Contents
Battery formation process merupakan tahap aktivasi elektrokimia awal yang dilakukan setelah sel baterai lithium ion dirakit dan diisi elektrolit. Pada proses ini, sel menjalani pengisian dan pengosongan menggunakan profil terkontrol untuk membentuk karakteristik elektrokimia yang diperlukan sebelum baterai digunakan.
Battery formation memiliki pengaruh besar terhadap kualitas akhir sel. Proses yang tidak sesuai dapat menyebabkan pembentukan lapisan pelindung yang kurang optimal, kehilangan kapasitas awal yang lebih besar, atau perubahan performa selama penggunaan. Produsen perlu mengendalikan arus, tegangan, temperatur, dan waktu secara konsisten. Dalam industri kendaraan listrik, formation menjadi bagian dari rangkaian produksi sebelum sel menjalani aging, pengujian kualitas, dan grading.
Apa Itu Battery Formation Process?
Battery formation adalah proses pengisian awal dan, sesuai protokol, pengosongan sel baterai untuk membentuk serta menstabilkan lapisan antarmuka elektrokimia pada elektroda.
Pada baterai lithium ion dengan anoda grafit, salah satu proses terpenting adalah pembentukan Solid Electrolyte Interphase (SEI). Lapisan ini terbentuk terutama ketika elektrolit mengalami reaksi reduksi pada permukaan anoda selama pengisian awal.
SEI yang terbentuk dengan baik membantu membatasi reaksi lanjutan antara elektrolit dan anoda, sekaligus memungkinkan ion lithium bergerak melalui lapisan tersebut. Karakteristiknya berpengaruh terhadap efisiensi awal, kapasitas, self discharge, dan umur siklus baterai.
Battery formation merupakan bagian dari manufaktur yang membutuhkan pengendalian parameter berdasarkan chemistry, desain sel, dan prosedur yang telah divalidasi. Berikut penjelasan lengkapnya.
Mengapa Formation Penting dalam Produksi Baterai Lithium?
Sel baterai yang baru selesai dirakit belum memiliki kondisi elektrokimia yang sama dengan sel yang telah melalui proses aktivasi. Pembentukan lapisan antarmuka berlangsung selama pengisian awal dan dapat memengaruhi performa jangka panjang.
Jika kondisi formation tidak tepat, reaksi samping dapat terus berlangsung dan mengonsumsi lithium aktif maupun elektrolit. Hal tersebut berpotensi meningkatkan kehilangan kapasitas dan mempercepat degradasi.
Di sisi lain, proses formation yang terlalu lama juga dapat menjadi hambatan produksi. Penelitian Oak Ridge National Laboratory menjelaskan bahwa wetting, formation, dan aging merupakan tahapan penting yang membutuhkan waktu serta investasi fasilitas cukup besar.
Tahapan Battery Formation Process
Urutan dan parameter formation dapat berbeda pada setiap produsen. Namun, secara umum prosesnya melibatkan beberapa tahap berikut.
1. Electrolyte Wetting
Sebelum pengisian awal dilakukan, elektrolit perlu membasahi elektroda dan separator secara memadai. Proses ini disebut electrolyte wetting.
Distribusi elektrolit yang tidak merata dapat menyebabkan bagian tertentu dari elektroda memiliki kondisi reaksi berbeda. Karena itu, waktu wetting, temperatur, dan metode penanganan sel perlu disesuaikan dengan desain serta karakteristik material.
Pada beberapa proses manufaktur, wetting dapat melibatkan kondisi vakum atau metode lain untuk membantu penetrasi elektrolit ke struktur berpori. Tahap ini berhubungan erat dengan formation karena kualitas pembasahan memengaruhi reaksi elektrokimia awal.
2. Initial Charging
Setelah kondisi sel sesuai, proses charging awal dijalankan menggunakan formation system. Arus pengisian biasanya dikendalikan secara hati-hati agar reaksi pembentukan lapisan antarmuka berlangsung sesuai target. Pada baterai lithium ion tertentu, profil dapat menggunakan tahapan Constant Current (CC) dan Constant Voltage (CV).
Namun, tidak ada satu nilai C rate atau tegangan yang berlaku untuk seluruh chemistry. Parameter harus mengikuti spesifikasi sel dan protokol yang telah divalidasi oleh produsen.
Selama pengisian, sistem mencatat perubahan tegangan, arus, temperatur, kapasitas, dan waktu. Data tersebut membantu engineer memastikan proses berjalan sesuai batas yang ditentukan.
3. Pembentukan dan Stabilisasi Lapisan SEI
Pada fase pengisian awal, reaksi antara elektrolit dan permukaan anoda membentuk lapisan SEI. Lapisan ini berfungsi sebagai antarmuka pelindung yang membantu membatasi dekomposisi elektrolit lebih lanjut. Meski demikian, pembentukannya juga mengonsumsi sebagian lithium aktif sehingga dapat terjadi kehilangan kapasitas irreversible pada siklus pertama.
Komposisi dan struktur SEI dipengaruhi oleh material elektroda, formulasi elektrolit, temperatur, serta profil pengisian. Proses formation perlu dirancang berdasarkan karakteristik sel, bukan sekadar mempercepat waktu charging.
4. Rest dan Discharge Sesuai Protokol
Setelah charging awal, beberapa prosedur formation memberikan rest period sebelum dilanjutkan ke discharge atau tahap pengisian berikutnya. Rest period memungkinkan kondisi sel mengalami relaksasi sesuai kebutuhan protokol. Sementara itu, discharge dapat digunakan untuk mengevaluasi respons awal dan memperoleh data kapasitas.
Jumlah siklus formation tidak selalu sama. Ada proses yang menggunakan beberapa tahapan charge-discharge dengan arus berbeda, sementara proses lainnya menerapkan profil yang disesuaikan dengan chemistry dan target manufaktur.
Perlu dibedakan bahwa formation bertujuan mengaktifkan serta membentuk karakteristik awal sel, sedangkan cycle life testing digunakan untuk mengevaluasi degradasi setelah penggunaan berulang.
5. Degassing dan Penyelesaian Sel
Pada desain sel tertentu, terutama pouch cell, proses formation dapat menghasilkan gas akibat reaksi elektrokimia awal. Produsen dapat melakukan degassing untuk mengeluarkan gas tersebut sebelum sel menjalani penyegelan akhir atau proses lanjutan. Metode dan urutannya bergantung pada desain sel serta proses manufaktur.Tahap ini perlu dilakukan menggunakan peralatan dan prosedur yang sesuai karena sel telah menyimpan energi dan mengandung elektrolit.
6. Aging dan Quality Control
Setelah formation, sel dapat menjalani aging dalam kondisi penyimpanan yang dikontrol. Pada tahap ini, perubahan tegangan dan parameter lainnya dipantau untuk mendeteksi sel yang menunjukkan self-discharge tidak wajar.
Untuk mendukung pemeriksaan tersebut, salah satu instrumen yang dapat digunakan adalah HIOKI Precision Battery Tester BT6065. Alat ini dirancang untuk pengukuran Open Circuit Voltage (OCV) dan AC Internal Resistance (AC IR) pada sel baterai EV berkapasitas besar, terutama untuk inline testing pada proses formation dan aging.
BT6065 memiliki resolusi tegangan maksimum 10 µV dan resolusi AC-IR hingga 0,01 µΩ. Kemampuan pengukuran simultan OCV dan IR membantu produsen memperoleh data secara cepat dan konsisten untuk pemeriksaan kualitas sel.
Selanjutnya, hasil pengukuran dapat dibandingkan dengan kapasitas dan parameter lain sebagai bagian dari quality control serta grading. Data tersebut membantu produsen memilih sel dengan karakteristik relatif seragam sebelum dirakit menjadi module.
Parameter yang Perlu Dikontrol Selama Formation
Keberhasilan formation tidak hanya ditentukan oleh tercapainya tegangan akhir. Engineer juga perlu memperhatikan konsistensi arus, temperatur, kapasitas, waktu, dan kondisi kontak elektrik.
Temperatur yang terlalu tinggi atau tidak seragam dapat memengaruhi reaksi pembentukan SEI. Sementara itu, kontak probe yang kurang baik dapat menyebabkan resistansi tambahan dan pemanasan yang tidak diinginkan.
Sistem formation industri biasanya dilengkapi monitoring, pencatatan data, serta proteksi terhadap kondisi abnormal. Seluruh hasil pengujian perlu dikaitkan dengan identitas sel agar proses produksi memiliki traceability.
Battery formation process merupakan tahapan penting dalam produksi baterai lithium-ion karena berperan dalam pembentukan karakteristik elektrokimia awal, terutama lapisan SEI pada sistem yang relevan.
Prosesnya mencakup electrolyte wetting, initial charging, stabilisasi antarmuka, rest atau discharge sesuai protokol, hingga aging dan quality control. Setiap tahap perlu dikendalikan agar produsen memperoleh sel dengan kualitas yang konsisten.
Bagi perusahaan yang sedang mengembangkan fasilitas produksi baterai, pemilihan formation system sebaiknya mempertimbangkan chemistry, kapasitas sel, jumlah channel, kebutuhan otomasi, serta integrasi dengan proses manufaktur lainnya.
EMS Technology menyediakan berbagai solusi testing dan measurement untuk kebutuhan industri, termasuk battery tester untuk formation. Perusahaan dapat berkonsultasi mengenai kebutuhan battery formation, charge-discharge testing, maupun instrumen pengujian sel lainnya agar konfigurasi yang dipilih sesuai dengan aplikasi produksi.
View this post on Instagram
Baca juga artikel lain tentang produksi baterai dari EMS Technology:
- Pengujian Baterai Lithium Ion
- Alat Uji Battery Testing untuk Pabrik Baterai
- Simulasi Kinerja BMS Pada Baterai Kendaraan Listrik
FAQ tentang Battery Formation Process
Apa perbedaan battery formation dan battery cycling?
Formation merupakan proses aktivasi elektrokimia awal pada sel yang baru diproduksi, sedangkan battery cycling digunakan untuk menjalankan siklus charge-discharge guna mengevaluasi performa atau degradasi baterai.
Apakah formation selalu menggunakan arus rendah?
Banyak protokol menggunakan pengisian awal yang terkontrol dengan arus relatif rendah, tetapi nilai dan tahapan arus bergantung pada chemistry serta desain sel. Tidak ada satu C-rate yang berlaku untuk semua baterai lithium-ion.
Berapa lama proses battery formation?
Durasi bergantung pada jenis sel, profil pengujian, dan proses manufaktur. Formation dapat berlangsung berjam-jam hingga beberapa hari, sementara rangkaian wetting, formation, dan aging dapat membutuhkan waktu lebih lama.
Apakah semua sel harus menjalani formation?
Pada manufaktur lithium-ion konvensional, formation merupakan tahap penting untuk mengaktifkan sel sebelum digunakan. Prosedur spesifik dapat berbeda menurut chemistry dan teknologi baterai yang digunakan.
