T&J:Mengoptimalkan Baterai Lithium-Ion untuk Pengisian Cepat Ekstrim
Dr. Tanvir Tanim dan timnya di Laboratorium Nasional Idaho merancang baterai lithium-ion yang dapat diisi ulang dalam 10 hingga 15 menit di stasiun pengisian daya di pinggir jalan. Mereka mengembangkan algoritme pembelajaran mesin yang mendeteksi pelapisan litium yang tidak diinginkan yang dapat terjadi dalam kondisi ini.
Ringkasan Teknologi: Bagaimana proyek dimulai?
Dr. Tanvir Tanim: Kami terlibat dengan program pengisian cepat ekstrim, yang disponsori oleh Kantor Teknologi Kendaraan Departemen Energi pada tahun 2017. Tujuannya adalah untuk mengaktifkan pengisian cepat ekstrim (XFC) dalam baterai lithium-ion — pengisian 10 hingga 15 menit atau lebih — pada dasarnya untuk membuat pengalaman pengisian EV sebanding dengan pengalaman pengisian bahan bakar kendaraan bensin. Itulah salah satu pertimbangan utama bagi konsumen kendaraan listrik.
Untuk program itu, kami menguji banyak baterai lithium-ion dengan kecepatan pengisian yang sangat cepat. Saat Anda mengisi baterai ini dengan kecepatan tinggi, Anda menghadapi banyak masalah — pelapisan lithium adalah salah satu yang utama. Baterai mengandung lithium dalam jumlah terbatas, jadi Anda tidak ingin baterai hilang selama pengisian dan pengosongan, Anda ingin baterai berputar bolak-balik dari anoda ke katoda. Namun, selama pengisian cepat, litium yang dapat didaur ulang dapat dilapisi ke permukaan anoda, yang merupakan reaksi parasit yang tidak diinginkan — litium berlapis tidak dapat diperoleh kembali — selama pelepasan, ia tidak dapat kembali ke katoda.
Ada masalah lain dengan pelapisan. Jika tidak dideteksi sejak dini, hal itu akan terus terjadi dan dapat mengakibatkan bencana. Misalnya, Li berlapis bisa mengambil bentuk dendritik dan tumbuh seperti jarum dari anoda dan bisa menusuk pemisah, menciptakan korsleting internal.
Jadi, kami menguji banyak baterai lithium-ion, melakukan modifikasi desain, lalu menguji ulang untuk melihat apakah pelapisan lithium terjadi. Namun, pada saat itu, kami tidak memiliki cara yang baik untuk mendeteksi pelapisan. Setelah pengujian, kami akan merobek sel untuk melihat apakah ada pelapisan, atau kami akan melakukan pengujian tambahan. Kami tidak benar-benar memiliki metode deteksi pelapisan litium berbasis tanda tangan elektrokimia yang solid, tetapi kami belajar banyak.
Kemudian kami terlibat dalam program yang berbeda, yang disebut pembelajaran mesin berbasis fisika, yang juga didanai oleh DOE. Tujuan dari program itu adalah untuk mengembangkan algoritma berbasis kecerdasan buatan/pembelajaran mesin untuk mendapatkan proyeksi masa pakai baterai yang andal bersama dengan mengidentifikasi akar penyebab degradasi yang mendasarinya. Pada saat itu, kami telah mengumpulkan banyak data dan menghasilkan pemahaman yang komprehensif tentang berbagai mode dan mekanisme degradasi. Kami pikir, karena kami memiliki semua data itu, dan kami tahu tanda elektrokimia yang terkait dengan pelapisan lithium, mengapa kami tidak merumuskannya ke dalam masalah pembelajaran mesin. Kami dapat menggunakan tanda tangan elektrokimia, membawa pembelajaran mesin ke dalamnya, dan melihat apakah itu dapat membantu kami menemukan strategi untuk mendeteksi pelapisan litium.
Satu hal mengarah ke yang lain, dan kami mencapai kesimpulan bahwa ini bisa menjadi metode yang sangat bagus untuk mendeteksi pelapisan lithium sejak dini, tanpa merobek sel. Membuka sel dan melakukan pasca-pengujian membutuhkan waktu, mahal, dan menunda pengembangan siklus hidup baterai.
Ringkasan Teknologi: Jadi, metode Anda adalah mendeteksi tanda elektrokimia tertentu?
Tanim: Pada saat itu, kami memiliki banyak data elektrokimia, dan memperoleh pemahaman yang baik tentang fisika di baliknya. Kami mengidentifikasi tanda tangan elektrokimia utama yang dapat dikaitkan kembali dengan pelapisan lithium. Kemudian kami menjalankan data tersebut, membawa pembelajaran mesin ke dalamnya, dan memecahkan masalah yang telah kami rumuskan saat itu.
Ringkasan Teknologi: Bisakah Anda memberi tahu saya sesuatu tentang jenis data tertentu yang Anda gunakan?
Tanim: Kami terutama berfokus pada data elektrokimia karena Anda dapat mengumpulkannya dengan mudah — pada kenyataannya, selama pengujian kami selalu mencari tanda tangan elektrokimia untuk menjelaskan masalah masa pakai dan kinerja baterai lithium-ion. Tanda tangan khas adalah tegangan, arus, suhu, dan sebagainya. Anda dapat mengubah tanda tangan tersebut menjadi variabel sekunder yang berbeda. Misalnya, kami melihat kapasitas debit dan tren kapasitas yang memudar, linieritas atau nonliniernya. Juga, tegangan akhir pengisian daya, tegangan akhir pelepasan dan bagaimana mereka berubah selama siklus, dan di samping itu, efisiensi coulombik.
Ringkasan Teknologi: Apa yang dimaksud dengan kapasitas debit?
Tanim: Jika Anda menggunakan baterai, Anda mengeluarkan energi darinya, itulah yang kami sebut pengosongan. Salah satu ukuran kapasitas adalah ampere-jam.
Ringkasan Teknologi: Bagaimana dengan kapasitas yang memudar?
Tanim: Baterai baru memiliki kapasitas tertentu — katakanlah satu amp-jam. Dengan bersepeda, kapasitas itu akan berkurang. Kapasitas (atau energi) memudar adalah persentase penurunan. Dalam kasus normal tren penurunan akan cukup linier, terutama pada siklus awal. Namun dengan pelapisan lithium, trennya sangat nonlinier — tingkat pudar yang lebih tinggi di awal dan lebih sedikit pudar di kemudian hari.
Pelapisan lithium dapat terjadi dalam kondisi yang berbeda. Selain pengisian cepat, ini dapat terjadi jika Anda mengisi baterai pada suhu di bawah nol, atau jika ada masalah ketidakseimbangan terkait penuaan pada baterai. Tanda tangan mungkin tidak sama sensitifnya untuk semua kondisi pelapisan tersebut. Jadi, kami mengidentifikasi tanda tangan paling sensitif untuk pengisian cepat dan kemudian menggunakannya untuk mengembangkan algoritme pembelajaran mesin kami.
Ringkasan Teknologi : Apa tanda tangan yang Anda gunakan?
Tanim: Kami menemukan bahwa tanda yang paling sensitif untuk pengisian cepat adalah tren tentang bagaimana kapasitas sel memudar, secara linier atau nonlinier, tegangan istirahat akhir pengisian daya, dan efisiensi coulombik.
Kami juga menemukan bahwa dua tanda tangan menonjol lainnya yang telah dilaporkan, dQ/dV dan dV/dt, tidak terlalu sensitif dalam kondisi pengisian cepat, kecuali ada situasi pelapisan yang sangat agresif.
Ringkasan Teknologi: Bisakah Anda menjelaskan efisiensi coulombik?
Tanim: Efisiensi Coulomb adalah rasio persentase kapasitas pengosongan dibagi dengan kapasitas pengisian.
Ringkasan Teknologi: Bagaimana Anda mengukur kapasitas memudar?
Tanim: Anda harus melakukan beberapa pengujian. Pada skala lab, ketika kita mendaur ulang baterai, kita dapat memilih siklus tertentu untuk mengukur kapasitas pengisian atau pengosongannya. Dari arus dan waktu, kita dapat menghitung kapasitas dalam ampere-jam. Sekarang jika Anda mengulangi proses yang sama saat baterai menurun, Anda dapat menemukan kapasitas pada kondisi lama dan dari sana dapat menghitung persen pudar (kapasitas memudar sehubungan dengan kondisi baru).
Ringkasan Teknologi: Sudahkah Anda bereksperimen dengan protokol pengisian daya yang berbeda?
Tanim: Untuk menghindari pelapisan lithium, Anda dapat memodifikasi desain baterai dengan cara yang berbeda:Anda dapat mengubah bahan, Anda dapat mengubah desain elektroda, atau beberapa aspek lain dari desain baterai, seperti elektrolit.
Anda juga dapat mengubah kondisi pengoperasian atau profil pengisian daya. Misalnya, Anda dapat mencoba protokol pengisian daya yang berbeda dan membandingkannya dengan garis dasar. Misalnya, alih-alih arus konstan/tegangan konstan, Anda dapat mencoba multistep atau protokol pengisian daya lainnya. Dan Anda juga dapat mengubah suhu.
Metode kami untuk mendeteksi pelapisan litium akan berlaku terlepas dari perubahan desain atau protokol pengisian daya apa pun.
Ringkasan Teknologi: Bagaimana Anda melihat ini diterapkan?
Tanim: Ada dua skenario di mana metode ini akan memberikan kontribusi yang berharga. Yang pertama adalah untuk digunakan oleh para ilmuwan penelitian di laboratorium. Metode ini akan lebih cepat memberitahu kita apakah di bawah kondisi operasi yang diberikan, pelapisan lithium terjadi atau tidak— kita tidak perlu merobek sel atau melakukan analisis post-test lainnya. Hanya tanda elektrokimia yang akan memberi tahu kita apakah pelapisan lithium terjadi untuk desain dan kondisi operasi khusus ini. Itu bisa dilakukan dalam 10 hingga 25 siklus. Ini memberi tahu kami apakah kami harus memodifikasi desain baterai — kami ingin mengidentifikasinya sesegera mungkin. Kami kemudian dapat kembali, mengulangi desain, dan mengulang pengujian untuk melihat apakah kami bergerak ke arah yang benar.
Tanda tangan elektrokimia, dengan beberapa modifikasi dan verifikasi lebih lanjut, juga dapat diterapkan dalam sistem manajemen baterai di dalam kendaraan listrik serta dalam aplikasi stasioner di mana baterai lithium-ion digunakan. OEM atau produsen baterai sudah mengumpulkan sebagian besar tanda tangan ini. Menggunakannya sebagai dasar, kita dapat, mungkin tidak dalam siklus hidup awal, mungkin beberapa tahun ke depan, mengingatkan pengguna bahwa meskipun baterai baik-baik saja di awal masa pakainya, ada sesuatu yang berubah, dan pelapisan lithium sudah mulai terjadi. “Karena sekarang ada pelapisan lithium, ini adalah peringatan dini bahwa Anda harus melakukan sesuatu tentang baterai.”
Ringkasan Teknologi: Bisakah Anda menebak seberapa cepat ini akan dikomersialkan?
Tanim: Kami memiliki paten sementara untuk hal ini dan kami sedang berupaya mengirimkan paten penuh segera. Kami juga mencari peluang kolaborasi untuk mengembangkannya lebih lanjut dan kami melihat banyak minat dari perusahaan swasta. Selain itu, DOE memiliki dana komersialisasi teknologi tempat kami dapat berkolaborasi dengan industri swasta lainnya dan meningkatkannya lebih lanjut serta mendemonstrasikannya untuk aplikasi onboard, tetapi saya tidak ingin memberi Anda tebakan tertentu.
Versi yang diedit dari wawancara ini muncul di Ringkasan Teknologi edisi Desember 2021.
