Baterai Litium Ion dan Tantangan Manufakturnya

baterai ion litium adalah diproduksi dalam set elektroda dan kemudian dirakit dalam sel.Bahan aktif dicampur dengan pengikat polimer, aditif konduktif, dan pelarut untuk membentuk bubur yang kemudian dilapisi pada foil pengumpul saat ini dan dikeringkan untuk menghilangkan pelarut dan membuat lapisan elektroda berpori.

Tidak ada baterai lithium ion tunggal.Dengan beragam bahan dan pasangan elektrokimia yang tersedia, sel baterai dapat dirancang khusus untuk aplikasinya dalam hal voltase, penggunaan status pengisian daya, kebutuhan seumur hidup, dan keamanan.Pemilihan pasangan elektrokimia tertentu juga memfasilitasi desain rasio daya dan energi serta energi yang tersedia.

Integrasi dalam sel format besar membutuhkan pembuatan elektroda roll-to-roll yang dioptimalkan dan penggunaan bahan aktif.Elektroda dilapisi pada foil pengumpul arus logam dalam struktur komposit dari bahan aktif, pengikat, dan aditif konduktif, yang membutuhkan kontrol yang cermat terhadap kimia koloid, adhesi, dan pemadatan.Tetapi bahan tidak aktif yang ditambahkan dan kemasan sel mengurangi kepadatan energi.Selain itu, tingkat porositas dan pemadatan elektroda dapat mempengaruhi kinerja baterai.

Selain tantangan material ini, biaya merupakan penghalang signifikan untuk adopsi teknologi ini secara luas.Jalur sedang dieksplorasi untuk membawa baterai dari 100 Wh/kg dan 200 Wh/L yang tersedia secara komersial seharga $500/kWh hingga 250 Wh/kg dan 400 Wh/L hanya dengan $125/kWh.

Dasar-dasar Baterai Lithium Ion

Baterai lithium ion dimungkinkan oleh penemuan lithium kobalt oksida (LiCoO ₂ ), yang memungkinkan ekstraksi ion litium dan pembuatan kekosongan dalam jumlah besar (tanpa perubahan kristal) hingga penghilangan setengah dari ion yang ada.Pasangan LiCoO ₂ dengan grafit memungkinkan interkalasi ion lithium antara lapisan graphene yang menempati situs interstitial antara setiap cincin heksagonal atom karbon (Besenhard dan Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Ion litium bergerak selama muatan dari elektroda positif (katoda) melalui elektrolit padat atau cair ke elektroda negatif (anoda) dan, selama pelepasan, ke arah yang berlawanan.Pada setiap elektroda, ion mempertahankan muatannya dan berinterkalasi ke dalam struktur kristal yang menempati situs interstisial dalam kristal yang ada di sisi anoda atau menempati kembali situs kosong di katoda yang terbentuk ketika ion litium meninggalkan kristal itu.Saat mentransfer ion, matriks inang tereduksi atau teroksidasi, yang melepaskan atau menangkap elektron. ¹

Ragam Bahan Katoda

Pencarian bahan katoda baru sebagian didorong oleh kelemahan penting dari LiCoO ₂ .Baterai memiliki suhu inti 40–70°C dan mungkin rentan terhadap beberapa reaksi suhu rendah.Tetapi pada suhu 105–135°C sangat reaktif dan merupakan sumber oksigen yang sangat baik untuk bahaya keamanan yang disebut a reaksi pelarian termal , di mana reaksi yang sangat eksotermik menciptakan lonjakan suhu dan berakselerasi dengan cepat dengan pelepasan panas ekstra (Roth 2000).

Bahan pengganti untuk LiCoO ₂ kurang rentan terhadap kegagalan itu.Senyawa tersebut menggantikan bagian kobalt dengan nikel dan mangan untuk membentuk Li(Ni _x M N _y Bersama _z )HAI ₂ senyawa (dengan x + y + z = 1), sering disebut sebagai NMC karena mengandung nikel, mangan, dan kobalt;atau mereka menunjukkan struktur yang sama sekali baru dalam bentuk fosfat (misalnya, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Semua bahan katoda ini menunjukkan kapasitas dalam kisaran 120–160 Ah/kg pada 3,5–3,7 V, menghasilkan kerapatan energi maksimum hingga 600 Wh/kg.

Namun, ketika dikemas dalam perangkat nyata, banyak massa bahan tidak aktif ditambahkan dan densitas energi cenderung turun hingga 100 Wh/kg pada tingkat kemasan.Untuk mendorong kepadatan energi yang lebih tinggi, para peneliti telah mencari kapasitas yang lebih tinggi dan voltase yang lebih tinggi—dan menemukannya dalam oksida logam transisi yang kaya litium dan mangan.Senyawa ini pada dasarnya adalah bahan yang sama dengan NMC tetapi kelebihan lithium dan jumlah mangan yang lebih tinggi menggantikan nikel dan kobalt.Jumlah lithium yang lebih tinggi (sebanyak 20 persen lebih banyak) memungkinkan senyawa memiliki kapasitas yang lebih tinggi (Thackeray et al. 2007) dan voltase yang lebih tinggi, menghasilkan katoda hingga 280 Ah/kg saat diisi hingga 4,8 V. Namun , senyawa baru ini menunjukkan masalah stabilitas dan cenderung cepat memudar.

Menyeimbangkan Bahan dalam Sel

Baterai lithium ion terbuat dari lapisan elektroda berpori pada foil pengumpul arus aluminium dan tembaga (Daniel 2008).Kapasitas setiap pasangan elektroda perlu diseimbangkan untuk memastikan keamanan baterai dan menghindari risiko overcharge anoda (yang dapat mengakibatkan pelapisan logam litium dan korsleting) atau overdischarge katoda (yang dapat mengakibatkan runtuhnya struktur kristal dan hilangnya lowongan untuk lithium untuk interkalasi, secara dramatis mengurangi kapasitas).

Grafit memiliki kapasitas teoretis 372 Ah/kg, dua kali lipat dari lithium yang tersedia di katoda NMC.Jadi dalam baterai lithium ion seimbang, katoda biasanya menunjukkan ketebalan dua kali lipat dibandingkan dengan anoda.Cacat yang melekat pada desain sel ini menyebabkan masalah dengan transportasi massal dan kinetika, dan dengan demikian mendorong pencarian katoda berkapasitas tinggi.

Untuk meningkatkan kepadatan energi tingkat sel, bahan tidak aktif diminimalkan dalam sel baterai.Sebagai contoh, salah satu cara untuk mengurangi pengumpul arus adalah dengan meningkatkan ketebalan elektroda, namun hal ini semakin mendorong masalah pengangkutan dan membutuhkan porositas yang sangat direkayasa pada elektroda.

Tantangan Biaya dalam Memproduksi Baterai Litium Ion

Biaya baterai lithium ion jauh lebih tinggi daripada yang ditanggung pasar otomotif untuk penetrasi penuh kendaraan listrik dan produk yang hemat biaya dibandingkan dengan mobil yang dijalankan dengan mesin pembakaran internal.Target biaya Departemen Energi AS untuk semua baterai kendaraan listrik adalah $125/kWh energi yang dapat digunakan (DOE 2013).Biaya baterai komersial saat ini adalah $400–500/kWh dan proyeksi biayanya dengan bahan percobaan saat ini adalah $325/kWh.Sebagian besar pengurangan biaya sejauh ini telah dicapai dengan peningkatan densitas energi dengan biaya yang sama dengan produk generasi lama.

Pengurangan biaya lebih lanjut dimungkinkan melalui optimalisasi skema manufaktur.Baterai lithium ion diproduksi dalam set elektroda dan kemudian dirakit dalam sel.Bahan aktif dicampur dengan pengikat polimer, aditif konduktif, dan pelarut untuk membentuk bubur yang kemudian dilapisi pada foil pengumpul saat ini dan dikeringkan untuk menghilangkan pelarut dan membuat lapisan elektroda berpori.Pelarut pilihan, N-methylpyrrolidone (NMP), dianggap sebagai bahan tidak langsung (diperlukan untuk produksi tetapi tidak terkandung dalam perangkat akhir), tetapi harganya mahal, menunjukkan uap yang mudah terbakar, dan sangat beracun.

Uap NMP yang mudah terbakar mengharuskan semua peralatan pemrosesan selama produksi elektroda menjadi bukti ledakan, yang berarti semua komponen listrik penghasil percikan harus dilindungi dari uap dan ruang harus berventilasi tinggi untuk menjaga konsentrasi uap tetap rendah.Langkah-langkah ini meningkatkan biaya modal peralatan tersebut secara signifikan.

Selain itu, pabrik pembuatan elektroda diharuskan untuk menangkap kembali pelarut dari aliran pembuangannya, menyaringnya, dan mendaur ulangnya.Ini sekali lagi merupakan biaya tambahan.

Pengurangan Biaya dengan Pemrosesan Berbasis Air

Penggantian NMP dengan air merupakan peluang luar biasa untuk mengurangi biaya produksi baterai lithium ion.Biaya air dapat diabaikan dibandingkan dengan NMP;air tidak mudah terbakar dan tidak menghasilkan uap yang mudah terbakar;dan air ramah lingkungan.Namun, air adalah pelarut polar dan perilakunya benar-benar berbeda dari NMP nonpolar.Selain itu, bahan aktif cenderung menggumpal dan permukaan pengumpul arus logam bersifat hidrofobik, membuat proses pelapisan menjadi lebih sulit.

Pengetahuan tentang muatan permukaan pada partikel (dengan mengukur potensi zeta) memungkinkan desain polaritas permukaan dengan adanya air dengan memperkenalkan sejumlah kecil surfaktan.Dalam kasus senyawa interkalasi katoda, polietilen imida telah berhasil digunakan untuk memasukkan muatan permukaan yang cukup besar untuk menolak partikel sehingga tidak membentuk gumpalan yang tidak dapat diterima (Li et al. 2013).

Memahami energi permukaan logam dan tegangan permukaan bubur serta interaksinya memungkinkan pengoptimalan pasangan.Perlakuan plasma atmosfer pada permukaan logam melalui paparan plasma korona menghilangkan senyawa organik pada permukaan dan memungkinkan sedikit etsa dan oksidasi, yang secara dramatis mengurangi energi permukaan ke nilai di bawah tegangan permukaan bubur.Hal ini memungkinkan pembasahan permukaan yang sempurna oleh bubur dan menciptakan lapisan dengan daya rekat yang dioptimalkan (Li et al. 2012).Hasilnya adalah pengurangan biaya operasional dan bahan sebesar 75 persen dalam pembuatan elektroda dan potensi pengurangan biaya hingga 20 persen pada tingkat paket baterai untuk aplikasi otomotif (Wood et al. 2014).Ini tidak termasuk biaya peralatan yang lebih rendah: biaya yang terkait dengan peralatan pemrosesan plasma jauh lebih rendah daripada biaya untuk sistem pemulihan pelarut dan persyaratan tahan ledakan.

Peluang Masa Depan untuk Pengurangan Biaya

Pengurangan biaya lebih lanjut akan dicapai melalui pengetahuan yang lebih besar tentang mekanisme transportasi dan implikasi arsitektur elektroda untuk kinerja elektrokimia.Penelitian saat ini sebagian besar difokuskan pada pemodelan dan simulasi untuk memahami mekanisme molekuler dan meningkatkan desain elektroda, tumpukan elektroda, dan sel baterai.Elektroda yang lebih tebal dan pengurangan material yang tidak aktif secara luar biasa akan meningkatkan kerapatan energi dengan biaya lebih rendah, mengurangi biaya langsung, dan memungkinkan siklus pembentukan baterai yang jauh lebih singkat dan hemat energi.

Kesimpulan

Baterai ion litium memiliki potensi luar biasa untuk memungkinkan elektrifikasi sebagian hingga penuh armada otomotif, mendiversifikasi sumber energi untuk transportasi, dan mendukung penyimpanan energi skala besar untuk penetrasi pasokan energi terbarukan intermiten yang lebih tinggi.Namun, biaya terus menjadi masalah dan perlu diatasi dengan pengembangan rantai pasokan yang kuat, standar dalam manufaktur, throughput manufaktur yang tinggi, dan metode pemrosesan berbiaya rendah yang disederhanakan.Selain mengurangi biaya, penelitian dapat meningkatkan pengetahuan tentang proses molekuler dan masalah pengangkutan untuk mengoptimalkan desain dan penggunaan energi yang tersedia dalam baterai dan meningkatkan masa pakainya.

Seperti yang ditunjukkan dalam makalah ini, peningkatan kandungan dan kapasitas energi dalam bahan elektroda aktif dan pengurangan bahan tidak langsung dalam produksi adalah dua cara untuk mempengaruhi biaya.

Terima kasih

Bagian dari penelitian ini di Laboratorium Nasional Oak Ridge (ORNL; dikelola oleh UT Battelle, LLC) untuk Departemen Energi AS (di bawah kontrak DE-AC05-00OR22725) disponsori oleh Kantor Teknologi Kendaraan Efisiensi Energi dan Energi Terbarukan (EERE) Subprogram Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) (manajer program: Peter Faguy dan David Howell).Penulis mengakui banyak diskusi yang bermanfaat dengan dan kontribusi dari David Wood, Jianlin Li, dan Debasish Mohanty dari DOE Battery Manufacturing R&D Facility di ORNL dan Beth Armstrong di Divisi Ilmu dan Teknologi Material ORNL.

Sumber artikel：Jembatan Pegas： Dari Frontiers of engineering dan seterusnya