jika arus digandakan tetapi pengisian dilakukan dengan gelombang persegi berfrekuensi 2kHz, degradasi baterai praktis hilang

  • Seperti cara listrik tegangan tinggi menggores kayu, tampaknya mikrostruktur dibakar masuk sehingga menjadi lebih stabil terhadap pembentukan filamen

  • Ringkasnya, arus tinggi membuat lapisan di atas anoda terbentuk sedikit berbeda, dan tentu saja lebih cepat. Sebelumnya pengisian awal yang lambat dianggap menghasilkan pembentukan yang lebih baik
    Ini lebih mendekati perbaikan bertahap lewat penyesuaian proses daripada temuan fundamental

    • Entah ini “penyesuaian proses” atau “temuan fundamental yang benar-benar nyata”, kalau umur baterai naik 50%, bagaimanapun itu hal besar
      Namun kalau dilihat secara agak konspiratif, banyak produsen elektronik konsumen tampaknya tidak akan menyukai ini. Kapasitas baterai yang menurun kemungkinan menjadi faktor besar yang mendorong siklus penggantian
      Belakangan ini, setelah sekitar 2–3 tahun, penurunan kapasitas baterai ponsel biasanya mulai terasa. Ponselnya sendiri masih berfungsi baik, fitur model terbaru juga tidak terlalu dibutuhkan, dan kita tahu baterainya saja bisa diganti, tetapi kadang muncul pikiran “daripada ganti baterai, sekalian beli ponsel baru saja”
      Kalau umur baterai 50% lebih panjang, rasanya hampir tidak ada lagi yang menjadikan kapasitas baterai yang menurun sebagai alasan untuk upgrade
    • Mungkin maksudnya anoda, bukan “elektron negatif”