Lithium Battery Self-Discharge: Penyebab, Metode Pengujian dan Pencegahan

Baterai lithium-ion banyak digunakan pada kendaraan listrik, sistem penyimpanan energi, perkakas listrik, laptop, dan perangkat elektronik portabel. Dalam sebagian besar aplikasi, sel individu dihubungkan secara seri atau paralel untuk membentuk modul dan paket baterai.

Namun, untuk paket baterai, kinerja paket akhir tidak hanya ditentukan oleh sel berkinerja terbaik.Konsistensi sel adalah salah satu faktor kunci yang memengaruhi kapasitas, masa pakai, dan keamanan paket baterai.Salah satu faktor penting yang dapat mengurangi konsistensi sel adalah pengosongan mandiri.

Ketika sel lithium-ion yang terisi penuh disimpan tanpa beban eksternal, tegangan dan tingkat pengisian dayanya (SOC) dapat berkurang secara bertahap. Fenomena ini dikenal sebagai pengosongan mandiri. Jika sel dalam paket baterai yang sama memiliki tingkat pengosongan mandiri yang sangat berbeda, SOC mereka dapat menjadi semakin tidak seimbang selama penyimpanan, yang dapat memengaruhi kapasitas paket, masa pakai siklus, dan keamanan.Artikel ini menjelaskan penyebab utama pengosongan mandiri baterai lithium, metode pengujian pengosongan mandiri yang umum, dan pendekatan praktis untuk mengontrol pengosongan mandiri selama pembuatan baterai lithium.Cacat lokal antara elektroda dan separator

Pengosongan mandiri baterai lithium mengacu pada hilangnya energi yang tersimpan secara bertahap ketika baterai tidak terhubung ke beban eksternal.

Idealnya, baterai harus mempertahankan tegangan rangkaian terbuka (OCV) yang relatif stabil selama penyimpanan. Kenyataannya, reaksi kimia internal dan arus bocor kecil dapat secara bertahap mengonsumsi lithium aktif dan mengurangi energi yang tersimpan dalam baterai.

Kimia baterai dan bahan elektroda

Tingkat pengisian daya (SOC)

Suhu penyimpanan

• Reaksi samping elektrolit dan elektroda
• Kelembaban dan kotoran
• Kondisi separator
• Cacat manufaktur
• Sirkuit pendek mikro internal
• Bagi produsen baterai, masalah terpenting seringkali bukan hanya apakah sel mengalami pengosongan mandiri, tetapi apakah sel yang berbeda memiliki tingkat pengosongan mandiri yang sangat berbeda.
• Inilah sebabnya mengapa pengujian pengosongan mandiri sangat terkait dengan pemeringkatan sel baterai lithium dan konsistensi paket baterai.
• Apa Penyebab Pengosongan Mandiri Baterai Lithium?

Pengosongan mandiri baterai lithium-ion umumnya dapat dikaitkan dengan dua mekanisme utama: kebocoran internal atau sirkuit pendek mikro dan reaksi samping elektrokimia.1. Kebocoran Internal dan Sirkuit Pendek MikroCacat lokal antara elektroda dan separator

Penyebab potensial meliputi:

Gerinda elektroda yang dihasilkan selama pemotonganDebu atau serpihan elektrodaPartikel asing yang masuk selama perakitan selKerusakan separatorCacat lokal antara elektroda dan separator

Sel yang terkena sirkuit pendek mikro internal dapat menunjukkan penurunan tegangan yang jauh lebih tinggi selama penyimpanan dibandingkan sel normal.

2. Reaksi Samping Elektrokimia

• Mekanisme utama kedua terkait dengan reaksi kimia yang terjadi di dalam sel.
• Contohnya meliputi:
• Oksidasi atau reduksi elektrolit
• Pembentukan dan perbaikan lapisan SEI yang berkelanjutan
• Reaksi yang melibatkan kelembaban dan komponen elektrolit
• Reaksi antarmuka katoda/elektrolit

Degradasi bahan elektroda

Kelembaban sangat penting dalam pembuatan baterai lithium-ion. Kelebihan air dapat bereaksi dengan komponen elektrolit dan berkontribusi pada pembentukan spesies asam, yang dapat mempercepat degradasi antarmuka dan mengonsumsi lithium aktif.

Mengapa Pengosongan Mandiri Penting untuk Paket Baterai?

Pengosongan mandiri menjadi sangat penting ketika banyak sel dihubungkan bersama.

• Bayangkan beberapa sel memiliki kapasitas awal yang sama tetapi tingkat pengosongan mandiri yang sedikit berbeda. Setelah periode penyimpanan, tingkat SOC mereka mungkin tidak lagi sama.
• Ini dapat menyebabkan:
• 1. Ketidakseimbangan SOC
• Sel yang berbeda dapat mencapai tingkat tegangan dan SOC yang berbeda setelah penyimpanan.
• Dalam paket baterai yang terhubung secara seri, sel terlemah atau yang paling habis dapat menjadi sel pembatas selama pengisian dan pengosongan.

2. Pengurangan Kapasitas yang Dapat Digunakan

Kapasitas yang dapat digunakan dari paket baterai sangat dipengaruhi oleh konsistensi sel yang digunakan untuk merakitnya.

3. Peningkatan Persyaratan Pengujian Paket Baterai

Produsen baterai mungkin perlu menggabungkan beberapa proses pengujian, termasuk:

Pembentukan sel → Pemeringkatan Kapasitas → Pengujian Pengosongan Mandiri/Penyimpanan → Pemilahan OCV/IR → Pengelasan Titik Paket Baterai → Perakitan Paket → Pengujian Paket → Penuaan

4. Masalah Penyimpanan Jangka Panjang

Pengosongan mandiri dapat menjadi sangat terlihat ketika baterai disimpan selama berminggu-minggu atau berbulan-bulan.

Bagaimana Pengosongan Mandiri Baterai Lithium Diuji?

Salah satu pendekatan umum adalah membandingkan parameter listrik baterai sebelum dan sesudah periode penyimpanan yang terkontrol.

Pengisian → Istirahat → Pengukuran OCV → Penyimpanan → Pengukuran OCV Lagi → Perhitungan Perubahan Tegangan → Klasifikasi Sel

1. Kontrol SOC Awal

Titik SOC yang berbeda dapat menghasilkan respons tegangan yang berbeda, sehingga produsen harus memilih SOC yang sesuai sesuai dengan kimia baterai dan tujuan pengujian.

Yang lebih penting, semua sel yang dibandingkan harus diuji dalam kondisi yang sama.

Segera setelah pengisian daya, tegangan yang diukur dapat dipengaruhi oleh polarisasi.

Oleh karena itu, sel biasanya harus dibiarkan beristirahat untuk periode yang ditentukan sebelum pengukuran OCV awal.

3. Pertahankan Suhu yang Stabil

Karena alasan ini, pengujian pengosongan mandiri harus dilakukan dalam kondisi lingkungan yang terkontrol.

Parameter penting meliputi:

Suhu ambien

SOC

Tegangan awal

Tegangan akhir

Akurasi peralatan pengukuran

4. Ukur Tegangan Sebelum dan Sesudah Penyimpanan

Setelah periode penyimpanan yang ditentukan, tegangan sel diukur lagi.

• Perbandingan sederhana dapat dinyatakan sebagai:
• Penurunan Tegangan = OCV Awal − OCV Akhir
• Untuk analisis yang lebih rinci, produsen dapat menghitung perubahan tegangan selama periode penyimpanan yang ditentukan:
• Indikator Pengosongan Mandiri = Penurunan Tegangan / Waktu Penyimpanan
• Nilai ini harus diinterpretasikan bersama dengan kimia baterai, SOC, suhu, dan kondisi pengujian daripada digunakan sebagai batas lulus/gagal universal.
• Mengontrol kontaminasi logam
• Pengujian pengosongan mandiri dan pemeringkatan sel terkait tetapi bukan proses yang sama persis.

Kapasitas

Kinerja pengisian daya

Tegangan

Tujuannya adalah untuk mengklasifikasikan sel dengan karakteristik listrik yang serupa ke dalam tingkatan yang sama.

Misalnya, peralatan pemeringkatan sel lithium ACEY mendukung kontrol saluran independen, pengujian pengisian/pengosongan daya, perekaman data, dan klasifikasi sel. Beberapa model juga mendukung umpan balik energi untuk mengurangi konsumsi energi selama pengujian pengosongan daya.

Untuk produsen yang merakit paket baterai silinder, mesin pemeringkatan sel lithium 256-saluran 5V 20A dapat digunakan untuk pengujian pengisian/pengosongan daya dan klasifikasi kapasitas sel dalam kisaran diameter sekitar 18–32 mm dan panjang 65–140 mm.Untuk baterai lithium prismatik, ACEY juga menyediakan penguji pengisian daya baterai 128-saluran 5V 30A yang dirancang untuk pemeringkatan kapasitas dan pengujian pengisian/pengosongan daya sel prismatik.

• Mengoptimalkan pembentukan dan penuaan
• Oleh karena itu, sistem ini dapat digunakan sebagai bagian penting dari proses kontrol kualitas sel baterai yang lebih luas.
• Bagaimana Produsen Dapat Mengurangi Pengosongan Mandiri Baterai Lithium?
• Pendekatan yang paling efektif adalah mengontrol pengosongan mandiri pada tahap manufaktur daripada hanya mengandalkan inspeksi akhir.
• 1. Kontrol Kontaminasi Logam

Kontaminasi logam harus dikontrol di seluruh persiapan bahan baku dan pembuatan elektroda.

Tindakan kontrol potensial meliputi:Inspeksi bahan bakuDeteksi kontaminasi logam magnetik

Filtrasi slurry

Inspeksi permukaan elektroda

Pembersihan peralatanKontrol partikel asingPerhatian khusus harus diberikan pada partikel logam yang dapat menciptakan jalur konduktif di dalam sel.

2. Kurangi Gerinda dan Debu Elektroda

Pemotongan dan penanganan elektroda dapat menghasilkan gerinda dan partikel.

Parameter pemotongan

Penanganan elektroda

Proses penggulungan atau penumpukan

• Pengumpulan debu
• Kebersihan lini produksi
• Mengurangi partikel dan gerinda dapat membantu meminimalkan kemungkinan cacat internal.
• 3. Kontrol Kelembaban
• Kontrol kelembaban adalah bagian penting lain dari pembuatan baterai lithium.
• Tindakan yang direkomendasikan meliputi:

Pengeringan elektroda yang tepat

Kontrol kelembaban ruang kering

Meminimalkan waktu paparan setelah pengeringan

• Mengontrol kondisi pengisian elektrolit
• Mengurangi penyimpanan WIP yang tidak perlu
• Memantau kelembaban bahan sebelum perakitan
• Kontrol kelembaban yang konsisten membantu mengurangi reaksi samping elektrolit dan elektroda yang tidak diinginkan.
• 4. Tingkatkan Proses Pembentukan dan Penuaan Sel
• Pembentukan dan penuaan adalah tahap penting untuk membangun karakteristik elektrokimia yang stabil.

Selama produksi, produsen dapat memantau:

Arus pengisian daya

Arus pengosongan daya

• Suhu sel
• Waktu istirahat
• Perubahan OCV
• Kapasitas
• Resistansi internal
• Sel abnormal yang teridentifikasi selama tahap ini dapat dipisahkan sebelum memasuki proses perakitan paket baterai.
• 5. Gabungkan Pemeringkatan Kapasitas dengan Pemilahan Tegangan dan IR

Kapasitas saja tidak memberikan gambaran lengkap tentang konsistensi sel.

Pemeringkatan Kapasitas → Pemilahan OCV/IR → Pencocokan Sel → Perakitan Paket

Pendekatan ini sangat berguna untuk paket baterai silinder dan prismatik di mana konsistensi sel secara langsung memengaruhi kinerja paket.

• Kesimpulan
• Pengosongan mandiri baterai lithium disebabkan oleh kombinasi kebocoran internal, cacat sirkuit pendek mikro, dan reaksi samping elektrokimia. Tingkat keparahan masalah tergantung pada kimia baterai, bahan, kualitas manufaktur, SOC, suhu, dan kondisi penyimpanan.
• Bagi produsen baterai, mengontrol pengosongan mandiri bukanlah sekadar mengukur tegangan setelah penyimpanan. Strategi yang lebih lengkap harus mencakup:
• Mengontrol kontaminasi logam
• Mengurangi gerinda dan partikel elektroda
• Mengontrol kelembaban
• Mengoptimalkan pembentukan dan penuaan
• Melakukan pengujian pengisian/pengosongan daya yang akurat

Memeringkat sel sesuai dengan karakteristik listriknya

Mesin pemeringkatan sel lithium yang andal dapat memainkan peran penting dalam proses ini dengan menyediakan pengujian pengisian/pengosongan daya yang terkontrol, pengumpulan data yang akurat, dan klasifikasi sel otomatis.

Dengan menggabungkan kontrol proses manufaktur dengan pengujian baterai yang sistematis, produsen dapat meningkatkan konsistensi sel dan membangun paket baterai lithium-ion yang lebih andal untuk EV, ESS, perkakas listrik, dan aplikasi lainnya.

Apa itu pengosongan mandiri baterai lithium?

Bagaimana cara menguji pengosongan mandiri baterai lithium?

Metode umum adalah mengisi sel ke SOC yang terkontrol, membiarkan polarisasi pulih, mengukur OCV awal, menyimpan sel dalam kondisi yang terkontrol, dan kemudian mengukur OCV lagi. Perubahan tegangan selama periode penyimpanan dapat digunakan sebagai indikator perilaku pengosongan mandiri.

• Bisakah mesin pemeringkatan sel baterai menguji pengosongan mandiri?
• Mesin pemeringkatan sel terutama melakukan pengujian pengisian/pengosongan daya dan kapasitas yang terkontrol daripada menggantikan pengujian pengosongan mandiri jangka panjang yang didedikasikan. Namun, fungsi tegangan, arus, kapasitas, dan perekaman datanya yang akurat dapat menjadi bagian penting dari proses kontrol kualitas dan konsistensi sel yang lebih luas.
• Mengapa konsistensi sel penting untuk paket baterai?
• Sel dengan kapasitas, resistansi internal, atau karakteristik pengosongan mandiri yang berbeda dapat menjadi semakin tidak seimbang ketika dihubungkan secara seri atau paralel. Pencocokan sel yang lebih baik membantu meningkatkan kinerja paket baterai, kapasitas yang dapat digunakan, dan keandalan jangka panjang.