Alasan mengapa baterai lithium-ion tidak dapat diisi dengan cepat

Untuk kendaraan listrik murni baterai lithium-ion, kesulitan pengisian daya masih menjadi masalah besar, sehingga "pengisian cepat" telah menjadi gimmick bagi banyak produsen. Menurut saya pribadi, masalah fast charging baterai lithium perlu dianalisis dari dua tingkatan.

Dari perspektif sel baterai, laju kinerja baterai lithium-ion dibatasi oleh karakteristik transmisi intrinsik dari sistem kombinasi bahan elektroda positif/elektrolit/elektroda negatif, dan di sisi lain, proses elektroda dan desain struktur sel juga memiliki dampak yang signifikan terhadap kinerja laju.
Namun, dalam hal konduksi pembawa dan perilaku pengangkutan yang paling intrinsik, baterai lithium tidak cocok untuk pengisian cepat. Konduksi pembawa intrinsik dan perilaku pengangkutan sistem baterai litium bergantung pada beberapa faktor utama, termasuk konduktivitas bahan elektroda positif dan negatif, koefisien difusi ion litium, dan konduktivitas elektrolit organik. Berdasarkan mekanisme reaksi tertanam, koefisien difusi ion litium pada bahan elektroda positif (olivin pada saluran ion satu dimensi, bahan berlapis pada saluran dua dimensi, dan bahan elektroda positif spinel pada saluran tiga dimensi) dan elektroda negatif grafit negatif bahan elektroda (struktur berlapis) umumnya beberapa kali lipat lebih rendah daripada konstanta laju reaksi redoks heterogen dalam baterai sekunder berair.

 

 

Selain itu, konduktivitas ion elektrolit organik dua kali lipat lebih rendah dibandingkan konduktivitas ionik baterai sekunder berair (asam atau basa kuat). Permukaan elektroda negatif baterai litium memiliki lapisan film SEI, dan faktanya, laju kinerja baterai litium sebagian besar dikendalikan oleh difusi ion litium dalam film SEI. Karena polarisasi elektroda bubuk dalam elektrolit organik jauh lebih parah dibandingkan dengan sistem berair, permukaan elektroda negatif rentan terhadap pengendapan litium dalam kondisi pembesaran tinggi atau suhu rendah, sehingga menimbulkan bahaya keselamatan yang serius.
Selain itu, dalam kondisi pengisian daya berkecepatan tinggi, kisi bahan elektroda positif rentan terhadap kerusakan, dan lapisan grafit pada elektroda negatif juga dapat rusak. Faktor-faktor ini akan mempercepat penurunan kapasitas, sehingga sangat mempengaruhi masa pakai baterai. Oleh karena itu, karakteristik penting dari reaksi tertanam menentukan bahwa baterai lithium-ion tidak cocok untuk pengisian daya berkecepatan tinggi. Hasil penelitian telah mengonfirmasi bahwa siklus hidup masing-masing baterai dalam mode pengisian cepat dan pengosongan cepat akan berkurang secara signifikan, dan kinerja baterai akan menurun secara signifikan pada tahap penggunaan selanjutnya.

Tentu saja, beberapa pembaca mungkin bertanya, apakah baterai lithium titanate dapat diisi dan dikosongkan dengan kecepatan tinggi?
Kinerja laju litium titanat dapat dijelaskan oleh struktur kristal dan koefisien difusi ionnya. Namun, kepadatan energi baterai lithium titanate sangat rendah, dan penggunaan dayanya dicapai dengan mengorbankan kepadatan energi, yang menyebabkan tingginya biaya energi per unit baterai lithium titanate. Rendahnya efektivitas biaya menentukan bahwa baterai litium titanat tidak dapat menjadi arus utama pengembangan baterai litium. Faktanya, tren penjualan baterai Toshiba SCiB yang lesu di Jepang dalam beberapa tahun terakhir telah menunjukkan permasalahan tersebut.
Pada tingkat sel, kinerja laju dapat ditingkatkan dari perspektif proses elektroda dan desain struktur sel, seperti membuat elektroda lebih tipis atau meningkatkan proporsi zat konduktif, yang merupakan sarana teknis yang umum digunakan. Lebih buruk lagi, beberapa produsen telah menggunakan metode ekstrem seperti menghilangkan termistor dari sel baterai dan mempertebal pengumpul arus. Faktanya, banyak perusahaan baterai listrik domestik menganggap data tingkat tinggi baterai daya LFP mereka pada suhu 30C atau bahkan 50C sebagai keunggulan teknologi.
Yang ingin penulis sampaikan di sini adalah bahwa sebagai metode pengujian, hal ini dapat dimengerti, tetapi kuncinya adalah perubahan apa yang terjadi di dalam sel baterai. Pengisian dan pengosongan pembesaran tinggi dalam jangka panjang mungkin telah merusak struktur bahan elektroda positif dan negatif, dan litium telah mengendap dari elektroda negatif. Masalah ini memerlukan penggunaan beberapa metode deteksi in-situ (seperti SEM, XRD, dan difraksi neutron) untuk memperjelasnya. Sayangnya, hampir tidak ada laporan mengenai penerapan metode deteksi in-situ ini di perusahaan baterai dalam negeri.
Penulis juga mengingatkan pembaca untuk memperhatikan perbedaan proses pengisian dan pengosongan baterai lithium-ion. Berbeda dengan proses pengisian daya, baterai litium-ion tidak menyebabkan kerusakan serius pada baterai bila dayanya habis dengan kecepatan yang lebih tinggi (melakukan pekerjaan eksternal) seperti pengisian daya cepat, serupa dengan baterai sekunder berbahan dasar air lainnya. Namun, untuk penggunaan praktis kendaraan listrik, kebutuhan akan pengisian daya berkecepatan tinggi (fast charging) tentu lebih mendesak dibandingkan pelepasan arus tinggi.

Pada tingkat baterai, situasinya akan menjadi lebih kompleks. Selama proses pengisian, tegangan dan arus pengisian masing-masing baterai tidak konsisten, yang pasti akan menyebabkan waktu pengisian daya baterai melebihi waktu pengisian masing-masing baterai. Artinya, meskipun teknologi pengisian daya konvensional juga dapat mengisi daya satu baterai hingga setengah kapasitasnya dalam waktu 30 menit, jumlah baterai pasti akan melebihi waktu tersebut, yang sampai batas tertentu berarti keunggulan teknologi pengisian cepat tidak terlalu terlihat.
Selain itu, selama penggunaan (pengosongan) baterai lithium-ion, konsumsi kapasitasnya tidak berhubungan secara linier dengan waktu pengosongan, melainkan menurun dengan cepat seiring waktu. Misalnya, jika sebuah mobil listrik tertentu memiliki daya jelajah penuh sebesar 200 kilometer, maka setelah menempuh jarak 100 kilometer secara normal, daya baterainya mungkin masih memiliki 80% dari kapasitasnya. Jika kapasitas baterainya tetap di 50%, mobil listrik mungkin hanya mampu menempuh jarak 50 kilometer.
Karakteristik baterai lithium-ion menunjukkan bahwa pengisian hanya setengah atau 80% dari daya baterai sama sekali tidak cukup untuk memenuhi kebutuhan penggunaan kendaraan listrik yang sebenarnya. Misalnya, teknologi pengisian cepat Tesla yang dipromosikan secara luas, menurut saya, sebenarnya hanya gimmick, bukan praktis. Selain itu, pengisian daya cepat akan sangat memperburuk masa pakai dan kinerja baterai, serta membahayakan keselamatan.
Karena baterai lithium pada dasarnya tidak cocok untuk pengisian cepat, secara teoritis, mode pertukaran baterai dapat mengimbangi kekurangannya dalam pengisian cepat. Meskipun merancang baterai daya sebagai tipe plug-in dapat menimbulkan masalah kekuatan struktural dan masalah isolasi listrik untuk seluruh kendaraan, serta tantangan super terhadap standar dan alasan baterai, saya pribadi percaya bahwa mode ini adalah solusi yang layak secara teknis (hanya pada tingkat teknis) untuk memecahkan masalah pengisian cepat baterai lithium-ion.
Menurut penulis, alasan mengapa "model penyewaan baterai+penukaran baterai" tidak memiliki preseden yang berhasil dalam skala global bukan hanya karena kebiasaan konsumen (pemilik mobil percaya bahwa baterai, seperti mobil, adalah milik pribadi mereka), tetapi juga karena besarnya distribusi manfaat yang tersembunyi di balik standar teknis. Di negara-negara Barat yang sangat berorientasi pasar, kesulitan memecahkan masalah ini jauh lebih besar dibandingkan di Tiongkok. Menurut pendapat pribadi saya, mode pertukaran baterai mungkin memiliki potensi pengembangan yang signifikan di bidang di mana kendaraan listrik murni, seperti bus dan taksi, banyak digunakan di Tiongkok di masa depan.