Bisnis.com, JAKARTA—Baterai lithium (baterai logam lithium yang menggunakan lithium sebagai anoda), selama beberapa dekade terakhir telah dapat diisi ulang dan digunakan pada berbagai perangkat elektronik, termsuk mainan, perangkat portable dan kendaraan listrik.
Baterai ini biasanya mencapai kinerja yang dapat diandalkan pada suhu kamar, efisiensi energi, daya dan siklus hidup cenderung menurun secara signifikan pada suhu di bawah -10 ° C. Ketidakmampuan untuk berfungsi dengan baik pada suhu rendah adalah kebocoran penting, karena sangat membatasi penggunaannya.
Alasan utama untuk pembatasan ini adalah bahwa pada suhu di bawah -10 ° C, solid-electrolyte interphase (SEI) menjadi tidak stabil dan mengarah pada apa yang dikenal sebagai pelapisan dendritik Li anoda pada baterai.
Sebuah tim peneliti di Pennsylvania State University dan Argonne National Laboratory baru-baru ini memperkenalkan desain baru untuk baterai Li metal yang dapat mengatasi hambatan yang terdokumentasi dengan baik ini.
Penelitian mereka diterbitkan dalam jurnal Nature pada kategori Energy pada 22 Juni 2020 dengan judul Low-temperature and high-rate-charging lithium metal batteries enabled by an electrochemically active monolayer-regulated interface.
Baterai yang mereka kembangkan berkinerja sangat baik di suhu rendah dibandingkan dengan baterai Li yang dikembangkan sebelumnya.
"Kami melaporkan baterai Li metal berkinerja tinggi dalam kondisi suhu rendah dan pengisian daya tinggi," tulis para peneliti dalam makalah mereka, dikutip dari laman Phys.org, Selasa (28/7/2020).
Peneliti menjelaskan kinerja tinggi dicapai dengan menggunakan monolayer yang dirakit sendiri dari molekul aktif secara elektrokimia pada kolektor saat ini, yang mengatur struktur nano dan komposisi SEI dan morfologi deposisi anoda logam Li.
Awalnya, para peneliti meneliti dengan cermat baterai Li metal pada suhu rendah untuk lebih memahami faktor-faktor yang mengganggu kinerja mereka. Kemudian bahwa pada -15 ° C, SEI baterai yang berasal dari elektrolit konvensional sangat kristalin dan tidak homogen.
Ini sangat membatasi pembentukan komponen SEI pasif seperti lithium fluoride nanosalts, yang mengarah pada karakteristik yang tidak menguntungkan seperti pasifnya permukaan yang buruk, korosi Li dan pertumbuhan dendrit pada anoda.
Oleh karena itu, peneliti menambahkan lapisan untuk melindungi anoda, menggunakan elektrolit alternatif atau memperkenalkan host Li dapat mencegah efek ini pada suhu kamar, tetapi pada suhu rendah, mengendalikan struktur nano SEI jauh lebih menantang, yang mengarah pada operasi baterai yang tidak stabil.
Para peneliti kemudian merancang pendekatan untuk menciptakan SEI yang pasif pada tingkat skala nano, yang pada gilirannya memungkinkan operasi anoda logam Li yang stabil pada suhu rendah.
Pendekatan yang disajikan dalam makalah mereka mensyaratkan regulasi struktur nano SEI dan nukleasi Li dalam baterai Li menggunakan monolayer 1,3-benzenedisulfonyl fluoride yang dirakit pada permukaan pengumpul arus tembaga.
Perubahan monolayer aktif (EAM) yang baru diperkenalkan ini, perubahan elektrokimia aktif, lingkungan kimia dalam antarmuka, mendorong pembentukan inti litium fluorida (LiF) pada permukaan Li.
Dengan mengubah lingkungan kimia antarmuka baterai, strategi desain baru yang diperkenalkan oleh para peneliti mengubah jalur dan dinamika penguraian elektrolit, yang pada gilirannya mengarah pada produksi SEI yang berbeda dengan kualitas pasif yang ditingkatkan.
Lebih khusus lagi, lapisan tunggal membentuk anion litiofilik pada kolektor arus Cu (yaitu, benzenesulfinasi), yang dapat memandu nukleasi dan pertumbuhan Li ketika ada konsentrasi ion Li rendah di antarmuka.
Pada suhu rendah, strategi desain ini mengarah pada pembentukan SEI multi-lapisan yang terdiri dari fase dalam yang kaya LiF dan lapisan luar amorf. SEI pasif dan berlapis-lapis ini sangat berbeda dari yang non-pasif yang diamati pada Li konvensional. Baterai logam, yang dicirikan oleh struktur yang sangat kristalin dan dominan Li2CO3 pada suhu rendah.
Dalam pengujian, baterai yang mereka ciptakan menggunakan strategi desain baru mencapai hasil yang luar biasa pada suhu rendah. Lebih khusus lagi, pendekatan mereka mengarah pada keberhasilan penindasan korosi Li dan galvanik, memungkinkan deposisi Li yang stabil pada semua suhu berkisar antara 60 dan 45 ° C.
Para peneliti menemukan bahwa sel Li | LiCoO2 dengan kapasitas 2,0 mAh cm persegi yang dibuat menggunakan metode mereka dapat mencapai siklus hidup 200 pada -15 ° C, dengan waktu pengisian ulang 45 menit.
Di masa depan, desain mereka diperkenalkan dapat membuka jalan bagi penciptaan baterai lithium hemat energi baru yang dapat beroperasi secara andal di negara atau wilayah geografis di mana suhu turun di bawah -10 atau -15 ° C.
