Baterai lithium-ion seperti klip kertas. Apa yang dimaksud dengan degradasi kemo-mekanis, yang muncul pada headphone dan kendaraan listrik?
Semua orang tahu bahwa baterai pasti akan rusak seiring penggunaan, namun untuk waktu yang lama tidak ada insinyur yang dapat menjelaskan dengan tepat bagaimana perubahan mikroskopis kecil berubah menjadi hilangnya kapasitas secara konstan seiring berjalannya waktu.
Sebuah studi baru diterbitkan in Science sekarang menunjuk pada bagian penting dari teka-teki: the “pernapasan” mekanis baterai, yaitu pemuaian dan penyusutan berulang-ulang pada komponen internalnya pada setiap siklus pengisian dan pengosongan.
Penelitian yang dikembangkan oleh tim dari University of Texas di Austin, Northeastern University, Stanford University dan Argonne National Laboratory, menggambarkan fenomena yang dikenal sebagai degradasi kimia-mekanis. Sederhananya, saat baterai diisi, ion litium memasuki elektroda; ketika habis, mereka keluar. Migrasi kimia ini menimbulkan tekanan fisik pada material. Selama ribuan siklus, upaya ini terakumulasi dan menyebabkan deformasi internal yang melemahkan sel hingga mencapai titik kegagalan.
“Dengan setiap ‘nafas’ drum, ada kadar tertentu tidak dapat diubah”menjelaskan Yijin Liuprofesor di Universitas Texas di Austin dan pemimpin penelitian. ITU Sains ZMEdalam sebuah artikel yang didedikasikan untuk penelitian ini, membandingkan fenomena tersebut dengan apa yang terjadi dengan a klip kertas, yang dibengkokkan berulang kali hingga patah, satu beban mungkin tidak menyebabkan kerusakan yang terlihat tetapi pengulangan yang terus menerus akan meninggalkan bekas.
Kebaruan besar dari pekerjaan ini adalah identifikasi mekanisme internal yang disebut “deformasi cascades”. Elektroda terdiri dari ratusan ribu partikel mikroskopis yang padat, dan tim mengamati bahwa partikel-partikel ini tidak bereaksi secara seragam terhadap tekanan elektrokimia. Beberapa bergerak cepat, sementara yang lain relatif stabil.
Perbedaan ini menciptakan tekanan lokal yang, seiring berjalannya waktu, menyebabkan terbentuknya retakan dan kerusakan struktural. Ketika patah tulang dimulai, jalur listrik menurun dan hilangnya kinerja cenderung semakin cepat.
Untuk mencapai kesimpulan ini, para peneliti beralih ke teknik pencitraan “operasional” yang canggih, yang memungkinkan untuk mengamati material saat sedang bekerja, dan bukan hanya setelah gagal. Di antara metode yang digunakan adalah mikroskop sinar-X transmisi dalam layanan dan laminografi sinar-X 3D, yang memungkinkan untuk melihat bagian dalam baterai utuh selama siklus pengisian dan pengosongan sebenarnya, tanpa memotong atau mengubahnya secara fisik.
Fenomena ini awalnya terdeteksi secara tidak terduga ketika tim menganalisis baterai kecil di earphone nirkabel: tekanan mekanis yang sama muncul pada sel kecil dan baterai yang lebih besar.
Implikasinya jauh melampaui telepon seluler. Degradasi merupakan hambatan utama dalam mencapai tujuan ini kendaraan listrik dan untuk sistem penyimpanan jaringan listrik yang terkait dengan energi terbarukan, yang bergantung pada baterai yang mampu mendukung siklus bertahun-tahun. Baterai dengan masa pakai lebih pendek meningkatkan biaya, menghasilkan lebih banyak limbah, dan menunda transisi energi.
Dengan mengidentifikasi bagaimana dan di mana tekanan mekanis terakumulasi, penelitian ini juga memberikan petunjuk mengenai hal tersebut memperbaiki desain: menerapkan tekanan terkontrol pada sel untuk membatasi deformasi dan mendesain ulang elektroda sehingga partikel bergerak lebih homogen, sehingga mengurangi kemungkinan aliran deformasi.
