Battery Swelling – Metode Pengujian Apa yang Paling Tepat untuk Baterai EV?
Saat pouch cell dan sel lithium-ion prismatik menua, mereka mengembang (Battery Swelling). Hal ini menyebabkan peningkatan tekanan di battery pack dan mengganggu performa listrik. Sistem manajemen baterai (BMS) konvensional tidak mendeteksi tekanan ini atau efeknya, sehingga prediksi state of charge (SOC) dan state of health (SOH) menjadi tidak akurat seiring bertambahnya usia baterai.
Test bench yang dikembangkan oleh ZwickRoell dan MBTS akan secara signifikan meningkatkan pengembangan battery pack di masa depan.
Video tentang Battery Swelling Tantangan saat ini Video tentang sistem pengujian baruPerbandingan climatic chamber vs. test bench ZwickRoell / MBTS Keunggulan Hubungi kami
Fokus pada pengujian baterai: Keamanan, efisiensi, kemajuan
Baterai lithium-ion merupakan komponen kunci dalam elektrifikasi sektor transportasi dan lalu lintas. Riset dan pengembangan serta jaminan kualitas yang komprehensif memainkan peran penting dalam pengembangan lebih lanjut komponen sel baterai, sel baterai, battery pack, dan sistem penyimpanan tegangan tinggi secara lengkap. Oleh karena itu, pengujian baterai untuk karakterisasi material yang digunakan, penentuan sifat karakteristik produk antara serta analisis perilaku sel merupakan prasyarat penting untuk kemajuan..
Selain pengujian mekanis pada komponen baterai, pegujian multi-fungsi atau multiphysical pada sel dan sistem sel juga penting. Hal ini menjamin keandalan operasi dan keamanan selama pengembangan penyimpanan tegangan tinggi. Digunakan untuk karakterisasi perilaku baterai saat charging dan discharging. Prosedur ini terkadang menghasilkan data berharga untuk pengembangan lebih lanjut sistem manajemen baterai (BMS).
Tantangan terkini dalam pengembangan, produksi, dan jaminan kualitas baterai lithium-ion
Dalam teknologi LIB (lithium-ion battery), pouch cell dan sel prismatik biasanya disusun dalam battery pack menggunakan konfigurasi cell-to-pack atau cell-to-module. Untuk meastikan performa listrik optimal, tingkat pra-tekan mekanis tertentu diterapkan selama produksi. Tekanan terkontrol ini sangat penting, karena kompresi yang tidak memadai akan mengurangi kapasitas, menurunkan performa listrik, dan mempercepat penuaan baterai. Sebaliknya, tekanan yang terlalu tinggi juga memiliki efek negatif serupa.
Tekanan mekanis penting untuk siklus hidup battery pack. Alasan: Sel baterai mengembang-susut saat charging dan discharging.. Proses ini juga dikenal sebagai “breathing”. Seiring waktu terjadi pembengkakan bertahap (battery swelling) akibat proses penuaan. Perubahan ini menyebabkan peningkatan tekanan internal di battery pack, yang dapat melebihi kondisi operasi ideal. Oleh karena itu, menjaga kontrol yang tepat terhadap tekanan mekanis ini sangat relevan dan penting untuk mempertahankan efisiensi dan umur baterai. Oleh karena itu, sangat penting memperhatikan hal ini saat merancang battery pack agar memberikan kondisi optimal bagi sel, serta menentukan kondisi ideal sel, misalnya melalui pengujian sel tunggal [1, 2].
Namun, sistem pengujian yang mengukur dan mengontrol temperatur serta tekanan secara sinkron dan dapat menjalankan protokol listrik saat ini, belum tersedia di pasaran. Untuk alasan ini, telah dikembangkan sistem pengujian baru untuk karakterisasi sel baterai.
Sistem pengujian multifungsi inovatif vs. solusi terkini dengan climatic chamber
Kontrol sinkron temperatur dan tekanan selama operasi LIB sejauh ini sulit dilakukan karena keterbatasan teknis. Climatic chamber hanya dapat mengontrol temperatur LIB secara tidak langsung, dengan menyesuaikan temperatur udara di dalam chamber. Selain itu, kontrol tekanan mekanis pada sel hanya dapat dicapai melalui sistem pasif, karena tekanan aktif memerlukan climatic chamber yang lebih besar dan dapat menimbulkan masalah akibat kondisi temperatur yang tidak optimal.
Para peneliti dari ZwickRoell dan MBTS telah mengembangkan metode baru yang memungkinkan temperatur permukaan dan tekanan mekanis pada pouch cell maupun sel prismatik dapat dikontrol atau diukur dengan presisi tinggi selama proses pengisian dan pengosongan. [3] Sistem inovatif ini memungkinkan pengukuran presisi parameter mekanis, termal, dan listrik, sekaligus mengisolasi pengaruh temperatur dan tekanan terhadap performa. Gambar 1 menjelaskan perbedaan teknologi serta keunggulan antara climatic chamber dan teknologi pengujian terbaru.
Compression platen dengan integrasi active thermal conditioning merupakan sistem yang dipatenkan oleh MBTS GmbH. Sistem ini menerapkan tekanan mekanis pada sel sekaligus mengontrol suhu permukaan sel. Seluruh sistem elektrotermal mekanis ini sepenuhnya otomatis untuk memungkinkan protokol yang cepat dan presisi. Dan pada saat yang sama, sistem ini mengurangi pengaruh pengguna.
Metode baru analisis sensitivitas multiphysical
Sebuah studi terbaru oleh ZwickRoell dan MBTS mencoba mengkuantifikasi pengaruh tekanan mekanis, temperatur, dan laju pelepasan (discharge rates) terhadap kehilangan daya pada sel pouch lithium-ion. [2] Untuk tujuan ini, sel LGe66 diuji dengan proses discharge pada berbagai kondisi laju C, tekanan, dan temperatur. Hasil penelitian ini memberikan wawasan berharga untuk mengoptimalkan desain battery pack dan memastikan keandalan jangka panjang pada sistem penyimpanan energi. Studi ini dilakukan dalam kondisi terkontrol dengan menguji tiga temperatur (5 °C, 25 °C, dan 45 °C), empat tingkat tekanan (0,2 MPa, 0,5 MPa, 0,8 MPa, dan 1,2 MPa), serta tiga tingkat laju pembuangan/discharging (0.5°C, 1.5°C dan 3.0°C) diperiksa.
Temuan berikut dari studi ilmiah terkini dikonfirmasi oleh penelitian ini:
Peningkatan tekanan berdampak negatif terhadap kinerja. Suhu yang lebih tinggi, pada gilirannya, meningkatkan kapasitas. Namun, besarnya efek ini bervariasi tergantung pada kondisi operasi tertentu Sebagai contoh, pada suhu 5°C dan laju pengosongan 0,5°C, peningkatan tekanan dari 0,2 MPa menjadi 1,2 MPa akan menyebabkan penurunan kapasitas pengosongan sebesar 5,84 persen. Sebaliknya, penurunan pada 45°C hanya sebesar 2,17 persen. Demikian pula, peningkatan suhu dari 25°C menjadi 45°C pada 0,5°C dan 0,2 MPa menghasilkan peningkatan kapasitas pengosongan sebesar 4,27 persen. Pada laju pengosongan yang lebih tinggi sebesar 1,5°C, perubahan suhu yang sama menghasilkan peningkatan kapasitas pengosongan yang signifikan, yaitu sebesar 43,04 persen.
Seperti ditunjukkan pada Gambar 2, terdapat hubungan antara kapasitas pengosongan dan laju C pada berbagai suhu serta tingkat tekanan. Peningkatan tekanan tidak menyebabkan penurunan kapasitas yang sama segera setelah laju C dan/atau suhu berubah. Hal ini menunjukkan adanya korelasi multifisika antara parameter-parameter tersebut.
Tabel 1 mencantumkan nilai numerik dari kapasitas pengosongan ini untuk semua kasus pengisian yang diuji. Sebuah pengamatan menarik adalah bahwa pada suhu rendah (5°C) dan laju C yang tinggi, pengaruh tekanan tampak dapat diabaikan. Kapasitas pelepasan nominal sel yang sedang diteliti adalah 66 Ah.
Hasil-hasil ini menggambarkan interaksi yang kompleks dan tidak linear antara suhu, tekanan, dan laju pelepasan dalam kinerja baterai lithium-ion. Hasil-hasil tersebut menekankan pentingnya pengelolaan suhu dan tekanan secara aktif selama pengoperasian baterai untuk memastikan efisiensi dan keandalan yang optimal.
Sistem uji yang baru dikembangkan ini memungkinkan kuantifikasi korelasi antara laju C, tekanan, dan suhu dengan tingkat akurasi yang tinggi. Implikasinya terhadap pengembangan dan manajemen paket baterai sangat besar, seperti dijelaskan di bawah ini.
Keunggulan teknis bagi sistem manajemen baterai
Dengan wawasan tambahan yang diperoleh dari pengujian sel tunggal, fokus pengembangan penyimpanan tegangan tinggi kini diarahkan pada pencapaian tekanan optimal di dalam paket sel. This avoids loss of performance and aging effects. Namun, akibat pembengkakan baterai fluktuasi tekanan tetap terjadi. Perilaku tekanan yang dihasilkan dari fenomena ini dapat dihitung selama fase pengembangan dan ditransfer ke sistem manajemen baterai (BMS) sebagai perhitungan awal. Pendekatan ini menghilangkan kebutuhan akan sensor tekanan tambahan di dalam paket baterai.
Akibatnya, tindakan BMS menjadi lebih efektif, karena tekanan tumpukan dapat diperkirakan berdasarkan kondisi pengisian dan kesehatan sel. Hal ini akan menghasilkan prediksi yang lebih akurat terhadap kinerja listrik paket baterai. Gambar 3 menunjukkan diagram skematis dari prosedur tersebut.
Keunggulan teknis dan ekonomi dalam pengembangan penyimpanan bertegangan tinggi
Selama pengembangan paket baterai, dilakukan loop pengujian simulasi untuk versi standar, yang mencakup beberapa tahap:
- Pengujian dan pemodelan sel tunggal
- Simulasi prosedur homogen pada tingkat modul dan paket
- Pembuatan prototipe dan pengujian
Jika pengujian gagal, proses harus diulang, yang memerlukan sumber daya tambahan. Contoh umum dari hal ini adalah ketika siklus pengendaraan tidak dapat diselesaikan karena kapasitas paket baterai yang tidak mencukupi. Hal ini sering disebabkan oleh tekanan tumpukan yang berlebihan, yang mengakibatkan degradasi sel.
Dengan mengukur pergeseran ekspansi sel tunggal secara tepat, dengan akurasi 1 µm, dan mengevaluasi kinerja listrik di bawah kondisi tekanan tertentu, model yang dikembangkan dapat memprediksi apakah suatu desain dapat menyebabkan kinerja yang tidak mencukupi atau kegagalan.
Kemampuan prediktif ini memungkinkan proses desain yang lebih efisien dan mempersingkat siklus pengembangan iteratif, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.
Outlook
Lanskap geopolitik saat ini meningkatkan tekanan pada industri otomotif untuk mempercepat kemajuan teknologi dan tetap kompetitif. Optimasi proses pengembangan dan produksi merupakan langkah penting untuk menekan biaya dan memenuhi tuntutan pasar. Solusi yang ditunjukkan mempertimbangkan tujuan ini, misalnya dengan meningkatkan efisiensi pengembangan dan membantu menghasilkan produk berkualitas tinggi.
Referensi
[1] Mussa, A.S.; Klett, M.; Lindbergh, G.; Lindström, R.W. Effects of external pressure on the performance and ageing of single-layer lithium-ion pouch cells. J. Power Sources 2018, 385, 18–26.
[2] Li, R.; Li, W.; Singh, A.; Ren, D.; Hou, Z.; Ouyang, M. Effect of external pressure and internal stress on battery performance and lifespan. Material Penyimpanan Energi 2022, 52, 395–429.
[3] Aiello, L.; Ruchti, P.; Vitzthum, S.; Coren, F. Influence of Pressure, Temperature and Discharge Rate on the Electrical Performances of a Commercial Pouch Li-Ion Battery. Batteries 2024, 10, 72.
TENTANG PENULIS:
CEO dan co-founder MBTS GmbH
Sebagai salah satu pendiri dan CEO MBTS, ia memfokuskan perusahaan pada pengembangan sistem pengujian multiphysics presisi tinggi untuk sel pouch dan prism. Sebelumnya, ia bekerja selama beberapa tahun sebagai insinyur pengembangan dan analisis di Samsung SDI Battery Systems dan AVL. Pada saat yang sama, ia meraih gelar doktor di Universitas Teknologi Graz dalam bidang penilaian keselamatan baterai lithium-ion.