Bagaimana baterai dapat mengalami hubungan singkat/korsleting???

 

Ada beberapa jalan bagaimana sel dapat mengalami korsleting internal yaitu  dengan sel mencapai suhu tinggi, pertumbuhan dendrit logam litium yang menembus separator dan memungkinkan anoda dan katoda menjadi terhubung, atau bahkan karena adanya kotoran memasuki sel selama proses produksi. Gambar 1

 

Gambar 1. Peristiwa korsleting yang dahsyat.

Cara pertama sel mengalami korsleting adalah saat sel mengalami suhu tinggi. Kebanyakan separator terbuat dari polietilen atau polipropilena  atau kombinasi keduanya. Pada suhu rendah 90°C pori-pori separator ini mulai menutup dan sekitar 120°C–130°C separator akan meleleh dan ketika hal ini terjadi  separator polietilen atau polipropilen mulai menyusut. Penyusutan separator memungkinkan elektroda anoda dan katoda  bersentuhan satu sama lain, menciptakan arus pendek di dalam sel dan  terjadi hubungan pendek internal.

Tapi apa yang sebenarnya terjadi selama peristiwa hubung singkat internal pada sel lithium-ion? Singkatnya, sebagian besar energi sel dilepaskan dengan sangat cepat dan melalui satu titik yang sangat kecil. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa hingga 70% energi  sel dapat dilepaskan dalam waktu kurang dari satu menit (Maleki & Howard, 2009). Seperti kebanyakan  arus dalam sel didorong melalui lokasi hubung singkat internal dan dilepaskan energi dengan cepat  menyebabkan sel mulai menghasilkan panas yang dimulai di area lokal sekitar  korsleting internal. Jika jumlah panas yang dihasilkan lebih besar dari  jumlah panas yang dapat dihilangkan, sel akan terus memanas hingga mencapai  suhu awal kebakaran.

Hal penting yang harus diperhatikan ketika berhubungan dengan segala jenis korsleting adalah  dampak dari keadaan muatan sel. Sel dengan status muatan rendah akan memiliki lebih sedikit muatan  energi yang lebih besar untuk dilepaskan daripada sel-sel yang berada pada tingkat muatan yang tinggi. Jadi akan ada pemanasan yang lebih besar di sekitar lokasi korsleting internal jika sel berada pada kondisi muatan tinggi  dibandingkan dengan saat saat muatan rendah (Cai, Wang, Maleiki,  Howard, & Lara-Curzio, 2011; Maleki & Howard, 2009).

Hal lain yang perlu diwaspadai adalah kecenderungan pertumbuhan “dendrit” litium selama siklik. Dendrit terbentuk ketika logam litium mulai melapisi anoda. Apa yang terjadi selama pertumbuhan dendrit adalah mungkin terdapat titik di dekat elektroda negative dimana terjadi penipisan garam dalam elektrolit karena potensi kimia di dekat permukaan elektroda lebih positif (Huggins, 2009). Hal ini menyebabkan timbulnya benjolan atau ketidaksempurnaan pada permukaan rumah bagi litium untuk tumbuh dan berkembang. Jika ini terus berlanjut maka akan berkembang menjadi apa yang tampak  seperti stalagmit yang tumbuh di antara anoda dan katoda. Jika dendritnya terus berlanjut , zat ini dapat menembus separator dan menyebabkan sengatan listrik langsung hubungan antara anoda dan katoda (Gbr. 2). Hubungan pendek internal ini akan memaksa semua energi/kekuatan di dalam sel untuk keluar melalui satu titik kecil itu menghasilkan panas, kegagalan sel, dan tergantung pada jenis nyala elektrolit. Mode kegagalan ini sering terlihat selama pengisian daya tingkat tinggi (high C-Rate). Diduga salah satunya  penyebab Kebakaran Samsung Galaxy Note 7 Tahun 2016 Mungkin Karena pertumbuhan litium dritik. Ini bukan satu-satunya penyebab kegagalan sel tetapi mungkin saja terjadi  salah satu faktor penyebab yang bila semuanya terjadi pada waktu yang sama menyebabkannya  sel menjadi terbakar (Hruska, 2017a).

Cara sel mengalami korsleting internal yang ketiga adalah karena  kotoran masuk ke dalam sel selama proses produksi. Salah satu contohnya Hal ini terjadi pada tahun 2006 ketika Sony Corporation akhirnya menarik kembali ratusan hingga jutaan unit baterai laptop karena tingginya jumlah kegagalan dan kejadian termal. Dalam hal ini sel baterainya adalah sel silinder tipe 18650 yang menggunakan lapisan kaleng nikel baja. Selama proses perakitan, tutup sel dikerutkan pada tempatnya. Dia  ditemukan bahwa proses crimping ini menyebabkan partikel kecil nikel terkelupas di dalam sel sehingga menyebabkan kekurangan di bagian dalam sel (Wong, 2006). Ini juga salah satunya faktor yang berkontribusi dalam penarikan kembali Samsung yang disebutkan sebelumnya. Penyelidikan Samsung ditemukan bahwa pada saat proses pengelasan elektroda terdapat gerinda yang terbentuk  katoda yang mengakibatkan gerinda menembus separator dan menyebabkan peristiwa hubung singkat internal akan terjadi (Hruska, 2017a, 2017b). Ini adalah salah satu alasannya karena sebagian besar produsen baterai melakukan perakitan selnya di ruang bersih/ruang lingkungan kering , dengan kelembapan dan ukuran partikel serta jumlah yang dipantau secara ketat.  Ruang bersih (clean room) dinilai berdasarkan berapa banyak partikulat dengan ukuran tertentu, ada per  meter kubik di lingkungan. Dengan merakit elektroda ke dalam sel di  lingkungan ruangan yang bersih potensi benda asing masuk ke dalam sel adalah sangat beresiko.

Gambar 2. Pertumbuhan dendrit menyebabkan korsleting internal.

Terakhir, ada jenis kegagalan lain yang dapat terjadi pada sel yaitu pada proses produksi. Sel Samsung Note 7 mengalami beberapa perbedaan  kegagalan termasuk bagian atas elektroda menjadi bengkok selama pengelasan  dan perakitan yang menyebabkan elektroda bersentuhan, yang pada gilirannya menciptakan  hubungan pendek. Hal ini disebabkan cara sel dipasang di telepon  di mana hal itu menciptakan tekanan tinggi pada sel di beberapa area dan mendorong elektroda  bersama. Kegagalan lain yang mereka alami disebabkan oleh kegagalan perakitan, pita isolasi tidak disertakan selama proses perakitan dan elektroda  penempatan yang tidak selaras menyebabkan tekanan internal (Hruska, 2017a, 2017b).  Anda dapat melihat dari contoh ini bahwa tidak sulit untuk menciptakan situasi untuk sebuah sel  untuk membuat korsleting internal. Kegagalan manufaktur seperti ini sulit dilakukan untuk diidentifikasi sebelumnya, namun bisa sangat merugikan bagi kehidupan mereka  terkena dampak dan finansial pada perusahaan yang bertanggung jawab.

Daftar Pustaka

Maleki, H., & Howard, J. N. (2009). Internal short circuit in Li-ion cells. Journal of Power Sources, 191, 568–574. Retrieved November 11, 2017

Cai, W., Wang, H., Maleiki, H., Howard, J., & Lara-Curzio, E. (2011). Experimental simula tion of internal short circuit in Li-ion and Li-ion polymer cells. Journal of Power Sources, 196, 7779–7783. Retrieved November 11, 2017.

Huggins, R. A. (2009). Advanced batteries: Materials science aspects. Stanford: Springer.

Hruska, J. (2017a). Samsung reveals root cause of Galaxy Note 7 failures, fiers. Retrieved October 21, 2017, from ExtremeTech.com https://www.extremetech.com/mobile/ 243198-samsung-reveals-root-cause-galaxy-note-7-failures-fires.

Wong, M. (2006). Sony laptop battery recall widens. Retrieved from NBCNews.com http:// www.nbcnews.com/id/15254251/ns/technology_and_science-security/t/sony-laptop-bat tery-recall-widens/#.WeuChbpFxsQ.

Hruska, J. (2017b). Toyota unveils solid-state battery design for EVs. ExtremeTech. Retrieved from https://www.extremetech.com/extreme/253065-toyota-wants-leapfrog-competitors new-solid-state-lithium-ion-battery-design.