Studi Eksperimental Dan Numerik Pengaruh Filler Tembaga Dan Besi Terhadap Konduktivitas Termal Phase Change Material Komposit Untuk Meningkatkan Kinerja Sistem Manajemen Termal Baterai Lithium-Ion

Haryanto, Makoto Bintang (2026) Studi Eksperimental Dan Numerik Pengaruh Filler Tembaga Dan Besi Terhadap Konduktivitas Termal Phase Change Material Komposit Untuk Meningkatkan Kinerja Sistem Manajemen Termal Baterai Lithium-Ion. Other thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 5007211205_undergraduate_thesis.pdf Restricted to Repository staff only Download (5MB) | Request a copy

Abstract

Baterai lithium-ion merupakan komponen utama pada kendaraan listrik yang memiliki keunggulan berupa kepadatan energi tinggi dan umur pakai panjang, namun sangat sensitif terhadap kenaikan temperatur selama proses charging dan discharging. Panas berlebih yang tidak terkelola dengan baik dapat menurunkan performa dan meningkatkan risiko kegagalan termal. Phase Change Material (PCM) berbasis parafin banyak digunakan sebagai sistem pendinginan pasif karena kemampuannya menyerap panas laten, tetapi memiliki keterbatasan berupa konduktivitas termal yang rendah. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan karakteristik termal PCM melalui penambahan material filler logam berupa tembaga (Cu) dan besi (Fe), serta mengevaluasi pengaruhnya terhadap kinerja sistem manajemen termal baterai lithium-ion. PCM komposit dibuat dengan variasi fraksi massa filler sebesar 2–40 wt.% dengan interval 2 dan kemudia diuji secara eksperimental menggunakan metode Transient Plane Source (TPS) untuk memperoleh nilai konduktivitas termal efektif. Hasil pengujian menunjukkan bahwa konduktivitas termal meningkat dari 0,2244 W/m·K pada PCM murni menjadi 0,4539 W/m·K pada PCM Fe 40 wt.% dan 0,5949 W/m·K pada PCM Cu 40 wt.%. Nilai konduktivitas hasil eksperimen selanjutnya digunakan sebagai nilai properti material pada simulasi numerik berbasis Computational Fluid Dynamics menggunakan ANSYS Fluent. Simulasi dilakukan pada baterai lithium-ion tipe 18650 dengan selimut PCM setebal 3 mm, menggunakan model perpindahan panas konduksi–konveksi pada kondisi discharge 3C (9 A). Hasil simulasi menunjukkan bahwa temperatur maksimum sel baterai dengan PCM murni mencapai 333,27 K, sedangkan penggunaan PCM komposit mampu menurunkan temperatur sel menjadi 328,45 K pada PCM Fe 40 wt.% dan 328,23 K pada PCM Cu 40 wt.%. Penurunan temperatur tersebut menghasilkan peningkatan efektivitas pendinginan sebesar 1,45% untuk PCM Fe dan 1,51% untuk PCM Cu. Selain itu, PCM Cu menunjukkan distribusi temperatur yang lebih homogen akibat konduktivitas dan difusivitas termal yang lebih tinggi, sementara PCM Fe memiliki kemampuan mempertahankan fase padat yang lebih baik karena kontribusi panas laten yang lebih besar.
========================================================================================================================
Lithium-ion batteries are a key component in electric vehicles due to their high energy density and long service life; however, they are highly sensitive to temperature rise during charging and discharging processes. Excessive heat that is not properly managed can degrade performance and increase the risk of thermal failure. Paraffin-based Phase Change Materials (PCMs) are widely used as passive cooling systems because of their ability to absorb latent heat, but they suffer from low thermal conductivity. Therefore, this study aims to enhance the thermal characteristics of PCM by incorporating metallic fillers in the form of copper (Cu) and iron (Fe), and to evaluate their effects on the performance of a lithium-ion battery thermal management system.PCM composites were prepared with filler mass fractions ranging from 2 to 40 wt.% at intervals of 2 wt.% and experimentally tested using the Transient Plane Source (TPS) method to obtain the effective thermal conductivity. The experimental results show that the thermal conductivity increased from 0.2244 W/m·K for pure PCM to 0.4539 W/m·K for PCM with 40 wt.% Fe and 0.5949 W/m·K for PCM with 40 wt.% Cu. The experimentally obtained thermal conductivity values were then used as material properties in numerical simulations based on Computational Fluid Dynamics (CFD) using ANSYS Fluent.The simulations were conducted on a 18650-type lithium-ion battery with a 3 mm thick PCM layer, employing a conduction– convection heat transfer model under a 3C (9 A) discharge condition. The simulation results indicate that the maximum battery cell temperature reached 333.27 K when using pure PCM, while the use of PCM composites reduced the cell temperature to 328.45 K for PCM with 40 wt.% Fe and 328.23 K for PCM with 40 wt.% Cu. This temperature reduction corresponds to an improvement in cooling effectiveness of 1.45% for PCM Fe and 1.51% for PCM Cu. In addition, PCM Cu exhibits a more homogeneous temperature distribution due to its higher thermal conductivity and thermal diffusivity, whereas PCM Fe demonstrates a better ability to maintain the solid phase owing to a greater contribution of latent heat.

Item Type:	Thesis (Other)
Uncontrolled Keywords:	PCM komposit, konduktivitas termal, tembaga, besi, simulasi CFD, baterai lithium-ion, PCM composites, thermal conductivity, copper, iron, CFD simulation, lithium-ion battery.
Subjects:	T Technology > T Technology (General) > T57.62 Simulation T Technology > TA Engineering (General). Civil engineering (General) > TA357 Computational fluid dynamics. Fluid Mechanics T Technology > TA Engineering (General). Civil engineering (General) > TA418.9 Composite materials. Laminated materials. T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ263 Heat exchangers
Divisions:	Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Mechanical Engineering > 21201-(S1) Undergraduate Thesis
Depositing User:	Makoto Bintang Haryanto
Date Deposited:	03 Feb 2026 10:04
Last Modified:	03 Feb 2026 10:04
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/131892

Actions (login required)

View Item