Battery Cycler: Cara Menguji Kapasitas, Efisiensi Coulomb, dan Siklus Hidup Baterai Lithium
Bagikan
Setiap material baterai baru, baik katoda, anoda, elektrolit, maupun aditif, pada akhirnya dinilai dengan pertanyaan yang sama: berapa kapasitasnya, seberapa efisien, dan bertahan berapa siklus? Alat yang menjawabnya adalah battery cycler, yang juga disebut battery testing system atau charge-discharge tester. Artikel ini membahas cara kerjanya, besaran yang diukur, protokol uji yang umum dipakai, dan cara memilih alat yang sesuai dengan sel yang Anda teliti.
Apa itu battery cycler
Battery cycler adalah instrumen dengan banyak kanal. Tiap kanal bekerja sendiri sebagai sumber arus atau tegangan yang terprogram: mengisi sel, mengosongkannya, beristirahat, lalu mengulanginya ratusan hingga ribuan kali. Selama itu, alat mencatat tegangan, arus, waktu, kapasitas, dan energi. Karena satu uji siklus hidup bisa berjalan berminggu-minggu, jumlah kanal menentukan berapa banyak sel dan variasi yang bisa diuji sekaligus.
Berbeda dengan potensiostat yang fleksibel untuk banyak teknik elektrokimia (CV, EIS, polarisasi), battery cycler dirancang untuk satu pekerjaan: uji charge-discharge jangka panjang di banyak sel secara bersamaan, dengan biaya per kanal yang jauh lebih rendah.
Besaran yang diukur
- Kapasitas spesifik (mAh/g): muatan yang tersimpan dibagi massa material aktif. Ini angka pertama yang dibandingkan dengan kapasitas teoretis material.
- C-rate: laju arus relatif terhadap kapasitas. 1C berarti sel terisi atau terkosongkan dalam sekitar 1 jam, C/10 dalam 10 jam, 2C dalam 30 menit.
- Efisiensi coulomb (CE): muatan yang keluar dibagi muatan yang masuk pada siklus yang sama, dalam persen. CE di bawah 100% menunjukkan ada muatan yang hilang ke reaksi samping, misalnya pembentukan lapisan SEI atau dekomposisi elektrolit.
- Retensi kapasitas: kapasitas pada siklus ke-n dibanding kapasitas awal. Batas akhir masa pakai yang sering dipakai adalah 80%.
- Kemampuan rate (rate capability): berapa kapasitas yang tersisa saat arus dinaikkan.
- Efisiensi energi dan overpotensial: selisih tegangan rata-rata antara pengisian dan pengosongan.
Menghitung arus uji
Arus uji dihitung dari massa material aktif dan kapasitas teoretisnya. Contoh untuk elektroda LiFePO4 di coin cell:
- Massa material aktif pada cakram elektroda: 2,0 mg
- Kapasitas teoretis LiFePO4: sekitar 170 mAh/g
- Kapasitas sel: 2,0 mg × 170 mAh/g = 0,34 mAh
- Arus 1C = 0,34 mA; C/10 = 34 µA
Arus sekecil itu menjelaskan mengapa rentang arus kanal penting. Akurasi battery cycler dinyatakan sebagai persen dari skala penuh (% FS), sehingga mengukur 34 µA di kanal 6 A jauh kurang teliti dibanding di kanal 10 mA. Untuk coin cell skala riset, pilih kanal berarus kecil; kanal ampere disiapkan untuk sel pouch, silinder, dan modul.
Rentang arus berjenjang
Cycler kelas miliampere biasanya membagi tiap kanal menjadi beberapa sub-rentang, dan alat memilih sub-rentang yang paling sesuai dengan arus yang diprogram. Akurasi % FS berlaku pada sub-rentang itu, bukan pada arus maksimum kanal. Contoh dari katalog Neware untuk seri CT-4000/CT-8000:
| Kanal | Rentang 1 | Rentang 2 | Rentang 3 | Rentang 4 |
|---|---|---|---|---|
| 5V10mA | 5 µA–1 mA | 1–5 mA | 5–10 mA | – |
| 5V20mA | 5 µA–1 mA | 1–10 mA | 10–20 mA | – |
| 5V50mA | 5 µA–1 mA | 1–25 mA | 25–50 mA | – |
| 5V100mA | 0,2 µA–0,1 mA | 0,1–1 mA | 1–10 mA | 10–100 mA |
Pada contoh LiFePO4 di atas, arus C/10 sebesar 34 µA dan arus 1C sebesar 0,34 mA sama-sama jatuh di rentang 1 kanal 5V10mA. Katalog Neware mencantumkan akurasi tegangan dan arus seri ini ±0,01% / 0,02% / 0,05% FS (tergantung model), dengan frekuensi perekaman hingga 1000 Hz.
Protokol uji yang umum dipakai
- Istirahat awal (OCV). Sel didiamkan beberapa jam setelah dirakit agar elektrolit membasahi pori elektroda dan separator.
- Siklus formasi. Dua sampai tiga siklus pada arus rendah (misalnya C/10 atau C/20) untuk membentuk lapisan SEI yang stabil.
- Uji rate. Beberapa siklus pada setiap laju, misalnya C/10, C/5, C/2, 1C, 2C, lalu kembali ke C/10 untuk melihat apakah kapasitas pulih.
- Uji siklus hidup. Siklus berulang pada laju tetap (misalnya 1C) hingga retensi mencapai 80% atau jumlah siklus target tercapai.
Pengisian biasanya memakai metode CC-CV: arus konstan hingga tegangan batas atas, lalu tegangan ditahan sampai arus turun ke nilai tertentu (misalnya C/20). Pengosongan memakai arus konstan hingga tegangan batas bawah.
Jendela tegangan bergantung pada material. Contoh rentang yang sering dipakai di literatur:
| Sistem | Jendela tegangan (contoh) |
|---|---|
| LiFePO4 vs Li (half-cell) | 2,5–4,2 V |
| NMC vs Li (half-cell) | 3,0–4,3 V |
| Grafit vs Li (half-cell) | 0,01–1,5 V |
| Li4Ti5O12 (LTO) vs Li | 1,0–2,5 V |
| LiFePO4 / grafit (full cell) | 2,5–3,65 V |
Selalu sesuaikan dengan literatur untuk material dan formulasi Anda. Untuk pengenalan LiFePO4, baca artikel Baterai LiFePO4: kelebihan dan keterbatasannya.
Membaca data
- Kurva tegangan terhadap kapasitas: plateau yang datar dan panjang menandakan reaksi dua fasa seperti pada LiFePO4; kemiringan dan pergeseran plateau dari siklus ke siklus menunjukkan perubahan resistansi.
- dQ/dV (incremental capacity): turunan kapasitas terhadap tegangan. Puncak-puncaknya mewakili transisi fasa, dan pergeseran atau pengecilan puncak membantu menunjukkan jenis degradasi.
- Tren efisiensi coulomb: CE yang naik mendekati 100% setelah beberapa siklus pertama menandakan SEI sudah stabil. CE yang tetap rendah menandakan reaksi samping terus berlangsung.
- GITT dan DCIR: GITT adalah rangkaian pulsa arus dan istirahat untuk memperkirakan koefisien difusi ion; DCIR menghitung resistansi dari lonjakan tegangan saat pulsa arus. Keduanya tersedia sebagai langkah uji di cycler modern. Spesifikasi CT-4008Tn-5V10mA, misalnya, mendukung mode pulsa dengan lebar minimum 500 ms dan titik hitung DCIR yang bisa diatur.
Untuk spektroskopi impedansi (EIS), yang memisahkan resistansi ohmik, transfer muatan, dan difusi, gunakan potensiostat yang dilengkapi modul EIS. Sel yang sama bisa diukur EIS di sela uji siklus.
Penyebab data yang tidak bisa diulang
- Suhu tidak dikendalikan. Kapasitas dan resistansi berubah dengan suhu ruang dari siang ke malam. Uji yang serius dijalankan di dalam chamber bersuhu konstan.
- Kontak yang buruk. Klip atau holder yang longgar menambah resistansi dan memotong kurva lebih awal.
- Perakitan sel. Kelembapan saat perakitan, crimping yang tidak rapat, dan jumlah elektrolit yang berbeda-beda antar sel adalah sumber variasi terbesar.
- Massa aktif yang salah timbang. Kesalahan 0,1 mg pada elektroda 2 mg sudah memberi kesalahan 5% pada kapasitas spesifik.
- Satu sel per variasi. Uji beberapa sel identik untuk setiap variasi agar perbedaan yang dilaporkan bukan kebetulan perakitan.
Cara memilih battery cycler
- Rentang arus per kanal. Coin cell: mikroampere hingga miliampere. Sel pouch dan 18650: ampere. Modul dan pack: puluhan ampere dengan tegangan tinggi.
- Tegangan maksimum. 5 V cukup untuk satu sel Li-ion; rangkaian seri memerlukan tegangan lebih tinggi.
- Jumlah kanal. Hitung jumlah variasi dikalikan jumlah sel ulangan, lalu pertimbangkan bahwa uji siklus hidup mengunci kanal selama berminggu-minggu.
- Perangkat lunak dan perlindungan data. Kemudahan menyusun langkah (CC, CV, rest, loop) dan mengekspor data mentah. Pastikan uji tetap berjalan bila komputer mati: spesifikasi CT-4008Tn misalnya mencantumkan power-off data protection dan off-line operating, database MySQL, serta ekspor ke Excel dan TXT.
- Aksesori. Holder atau klip coin cell, klem pouch, rak, dan chamber suhu.
Battery cycler Neware dan perlengkapan uji baterai di AMI Scientific
Neware adalah produsen peralatan uji baterai yang berdiri sejak 1998 di Shenzhen, Tiongkok. Lini produknya mencakup cycler miliampere untuk riset hingga sistem uji modul dan pack berdaya ratusan kilowatt. Koleksi Neware di AMI Scientific berisi battery cycler untuk berbagai format sel:
- Coin cell dan half-cell: seri CT-4008 dengan kanal 5V10mA, 5V20mA, dan 5V50mA, serta CT-8002Q 5V100mA.
- Pouch dan silinder: CT-4008 5V6A, BTS-4008 5V6A, dan BTS 10V6A.
- Modul: CE-6004n 150V50A.
- Aksesori: klip coin cell, klem pouch, rak, middle machine, dan chamber suhu MHW-200.
Untuk merakit sel, tersedia casing coin cell CR2032, mesin crimping, dan pemotong cakram elektroda. Material elektroda dan elektrolit ada di koleksi material baterai, dan pengukuran EIS bisa dilakukan dengan potensiostat Corrtest beserta kabel coin cell CS951.
Belum perlu membeli alat? AMI juga menerima layanan analisis elektrokimia, termasuk uji charge-discharge, CV, dan EIS. Kirimkan kimia baterai, format sel, dan jumlah kanal yang Anda butuhkan melalui WhatsApp, tim kami akan menyarankan konfigurasi dan menyiapkan penawaran resmi.