Dengan pesatnya popularitas kendaraan listrik dan perangkat penyimpanan energi, permintaan pasar terhadap baterai bertenaga listrik tidak hanya berkaitan dengan kepadatan energi dan keamanan, namun juga kemampuan pengisian cepat dan masa pakai yang lama. Baterai lithium-ion elektrolit cair tradisional sering menghadapi bahaya keselamatan dan peningkatan penurunan kapasitas selama pengisian cepat, sementara semua baterai solid state (ASSB) telah menarik perhatian industri karena potensi keunggulannya dalam keamanan dan stabilitas termal elektrolit solid-state.
Namun, mencapai pengisian cepat ASSB pada kepadatan energi yang tinggi bukanlah tugas yang mudah. Elektrolit padat konvensional menghadapi difusi ion yang terbatas, peningkatan impedansi antarmuka elektrolit elektroda, dan degradasi struktural elektroda komposit dalam kondisi kecepatan tinggi selama pengisian kecepatan tinggi, yang menyebabkan penurunan kapasitas dan umur siklus yang buruk. Penelitian sebelumnya berfokus pada peningkatan konduktivitas ion, mengoptimalkan antarmuka, dan merancang elektroda. Namun, mencapai pengisian cepat dalam skala praktis dan elektroda dengan pembebanan area tinggi sambil mempertahankan siklus hidup yang panjang masih merupakan tantangan besar.
Penelitian ini berfokus pada sistem kombinasi elektroda positif NCM (LiNixMnyCozO2) dan elektrolit padat Li6PS5Cl. Melalui rekayasa elektroda halus dan optimalisasi antarmuka, ia berupaya mencapai pengisian daya berkecepatan tinggi (seperti 15mA/cm2) di bawah elektroda tebal dan kondisi beban tinggi, sekaligus menjaga stabilitas baterai selama ribuan siklus. Dengan kata lain, tim peneliti bertujuan untuk mengembangkan pedoman desain yang komprehensif untuk semua baterai solid state, memungkinkan mereka mencapai pengisian cepat dengan efisiensi tinggi dan kerugian rendah sambil mengejar kepadatan energi yang tinggi.
1. Desain eksperimental dan konstruksi elektroda
Penelitian ini memilih NCM sebagai bahan aktif elektroda positif (CAM), Li6PS5Cl (LPSC) sebagai elektrolit padat, dan dikombinasikan dengan bahan konduktif dan pengikat (seperti serat nano karbon CNF) dan komponen lainnya. Ide intinya adalah membangun skema perakitan baterai solid-state sepenuhnya untuk desain elektroda 3-melalui serangkaian kriteria desain (i) hingga (ix). Prinsip-prinsip desain ini meliputi:
Ukuran dan distribusi partikel yang tepat membuat saluran transpor ion dan jalur konduksi elektron lebih seragam.
Optimalkan ketebalan elektroda, porositas, dan kepadatan pemadatan untuk mencapai kapasitas area yang lebih tinggi dan kontak antarmuka yang stabil.
Kontrol struktur mikro dan rasio partikel elektroda positif untuk memastikan bahwa difusi ion tidak terhambat secara signifikan dalam kondisi pengisian daya berkecepatan tinggi.
Tim peneliti memvalidasi stabilitas struktural dan perubahan porositas elektroda yang dirancang pada waktu siklus yang berbeda melalui metode karakterisasi seperti rekonstruksi 3D SEM, XRD, XPS, dan FIB-SEM.
2. Uji kinerja pengisian cepat
Penelitian ini pertama kali melakukan uji pengisian daya cepat pada 3-elektroda semua baterai solid state menggunakan elektrolit NCM/LPSC dan konfigurasi elektroda negatif Li In pada suhu 30 derajat . Kepadatan arus pengisian secara bertahap meningkat dari 1mA/cm2 menjadi 15mA/cm2 (setara dengan pengisian kecepatan tinggi sekitar 8C), dan kepadatan arus yang lebih rendah (seperti 1mA/cm2) digunakan selama pengosongan untuk mengamati retensi kapasitas dan umur siklus di bawah kondisi pengisian daya tingkat tinggi.
Hasilnya menunjukkan bahwa:
Pada kecepatan pengisian tinggi 15 mA/cm2, baterai masih dapat mencapai kapasitas tinggi sekitar 150/mAh/g (berdasarkan bahan aktif NMC), dengan tingkat pemanfaatan efektif lebih dari 90%, dan waktu pengisian dapat ditingkatkan. dipersingkat menjadi sekitar 8 menit. Artinya, pengisian cepat dari SOC 10% hingga SOC 80% dapat dicapai dalam waktu 10 menit, mendekati ekspektasi industri kendaraan listrik terhadap pengisian cepat.
Baterai mempertahankan retensi kapasitas 81% setelah 3000 siklus pengisian kecepatan tinggi berturut-turut, dengan efisiensi coulomb mendekati 99%, menunjukkan stabilitas siklus panjang yang sangat baik.
Hal ini menunjukkan bahwa melalui desain struktur mikro yang rasional dan kombinasi material, pengisian dan pengosongan berkecepatan tinggi dengan masa pakai yang lama dapat dicapai bahkan pada suhu yang relatif rendah (30 derajat).
3. Mekanisme mikroskopis dan evolusi struktural dari pengisian dan pengosongan tingkat tinggi
Untuk memahami kinerja bersepeda yang luar biasa tersebut, para peneliti menyiapkan sampel cross-sectional menggunakan FIB-SEM dan melakukan analisis rekonstruksi 3D setelah 10 dan 1000 siklus. Hasilnya, ditemukan bahwa:
Porositas awal elektroda adalah sekitar 3%, dan setelah 10 siklus, porositas sedikit meningkat menjadi 3,6%, dan setelah 1000 siklus meningkat menjadi sekitar 6,9%. Meskipun porositas mengalami peningkatan, namun masih dalam batas terkendali. Dapat dilihat bahwa dalam siklus kecepatan tinggi, struktur mikro partikel elektroda positif mengalami deformasi tertentu dan peningkatan pori, namun belum menyebabkan pelepasan parah atau delaminasi antarmuka.
Tidak ada tanda yang jelas mengenai akumulasi besar lapisan reaksi samping permukaan. Meskipun mungkin ada tegangan antarmuka dan retakan mikro antara seluruh elektrolit padat dan partikel elektroda positif, impedansi antarmuka tidak meningkat secara signifikan dengan siklus melalui rasio partikel yang sesuai dan metode pengepakan yang ketat.
Pola evolusi struktural ini menunjukkan bahwa dalam elektroda komposit yang dioptimalkan, meskipun pengisian dan pengosongan laju tinggi menyebabkan perluasan pori mikro tertentu dan perubahan tegangan struktural, jaringan konduktif secara keseluruhan masih relatif stabil.
4. Eksplorasi mendalam pada kondisi beban tinggi dan kecepatan tinggi
Untuk memenuhi persyaratan aplikasi praktis, tim peneliti berupaya meningkatkan ketebalan dan kapasitas pemuatan bahan aktif elektroda positif, sehingga meningkatkan kepadatan energi baterai secara keseluruhan. Hasil:
Ketika ketebalan elektroda positif meningkat dari sekitar 70 µm menjadi 140 µm dan 210 µm, pemanfaatan kapasitas tinggi dan stabilitas siklus masih dapat dicapai melalui uji pengisian daya pada 50mA/cm2. Perlu dicatat bahwa elektroda positif setebal 210 µm setara dengan kapasitas pemuatan sekitar 45 mg/cm2, yang cukup signifikan pada baterai solid-state.
Mewujudkan pengisian cepat pada elektroda yang lebih tebal menunjukkan bahwa strategi desain material secara efektif meningkatkan kemampuan difusi vertikal ion dalam elektrolit padat dan mempertahankan kontak erat antar partikel internal, sehingga membantu mengurangi retensi ion dalam saluran difusi.
Bahkan pada elektroda dengan beban tinggi, pengisian daya selama 10 menit dalam kondisi pemanasan yang sesuai (80 derajat) dapat mencapai pemanfaatan bahan aktif hingga 85%. Debitnya juga menunjukkan karakteristik bersepeda yang baik. Hal ini memberikan peluang yang layak untuk aplikasi baterai kendaraan listrik skala besar di masa depan: dengan menggunakan elektroda yang lebih tebal dan beban massa yang lebih tinggi, keluaran energi yang lebih tinggi dapat dicapai tanpa mengorbankan kinerja dan masa pakai pengisian cepat.
5. Analisis impedansi elektrokimia dan penurunan kinerja
Untuk menganalisis secara mendalam mekanisme perubahan kinerja, para peneliti melakukan pengukuran spektroskopi impedansi arus bolak-balik (EIS) pada baterai sebelum dan sesudah siklus:
Setelah beberapa siklus awal, impedansi baterai sedikit meningkat, namun kemudian stabil selama ribuan siklus. Artinya jika pada awalnya ada penyesuaian antarmuka mikro, maka proses stabilisasi dasar telah selesai pada siklus awal.
Tidak ada pertumbuhan berlebihan yang jelas dari lapisan reaksi samping atau sinyal karakteristik pemblokiran ion, yang menunjukkan bahwa susunan partikel dan struktur antarmuka yang dirancang dengan cermat masih dapat mempertahankan saluran transmisi yang efisien dalam kondisi beban tinggi dan kecepatan tinggi dalam jangka panjang.
Analisis lebih lanjut menunjukkan bahwa dalam kondisi pengisian cepat, laju difusi ion menjadi faktor pembatas, dan desain penelitian ini berhasil mengurangi batasan ini, memungkinkan ion dengan cepat melewati antarmuka partikel elektrolit, meningkatkan pemanfaatan dan mengurangi polarisasi.
Ringkasan
Studi ini telah menetapkan serangkaian kriteria desain untuk mencapai kepadatan energi yang tinggi, pengisian daya yang cepat, dan masa pakai yang lama pada semua baterai solid state, dan menunjukkan keefektifannya melalui eksperimen. Dengan mengoptimalkan kombinasi bahan elektroda positif NMC dan elektrolit padat sulfida (LPSC), mendistribusikan partikel secara wajar, mengontrol porositas dan ketebalan elektroda, kinerja luar biasa dicapai pada suhu 30 derajat dengan kapasitas tinggi (~150 mAh/g) dan masa pakai yang lama (81% retensi kapasitas setelah 3000 siklus) bahkan ketika diisi pada 15 mA/cm2 (kecepatan sekitar 8C). Sementara itu, dengan menambah ketebalan dan beban elektroda positif, pengisian cepat pada kisaran SOC tinggi (10% -80%) masih dapat diselesaikan dalam waktu 10 menit melalui pemanasan sedang (80 derajat ).