Categories
Articles

Fast charging – realita atau hanya mimpi

Hampir setiap hp di pasar sekarang ini menonjolkan kemampuannya untuk melakukan fast charging (pengisian cepat). Mereka sering melempar angka seperti “80% dalam 30 menit” atau “isi penuh kurang dari 1 jam” dalam memasarkan gawai terakhirnya. Istilah fast charging semakin populer dengan semakin maraknya kendaraan listrik. Fast charging dipandang menjadi syarat kunci keberhasilan ekonomi kendaraan listrik secara luas. Baterai lithium-ion (BLI) saat ini menawarkan densitas energi tinggi, yang mencapai 421 W h/kg untuk baterai yang menggunakan katoda LiNixCoyMn1-xy (NCM) dan 279 W h/kg untuk katoda asli LiCoO2 (LCO). Densitas energi yang tinggi tersebut memungkinkan jelajah berkendara yang cukup jauh, tetapi memakan waktu jauh lebih lama untuk mengisi ulang daripada kendaraan mesin pembakaran dalam tradisional. Berdasarkan pengalaman mengisi bahan bakar untuk berkendara (400-800 km) di pom bensin hanya dalam beberapa menit, masyarakat mengharapkan praktik serupa untuk kendaraan listrik.

Pada tingkat paling dasar, fast charging secara sederhana adalah meningkatkan jumlah daya dalam watt (W) yang dikirimkan ke baterai. Daya dihitung sebagai hasil dari arus (Ampere, A) dikalikan dengan tegangan (Volt, V). Arus adalah jumlah arus listrik yang diangkut, sedangkan tegangan adalah gaya yang mendorong arus ini bergerak. Sifat jamak bahan anoda, katoda dan elektrolit memengaruhi kemampuan fast charging sel baterai.

Untuk mencapai kemampuan fast charging, densitas daya sel baterai harus ditingkatkan, yang harus dibayar dengan turunnya densitas energi. Jadi, selalu ada trade-off antara jarak jelajah dan fast charging. Yang membatasi kecepatan pengisian adalah efek polarisasi yang bisa menyebabkan pelapisan logam Li, pemakaian bahan aktif terbatas dan kenaikan suhu. Charger DC tegangan tinggi keadaan arus mampu mengirimkan daya puncak sampai 350 kW. Mobil Porsche Tycan dengan baterai 93,4 kW h mengizinkan daya pengisian maksimum 270 kW, sedangkan rata-rata selama pengisian adalah 187 kW. Jadi, pengisian ulang dari 5% sampai 80% dari state of charge (SOC) memerlukan waktu 23 menit. Sebagai perbandingan, mobil Tesla Model 3 dengan baterai 75 kW diisi ulang sampai 80% SOC dalam 27 menit menggunakan Supercharger Tesla yang mengirimkan daya puncak 250 kW dalam generasi ketiganya. Jadi, daya pengisian rata-rata sekitar 130 kW, dengan nilai maksimum dicapai hanya dalam waktu 5 menit selama 20% awal.

Beberapa faktor kunci yang membatasi kecepatan fast charging telah diidentifikasi, yang meliputi: (i) difusi ion lithium dalam bahan aktif anoda, (ii) difusi ion lithium dalam bahan aktif katoda, (iii) perpindahan ion lithium dalam fase elektrolit, dan (iv) kinetika perpindahan muatan pada batas fase. Dari perspektif bahan, pelapisan lithium pada anoda grafit dan difusi lithium dalam bahan aktif katoda merupakan pembatas kecepatan utama. Pada tingkat sel, pembuangan panas yang terbatas dan pengisian konvensional arus konstan-tegangan konstan menghambat aplikasi fast charging. Suhu operasi sangat memengaruhi energi, kapasitas, keandalan dan ketahanan baterai. Suhu tinggi mempercepat degradasi kapasitas dan memperpendek umur baterai. BLI bekerja optimum pada kisaran suhu 25-40 oC. Ketika dibutuhkan kecepatan tinggi, sistem manajemen thermal yang efisien adalah penting karena dihasilkan panas dalam jumlah yang besar, khususnya pada suhu ambient tinggi.

Proses pengisian umumnya dilakukan menggunakan langkah arus konstan diikuti dengan langkah tegangan konstan. Deposisi logam lithium pada permukaan anoda rawan terjadi ketika menambah arus selama proses fast charging karena polarisasi signifikan yang terbentuk pada antarmuka elektroda-elektrolit. Meskipun waktu yang dibutuhkan untuk tegangan perhentian berkurang ketika menaikkan arus, lebih banyak waktu akan diperlukan untuk memperoleh nilai arus yang diinginkan selama fase tegangan konstan. Jadi, waktu pengisian tidak berkurang signifikan.

Sebagai penutup dapat dikatakan bahwa salah satu faktor utama yang dibutuhkan untuk fast charging adalah difusivitas ion Li dalam bahan aktif yang cepat. Bahan anoda harus dirancang agar menawarkan halangan rendah bagi ion untuk bermigrasi didalamnya maupun untuk difusi didalam bahannya sendiri. Jadi, pelapisan lithium – halangan utama yang diamati pada anoda grafit – dapat dikurangi juga. Sistem manajemen thermal harus diterapkan untuk pembuangan panas optimum untuk mengurangi degradasi dan memperpanjang umur baterai. Selain itu, perbaikan protokol pengisian (charging) harus dipertimbangkan, misalnya: pulsa dan penurunan bertahap, selain arus konstan dan tegangan konstan.

Pustaka

M. Weiss dkk., Fast Charging of Lithium-Ion Batteries: A Review of Materials Aspects, Advanced Energy Materials, 202111, 2101126.

By Lab Elkimkor

We belong to the Department of Chemical Engineering, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s