Bagaimana Baterai Bisa Mengalami Kerusakan atau Kegagalan??

 Salah satu hal paling penting dalam desain baterai adalah keamanan. Keamanan dapat terjadi dalam bentuk perubahan kimia dalam sel, separator yang digunakan, pemilihan bahan aktif, dan elektrolit yang digunakan. Tetapi pada dasarnya, keamanan lithium-ion dapat dilakukan dengan melindungi sel dalam sistem dan tetap terjaga dalam rentang suhu dan tegangan optimal agar menghindari kegagalan yang dapat menyebabkan bahaya bagi pengguna teknologi yang menggunakan sel lithium ion. Berikut merupakan jenis dan penyebab failure mode yang dapat terjadi pada baterai lithium-ion yang dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1.  Jenis dan Penyebab Failure Mode

Kegagalan sel baterai dapat disebabkan oleh beberapa faktor utama seperti korsleting, penguapan (gassing), dan pertumbuhan impedansi. Korsleting, baik internal maupun eksternal, sering disebabkan oleh serpihan, pertumbuhan dendrit, atau penyusutan separator, serta material asing yang menghubungkan antar tab atau menyebabkan penetrasi. Penguapan dapat terjadi akibat suhu tinggi, pengisian dan pengosongan berlebihan, atau pelarutan bahan aktif. Pertumbuhan impedansi disebabkan oleh pengendapan lithium akibat penuaan sel, pengisian/pengosongan berintensitas tinggi, atau suhu rendah, serta peningkatan ketebalan lapisan SEI yang dipicu oleh serpihan dan dendrit. Faktor-faktor ini saling terkait, misalnya, dendrit dapat menyebabkan korsleting internal yang memicu penguapan. Untuk menentukan penyebab utama kegagalan, perlu dilakukan inspeksi visual, pengujian listrik, analisis gas, mikroskopi elektron, dan analisis kimia. Dengan analisis menyeluruh, penyebab utama seperti pertumbuhan dendrit dapat diidentifikasi dengan jelas. 

1. Impedansi 

Impedansi adalah hambatan terhadap gerakan ion, elektron, dan arus dalam sel. Selama sel lithium-ion beroperasi, impedansi internal akan bertambah secara perlahan. Semakin tinggi impedansi sel, semakin sulit mendorong lithium-ion untuk melaluinya. Hal tersebut terjadi akibat operasi pada suhu ekstrem atau karena pertumbuhan lapisan SEI (Solid Electrolyte Interface). Impedansi internal sel lithium-ion memiliki tiga bagian. Bagian pertama adalah jumlah hambatan ionik dari elektrolit. Bagian kedua adalah hambatan listrik dari bahan aktif, seperti current collectors dan foil. Bagian ketiga adalah hambatan kontak bahan aktif dan current collectors. Impedansi dapat secara signifikan mempengaruhi operasi sel karena dapat menyebabkan penurunan tegangan akibat konsumsi energi dalam bentuk panas saat lithium-ion bergerak dalam sel dengan impedansi tinggi (Barai et al., 2015). 

2. Mekanisme Degradasi 

Seluruh baterai mengalami penurunan kinerja saat digunakan secara berulang. Hal ini dapat disebabkan oleh berbagai mekanisme degradasi (penuaan), yang dapat terkait dengan satu atau lebih komponen antarmuka sel. Degradasi mengakibatkan penurunan kapasitas dan/atau daya. Pada baterai logam-ion, seperti Li-ion dan Na-ion, jalur degradasi dapat dibagi menjadi tiga proses primer yang mungkin terjadi: - Kehilangan logam alkali (lithium, natrium) - Kehilangan bahan katoda/anoda aktif - Penurunan transportasi ionik melalui komponen dan antarmuka  

Kehilangan komponen logam alkali atau bahan katoda/anoda aktif menghasilkan penurunan kapasitas, sedangkan penurunan transportasi ionik dideteksi dengan peningkatan impedansi sel internal. Tabel 1 merangkum mekanisme degradasi utama yang diketahui terjadi pada baterai logam-ion yang dapat diisi ulang.

Tabel 1. Mekanisme degradasi dalam baterai logam-ion yang dapat diisi ulang.

3. Mekanisme Aging 

Terdapat dua jenis aging pada baterai, yang pertama adalah berdasarkan penilaian jumlah siklus charge dan discharge (siklus life) dan yang kedua adalah berdasarkan umur kalender. Umur siklus yang dicapai akan bergantung pada aplikasi, suhu, seberapa cepat charge dan discharge. Suhu juga berdampak pada umur baterai lithium-ion. Ketika suhu lebih rendah ataupun lebih tinggi dari ± 30˚C, kinerja baterai menurun dan dengan paparan berulang akan mengurangi umur baterai. SEI (Solid Electrolyte Interface) merupakan faktor yang mempengaruhi umur siklus baterai ion lithium. Seiring waktu, penyisipan dan pengeluaran berulang-ion litium ke dalam lapisan grafit selama siklik dapat menyebabkan lapisan SEI (Solid Electrolyte Interface) menjadi meregang dan rusak. Ketika hal ini terjadi, reaksi kimia antara elektrolit dan anoda grafit akan membuat lapisan SEI baru untuk mengganti area yang rusak. Korosi anoda dan dekomposisi elektrolit terus berlanjut secara lambat selama umur baterai, menyebabkan lapisan SEI perlahan-lahan menembus ke dalam pori-pori separator dan bahkan ke dalam anoda, hal tersebut mengakibatkan berkurangnya luas permukaan anoda yang dapat diakses, meningkatkan resistansi internal, dan menyebabkan kehilangan kapasitas dan daya yang permanen. 

 Mekanisme aging lainnya adalah perubahan struktural pada katoda dan anoda, dekomposisi elektrolit, pelarutan bahan aktif ke dalam elektrolit, dan pembentukan lapisan tipis SEI di atas permukaan elektroda dan permukaan current collector. Pada sisi katoda sel, bahan aktif mulai terurai pada tegangan di atas sekitar 4,35volt menyebabkan peningkatan resistansi transfer muatan dalam sel. Pada suhu tinggi, katoda juga mengalami perubahan struktural dan fasa yang mengurangi kemampuan interkalasi ion litium selama siklik. Perubahan struktural dapat menyebabkan perubahan dalam struktur kristalin katoda, mengubahnya menjadi fase kubik atau fase spinel yang keduanya mengurangi tingkat transfer muatan. Dampak lain dari pelarutan katoda adalah dapat melepaskan ion logam transisi (katoda) yang dapat tergabung ke dalam SEI sehingga mengurangi kapasitas dan meningkatkan ketebalan lapisan SEI. Baterai lithium-ion mengalami penuaan karena sering diisi ulang melebihi kapasitas dan dikosongkan terlalu banyak. Hal ini menyebabkan elektrolit terurai, mengurangi kemampuan ionik, dan meningkatkan resistensi internal sel (Troltzsch et al., 2006).

Tabel 2. Mekanisme Aging Baterai Lithium-Ion