Apa yang dimaksud dengan penurunan kapasitas baterai lithium ion seiring waktu?

Jika Anda pernah membeli skuter listrik berperforma tinggi, sistem penyimpanan energi yang kuat untuk kabin off-grid Anda, atau peralatan industri yang haus daya, kemungkinan besar Anda mengandalkan baterai lithium ion agar tetap berjalan. Sebagai pemasok dengan pengalaman bertahun-tahun bekerja denganBaterai Litium Ion 60v 30ah,Baterai Litium 80v, dan model khusus lainnya, saya tidak dapat menghitung berapa banyak pelanggan yang memulai percakapan dengan pertanyaan serupa: “Mengapa daya baterai saya lebih sedikit dibandingkan saat pertama kali saya membelinya?” Ini adalah masalah universal yang membuat frustrasi, dan berakar pada kimia dasar tentang cara kerja baterai lithium ion—dan cara kita menggunakannya dari waktu ke waktu.

Penurunan kapasitas, hilangnya kemampuan baterai secara perlahan untuk menyimpan dan menghantarkan energi listrik, bukanlah sebuah kelemahan yang hanya terjadi pada teknologi lithium ion, namun merupakan faktor penting bagi siapa pun yang mengandalkan baterai ini untuk kinerja yang konsisten. Tidak seperti baterai timbal-asam, yang cenderung rusak secara tiba-tiba, baterai lithium ion mengalami penurunan kualitas secara bertahap, sehingga Anda mungkin tidak menyadari penurunan kapasitas secara perlahan pada awalnya—sampai sepeda motor listrik Anda hanya mampu menempuh jarak 20 mil dengan sekali pengisian daya, bukan 30, atau sistem daya cadangan Anda bekerja setengah dari waktu yang digunakan setahun yang lalu. Memahami apa yang menyebabkan degradasi ini bukan hanya hal akademis bagi kami sebagai pemasok; hal ini membantu kami mendidik pelanggan tentang cara memaksimalkan masa pakai baterai mereka, dan hal ini membentuk cara kami merancang dan menguji model yang kami sediakan, mulai dari model kompakBaterai Litium Ion 8 Ahuntuk perkakas listrik portabel hingga tugas beratBaterai Litium Ion 300ahuntuk penyimpanan skala grid.

Untuk mengetahui akar penyebab hilangnya kapasitas, mari kita mulai dengan cara kerja baterai lithium ion pada intinya. Di dalam setiap baterai litium ion, terdapat dua elektroda: katoda positif (biasanya terbuat dari oksida logam litium, seperti litium kobalt oksida atau litium besi fosfat) dan anoda negatif, paling sering terbuat dari grafit. Elektroda ini dipisahkan oleh membran berpori tipis, direndam dalam cairan atau gel elektrolit yang memungkinkan ion litium bergerak maju mundur di antara kedua sisi. Saat Anda mengisi daya baterai, ion litium meninggalkan katoda, bergerak melalui elektrolit dan membran, dan melekat pada anoda grafit. Saat Anda mengosongkan daya, prosesnya menjadi terbalik: ion litium kembali ke katoda, melepaskan energi yang memberi daya pada perangkat Anda.

Tarian ion ini terdengar sederhana, namun selama ratusan siklus pengisian dan pengosongan, perubahan kecil dan kumulatif terjadi di dalam baterai yang memperlambatnya dan mengurangi jumlah daya yang dapat disimpan. Perubahan ini terbagi dalam beberapa kategori utama, dan sering kali dipengaruhi oleh cara Anda menggunakan dan merawat baterai. Mari kita uraikan satu per satu, dengan contoh terkait dengan baterai yang kami sediakan.

Pertama, penyebab degradasi yang paling luas adalah pembentukan interfase elektrolit padat, atau disingkat SEI. Saat baterai lithium ion pertama kali diisi, sejumlah kecil elektrolit pada permukaan anoda terurai dan membentuk lapisan tipis dan padat yang melapisi partikel grafit. SEI sangat penting: bersifat permeabel terhadap ion, sehingga memungkinkan ion litium melewati anoda, namun mencegah reaksi yang tidak diinginkan lebih lanjut antara elektrolit dan anoda yang dapat merusak baterai. Masalahnya adalah, lapisan ini tidak statis. Setiap kali baterai diisi dan dikosongkan, sejumlah kecil litium terperangkap di lapisan SEI, bukannya bergerak bebas di antara elektroda. Seiring berjalannya waktu, litium yang terperangkap ini akan bertambah, sehingga semakin sedikit daya yang tersedia untuk memberi daya pada perangkat Anda. Untuk yang kecilBaterai Litium Ion 24v20ahuntuk traktor rumput, ini berarti setelah 500 siklus penuh, Anda mungkin melihat penurunan kapasitas sebesar 10%—sesuatu yang diperhatikan banyak pelanggan ketika mesin pemotong rumput mereka hanya dapat memotong setengah halaman sebelum perlu diisi ulang.

Faktor besar kedua adalah degradasi katoda. Katoda adalah sumber ion litium yang membuat baterai berfungsi, dan rentan terhadap keausan seperti halnya anoda. Selama siklus, partikel kecil yang membentuk katoda dapat retak atau pecah. Mengapa? Ion litium yang masuk dan keluar dari katoda menyebabkan material mengembang dan berkontraksi sedikit dengan setiap muatan. Setelah ribuan siklus, ekspansi dan kontraksi yang berulang tersebut melemahkan struktur katoda, menyebabkan partikel terpecah. Jika hal ini terjadi, sebagian litium tidak lagi dapat diakses—terperangkap di dalam partikel yang pecah, tidak dapat berpindah ke anoda selama pengisian daya. Untuk baterai tegangan tinggi seperti milik kamiBaterai Litium 80v, yang menggerakkan peralatan konstruksi berat, jenis degradasi ini dipercepat oleh beban tegangan tinggi dan arus tinggi. Operator sering kali menjalankan baterai ini dengan kapasitas hampir penuh dalam jangka waktu lama, yang mempercepat keausan katoda—sehingga perusahaan konstruksi mungkin mulai menyadari penurunan kapasitas sebesar 15% setelah hanya 300 siklus, sedangkan baterai penggunaan waktu luang mungkin bertahan 500 siklus sebelum mencapai batas tersebut.

Penyebab umum lainnya adalah pelapisan litium. Ini adalah masalah yang muncul ketika baterai diisi terlalu cepat, terutama pada suhu dingin. Dalam kondisi pengisian normal, ion litium berpindah dari katoda ke anoda dan tertanam dalam struktur grafit. Namun jika Anda mengisi baterai lebih cepat daripada kemampuan ion untuk bergerak, atau jika baterai terlalu dingin, ion-ion tersebut akan sulit menempel. Sebaliknya, mereka membentuk endapan litium logam kecil di permukaan anoda. Seiring waktu, endapan ini dapat tumbuh menjadi struktur seperti jarum yang disebut dendrit, yang menembus pemisah antara anoda dan katoda, sehingga menyebabkan korsleting. Namun, pelapisan litium yang lebih kecil tidak hanya menimbulkan risiko keselamatan—tetapi juga menyedot litium yang tersedia, sehingga menyebabkan hilangnya kapasitas secara permanen. Untuk pelanggan yang menggunakan kamiBaterai Litium Ion 60v 30ahuntuk sepeda listrik, ini adalah masalah yang sering terjadi jika mereka mengisi daya sepedanya di garasi yang suhunya turun hingga 30°F atau lebih rendah selama musim dingin. Ada lebih dari beberapa pelanggan yang kembali mengatakan bahwa baterai mereka yang biasanya terisi penuh dalam 2 jam kini hanya membutuhkan 4 jam, dan hanya mampu menampung 80% dayanya—berakar pada pelapisan litium dari pengisian cepat dingin.

Faktor eksternal juga berperan besar dalam seberapa cepat baterai terdegradasi, dan faktor ini sering kali berada dalam kendali pengguna. Suhu adalah yang terbesar. Baterai litium ion paling nyaman digunakan di lingkungan bersuhu ruangan yang sejuk, antara 20°C dan 25°C (68°F hingga 77°F). Jika baterai menjadi terlalu panas—seperti berada di dalam mobil tertutup yang diparkir di bawah sinar matahari langsung sepanjang musim panas, atau digunakan untuk menyalakan perangkat yang panas selama berjam-jam—reaksi kimia di dalamnya akan meningkat secara dramatis, mempercepat pembentukan SEI, keausan katoda, dan pelapisan litium. Di sisi lain, meninggalkan baterai dalam suhu yang sangat dingin dan tidak digunakan dalam waktu lama juga dapat merusaknya. Saya selalu menyarankan pelanggan yang memiliki baterai cadangan untuk RV atau perahunya untuk menyimpannya dengan daya sekitar 50%, di tempat sejuk dan kering, daripada membiarkannya terisi penuh atau habis selama berbulan-bulan. Baterai yang terisi penuh dapat mengalami korosi anoda, sedangkan baterai yang terisi penuh saat panas akan terdegradasi lebih cepat dibandingkan baterai yang terisi setengahnya.

Depth of debit (DoD) adalah faktor kunci lainnya. Kedalaman pengosongan mengacu pada seberapa besar total kapasitas baterai yang Anda gunakan sebelum diisi ulang. Misalnya, jika AndaBaterai Litium Ion 300ahdigunakan untuk memberi daya pada sistem penyimpanan tenaga surya, dan Anda hanya menggunakan 150ah per hari, itu berarti 50% DoD. Jika Anda mengurasnya hingga 30ah, itu adalah 90% DoD. Aturan praktisnya adalah: semakin dalam Anda mengosongkan baterai, semakin cepat baterai akan rusak. Setiap kali Anda memutar baterai 100% dari penuh ke kosong, Anda memberi tekanan lebih besar pada anoda dan katoda dibandingkan dengan pengosongan baterai yang dangkal. Bagi pelanggan yang menggunakan baterainya untuk aplikasi seperti perangkat medis atau daya cadangan, yang keandalannya tidak dapat ditawar lagi, hal ini berarti merencanakan penggunaan energinya untuk menghindari pelepasan muatan listrik dalam jumlah besar bila memungkinkan. Kami merancang baterai dengan mempertimbangkan hal ini, membangun sirkuit perlindungan yang mencegah pengosongan daya berlebih, namun kami tetap bekerja sama dengan pelanggan untuk membantu mereka menyesuaikan pola penggunaan guna memperpanjang masa pakai baterai.

Jumlah siklus adalah metrik yang lebih sederhana untuk dipahami, dan sering kali metrik tersebut tercantum pada lembar data baterai sebagai masa pakai baterai. Satu siklus dihitung sebagai satu kali pengosongan penuh dan pengisian ulang—tetapi penting untuk diingat bahwa satu siklus tidak hanya menguras baterai dari 100% menjadi 0%. Misalnya, dua kali pengosongan 50% (setiap kali menggunakan 50% kapasitas baterai) juga menghasilkan satu siklus penuh. Kebanyakan baterai litium ion akan mempertahankan sekitar 80% dari kapasitas aslinya setelah 500 hingga 1.500 siklus penuh, bergantung pada bahan kimia dan cara penggunaannya. Baterai lithium iron phosphate (LFP), yang kami gunakan pada banyak model penyimpanan stasioner, cenderung bertahan lebih lama—seringkali 2.000 siklus atau lebih—dibandingkan bahan kimia nikel-kobalt-aluminium (NCA) atau nikel-mangan-kobalt (NMC), yang umum digunakan pada kendaraan listrik dan aplikasi daya portabel. KitaBaterai Litium Ion 8 Ahuntuk perkakas listrik, misalnya, menggunakan bahan kimia NMC, yang dirancang untuk menangani pengurasan arus tinggi dalam waktu singkat, dan memiliki kapasitas 800 siklus hingga kapasitas 80%.

Perlu dicatat bahwa degradasi terjadi secara bertahap, dan tidak semua hilangnya kapasitas bersifat permanen. Terkadang, apa yang tampak seperti baterai rusak ternyata tidak digunakan dengan benar. Misalnya, baterai yang tidak digunakan selama berbulan-bulan mungkin mengalami penurunan kapasitas sementara karena self-discharge. Baterai litium ion dapat mengalami pengosongan otomatis (self-discharge) sekitar 2-3% per bulan, namun jika disimpan dalam keadaan kosong sepenuhnya, pengosongan otomatis tersebut dapat menyebabkan korosi anoda, yang merupakan kerugian permanen. Pengisian daya yang cepat dan penuh setelah penyimpanan terkadang dapat memulihkan penurunan kapasitas sementara tersebut.

Sebagai pemasok baterai, tugas kami bukan hanya menjual baterai kepada Anda—tetapi juga memastikan baterai berfungsi dengan baik selama mungkin. Kami telah menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk menguji model kami, mulai dari yang kompakBaterai Litium Ion 24v20ahuntuk kereta golf hingga daya tinggiBaterai Litium Ion 60v 30ahuntuk sepeda motor listrik, untuk memahami bagaimana pola penggunaan yang berbeda mempengaruhi degradasi. Kami menyertakan panduan perawatan terperinci pada setiap pengiriman, memberi saran kepada pelanggan tentang suhu pengisian daya yang ideal, tingkat DoD yang direkomendasikan, dan tip penyimpanan. Untuk pelanggan dengan armada baterai yang lebih besar, seperti perusahaan konstruksi atau pemasang tenaga surya, kami menawarkan dukungan khusus untuk membantu mereka menyiapkan infrastruktur pengisian daya yang meminimalkan degradasi, sehingga mengurangi biaya pemeliharaan dan penggantian jangka panjang.

Pada akhirnya, penurunan kapasitas bukanlah kegagalan teknologi lithium ion—ini adalah bagian alami dari cara kerja baterai, dan memahami hal ini adalah langkah pertama untuk mendapatkan hasil maksimal dari investasi Anda. Baik Anda seorang penghobi sepeda listrik, pemilik bisnis yang mengelola armada peralatan penanganan material, atau pemasang yang membangun tata surya perumahan, mengetahui apa yang menyebabkan baterai Anda kehilangan kapasitas akan membantu Anda menyesuaikan kebiasaan untuk memperpanjang masa pakainya. Jika Anda sedang mencari baterai lithium ion yang andal, disesuaikan dengan aplikasi spesifik Anda, dan ingin mempelajari lebih lanjut tentang cara memaksimalkan masa pakainya, hubungi tim kami hari ini untuk mendiskusikan kebutuhan Anda.

Referensi:

1. Scrosati, B., & Garche, J. (2010). Baterai litium: Status, prospek, dan masa depan. Jurnal Sumber Daya, 195(9), 2419-2430.
2. Vetter, J., Novák, P., Wagner, MR, Veit, C., Möller, KC, Besenhard, JO, ... & Winter, M. (2005). Mekanisme penuaan pada baterai lithium-ion. Jurnal Sumber Daya, 147(1-2), 269-281.
3. Liu, W., Kumar, V., & Chen, Z. (2019). Tinjauan mekanisme degradasi baterai lithium-ion dan metode estimasi kondisi kesehatan. Energi, 12(10), 1905.
4. Bloom, I., Christian, J., Jones, S., Battaglia, VS, Henriksen, G., & Johnson, C. (2001). Analisis tegangan diferensial sel lithium-ion berdaya tinggi. 1. Teknik dan penerapannya. Jurnal Sumber Daya, 101(2), 238-245.