Pemetaan Pola Kegagalan Baterai Litium-Lemah Ungkap Wawasan Kunci untuk Kendaraan Listrik
Ilmuwan dari Brookhaven National Laboratory (Upton, NY) telah mengidentifikasi penyebab utama kegagalan dalam baterai litium-lemah tingkat tinggi — yang menarik untuk kendaraan listrik jarak jauh. Menggunakan sinar X berenergi tinggi, mereka mengikuti perubahan yang diinduksi oleh siklus di ribuan titik berbeda di seluruh baterai dan memetakan variasi kinerja. Di setiap titik, mereka menggunakan data sinar X untuk menghitung jumlah bahan katoda dan status charge lokalnya. Temuan ini, bersama dengan pengukuran elektrokimia komplementer, memungkinkan mereka untuk menentukan mekanisme dominan yang mendorong hilangnya kapasitas baterai setelah banyak siklus charge-discharge.
Pengelahan elektrolit cair adalah penyebab utama kegagalan. Elektrolit mengangkut ion litium antara dua elektroda baterai rechargeable (anoda dan katoda) selama setiap siklus charge dan discharge.
"Keuntungan besar baterai dengan anoda terbuat dari litium-lemah alih-alih grafit (bahan yang biasanya digunakan dalam baterai saat ini) adalah kepadatan energi yang tinggi," jelaskan Peter Khalifah dari Brookhaven Lab dan Departemen Kimia di Stony Brook University (NY). "Meningkatkan jumlah energi yang dapat disimpan bahan baterai untuk massa tertentu adalah cara terbaik untuk memperluas jarak tempuh kendaraan listrik."
Sejak 2017, Konsorsium Battery500 — sekelompok laboratorium nasional dan universitas — telah bekerja untuk mengembangkan anoda litium-lemah generasi berikutnya dengan kepadatan energi tiga kali lipat dari baterai otomotif saat ini. Membuat litium-lemah bekerja baik sebagai anoda dalam baterai rechargeable yang terus ber-siklus dengan kepadatan energi tinggi sangatlah menantang. Litium-lemah sangat reaktif, jadi semakin banyak yang degradasi saat baterai ber-siklus. Seiring waktu, reaksi degradasi ini mengonsumsi bagian penting baterai lain seperti elektrolit cair.
Awalnya dalam pengembangan, anoda litium-lemah dengan kepadatan energi tinggi memiliki umur yang sangat pendek — biasanya 10 siklus atau kurang. Peneliti Konsorsium Battery500 meningkatkan umur ini menjadi 200 siklus untuk sel baterai yang dipelajari dalam karya ini dan 400 siklus pada 2020. Akhirnya, konsorsium bertujuan untuk mencapai umur 1.000 siklus atau lebih untuk memenuhi kebutuhan kendaraan listrik.
"Bagaimana kita dapat membuat baterai litium-lemah dengan kepadatan energi tinggi yang ber-siklus untuk waktu yang lebih lama?" tanya Khalifah. "Salah satu cara menjawab pertanyaan ini adalah dengan memahami mekanisme kegagalan dalam baterai 'pouch cell' yang realistis. Itulah tempat pekerjaan kami, yang didukung oleh Konsorsium Battery500, masuk."
Pengujian Menghasilkan Hasil Kritis
Digunakan secara luas dalam aplikasi industri, pouch cell adalah baterai persegi panjang yang tersegel yang menggunakan ruang dengan lebih efisien dibandingkan sel silinder yang memungkinkan elektronik rumah tangga. Dengan demikian, ia optimal untuk dikemas di dalam kendaraan. Dalam studi ini, ilmuwan dari Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL, Richland, WA) menggunakan fasilitas Baterai Canggih mereka untuk memproduksi baterai litium-lemah dalam geometri pouch cell prototipe dengan beberapa lapisan.
Selanjutnya, ilmuwan dari DOE's Idaho National Laboratory (INL, Idaho Falls) melakukan pengujian elektrokimia pada salah satu sel pouch cell berlapis. Mereka menemukan hanya sekitar 15 persen kapasitas sel yang hilang selama 170 siklus pertama tetapi 75 persen hilang selama 25 siklus berikutnya. Untuk memahami hilangnya kapasitas yang cepat di akhir umur baterai, mereka mengekstrak salah satu dari tujuh lapisan katoda sel dan mengirimkannya ke Brookhaven Lab untuk studi di beamline X-ray Powder Diffraction (XPD) dari National Synchrotron Light Source II (NSLS-II).
Dalam XPD, sinar X yang mengenai sampel hanya memantul pada sudut tertentu, menghasilkan pola karakteristik. Pola difraksi ini memberikan informasi tentang banyak aspek struktur sampel termasuk volume sel unitnya — bagian terkecil yang berulang dari struktur — dan posisi atom dalam sel unit.
Meskipun tim terutama ingin mempelajari tentang anoda litium-lemah, pola difraksi sinar X-nya lemah (karena litium memiliki sedikit elektron) dan tidak berubah banyak selama siklus baterai (tetap sebagai litium-lemah). Jadi, mereka secara tidak langsung mencoba perubahan pada anoda dengan mempelajari perubahan yang erat terkait pada katoda litium nickel manganese cobalt oxide (NMC), yang pola difraksinya jauh lebih kuat.
"Katoda berfungsi sebagai 'pelapor' untuk anoda," jelaskan Khalifah. "Jika anoda mulai gagal, masalahnya akan tercermin pada katoda karena wilayah katoda yang berdekatan tidak akan mampu secara efektif menyerap dan melepaskan ion litium."
Beamline XPD memainkan peran penting dalam eksperimen. Dengan energi tinggi, sinar X pada beamline ini dapat menembus sepenuhnya melalui sel baterai, bahkan yang tebal beberapa milimeter. Intensitas beam yang tinggi dan detektor area dua dimensi besar memungkinkan ilmuwan untuk segera mengumpulkan data difraksi berkualitas tinggi untuk ribuan titik di seluruh baterai.
Jelaskan Khalifah, "Untuk setiap titik, kami mendapatkan pola difraksi resolusi tinggi dalam sekitar satu detik, yang memungkinkan kami memetakan seluruh area baterai dalam dua jam — lebih dari 100 kali lebih cepat dibandingkan jika sinar X dihasilkan menggunakan sumber sinar X laboratorium konvensional."
Kuantitas pertama yang mereka peta adalah status charge (SOC) — jumlah energi yang tersisa dalam baterai dibandingkan dengan energi yang dimilikinya saat "penuh" — untuk lapisan katoda tunggal. 100% SOC berarti baterai sepenuhnya terisi. Dengan penggunaan baterai, persentase ini menurun. Misalnya, laptop yang menunjukkan 80% daya berada pada 80% SOC. Dalam istilah kimia, SOC terkait dengan konten litium dalam katoda, di mana litium dimasukkan dan dikeluarkan secara reversibel selama siklus. Saat litium dikeluarkan, volume sel unit katoda menyusut. Volume ini dapat dengan mudah ditentukan dari pengukuran difraksi sinar X, yang oleh karena itu sensitif terhadap SOC lokal di setiap titik. Wilayah lokal mana pun di mana kinerja menurun akan memiliki SOC yang berbeda dari sisa katoda.
Peta SOC mengungkapkan tiga "hotspot," masing-masing beberapa milimeter dalam diameter, di mana kinerja lokal jauh lebih buruk dari sisa sel. Hanya sebagian dari katoda NMC di hotspot yang mengalami kesulitan ber-siklus; sisa tetap sinkron dengan sel. Temuan ini menunjukkan bahwa hilangnya kapasitas baterai disebabkan oleh pemusnahan parsial elektrolit cair, karena hilangnya elektrolit akan "membekukan" baterai pada SOC saat ini.
Alasan lain yang mungkin untuk hilangnya kapasitas baterai — konsumsi anoda litium-lemah atau hilangnya bertahap ion litium, atau konduktivitas elektronik karena produk degradasi terbentuk pada permukaan elektroda — tidak akan menyebabkan kehadiran bersamaan katoda NMC aktif dan tidak aktif di hotspot. Eksperimen lanjutan yang dipimpin oleh INL pada sel koin baterai yang lebih kecil yang dirancang untuk sengaja gagal melalui pengelahan elektrolit menunjukkan perilaku yang sama seperti pouch cell besar ini, mengonfirmasi mekanisme kegagalan.
"Pengelahan elektrolit adalah mekanisme kegagalan yang paling konsisten dengan data sinar X sinkrotron dan elektrokimia," kata Khalifah. "Di banyak wilayah sel, kami melihat elektrolit secara parsial terelakkan, sehingga transportasi ion menjadi lebih sulit namun tidak mustahil. Namun di tiga hotspot, elektrolit hampir habis, sehingga ber-siklus menjadi mustahil."
Selain menentukan lokasi hotspot di mana kegagalan terjadi paling cepat, studi difraksi sinar X sinkrotron juga mengungkapkan mengapa kegagalan terjadi di sana dengan memberikan jumlah NMC yang ada di setiap posisi pada katoda. Wilayah dengan kegagalan terburuk biasanya memiliki jumlah NMC yang lebih kecil dari sisa sel. Ketika lebih sedikit katoda NMC yang ada, bagian baterai tersebut terisi dan dikosongkan lebih cepat dan sepenuhnya, menyebabkan elektrolit dikonsumsi lebih cepat dan mempercepat kegagalan akhirnya di wilayah ini. Bahkan pengurangan kecil dalam jumlah katoda (5% atau kurang) dapat mempercepat kegagalan. Oleh karena itu, meningkatkan proses manufaktur untuk menghasilkan katoda yang lebih seragam harus menghasilkan baterai yang lebih awet.
"Hasil dari studi ini dan aktivitas Battery500 lainnya secara jelas menunjukkan manfaat penggunaan kemampuan dari seluruh DOE untuk mendorong kemajuan dalam teknologi penyimpanan energi," tambah Eric Dufek, manajer departemen INL's Energy Storage and Advanced Vehicle Department.
Dalam studi mendatang, tim berencana memetakan perubahan yang terjadi saat baterai diisi dan dikosongkan. "Dalam studi ini, kami melihat satu gambaran baterai di akhir umurnya," kata Khalifah. "Hasil penting adalah mendemonstrasikan bagaimana teknik ini memiliki sensitivitas yang cukup sehingga kami seharusnya dapat menerapkannya pada baterai yang sedang beroperasi. Jika kami dapat mengumpulkan data difraksi saat baterai ber-siklus, kami akan mendapatkan film bagaimana semua bagian berubah seiring waktu. Informasi ini akan memberikan gambaran yang lebih lengkap tentang bagaimana kegagalan terjadi dan pada akhirnya memungkinkan kami untuk merancang baterai dengan kinerja yang lebih tinggi."
