Kunci untuk mengembangkan baterai pengisian daya cepat - anoda, katoda, dan elektrolit
Daftar Isi
Menambahkan tajuk untuk mulai membuat daftar isi
Pengisian daya cepat berarti mengisi daya baterai dengan kecepatan pengisian yang cepat dalam waktu singkat, dan mengisi daya baterai hingga daya penuh atau mendekati daya penuh. Namun, perlu dipastikan bahwa baterai lithium ion dapat mencapai masa pakai, keamanan, dan performa yang ditentukan selama pengisian cepat. Oleh karena itu, pengembangan pengisian cepat dibatasi oleh bahan dan teknologi, di antaranya pengembangan anoda, katoda, dan elektrolit adalah kunci pengembangan baterai pengisian cepat.
Kecemasan jarak tempuh kendaraan listrik
Dengan meluasnya penggunaan penyimpanan energi elektrokimia pada elektronik portabel dan kendaraan listrik (EV), permintaan dan ketergantungan pada baterai lithium-ion menjadi lebih tinggi dari sebelumnya. Setelah beberapa dekade pengembangan, dibandingkan dengan kendaraan mesin pembakaran internal tradisional, tantangan utama penggunaan kendaraan listrik secara luas adalah "kecemasan jarak tempuh".
Tesla, pemimpin global dalam industri kendaraan listrik, menggunakan stasiun pengisian daya generasi ketiga (250 kW) yang dapat mengisi daya sejauh 250 kilometer dalam waktu 15 menit, tetapi masih belum dapat memenuhi permintaan pengisian daya yang cepat. Untuk menyediakan waktu pengisian bahan bakar yang sebanding dengan kendaraan bermesin pembakaran internal, biasanya diperlukan waktu tempuh 400 kilometer dalam 15 menit. Namun, pengisian daya ultra-cepat membawa tantangan baru untuk bahan baterai yang perlu ditingkatkan lebih lanjut.
Apa itu pengisian cepat
Fungsi pengisian cepat mengacu pada mode pengisian ulang pengisian daya DC berdaya tinggi untuk kendaraan listrik, yang memerlukan tumpukan pengisian daya DC off-board untuk digunakan untuk pengisian daya. Kendaraan listrik yang dilengkapi dengan fungsi pengisian cepat dapat memenuhi permintaan daya tinggi dan pengisian cepat.
Baterai pengisian cepat biasanya dicapai dengan meningkatkan kemampuan laju baterai isi ulang konvensional pada kepadatan arus tinggi dengan terlebih dahulu mengekstraksi ion litium dari bahan katoda selama pengisian daya dan kemudian menyebarkannya ke dalam elektrolit cair melalui antarmuka katoda/elektrolit.
Ion litium yang diekstraksi kemudian dilarutkan oleh molekul pelarut. Ion lithium terlarut bermigrasi melalui pemisah ke sisi anoda dan kemudian dilarutkan pada antarmuka anoda / elektrolit. Akhirnya, ion litium yang terlarut dimasukkan ke bagian dalam bahan anoda. Pada saat yang sama, elektron yang dihasilkan oleh katoda dipindahkan ke pengumpul arus dan kemudian dipindahkan ke anoda melalui sirkuit eksternal.
Faktor-faktor apa saja yang membatasi pengisian daya baterai cepat
Bahan aktif pengisian cepat
Saat ini, bahan baterai yang digunakan untuk kendaraan listrik sebagian besar adalah bahan anoda seperti grafit, lithium atau bahan berbasis silikon, dan untuk katoda, biasanya ada bahan katoda lithium iron phosphate (LiFePO4) atau bahan katoda berlapis terner, dan elektrolit non-air.
Polarisasi elektroda adalah penyebab utama kegagalan baterai dan pengaruhnya terhadap pengisian daya cepat, dan hal ini dipengaruhi oleh laju difusi ion litium dalam bahan aktif, pengangkutan ion litium dalam elektrolit, dan dinamika transfer muatan pada antarmuka elektroda/elektrolit.
Dari segi bahan elektroda, evolusi litium di anoda dan difusi ion litium di katoda merupakan langkah pembatas laju yang utama. Secara umum, ada beberapa strategi tradisional termasuk membawa elektrolit dengan konduktivitas ionik yang tinggi dan solvabilitas yang lemah, dan membangun antarmuka elektrolit padat (SEI) / antarmuka elektrolit katoda (CEI) yang stabil.
Untuk mencapai pengisian daya yang cepat, diperlukan penghalang energi yang rendah agar ion lithium dapat bermigrasi ke dalam bahan aktif dan berdifusi di dalamnya. Impedansi baterai dapat digunakan untuk menentukan penghalang energi.
Ketika ion bahan aktif yang lebih miskin dan daya transpor elektron bereaksi, hal itu dapat menghasilkan potensi berlebih yang tinggi, yang dapat menyebabkan reaksi fisik dan kimiawi sampingan dan menyebabkan kegagalan baterai. Oleh karena itu, bahan aktif pengisian cepat memerlukan tiga karakteristik dasar: koefisien difusi ion litium yang tinggi, kinerja kinetika transfer muatan yang sangat baik, dan transpor ion litium yang dapat dikontrol.
Potensi yang berlebihan
Faktor lain yang mempengaruhi pengisian daya cepat adalah potensi berlebih. Jika potensi berlebih melebihi nilai kritis tertentu, penurunan kinerja dapat terjadi pada katoda dan anoda, yang mengakibatkan masa pakai baterai menjadi lebih pendek. Secara umum, konduktivitas ionik bahan secara signifikan lebih rendah daripada konduktivitas elektronik.
Oleh karena itu, potensi berlebih terutama disebabkan oleh pengangkutan ion. Pada kepadatan arus yang tinggi, jika laju transfer ion litium lebih rendah daripada laju transfer elektron, ion litium akan disimpan pada antarmuka elektroda, yang mengakibatkan hilangnya kapasitas baterai dan bahkan risiko keamanan.
Diagram impedansi AC
Bahan anoda baterai pengisian daya cepat
Faktor pembatas penting baterai pengisian cepat adalah ketidakmampuan ion/elektron untuk berpindah dengan cepat ke bahan anoda. Menurut mekanisme penyimpanan energi, bahan anoda dapat dibagi menjadi jenis interkalasi, jenis konversi, dan jenis paduan. Selain itu, beberapa bahan anoda memiliki lebih dari satu mekanisme penyimpanan muatan, seperti karbon berpori, kalkogenida logam transisi, dan bahan nano.
Selama proses penyimpanan lithium, transfer ion lithium dan difusi massal dalam bahan anoda digerakkan oleh medan listrik lokal dan gradien konsentrasi, yang merupakan faktor kunci yang menentukan kemampuan pengisian daya yang cepat.
Anoda grafit
Grafit adalah lapisan graphene yang ditumpuk dalam ABABA dengan jarak antar lapisan yang sesuai (0,335 nm), yang memungkinkan interkalasi/deinterkalasi ion lithium yang dapat dibalik. Namun, grafit memiliki kinetika interkalasi ion lithium yang lambat dan tegangan litrasi yang rendah (~ 0,1 V), yang secara serius menghalangi aplikasi praktisnya.
Para peneliti telah mengembangkan beberapa strategi untuk meningkatkan kinerja elektrokimia dan kapasitas laju elektroda grafit, seperti memperpendek jalur difusi, memperluas jarak antar lapisan grafit, dan memodifikasi antarmuka. Ion litium harus disematkan dari bagian tepi dan secara bertahap berdifusi ke bagian dalam partikel, menghasilkan jalur difusi yang lebih panjang, laju difusi ion litium yang lebih rendah, dan kapasitas laju yang buruk.
Dengan mengoptimalkan morfologi dan struktur grafit, kemampuan pengisian daya cepatnya dapat ditingkatkan secara efektif. Membentuk pori-pori dalam grafit merupakan metode yang efektif untuk memperpendek jalur difusi ion litium dan meningkatkan performa pengisian daya cepat. Hal ini memungkinkan ion litium tidak hanya masuk dari permukaan tepi grafit, tetapi juga tertanam dari permukaan dasar, memperpendek jalur migrasi dan menunjukkan kapasitas laju yang lebih baik daripada grafit asli.
Strategi modifikasi untuk anoda grafit
Anoda litium titanat
Sebagai bahan anoda, Li4Ti5O12 (LTO) memiliki stabilitas siklus yang baik, kapasitas laju tinggi, keamanan, dan kinerja suhu rendah. Sementara itu, penyusutan kisi dari ikatan Ti-O yang kuat selama transisi dua fase hanya 0,77%, yang menstabilkan strukturnya dan juga disebut material "zero-strain".
Sebaliknya, anoda LTO tidak memiliki kekurangan seperti pembentukan dendrit litium dan antarmuka elektrolit padat yang tidak stabil (SEI) selama pengisian daya, tetapi konduktivitas rendah yang melekat dan kinetika difusi Li+ yang lambat membatasi peningkatan lebih lanjut dari kinerja pengisian daya yang cepat. Selain itu, produksi gas tetap menjadi tantangan untuk aplikasi komersial skala besar.
Strategi modifikasinya adalah: Modifikasi permukaan. Modifikasi permukaan pada LTO adalah metode yang diterima secara luas untuk meningkatkan kapasitas pembesaran. ②Doping elemen adalah strategi penting lainnya untuk meningkatkan konduktivitas elektron/ion intrinsik Li+. Strategi lain, seperti persiapan LTO berukuran nano, dikombinasikan dengan struktur pori atau morfologi kontrol untuk meningkatkan kinerja pengganda. Berbagai morfologi skala nano dari LTO, seperti tabung nano, kawat nano, dan lembaran nano, menunjukkan sifat pembesaran yang sangat baik ketika digunakan sebagai bahan anoda. Selain itu, karena harganya yang mahal, LTO mungkin lebih cocok untuk aplikasi praktis di beberapa bidang khusus.
Strategi modifikasi untuk anoda lithium titanat
Anoda silikon
Silikon merupakan bahan anoda potensial untuk baterai lithium-ion generasi mendatang karena sumber dayanya yang melimpah, kapasitas spesifiknya yang tinggi (4200 mAh/g), dan platform potensi pengosongan yang relatif rendah (0,4V). Dengan industrialisasi bahan anoda berbasis silikon, permintaan pasar meningkat secara bertahap. Selama proses lithiation, ion lithium dimasukkan ke dalam partikel Si dan membentuk serangkaian fase Si-Li, yang pada akhirnya menghasilkan penggabungan 4,4 ion lithium ke dalam setiap atom Si tetapi dengan ekspansi volume sekitar 420%.
Perubahan volume yang besar akan menghasilkan tekanan internal yang besar, yang pada akhirnya akan menyebabkan fraktur dan kominusi partikel Si, yang merupakan tantangan besar dalam desain dan pembuatan anoda silikon. Selain itu, konduktivitas rendah yang melekat pada silikon (1,56×10-3 S/cm) juga membatasi peningkatan kinerja penggandanya.
Modifikasi bahan berbasis silikon meliputi pengurangan ukuran partikel, desain struktur mikro baru, dan pelapisan permukaan. Saat ini, produk yang ada di pasaran terutama berfokus pada bahan anoda berbasis silikon dengan kapasitas spesifik sekitar 450 mAh/g. Tesla menggunakan bahan anoda Si/C pada Model 3, yang mendorong perluasan pasar anoda berbasis silikon secara cepat.
Ada dua rute komersial untuk bahan berbasis silikon: Komposit Si/C dan bahan anoda SiOx. Kapasitas bahan anoda Si/C generasi terbaru dilaporkan mencapai 1500 mAh/g, sedangkan SiOx lebih besar dari 1600 mAh/g. Bahan Si/C berkapasitas tinggi lebih mungkin digunakan terutama untuk baterai silinder di masa depan, karena baterai cangkang aluminium komersial dan persegi masih sangat sensitif terhadap pembengkakan.
Strategi modifikasi untuk anoda silikon
Bahan katoda baterai pengisian cepat
Dari perspektif katoda, tegangan partikel internal yang disebabkan oleh difusi ion lithium pada arus besar umumnya diperkuat, yang akan meningkatkan heterogenitas dan menghasilkan lebih banyak tegangan di seluruh siklus baterai, yang mengarah pada penghancuran struktur material dan penurunan kapasitas.
Untuk meningkatkan kinerja pengisian daya cepat bahan katoda, strategi saat ini biasanya berfokus pada pembangunan jalur konduktivitas tinggi dan jalur difusi ion litium yang pendek. Saat ini, LiFePO4, LiCoO2, dan LiNixMnyCozO2 adalah bahan katoda komersial utama.
LiFePO4
LiFePO4 telah dianggap sebagai salah satu bahan katoda yang paling menjanjikan untuk kendaraan listrik sejak ditemukan pada tahun 1997 karena keunggulannya yang berbiaya rendah, platform tegangan moderat, dan keamanan yang tinggi. Perlu dicatat bahwa volume sel sekitar 6,8% selama pengisian dan pengosongan. Ekspansi kecil tidak hanya menghindari penurunan kapasitas yang disebabkan oleh perubahan volume yang drastis selama siklus, tetapi juga secara efektif mengkompensasi perubahan volume anoda selama proses lithium.
Namun, konduktivitas elektron intrinsik yang rendah juga merupakan kelemahan utama yang membatasi kinerja elektrokimia dan aplikasi komersialnya. Oleh karena itu, berbagai metode telah diusulkan untuk mengatasi kekurangan LiFePO4: ①Modifikasi lapisan adalah salah satu strategi utama untuk meningkatkan kinerja elektrokimia (seperti kapasitas, masa pakai, dan kapasitas laju) ②Doping adalah metode penting lainnya untuk meningkatkan konduktivitas elektron/ionik intrinsik LiFePO4. Mengganti sejumlah kecil Li+, Fe2+ atau O22- dengan ion heterogen diharapkan dapat meningkatkan kapasitas, masa pakai dan kinerja pengganda baterai LiFePO4 sampai batas tertentu. Jarak difusi ion lithium LiFePO4 dapat dikontrol dengan memodifikasi morfologi, terutama dengan mengurangi ukuran partikel dan menyesuaikan pertumbuhan arah permukaan kristal. Karena panjang difusi yang diperpendek, kinerja pembesaran LiFePO4 skala nano meningkat secara signifikan, dan partikel menunjukkan kinerja elektrokimia yang lebih baik daripada partikulat dan partikel besar.
Strategi modifikasi untuk katoda LiFePO4
Katoda LiCoO2
Kapasitas teoritis dari struktur garam batu berlapis LiCoO2 adalah 274 mAh / g, tetapi kedalaman delithium LiCoO2 ke tegangan yang lebih tinggi mudah untuk menginduksi luapan oksigen kisi, yang mengakibatkan kerusakan struktural yang serius dan pelemahan kapasitas dan siklus yang cepat. Kerugian utama LiCoO2 adalah stabilitas termal yang buruk dan kapasitas yang rendah.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar, LiCoO2 mengalami transisi fase bertahap dari H1 ke H2, M1, H3, M2, dan O1, menghasilkan ekspansi dan kontraksi anisotropik yang besar di sepanjang sumbu C dan sumbu A. Akibatnya, LiCoO2 rusak secara struktural karena transisi fase yang tidak dapat diubah yang disebabkan oleh tegangan cut-off yang tinggi, yang mengakibatkan peluruhan kapasitas yang cepat. Untuk meningkatkan kapasitas siklus dan stabilitas LiCoO2, berbagai metode seperti doping elemen dan modifikasi permukaan telah banyak digunakan untuk meningkatkan kinerja elektrokimia LiCoO2.
Strategi modifikasi untuk katoda LiCoO2
Katoda multilayer
Katoda multilayer telah menarik perhatian luas karena kinerjanya yang komprehensif, biaya rendah, dan kepadatan energi yang tinggi, yang dapat mengatasi kelemahan bahan monolayer. Dibandingkan dengan LFP, elektroda positif multilayer lebih cocok untuk sel laju tinggi karena konduktivitasnya yang lebih baik, terutama pada suhu rendah.
Bahan berlapis-lapis biasanya mengandung nikel, kobalt, mangan, atau aluminium dan memiliki struktur heksagonal alfa-Nafeo2 (R3-m) dan struktur O3 yang diulang. Biasanya, Ni REDOX digunakan untuk mencapai kapasitas material yang tinggi, keberadaan Co menghambat pencampuran kationik, sementara Mn atau Al membantu menstabilkan struktur, mendorong komunitas penelitian dan industri untuk meningkatkan proporsi Ni dalam mengejar kepadatan energi yang lebih tinggi.
Sayangnya, peningkatan kandungan Ni menyebabkan sejumlah masalah seperti berkurangnya stabilitas struktural, retakan mikro, peningkatan reaksi samping dan produksi gas, yang mengakibatkan berkurangnya masa pakai dan keamanan baterai. Oleh karena itu, ketidakstabilan struktural dan kimiawi yang terkait dengan peningkatan kandungan Ni perlu diatasi untuk membuat bahan katoda kaya Ni yang sangat stabil untuk meningkatkan stabilitas termal dan meningkatkan kapasitas praktisnya.
Strategi modifikasi untuk katoda multilayer
Elektrolit baterai pengisian daya cepat
Bahan katoda dan anoda berkinerja tinggi dan elektrolit non-air merupakan faktor internal untuk mencapai baterai berkinerja tinggi. Elektrolit, yang dikenal sebagai "darah" baterai, bertindak sebagai jembatan antara katoda dan anoda, melakukan fungsi konduksi ion di dalam baterai. Hal ini tidak hanya dapat menyesuaikan antarmuka elektroda/elektrolit, tetapi juga mempengaruhi kinerja baterai, termasuk kapasitas, resistansi internal, kinerja pengisian dan pengosongan daya, suhu pengoperasian, dan kinerja keselamatan.
Secara umum, koefisien difusi ion litium dalam elektrolit cair lebih tinggi daripada elektroda padat, sehingga desolasi ion litium terlarut pada antarmuka elektroda/elektrolit akan menjadi faktor yang lebih penting dalam menentukan kemampuan pengisian daya baterai yang cepat.
Dalam kebanyakan kasus, meningkatkan konduktivitas ionik elektrolit kondusif untuk mengurangi energi aktivasi solvasi dan desolvasi ion litium, yang kondusif untuk mencapai pengisian daya yang cepat. Ketidakstabilan antarmuka elektroda/elektrolit adalah penyebab utama lain dari penipisan elektrolit, hilangnya ion litium yang dapat didaur ulang, dan transfer muatan yang terbatas antara elektroda dan antarmuka elektrolit selama pengisian cepat.
Strategi modifikasi untuk elektrolit
Teknologi baru yang lebih nyaman daripada pengisian daya cepat - stasiun penukar
Saat ini, ketika teknologi dan bahan pengisian cepat masih harus dikembangkan dan ditingkatkan, teknologi baru yang lebih nyaman daripada pengisian cepat telah muncul, yaitu stasiun swapping. Stasiun swapping adalah stasiun energi yang memenuhi daya tahan dengan mengganti baterai secara langsung alih-alih mengisi daya, dan menyadari pemisahan mobil dan baterai untuk mengisi ulang energi.
Di masa lalu, karena jumlah kendaraan listrik yang sedikit dan lemahnya kemauan perusahaan mobil untuk mempromosikannya, pertukaran baterai ev mode tidak mencapai perkembangan yang hebat. Namun demikian, setelah penelitian dan akumulasi jangka panjang, cadangan teknologi pertukaran listrik telah matang.
Pengisian daya cepat dibatasi oleh faktor-faktor seperti lokasi yang terbatas, pemasaran yang tidak memadai, konstruksi dan pengoperasian fasilitas pendukung yang tidak sempurna, dll. Sebaliknya, mode penukaran baterai disukai oleh pengguna mobil karena dapat mewujudkan pemisahan kendaraan dan baterai.
Dalam biaya pembelian awal kendaraan listrik, baterai listrik menyumbang sekitar 40%, dan keberadaan stasiun penukaran dapat mewujudkan pemisahan kendaraan dan baterai, sangat mengurangi biaya pembelian pemilik mobil.
Saat ini, tiang pengisian daya adalah cara utama pengisian energi untuk kendaraan listrik. Dibutuhkan waktu 30 hingga 40 menit untuk mengisi ulang konsumsi energi secara berlebihan melalui tumpukan pengisian daya, yang tidak dapat memenuhi kebutuhan kendaraan yang beroperasi dengan persyaratan efisiensi tinggi. Dan mode penukaran daya hanya membutuhkan waktu 3 hingga 5 menit atau kurang, yang memiliki efisiensi yang jauh lebih tinggi.
Selain itu, tekanan jaringan listrik yang berlebihan selama puncak pengisian daya adalah salah satu faktor yang membatasi pengisian daya berlebihan skala besar dari stasiun pengisian cepat, dan mode penukaran daya dapat menyesuaikan waktu pengisian daya baterai yang lambat terpusat sesuai dengan permintaan, yang secara efektif dapat mengurangi tekanan jaringan listrik, dan lebih populer di kalangan jaringan listrik regional.
Selain itu, pemantauan, pemeliharaan, dan pengelolaan baterai yang terpusat di stasiun penukaran daya dapat secara efektif memperpanjang masa pakai baterai daya dan meningkatkan keamanan baterai. Perbedaan antara mode pengisian cepat, mode pengisian lambat, dan mode penukaran baterai adalah sebagai berikut.
Data
Pengisian cepat
Pengisian daya lambat
Penukaran baterai
Waktu pengisian ulang energi
0,5-1 jam
6-10 jam
Dalam 5 menit
Lokasi pengisian ulang energi
Tumpukan pengisian daya publik
Tempat tinggal pribadi
Stasiun penukaran umum
Metode pengisian ulang energi
Stasiun individu / pengisian daya
Stasiun individu / pengisian daya
Penggantian baterai
Standardisasi
Tinggi
Tinggi
Rendah untuk sementara
Perawatan baterai
Pengisian daya arus yang kuat, secara signifikan mengurangi masa pakai baterai
Pengisian daya saat ini normal, sedikit berdampak pada masa pakai baterai
Perawatan profesional, ganti baterai bermasalah tepat waktu, masa pakai baterai lebih lama, keamanan lebih tinggi
Dampak jaringan listrik
Pengisian daya yang kuat secara tiba-tiba, menyebabkan fluktuasi pada jaringan listrik,
Meningkatkan beban jaringan
Biasanya mengisi daya selama periode rendah,
secara efektif membantu sistem saat ini dalam pengisian lembah
Perencanaan pasokan sumber daya daya yang wajar, pengisian daya terpadu selama jam sibuk rendah di malam hari, dapat menyeimbangkan beban jaringan listrik, mengurangi biaya
Luas lantai
Tumpukan pengisian daya publik: 0,6-0,8㎡ per kendaraan,
Tumpukan pengisian daya pribadi: 10-12㎡ per kendaraan
0,2-0,4 ㎡ per kendaraan
Ringkasan
Pengembangan bahan pengisian cepat adalah kunci untuk mewujudkan pengisian cepat baterai lithium ion. Artikel ini mengulas status terkini dari bahan elektroda dan elektrolit yang digunakan untuk pengisian cepat, merangkum status terkini dari bahan anoda dan katoda untuk pengisian cepat baterai lithium ion, dan strategi untuk mempromosikan kinetika difusi ion litium atau stabilitas struktural material, seperti desain struktural, modulasi morfologi, modifikasi permukaan/antarmuka, dan sebagainya.
Selain desain bahan elektroda dan elektrolit, rekayasa baterai juga penting untuk meningkatkan kemampuan pengisian daya yang cepat, masa pakai, dan keamanan. Kemampuan pengisian daya cepat juga dapat dioptimalkan dengan menyesuaikan parameter seperti komposisi elektroda, ketebalan dan porositas, serta rasio kapasitas elektroda positif dan negatif (rasio N/P). Struktur elektroda merupakan faktor penting yang memengaruhi kinerja baterai tingkat tinggi. Hal ini secara langsung atau tidak langsung memengaruhi resistensi elektroda dan kedalaman pengisian dan pengosongan.
Meskipun bahan elektroda pengisian daya cepat telah dikembangkan dengan baik di dunia akademis dan industri, namun masih banyak tantangan yang perlu diatasi lebih lanjut. Dengan penelitian dan pengembangan lebih lanjut dari bahan tersebut, dan dengan munculnya stasiun pertukaran, diyakini bahwa baterai isi ulang akan membuat beberapa terobosan baru dalam teknologi pengisian daya cepat yang canggih untuk mengatasi "kecemasan jarak tempuh" kendaraan listrik dengan lebih baik.
Referensi
Jianhui He, Jingke Meng, Yunhui Huang*, Tantangan dan kemajuan terkini dalam material baterai lithium-ion pengisian cepat, Journal of Power Sources, 2023. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.232965
Kunci untuk mengembangkan baterai pengisian daya cepat - anoda, katoda, dan elektrolit
Pengisian daya cepat berarti mengisi daya baterai dengan kecepatan pengisian yang cepat dalam waktu singkat, dan mengisi daya baterai hingga daya penuh atau mendekati daya penuh. Namun, perlu dipastikan bahwa baterai lithium ion dapat mencapai masa pakai, keamanan, dan performa yang ditentukan selama pengisian cepat. Oleh karena itu, pengembangan pengisian cepat dibatasi oleh bahan dan teknologi, di antaranya pengembangan anoda, katoda, dan elektrolit adalah kunci pengembangan baterai pengisian cepat.
Kecemasan jarak tempuh kendaraan listrik
Dengan meluasnya penggunaan penyimpanan energi elektrokimia pada elektronik portabel dan kendaraan listrik (EV), permintaan dan ketergantungan pada baterai lithium-ion menjadi lebih tinggi dari sebelumnya. Setelah beberapa dekade pengembangan, dibandingkan dengan kendaraan mesin pembakaran internal tradisional, tantangan utama penggunaan kendaraan listrik secara luas adalah "kecemasan jarak tempuh".
Tesla, pemimpin global dalam industri kendaraan listrik, menggunakan stasiun pengisian daya generasi ketiga (250 kW) yang dapat mengisi daya sejauh 250 kilometer dalam waktu 15 menit, tetapi masih belum dapat memenuhi permintaan pengisian daya yang cepat. Untuk menyediakan waktu pengisian bahan bakar yang sebanding dengan kendaraan bermesin pembakaran internal, biasanya diperlukan waktu tempuh 400 kilometer dalam 15 menit. Namun, pengisian daya ultra-cepat membawa tantangan baru untuk bahan baterai yang perlu ditingkatkan lebih lanjut.
Apa itu pengisian cepat
Fungsi pengisian cepat mengacu pada mode pengisian ulang pengisian daya DC berdaya tinggi untuk kendaraan listrik, yang memerlukan tumpukan pengisian daya DC off-board untuk digunakan untuk pengisian daya. Kendaraan listrik yang dilengkapi dengan fungsi pengisian cepat dapat memenuhi permintaan daya tinggi dan pengisian cepat.
Baterai pengisian cepat biasanya dicapai dengan meningkatkan kemampuan laju baterai isi ulang konvensional pada kepadatan arus tinggi dengan terlebih dahulu mengekstraksi ion litium dari bahan katoda selama pengisian daya dan kemudian menyebarkannya ke dalam elektrolit cair melalui antarmuka katoda/elektrolit.
Ion litium yang diekstraksi kemudian dilarutkan oleh molekul pelarut. Ion lithium terlarut bermigrasi melalui pemisah ke sisi anoda dan kemudian dilarutkan pada antarmuka anoda / elektrolit. Akhirnya, ion litium yang terlarut dimasukkan ke bagian dalam bahan anoda. Pada saat yang sama, elektron yang dihasilkan oleh katoda dipindahkan ke pengumpul arus dan kemudian dipindahkan ke anoda melalui sirkuit eksternal.
Faktor-faktor apa saja yang membatasi pengisian daya baterai cepat
Bahan aktif pengisian cepat
Saat ini, bahan baterai yang digunakan untuk kendaraan listrik sebagian besar adalah bahan anoda seperti grafit, lithium atau bahan berbasis silikon, dan untuk katoda, biasanya ada bahan katoda lithium iron phosphate (LiFePO4) atau bahan katoda berlapis terner, dan elektrolit non-air.
Polarisasi elektroda adalah penyebab utama kegagalan baterai dan pengaruhnya terhadap pengisian daya cepat, dan hal ini dipengaruhi oleh laju difusi ion litium dalam bahan aktif, pengangkutan ion litium dalam elektrolit, dan dinamika transfer muatan pada antarmuka elektroda/elektrolit.
Dari segi bahan elektroda, evolusi litium di anoda dan difusi ion litium di katoda merupakan langkah pembatas laju yang utama. Secara umum, ada beberapa strategi tradisional termasuk membawa elektrolit dengan konduktivitas ionik yang tinggi dan solvabilitas yang lemah, dan membangun antarmuka elektrolit padat (SEI) / antarmuka elektrolit katoda (CEI) yang stabil.
Untuk mencapai pengisian daya yang cepat, diperlukan penghalang energi yang rendah agar ion lithium dapat bermigrasi ke dalam bahan aktif dan berdifusi di dalamnya. Impedansi baterai dapat digunakan untuk menentukan penghalang energi.
Ketika ion bahan aktif yang lebih miskin dan daya transpor elektron bereaksi, hal itu dapat menghasilkan potensi berlebih yang tinggi, yang dapat menyebabkan reaksi fisik dan kimiawi sampingan dan menyebabkan kegagalan baterai. Oleh karena itu, bahan aktif pengisian cepat memerlukan tiga karakteristik dasar: koefisien difusi ion litium yang tinggi, kinerja kinetika transfer muatan yang sangat baik, dan transpor ion litium yang dapat dikontrol.
Potensi yang berlebihan
Faktor lain yang mempengaruhi pengisian daya cepat adalah potensi berlebih. Jika potensi berlebih melebihi nilai kritis tertentu, penurunan kinerja dapat terjadi pada katoda dan anoda, yang mengakibatkan masa pakai baterai menjadi lebih pendek. Secara umum, konduktivitas ionik bahan secara signifikan lebih rendah daripada konduktivitas elektronik.
Oleh karena itu, potensi berlebih terutama disebabkan oleh pengangkutan ion. Pada kepadatan arus yang tinggi, jika laju transfer ion litium lebih rendah daripada laju transfer elektron, ion litium akan disimpan pada antarmuka elektroda, yang mengakibatkan hilangnya kapasitas baterai dan bahkan risiko keamanan.
Bahan anoda baterai pengisian daya cepat
Faktor pembatas penting baterai pengisian cepat adalah ketidakmampuan ion/elektron untuk berpindah dengan cepat ke bahan anoda. Menurut mekanisme penyimpanan energi, bahan anoda dapat dibagi menjadi jenis interkalasi, jenis konversi, dan jenis paduan. Selain itu, beberapa bahan anoda memiliki lebih dari satu mekanisme penyimpanan muatan, seperti karbon berpori, kalkogenida logam transisi, dan bahan nano.
Selama proses penyimpanan lithium, transfer ion lithium dan difusi massal dalam bahan anoda digerakkan oleh medan listrik lokal dan gradien konsentrasi, yang merupakan faktor kunci yang menentukan kemampuan pengisian daya yang cepat.
Anoda grafit
Grafit adalah lapisan graphene yang ditumpuk dalam ABABA dengan jarak antar lapisan yang sesuai (0,335 nm), yang memungkinkan interkalasi/deinterkalasi ion lithium yang dapat dibalik. Namun, grafit memiliki kinetika interkalasi ion lithium yang lambat dan tegangan litrasi yang rendah (~ 0,1 V), yang secara serius menghalangi aplikasi praktisnya.
Para peneliti telah mengembangkan beberapa strategi untuk meningkatkan kinerja elektrokimia dan kapasitas laju elektroda grafit, seperti memperpendek jalur difusi, memperluas jarak antar lapisan grafit, dan memodifikasi antarmuka. Ion litium harus disematkan dari bagian tepi dan secara bertahap berdifusi ke bagian dalam partikel, menghasilkan jalur difusi yang lebih panjang, laju difusi ion litium yang lebih rendah, dan kapasitas laju yang buruk.
Dengan mengoptimalkan morfologi dan struktur grafit, kemampuan pengisian daya cepatnya dapat ditingkatkan secara efektif. Membentuk pori-pori dalam grafit merupakan metode yang efektif untuk memperpendek jalur difusi ion litium dan meningkatkan performa pengisian daya cepat. Hal ini memungkinkan ion litium tidak hanya masuk dari permukaan tepi grafit, tetapi juga tertanam dari permukaan dasar, memperpendek jalur migrasi dan menunjukkan kapasitas laju yang lebih baik daripada grafit asli.
Anoda litium titanat
Sebagai bahan anoda, Li4Ti5O12 (LTO) memiliki stabilitas siklus yang baik, kapasitas laju tinggi, keamanan, dan kinerja suhu rendah. Sementara itu, penyusutan kisi dari ikatan Ti-O yang kuat selama transisi dua fase hanya 0,77%, yang menstabilkan strukturnya dan juga disebut material "zero-strain".
Sebaliknya, anoda LTO tidak memiliki kekurangan seperti pembentukan dendrit litium dan antarmuka elektrolit padat yang tidak stabil (SEI) selama pengisian daya, tetapi konduktivitas rendah yang melekat dan kinetika difusi Li+ yang lambat membatasi peningkatan lebih lanjut dari kinerja pengisian daya yang cepat. Selain itu, produksi gas tetap menjadi tantangan untuk aplikasi komersial skala besar.
Strategi modifikasinya adalah:
Modifikasi permukaan. Modifikasi permukaan pada LTO adalah metode yang diterima secara luas untuk meningkatkan kapasitas pembesaran.
②Doping elemen adalah strategi penting lainnya untuk meningkatkan konduktivitas elektron/ion intrinsik Li+.
Strategi lain, seperti persiapan LTO berukuran nano, dikombinasikan dengan struktur pori atau morfologi kontrol untuk meningkatkan kinerja pengganda. Berbagai morfologi skala nano dari LTO, seperti tabung nano, kawat nano, dan lembaran nano, menunjukkan sifat pembesaran yang sangat baik ketika digunakan sebagai bahan anoda. Selain itu, karena harganya yang mahal, LTO mungkin lebih cocok untuk aplikasi praktis di beberapa bidang khusus.
Anoda silikon
Silikon merupakan bahan anoda potensial untuk baterai lithium-ion generasi mendatang karena sumber dayanya yang melimpah, kapasitas spesifiknya yang tinggi (4200 mAh/g), dan platform potensi pengosongan yang relatif rendah (0,4V). Dengan industrialisasi bahan anoda berbasis silikon, permintaan pasar meningkat secara bertahap. Selama proses lithiation, ion lithium dimasukkan ke dalam partikel Si dan membentuk serangkaian fase Si-Li, yang pada akhirnya menghasilkan penggabungan 4,4 ion lithium ke dalam setiap atom Si tetapi dengan ekspansi volume sekitar 420%.
Perubahan volume yang besar akan menghasilkan tekanan internal yang besar, yang pada akhirnya akan menyebabkan fraktur dan kominusi partikel Si, yang merupakan tantangan besar dalam desain dan pembuatan anoda silikon. Selain itu, konduktivitas rendah yang melekat pada silikon (1,56×10-3 S/cm) juga membatasi peningkatan kinerja penggandanya.
Modifikasi bahan berbasis silikon meliputi pengurangan ukuran partikel, desain struktur mikro baru, dan pelapisan permukaan. Saat ini, produk yang ada di pasaran terutama berfokus pada bahan anoda berbasis silikon dengan kapasitas spesifik sekitar 450 mAh/g. Tesla menggunakan bahan anoda Si/C pada Model 3, yang mendorong perluasan pasar anoda berbasis silikon secara cepat.
Ada dua rute komersial untuk bahan berbasis silikon: Komposit Si/C dan bahan anoda SiOx. Kapasitas bahan anoda Si/C generasi terbaru dilaporkan mencapai 1500 mAh/g, sedangkan SiOx lebih besar dari 1600 mAh/g. Bahan Si/C berkapasitas tinggi lebih mungkin digunakan terutama untuk baterai silinder di masa depan, karena baterai cangkang aluminium komersial dan persegi masih sangat sensitif terhadap pembengkakan.
Bahan katoda baterai pengisian cepat
Dari perspektif katoda, tegangan partikel internal yang disebabkan oleh difusi ion lithium pada arus besar umumnya diperkuat, yang akan meningkatkan heterogenitas dan menghasilkan lebih banyak tegangan di seluruh siklus baterai, yang mengarah pada penghancuran struktur material dan penurunan kapasitas.
Untuk meningkatkan kinerja pengisian daya cepat bahan katoda, strategi saat ini biasanya berfokus pada pembangunan jalur konduktivitas tinggi dan jalur difusi ion litium yang pendek. Saat ini, LiFePO4, LiCoO2, dan LiNixMnyCozO2 adalah bahan katoda komersial utama.
LiFePO4
LiFePO4 telah dianggap sebagai salah satu bahan katoda yang paling menjanjikan untuk kendaraan listrik sejak ditemukan pada tahun 1997 karena keunggulannya yang berbiaya rendah, platform tegangan moderat, dan keamanan yang tinggi. Perlu dicatat bahwa volume sel sekitar 6,8% selama pengisian dan pengosongan. Ekspansi kecil tidak hanya menghindari penurunan kapasitas yang disebabkan oleh perubahan volume yang drastis selama siklus, tetapi juga secara efektif mengkompensasi perubahan volume anoda selama proses lithium.
Namun, konduktivitas elektron intrinsik yang rendah juga merupakan kelemahan utama yang membatasi kinerja elektrokimia dan aplikasi komersialnya. Oleh karena itu, berbagai metode telah diusulkan untuk mengatasi kekurangan LiFePO4:
①Modifikasi lapisan adalah salah satu strategi utama untuk meningkatkan kinerja elektrokimia (seperti kapasitas, masa pakai, dan kapasitas laju)
②Doping adalah metode penting lainnya untuk meningkatkan konduktivitas elektron/ionik intrinsik LiFePO4. Mengganti sejumlah kecil Li+, Fe2+ atau O22- dengan ion heterogen diharapkan dapat meningkatkan kapasitas, masa pakai dan kinerja pengganda baterai LiFePO4 sampai batas tertentu.
Jarak difusi ion lithium LiFePO4 dapat dikontrol dengan memodifikasi morfologi, terutama dengan mengurangi ukuran partikel dan menyesuaikan pertumbuhan arah permukaan kristal. Karena panjang difusi yang diperpendek, kinerja pembesaran LiFePO4 skala nano meningkat secara signifikan, dan partikel menunjukkan kinerja elektrokimia yang lebih baik daripada partikulat dan partikel besar.
Katoda LiCoO2
Kapasitas teoritis dari struktur garam batu berlapis LiCoO2 adalah 274 mAh / g, tetapi kedalaman delithium LiCoO2 ke tegangan yang lebih tinggi mudah untuk menginduksi luapan oksigen kisi, yang mengakibatkan kerusakan struktural yang serius dan pelemahan kapasitas dan siklus yang cepat. Kerugian utama LiCoO2 adalah stabilitas termal yang buruk dan kapasitas yang rendah.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar, LiCoO2 mengalami transisi fase bertahap dari H1 ke H2, M1, H3, M2, dan O1, menghasilkan ekspansi dan kontraksi anisotropik yang besar di sepanjang sumbu C dan sumbu A. Akibatnya, LiCoO2 rusak secara struktural karena transisi fase yang tidak dapat diubah yang disebabkan oleh tegangan cut-off yang tinggi, yang mengakibatkan peluruhan kapasitas yang cepat. Untuk meningkatkan kapasitas siklus dan stabilitas LiCoO2, berbagai metode seperti doping elemen dan modifikasi permukaan telah banyak digunakan untuk meningkatkan kinerja elektrokimia LiCoO2.
Katoda multilayer
Katoda multilayer telah menarik perhatian luas karena kinerjanya yang komprehensif, biaya rendah, dan kepadatan energi yang tinggi, yang dapat mengatasi kelemahan bahan monolayer. Dibandingkan dengan LFP, elektroda positif multilayer lebih cocok untuk sel laju tinggi karena konduktivitasnya yang lebih baik, terutama pada suhu rendah.
Bahan berlapis-lapis biasanya mengandung nikel, kobalt, mangan, atau aluminium dan memiliki struktur heksagonal alfa-Nafeo2 (R3-m) dan struktur O3 yang diulang. Biasanya, Ni REDOX digunakan untuk mencapai kapasitas material yang tinggi, keberadaan Co menghambat pencampuran kationik, sementara Mn atau Al membantu menstabilkan struktur, mendorong komunitas penelitian dan industri untuk meningkatkan proporsi Ni dalam mengejar kepadatan energi yang lebih tinggi.
Sayangnya, peningkatan kandungan Ni menyebabkan sejumlah masalah seperti berkurangnya stabilitas struktural, retakan mikro, peningkatan reaksi samping dan produksi gas, yang mengakibatkan berkurangnya masa pakai dan keamanan baterai. Oleh karena itu, ketidakstabilan struktural dan kimiawi yang terkait dengan peningkatan kandungan Ni perlu diatasi untuk membuat bahan katoda kaya Ni yang sangat stabil untuk meningkatkan stabilitas termal dan meningkatkan kapasitas praktisnya.
Elektrolit baterai pengisian daya cepat
Bahan katoda dan anoda berkinerja tinggi dan elektrolit non-air merupakan faktor internal untuk mencapai baterai berkinerja tinggi. Elektrolit, yang dikenal sebagai "darah" baterai, bertindak sebagai jembatan antara katoda dan anoda, melakukan fungsi konduksi ion di dalam baterai. Hal ini tidak hanya dapat menyesuaikan antarmuka elektroda/elektrolit, tetapi juga mempengaruhi kinerja baterai, termasuk kapasitas, resistansi internal, kinerja pengisian dan pengosongan daya, suhu pengoperasian, dan kinerja keselamatan.
Secara umum, koefisien difusi ion litium dalam elektrolit cair lebih tinggi daripada elektroda padat, sehingga desolasi ion litium terlarut pada antarmuka elektroda/elektrolit akan menjadi faktor yang lebih penting dalam menentukan kemampuan pengisian daya baterai yang cepat.
Dalam kebanyakan kasus, meningkatkan konduktivitas ionik elektrolit kondusif untuk mengurangi energi aktivasi solvasi dan desolvasi ion litium, yang kondusif untuk mencapai pengisian daya yang cepat. Ketidakstabilan antarmuka elektroda/elektrolit adalah penyebab utama lain dari penipisan elektrolit, hilangnya ion litium yang dapat didaur ulang, dan transfer muatan yang terbatas antara elektroda dan antarmuka elektrolit selama pengisian cepat.
Teknologi baru yang lebih nyaman daripada pengisian daya cepat - stasiun penukar
Saat ini, ketika teknologi dan bahan pengisian cepat masih harus dikembangkan dan ditingkatkan, teknologi baru yang lebih nyaman daripada pengisian cepat telah muncul, yaitu stasiun swapping. Stasiun swapping adalah stasiun energi yang memenuhi daya tahan dengan mengganti baterai secara langsung alih-alih mengisi daya, dan menyadari pemisahan mobil dan baterai untuk mengisi ulang energi.
Di masa lalu, karena jumlah kendaraan listrik yang sedikit dan lemahnya kemauan perusahaan mobil untuk mempromosikannya, pertukaran baterai ev mode tidak mencapai perkembangan yang hebat. Namun demikian, setelah penelitian dan akumulasi jangka panjang, cadangan teknologi pertukaran listrik telah matang.
Pengisian daya cepat dibatasi oleh faktor-faktor seperti lokasi yang terbatas, pemasaran yang tidak memadai, konstruksi dan pengoperasian fasilitas pendukung yang tidak sempurna, dll. Sebaliknya, mode penukaran baterai disukai oleh pengguna mobil karena dapat mewujudkan pemisahan kendaraan dan baterai.
Dalam biaya pembelian awal kendaraan listrik, baterai listrik menyumbang sekitar 40%, dan keberadaan stasiun penukaran dapat mewujudkan pemisahan kendaraan dan baterai, sangat mengurangi biaya pembelian pemilik mobil.
Saat ini, tiang pengisian daya adalah cara utama pengisian energi untuk kendaraan listrik. Dibutuhkan waktu 30 hingga 40 menit untuk mengisi ulang konsumsi energi secara berlebihan melalui tumpukan pengisian daya, yang tidak dapat memenuhi kebutuhan kendaraan yang beroperasi dengan persyaratan efisiensi tinggi. Dan mode penukaran daya hanya membutuhkan waktu 3 hingga 5 menit atau kurang, yang memiliki efisiensi yang jauh lebih tinggi.
Selain itu, tekanan jaringan listrik yang berlebihan selama puncak pengisian daya adalah salah satu faktor yang membatasi pengisian daya berlebihan skala besar dari stasiun pengisian cepat, dan mode penukaran daya dapat menyesuaikan waktu pengisian daya baterai yang lambat terpusat sesuai dengan permintaan, yang secara efektif dapat mengurangi tekanan jaringan listrik, dan lebih populer di kalangan jaringan listrik regional.
Selain itu, pemantauan, pemeliharaan, dan pengelolaan baterai yang terpusat di stasiun penukaran daya dapat secara efektif memperpanjang masa pakai baterai daya dan meningkatkan keamanan baterai. Perbedaan antara mode pengisian cepat, mode pengisian lambat, dan mode penukaran baterai adalah sebagai berikut.
Data
Penukaran baterai
Waktu pengisian ulang energi
Dalam 5 menit
Lokasi pengisian ulang energi
Stasiun penukaran umum
Metode pengisian ulang energi
Penggantian baterai
Standardisasi
Rendah untuk sementara
Perawatan baterai
Perawatan profesional, ganti baterai bermasalah tepat waktu, masa pakai baterai lebih lama, keamanan lebih tinggi
Dampak jaringan listrik
Pengisian daya yang kuat secara tiba-tiba, menyebabkan fluktuasi pada jaringan listrik,
Meningkatkan beban jaringan
Biasanya mengisi daya selama periode rendah,
secara efektif membantu sistem saat ini dalam pengisian lembah
Perencanaan pasokan sumber daya daya yang wajar, pengisian daya terpadu selama jam sibuk rendah di malam hari, dapat menyeimbangkan beban jaringan listrik, mengurangi biaya
Luas lantai
Tumpukan pengisian daya publik: 0,6-0,8㎡ per kendaraan,
Tumpukan pengisian daya pribadi: 10-12㎡ per kendaraan
0,2-0,4 ㎡ per kendaraan
Ringkasan
Pengembangan bahan pengisian cepat adalah kunci untuk mewujudkan pengisian cepat baterai lithium ion. Artikel ini mengulas status terkini dari bahan elektroda dan elektrolit yang digunakan untuk pengisian cepat, merangkum status terkini dari bahan anoda dan katoda untuk pengisian cepat baterai lithium ion, dan strategi untuk mempromosikan kinetika difusi ion litium atau stabilitas struktural material, seperti desain struktural, modulasi morfologi, modifikasi permukaan/antarmuka, dan sebagainya.
Selain desain bahan elektroda dan elektrolit, rekayasa baterai juga penting untuk meningkatkan kemampuan pengisian daya yang cepat, masa pakai, dan keamanan. Kemampuan pengisian daya cepat juga dapat dioptimalkan dengan menyesuaikan parameter seperti komposisi elektroda, ketebalan dan porositas, serta rasio kapasitas elektroda positif dan negatif (rasio N/P). Struktur elektroda merupakan faktor penting yang memengaruhi kinerja baterai tingkat tinggi. Hal ini secara langsung atau tidak langsung memengaruhi resistensi elektroda dan kedalaman pengisian dan pengosongan.
Meskipun bahan elektroda pengisian daya cepat telah dikembangkan dengan baik di dunia akademis dan industri, namun masih banyak tantangan yang perlu diatasi lebih lanjut. Dengan penelitian dan pengembangan lebih lanjut dari bahan tersebut, dan dengan munculnya stasiun pertukaran, diyakini bahwa baterai isi ulang akan membuat beberapa terobosan baru dalam teknologi pengisian daya cepat yang canggih untuk mengatasi "kecemasan jarak tempuh" kendaraan listrik dengan lebih baik.
Referensi
Jianhui He, Jingke Meng, Yunhui Huang*, Tantangan dan kemajuan terkini dalam material baterai lithium-ion pengisian cepat, Journal of Power Sources, 2023.
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.232965