Ilmuwan Mengidentifikasi Penyebab Kegagalan Baterai

Para peneliti di Argonne telah melakukan studi komprehensif tentang celana pendek lunak, sebuah fenomena yang merupakan langkah pertama menuju kegagalan permanen pada baterai.

Sebuah tim Argonne yang mengembangkan bahan untuk baterai solid-state mengambil jalan memutar yang tidak terduga untuk menyelidiki sirkuit pendek kecil yang dikenal sebagai soft-shorts. Wawasan mereka akan bermanfaat bagi para peneliti baterai di seluruh dunia.

Para peneliti di Laboratorium Nasional Argonne Departemen Energi AS (DOE) telah memberikan pencerahan baru yang penting tentang seperti apa tanda-tanda awal kegagalan baterai. Studi mereka – yang membahas kondisi yang disebut soft-shorts – memberikan komunitas riset pengetahuan dan metode berharga untuk merancang baterai kendaraan listrik (EV) yang lebih baik.

Penelitian tim Argonne berfokus pada baterai solid-state dengan anoda (elektroda negatif) yang terbuat dari logam litium. Banyak orang memandang perangkat seperti itu sebagai “cawan suci” teknologi baterai. Mengapa? Pasalnya logam lithium dapat menyimpan muatan dalam jumlah besar dalam ruang yang kecil. Artinya, baterai ini dapat memberikan jarak tempuh kendaraan listrik yang lebih jauh dibandingkan baterai lithium-ion tradisional yang dibuat dengan anoda grafit.

Namun, logam litium menghadirkan tantangan operasional karena dapat sangat reaktif dengan elektrolit cair pada baterai tradisional. Elektrolit adalah bahan yang menggerakkan partikel bermuatan yang disebut ion antara dua elektroda baterai, mengubah energi yang tersimpan menjadi listrik.

Ketika baterai yang berfungsi normal habis, ion mengalir dari anoda melalui elektrolit ke katoda (elektroda positif). Pada saat yang sama, elektron mengalir dari anoda ke perangkat eksternal – seperti telepon atau motor EV – dan kemudian kembali ke katoda. Aliran elektron inilah yang memberi daya pada perangkat. Saat baterai sedang diisi, aliran ini terbalik.

Penggunaan logam litium cenderung mengganggu proses ini. Selama pengisian, filamen litium dapat tumbuh dari anoda dan menembus elektrolit. Jika pertumbuhan ini menjadi cukup besar dan meluas ke katoda, maka akan tercipta “kawat” permanen di antara elektroda. Pada akhirnya, semua elektron dalam baterai mengalir melalui kabel ini dari satu elektroda ke elektroda lainnya tanpa meninggalkan baterai untuk memberi daya pada perangkat. Proses ini juga menghentikan aliran ion antar elektroda.

“Ini disebut korsleting internal,” kata Michael Counihan, rekan postdoctoral di Argonne dan peneliti utama di tim tersebut. ​“Baterainya rusak, dan elektron tidak lagi memberi daya pada perangkat Anda.

Menempatkan anoda logam litium pada baterai solid-state – dengan kata lain, baterai dengan elektrolit padat – berpotensi mengurangi tantangan terkait filamen sekaligus tetap mempertahankan manfaat litium.

Jalan memutar yang tak terduga ke dalam celana pendek yang lembut

Tim Argonne sedang mengembangkan elektrolit padat baru untuk baterai EV dan memperhatikan perilaku yang tidak biasa.

“Saat kami mengoperasikan baterai di laboratorium, kami mengamati fluktuasi tegangan yang sangat kecil dan sangat singkat,” kata Counihan. “Kami memutuskan untuk melihat lebih dalam.”

Para peneliti berulang kali mengisi dan mengosongkan baterai mereka selama ratusan jam, mengukur berbagai parameter listrik seperti tegangan. Tim menetapkan bahwa baterai mengalami korsleting, yaitu korsleting kecil yang bersifat sementara.

Dengan soft-short, filamen litium tumbuh dari anoda ke katoda. Namun besaran pertumbuhannya lebih kecil dibandingkan dengan korsleting permanen. Meskipun sebagian elektron tetap berada di baterai, sebagian lainnya mungkin mengalir ke perangkat eksternal. Aliran ion antar elektroda dapat berlanjut. Semua aliran ini bisa sangat bervariasi.

Tim bekerja dengan pakar komputasi Argonne untuk mengembangkan model yang memprediksi jumlah aliran ion dan elektron selama soft-short. Model ini memperhitungkan faktor-faktor seperti ukuran filamen litium dan sifat elektrolit.

Baterai soft-short dapat terus beroperasi selama berjam-jam, berhari-hari, atau bahkan berminggu-minggu. Namun seperti yang ditemukan oleh tim Argonne, jumlah filamen umumnya meningkat seiring waktu dan pada akhirnya menyebabkan kegagalan baterai.

“Soft-short adalah langkah pertama menuju kegagalan baterai permanen,” kata Counihan.

Perilaku dinamis

Pemeriksaan lebih lanjut yang dilakukan tim mengungkapkan bahwa soft-short memiliki perilaku yang sangat dinamis. Seringkali mereka terbentuk, menghilang, dan terbentuk kembali hanya dalam mikrodetik atau milidetik.

“Ini menjadi pelajaran penting bagi para peneliti baterai,” kata Counihan. ​Dengan pengujian baterai biasa di laboratorium, peneliti mungkin hanya mengukur voltase setiap menit atau lebih. Selama waktu itu, Anda bisa saja melewatkan pembentukan dan kematian ribuan soft-short. Mereka seperti hantu kecil yang menghancurkan baterai Anda tanpa Anda sadari.”

Alasan paling umum mengapa celana pendek lembut hilang: panas. Ketika elektron mengalir melalui filamen litium, panas dihasilkan — mirip dengan pemanasan yang dapat terjadi pada kabel peralatan rumah tangga. Panas dapat dengan cepat melelehkan filamen, terutama jika elektrolit di sekitarnya bersifat isolasi termal.

Celana pendek yang lembut dapat larut ketika filamen bereaksi dengan elektrolit tertentu. Beberapa elektrolit padat yang diselidiki oleh tim Argonne dapat memotong filamen kecil sebelum mencapai katoda dan menyebabkan korsleting internal.

Membantu komunitas riset

Selama pemeriksaan ekstensif terhadap soft-shorts, tim Argonne mengembangkan dan mendemonstrasikan beberapa metode baru untuk mendeteksi dan menganalisis fenomena tersebut. Misalnya, salah satu metode mengukur seberapa besar kontribusi soft-short terhadap ketahanan baterai terhadap aliran arus. Karena komponen baterai yang berbeda dapat berkontribusi terhadap resistensi ini, mengisolasi kontribusi dari soft-short dapat membantu peneliti menilai kesehatan baterai mereka dengan lebih baik.

Penelitian tersebut baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Joule, mencakup daftar hampir 20 teknik deteksi dan analisis. Sekitar sepertiga dari metode ini berasal dari penelitian terbaru tim. Penulis penelitian ini mengumpulkan metode lain dari pengetahuan informal yang tidak dipublikasikan di komunitas riset.

“Kami memperhatikan bahwa tidak ada makalah dalam literatur yang menggunakan lebih dari dua teknik ini,” kata Counihan.​ “ Untuk membuat daftar ini lebih bermanfaat bagi para peneliti, kami telah menyertakan informasi tentang kelebihan dan kekurangan masing-masing metode. Karena soft-shorts sangat dinamis, hal ini membantu para peneliti memiliki banyak alat yang tersedia untuk lebih memahami dampak soft-shorts.”

Tim ini ingin memberikan wawasan kepada para peneliti di seluruh dunia tentang soft-shorts untuk menginformasikan pekerjaan mereka. Misalnya, teknik dalam makalah ini dapat membantu memajukan desain elektrolit padat keras yang membendung pertumbuhan filamen litium.

“Ketika para peneliti memahami dinamika soft-short pada baterai mereka, mereka akan lebih siap untuk menyempurnakan material mereka untuk menghindari jalur kegagalan ini,” kata Counihan.

Referensi: “Ancaman hantu celana pendek dinamis dalam penelitian baterai solid-state” oleh Michael J. Counihan, Kanchan S. Chavan, Pallab Barai, Devon J. Powers, Yuepeng Zhang, Venkat Srinivasan dan Sanja Tepavcevic, 6 Desember 2023, Joule.
DOI: 10.1016/j.joule.2023.11.007

Tim membuat elektrolit baterai padat di Fasilitas Penelitian Rekayasa Material Argonne dan mengevaluasi material di Pusat Material Nanoscale Argonne, fasilitas pengguna Kantor Sains DOE. Selain Counihan, penulis studi lainnya adalah Kanchan Chavan, Pallab Barai, Devon Powers, Yuepeng Zhang, Venkat Srinivasan dan Sanja Tepavcevic. Studi ini didanai oleh Kantor Teknologi Kendaraan dari Kantor Efisiensi Energi dan Energi Terbarukan DOE.