Simulasi Pengaruh Variasi Separator Terhadap Kinerja Baterai Lithium-Ion LGM50 Menggunakan Simulator Pybamm

Abstract

Baterai lithium-ion termasuk jenis baterai isi ulang dengan kepadatan energi yang tinggi, ramah lingkungan, dan aplikasi yang luas dalam penyimpanan energi bahkan kendaraan listrik. Baterai lithium-ion tipe LGM50 dalam penelitian ini, dipilih karena efisiensi energi yang tinggi, stabilitas struktural yang baik, dan umur baterai yang panjang. Salah satu komponen penting yang memengaruhi kinerja baterai adalah separator. Separator berperan penting untuk menjaga kestabilan lithium-ion yang bergerak di antara elektroda, namun separator tidak berpartisipasi secara langsung dalam reaksi elektrokimia. Penggunaan separator secara berkelanjutan dapat mengalami kerusakan dan cenderung mengering. Kerusakan dapat disebabkan oleh degradasi material akibat siklus pengisian maupun pengosongan. Desain separator seperti material penyusun, ketebalan, dan porositas berdampak terhadap kepadatan energi, kapasitas, tegangan, dan efisiensi pengisian daya baterai. PyBaMM (Python Battery Mathematical Modelling) adalah paket pemodelan baterai bersifat open-source untuk mensimulasikan baterai dengan cepat dan fleksibel. PyBaMM dirancang untuk berbagai model elektrokimia baterai dan dapat disimulasikan pada lebih dari satu kondisi. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis pengaruh dari variasi separator terhadap kinerja baterai, sehingga dapat mendukung desain baterai yang optimal dan meningkatkan kinerja baterai baik dalam hal kapasitas, efisiensi energi, maupun daya tahan. Penelitian ini menggunakan model baterai lithium-ion LGM50 dengan elektroda berbahan grafit dan NMC 811. Penelitian dimulai dengan mengumpulkan data untuk baterai LGM50 material separator PVDF dan polyolefin. Model elektrokimia baterai yang digunakan adalah DFN menggunakan set parameter O’Regan 2022. Variasi parameter separator difokuskan pada jenis material dan ketebalan separator. Material separator yang digunakan yaitu PVDF (polyvinylidene fluoride) dan polyolefin. Ketebalan separator yang digunakan pada rentang 2 μm hingga 40 μm, dengan interval 2 µm. Baterai diuji pada tingkat laju pengosongan 0,3C dan 2C. Keluaran yang dihasilkan berupa data simulasi, yang diolah lagi untuk menghasilkan grafik saat proses pengosongan. Pengaruh jenis material dan ketebalan separator terhadap nilai kepadatan energi diukur menggunakan sistem Two-Way ANOVA dengan metode uji F-statistic. Hasil simulasi menunjukkan desain baterai lithium-ion LGM50 dipengaruhi oleh jenis material separator dan ketebalan separator. Material PVDF dengan konduktivitas ionik lebih tinggi mampu mempertahankan nilai kepadatan energi agar tetap stabil meskipun ketebalan separator ditingkatkan. Material polyolefin lebih sensitif terhadap peningkatan ketebalan separator, yang dibuktikan dengan pola tren menurun pada grafik hasil. Peningkatan ketebalan separator cenderung mengurangi kepadatan energi. Hal ini disebabkan karena sel baterai membutuhkan lebih banyak ruang, sehingga tersisa lebih sedikit ruang untuk material aktif elektroda. Ketebalan separator optimal meningkatkan kinerja baterai berada pada rentang ketebalan 20 µm – 22 µm. Kepadatan energi saat C-Rate 0,3C untuk material PVDF berkurang dari 241,1 Wh/kg menjadi 239,9 Wh/kg dan material polyolefin berkurang dari 232,9 Wh/kg menjadi 202,6 Wh/kg. Selain itu, kepadatan energi saat C-Rate 2C untuk material PVDF berkurang dari 148,0 Wh/kg menjadi 147,5 Wh/kg dan material polyolefin berkurang dari 147,5 Wh/kg menjadi 143,1 Wh/kg. Selain itu, ketebalan separator dapat mengurangi kapasitas pengosongan akibat meningkatnya resistansi internal sel baterai. Kondisi ini menunjukkan energi tersimpan dalam sel baterai berkurang ketika ketebalan separator ditingkatkan. Kapasitas pengosongan ketika ketebalan separator ditingkatkan dari 2 µm menjadi 40 µm untuk material PVDF berkurang dari 4,4 Ah menjadi 4,3 Ah, sedangkan untuk material polyolefin berkurang dari 4,2 Ah menjadi 3,7 Ah.