Mekanisme Korosi, Mode Kegagalan, dan Strategi Perlindungan Sistematis untuk Baterai-Litium Berselubung-Ion Aluminium

Korosi pada casing baterai aluminium dikategorikan menjadi dua jenis: korosi eksternal dan korosi internal. Korosi eksternal berasal dari paparan baterai terhadap zat korosif-seperti asam dan basa (misalnya, air hujan atau bahan pembersih)-selama penyimpanan atau pengoperasian, yang secara langsung mengikis permukaan casing aluminium. Sebaliknya, korosi internal lebih berbahaya dan berpotensi lebih berbahaya; akar penyebabnya terletak pada interkalasi litium ke dalam struktur aluminium dalam kondisi elektrokimia tertentu. Ketika potensial casing aluminium turun menjadi antara 0,2 dan 0,4 V (vs. Li/Li⁺), ion Li⁺ berinterkalasi ke dalam kisi kristal aluminium untuk membentuk paduan intermetalik seperti LiAl dan Li₃Al₂.

Proses ini menyebabkan perluasan kisi dan keretakan, yang pada akhirnya menyebabkan aluminium hancur, kehilangan kilau logamnya, dan membentuk lapisan korosi berpori. Proses degradasi ini biasanya dipicu oleh hubungan pendek yang tidak disengaja antara elektroda negatif dan casing aluminium.

Agar korosi internal dapat terjadi, tiga kondisi harus dipenuhi secara bersamaan: adanya jalur elektron, jalur ion, dan potensial korosif. Dari ketiganya, jalur ion (yang disediakan oleh elektrolit) tidak dapat dihindari; oleh karena itu, memblokir jalur elektron dan mengendalikan perbedaan potensial merupakan strategi inti untuk pencegahan korosi. Dalam desain standar, casing aluminium sel baterai prismatik memastikan isolasi listrik lengkap antara elektroda negatif dan casing melalui penggunaan bahan insulasi (seperti film insulasi atau-gasket penutup atas).

Namun, jika elektroda negatif bersentuhan dengan dinding bagian dalam selubung-baik karena cacat produksi (misalnya, tab elektroda yang terlalu panjang, perekat isolasi yang berpindah, atau enkapsulasi belitan yang buruk) atau kerusakan mekanis eksternal-tegangan antara elektroda negatif dan selubung akan mendekati 0 V, sehingga menciptakan kondisi yang diperlukan untuk korosi-interkalasi litium. Studi eksperimental telah menunjukkan bahwa, setelah beberapa siklus-pengosongan muatan, baterai yang rusak tersebut sering kali menunjukkan perforasi dan kebocoran elektrolit di sekitar katup-tahan ledakan.

Selain itu, korsleting eksternal juga menimbulkan risiko yang sama besarnya. Jika permukaan luar selubung baterai membentuk jalur konduktif ke terminal negatif-karena sisa elektrolit atau kontak dengan benda logam eksternal (seperti perlengkapan uji atau kabel)-hal ini juga dapat menurunkan tegangan selubung ke kisaran potensial korosif. Penelitian menunjukkan bahwa baterai dengan tegangan casing awal 1–2 V, ketika mengalami siklus pengisian-pengosongan setelah hubungan pendek buatan terjadi pada terminal negatif, dengan cepat menunjukkan tanda-tanda korosi casing aluminium. Pada tingkat paket baterai (PACK), jika selubung aluminium dari sel-sel individual yang berdekatan bersentuhan dengan listrik, hal ini mengubah distribusi potensial di seluruh rangkaian seri. Hal ini dapat menyebabkan tegangan selubung sel individual tertentu turun sangat rendah-atau bahkan menjadi negatif-sehingga memicu korosi lokal. Misalnya, pada baterai tiga-sel, hubungan pendek antara selubung aluminium pada sel pertama dan terakhir dapat menyebabkan tegangan selubung sel terminal turun hingga -1,5 V, sehingga mempercepat kegagalannya.

Faktor lingkungan juga tidak boleh diabaikan. Jika baterai-berselubung aluminium yang dirancang untuk kendaraan energi baru direndam dalam air asam lemah (pH ≈ 5), tegangan selubung tetap sulit pulih sepenuhnya, bahkan setelah dikeringkan. Jika siklus pengisian dan pengosongan terus berlanjut dalam keadaan terganggu ini, laju korosi akan meningkat secara signifikan. Hal ini terjadi karena keberadaan uap air menimbulkan jalur ionik tambahan, sementara ion pengotor mengkatalisis reaksi elektrokimia. Yang lebih penting lagi, dalam kondisi tegangan selubung rendah, litium logam dapat langsung menempel pada permukaan selubung aluminium, sehingga semakin memperburuk korosi paduan.

Dampak korosi terhadap kinerja baterai menunjukkan efek yang tertunda. Selama fase awal (misalnya, 400 siklus pertama), retensi kapasitas baterai berlapis aluminium yang dapat diisi ulang-tampaknya tidak dapat dibedakan dengan unit normal yang tidak berkarat; namun, seiring berjalannya siklus, litium aktif terus dikonsumsi dalam reaksi lithiasi yang terjadi pada selubung aluminium, yang menyebabkan hilangnya bahan aktif di katoda secara permanen. Setelah 1.500 siklus, retensi kapasitas baterai yang terkorosi dapat menurun dari 88% menjadi 60%. Dalam hal performa laju, tidak ada perbedaan signifikan yang teramati pada laju pelepasan di bawah 5C; namun, pada tingkat pengosongan yang tinggi melebihi 10C, resistansi internal baterai yang terkorosi meningkat, sehingga mengakibatkan penurunan kinerja yang nyata.