Pengisian Daya Ke Baterai yang Lebih Baik

Read Also

Para peneliti di Universitas Sungkyunkwan di Suwon sedang mengembangkan next-generation batteries untuk membantu mendukung dorongan global menuju masa depan yang netral karbon.

Untuk mencegah planet ini dari pemanasan bencana, para ahli iklim sepakat bahwa kita perlu mencapai netralitas karbon pada pertengahan abad ini. Langkah kuncinya adalah beralih dari bahan bakar fosil ke sumber energi terbarukan seperti angin, matahari, dan tenaga air.

“Ada permintaan yang terus meningkat untuk energi terbarukan yang berkelanjutan serta aplikasi yang muncul di electrical vehicles (EVs), sistem elektronik masa depan, dan penyimpanan daya jaringan,” kata Ho Seok Park, direktur Center for 2D Redox Energy Storage at Sungkyunkwan University (SKKU) di Suwon, South Korea.

Baterai saat ini tidak memiliki kapasitas untuk meningkatkan jarak tempuh kendaraan listrik dan menyimpan energi terbarukan dalam jumlah besar secara andal untuk waktu yang lama, sehingga Park dan rekan-rekannya di SKKU berusaha keras untuk membuat baterai yang lebih baik yang menggunakan bahan baru dan terdiri dari mekanisme penyimpanan muatan baru. “Pekerjaan ini adalah kunci untuk mengatasi keterbatasan kinerja dan keamanan bahan penyimpanan energi yang ada,” kata Park.

Peningkatan oksigen

Salah satu aspek kunci dalam membangun baterai yang lebih baik adalah meningkatkan kepadatan energinya. Semakin banyak energi yang dapat ditampung baterai, semakin jauh kendaraan listrik dapat berjalan di antara pengisian daya, atau semakin lama baterai dapat memberi daya pada peralatan rumah tangga di antara cuaca cerah atau berangin.

Dengan tujuan itu, Park dan timnya di Center for 2D Redox Energy Storage (2DRES) sedang mengeksplorasi bahan baru untuk membuat elektroda — 'ujung' baterai di mana muatan bergerak untuk menghasilkan listrik. Dalam beberapa tahun terakhir, ia telah berfokus pada nanomaterial dasar dua dimensi. Ini menggunakan mekanisme yang sama sekali berbeda dibandingkan dengan bahan yang ada, kata Park. “Misalnya, kinetika penyimpanan muatan permukaannya jauh lebih cepat.”

Pada tahun 2020, Park mendirikan pusat 2DRES yang didedikasikan untuk studi dan pengembangan bahan nano ini. “Pusat kami bertujuan untuk mencapai sifat yang belum pernah terjadi sebelumnya dan mekanisme baru bahan dasar 2D melalui manipulasi kimia permukaan dan struktur multi-skala,” katanya.

Park sangat tertarik pada bubuk yang dikenal sebagai 2D black phosphorus (BP), sebuah elemen semikonduktor dua dimensi.

2D BP dianggap sebagai bahan baterai yang menjanjikan karena secara teoritis dapat mencapai kapasitas tinggi hampir 2.600 miliampere jam per gram (mAh/g). Baterai yang terdiri dari bahan, bagaimanapun, menghadirkan sejumlah tantangan: mereka membutuhkan waktu lama untuk diisi, melepaskan energinya secara perlahan, dan hanya bertahan beberapa siklus pengisian sebelum menjadi kosong.

Namun pada tahun 2019, lab Park menemukan cara untuk mengatasi hambatan ini dengan mengoksidasi atom permukaan 2D BP secara terkendali.

“Ketika kami menggabungkan atom oksigen ke permukaan BP 2D, mereka mencapai kinerja yang belum pernah terjadi sebelumnya dan mekanisme redoks permukaan baru yang tidak dapat ditunjukkan oleh baterai yang ada,” jelasnya. Misalnya, fosfor hitam yang teroksidasi dapat menampung empat kali jumlah muatan dan dapat diisi dan dikosongkan dengan kecepatan yang hampir 3,5 kali lebih cepat daripada fosfor hitam yang tidak teroksidasi.

"Ini seperti menambahkan topping ke pizza untuk memberikan rasa baru," kata Park.

Menguji logam transisi

Won-Sub Yoon, kepala Departemen Ilmu Energi dan direktur salah satu program BK21FOUR di SKKU, juga sedang menjajaki bahan alternatif untuk elektroda.

“Kepadatan energi baterai lithium-ion saat ini mendekati batas teknologi,” kata Yoon. “Tidak ada banyak ruang untuk perbaikan.”

Yoon, seorang insinyur baterai, sangat tertarik untuk mengganti grafit yang biasa ditemukan di elektroda yang ada dengan logam transisi seperti nikel dan molibdenum. Bahan-bahan ini menunjukkan "kapasitas muatan yang sangat tinggi," katanya - hingga empat kali lebih tinggi daripada elektroda dalam baterai lithium-ion saat ini, terutama ketika mereka telah direkayasa dalam skala nano.

Misalnya, ketika Yoon dan rekan-rekannya membuat anoda yang terbuat dari molibdenum dioksida dan memasukkan nanopori ke dalam senyawa tersebut, kapasitasnya untuk menyimpan ion litium lebih dari dua kali lipat menjadi 1.814 miliampere jam per gram (mAh/g).

Demikian pula, ketika timnya menemukan metode baru untuk membuat anoda nikel hidroksida berstruktur nano, kapasitas muatan meningkat hampir tiga kali lipat menjadi 1.422 mAh/g dari kapasitas teoretisnya 511 mAh/g.

“Sebagian besar aplikasi masa depan seperti kendaraan listrik menuntut kepadatan energi yang jauh lebih tinggi daripada yang sekarang,” kata Yoon. “Oksida logam transisi rekayasa nano memberi kami peluang yang sama sekali baru untuk membuat terobosan pada kinerja baterai, memungkinkan kami mengembangkan baterai lithium-ion generasi berikutnya.”

Lapisan katoda

Profesor SKKU lainnya, Young-Jun Kim, mengadopsi pendekatan yang sedikit berbeda untuk membangun baterai yang lebih baik, dengan mempertimbangkan desain elektroda secara keseluruhan. Ini melibatkan peningkatan kepadatan energi komponen aktif elektroda, serta meminimalkan volume bagian yang tidak aktif seperti pengikat, agen konduktor, dan pemisah.

“Masalah paling signifikan dalam meningkatkan kinerja baterai adalah menemukan keseimbangan optimal antara komponen aktif dan pasif,” jelas Kim, yang merupakan direktur Advanced Center for Convergent Energy Storage System SKKU.

“Bila ada banyak komponen yang tidak aktif, itu mengurangi ruang untuk bahan aktif baterai, yang mengurangi kepadatan energinya,” katanya.

Ambil karbon hitam, misalnya. Bubuk halus ditambahkan untuk membantu meningkatkan konduktivitas elektronik katoda di sebagian besar baterai isi ulang saat ini. Namun penambahannya juga harus dibarengi dengan peningkatan bahan pengikat, yang kesemuanya mengurangi jumlah bahan aktif dalam suatu elektroda. Ini juga sangat mempersulit proses pencampuran bubur.

Pada tahun 2021, Kim dan timnya mengembangkan cara baru untuk melapisi graphene ke katoda tanpa zat tersebut hancur ke dalam cairan elektrolit atau pelarut. Hasil? Hanya seperempat dari jumlah agen konduktor yang biasa diperlukan, yang pada gilirannya menyebabkan peningkatan 30% dalam volume elektroda

“Kapasitas volumetrik katoda tidak banyak berubah dalam 20 tahun terakhir,” kata Kim. “Meskipun 30% mungkin tidak tampak banyak, ini merupakan lompatan teknis yang signifikan jika dibandingkan dengan tingkat kemajuan teknologi saat ini.”

Para peneliti SKKU sekarang ingin mendorong teknologi baterai baru lebih jauh dan meningkatkan aspek kinerja lainnya. “Ini termasuk menemukan cara untuk mengisi baterai dengan cepat tanpa mengorbankan kepadatan energi,” sementara juga menyempurnakan keamanan, dan meningkatkan bahan untuk mengurangi biaya, kata Kim.

Mereka juga berharap bahwa penelitian mereka dapat diterapkan lebih dari sekadar baterai lithium-ion, dan juga digunakan untuk meningkatkan logam dan baterai solid-state, serta kapasitor hibrida.

“Karya SKKU pasti akan berkontribusi pada ilmu dasar baterai, serta aplikasi praktis,” kata Park.

References

Nakhanivej, P., Yu, X., Park, S.K. et al. Revealing molecular-level surface redox sites of controllably oxidized black phosphorus nanosheets. Nature Mater 18, 156–162 (2019). https://doi.org/10.1038/s41563-018-0230-2

Shon, J., Lee, H., Park, G. et al. Discovery of abnormal lithium-storage sites in molybdenum dioxide electrodes. Nat Commun 7, 11049 (2016). https://doi.org/10.1038/ncomms11049

Kim, H., Lee, W., Choi, W., et al. Crystal Water-Assisted Additional Capacity for Nickel Hydroxide Anode Materials. Adv. Funct. Mater. 32, 2270101 (2022). https://doi.org/10.1002/adfm.202270101

Park, C.W., Lee, JH., Seo, J.K. et al. Graphene collage on Ni-rich layered oxide cathodes for advanced lithium-ion batteries. Nat Commun 12, 2145 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22403-w