Mengatasi Kelemahan Utama Pada Baterai Lithium-Air

Teknologi

Insinyur dari MIT mengusulkan bahwa bahan baterai lithium-oksigen baru dapat dikemas dalam baterai yang sangat mirip dengan baterai yang disegel konvensional namun memberikan lebih banyak energi untuk beratnya.

Baterai lithium-air dianggap sebagai teknologi yang sangat menjanjikan untuk mobil listrik dan perangkat elektronik portabel karena potensi mereka untuk menghasilkan output energi yang tinggi sebanding dengan bobotnya. Tetapi baterai seperti itu memiliki beberapa kelemahan yang cukup serius: Mereka menghabiskan banyak energi yang disuntikkan sebagai panas dan menurun relatif cepat. Mereka juga memerlukan komponen ekstra mahal untuk memompa gas oksigen masuk dan keluar, dalam konfigurasi sel terbuka yang sangat berbeda dari baterai yang disegel konvensional.

Mengatasi Kelemahan Utama Pada Baterai Lithium-Air

Tetapi variasi baru dari kimia baterai, yang dapat digunakan dalam baterai konvensional yang sepenuhnya disegel, menjanjikan kinerja teoretis yang sama seperti baterai lithium-air, sambil mengatasi semua kekurangan ini.

Konsep baterai baru, yang disebut baterai katoda nanolithia, dijelaskan dalam jurnal Nature Energy dalam sebuah makalah oleh Ju Li, Profesor Aliansi Energi dan Rekayasa Nuklir Battelle Energy di MIT; postdoc Zhi Zhu; dan lima lainnya di MIT, Argonne National Laboratory, dan Peking University di Cina.

Salah satu kekurangan baterai lithium-air, Li menjelaskan, adalah ketidakcocokan antara tegangan yang terlibat dalam pengisian dan pemakaian baterai. Tegangan keluaran baterai lebih dari 1,2 volt lebih rendah daripada tegangan yang digunakan untuk mengisi daya baterai, yang menunjukkan hilangnya daya yang signifikan pada setiap siklus pengisian. “Anda menghabiskan 30 persen energi listrik sebagai panas dalam pengisian daya. … Ini benar-benar dapat terbakar jika Anda mengisi daya terlalu cepat, “katanya.

Tetap solid

Baterai lithium-air konvensional menarik oksigen dari udara luar untuk mendorong reaksi kimia dengan lithium baterai selama siklus pemakaian, dan oksigen ini kemudian dilepaskan lagi ke atmosfer selama reaksi balik dalam siklus pengisian.

Dalam varian baru, jenis reaksi elektrokimia yang sama terjadi antara lithium dan oksigen selama pengisian dan pemakaian, tetapi mereka terjadi tanpa membiarkan oksigen kembali ke bentuk gas. Alih-alih, oksigen tetap berada di dalam padatan dan mentransformasi secara langsung antara tiga keadaan redoksnya, sementara terikat dalam bentuk tiga senyawa kimia padatan yang berbeda, Li 2 O, Li 2 O 2, dan LiO 2, yang dicampur bersama dalam bentuk gelas. Ini mengurangi kehilangan tegangan dengan faktor lima, dari 1,2 volt menjadi 0,24 volt, sehingga hanya 8 persen energi listrik yang diubah menjadi panas. “Ini berarti pengisian daya yang lebih cepat untuk mobil, karena penghilangan panas dari paket baterai kurang menjadi masalah keamanan, serta manfaat efisiensi energi,” kata Li.

Pendekatan ini membantu mengatasi masalah lain dengan baterai lithium-air: Karena reaksi kimia yang terlibat dalam pengisian dan pemakaian mengubah oksigen antara bentuk gas dan padat, material mengalami perubahan volume besar yang dapat mengganggu jalur konduksi listrik dalam struktur, sangat membatasi masa pakainya. .

Rahasia formulasi baru adalah menciptakan partikel yang sangat kecil, pada skala nanometer (miliaran meter), yang mengandung litium dan oksigen dalam bentuk gelas, yang dikurung rapat dalam matriks oksida kobalt. Para peneliti menyebut partikel-partikel ini sebagai nanolithia. Dalam bentuk ini, transisi antara LiO 2 , Li 2 O 2, dan Li 2 O dapat terjadi sepenuhnya di dalam bahan padat, katanya.

Partikel nanolithia biasanya sangat tidak stabil, sehingga para peneliti menanamkannya dalam matriks oksida kobalt, bahan seperti spons dengan pori-pori yang hanya beberapa nanometer. Matriks menstabilkan partikel dan juga bertindak sebagai katalis untuk transformasi mereka.

Baterai lithium-air konvensional, Li menjelaskan, adalah “benar-benar baterai lithium-kering, karena mereka benar-benar tidak dapat menangani kelembaban atau karbon dioksida,” jadi ini harus hati-hati dihapus dari udara yang masuk Cara Flash Asus Zenfone 5 Lupa Pola yang memberi makan baterai. “Anda membutuhkan sistem bantu besar untuk menghilangkan karbon dioksida dan air, dan sangat sulit untuk melakukan ini.” Tetapi baterai baru, yang tidak pernah perlu menarik udara luar, mengatasi masalah ini.

Tidak ada pengisian yang berlebihan

Baterai yang baru juga secara inheren terlindung dari pengisian yang berlebihan, kata tim, karena reaksi kimia dalam kasus ini secara alami dapat membatasi sendiri – ketika pengisian berlebih, reaksi bergeser ke bentuk yang berbeda yang mencegah aktivitas lebih lanjut. “Dengan baterai biasa, jika Anda memberi harga berlebih, itu dapat menyebabkan kerusakan struktural yang tidak dapat dipulihkan atau bahkan meledak,” kata Li. Tetapi dengan baterai nanolithia, “kami telah mengisi daya baterai yang berlebihan selama 15 hari, hingga seratus kali kapasitasnya, tetapi tidak ada kerusakan sama sekali.”

Dalam tes bersepeda, versi laboratorium dari baterai baru dimasukkan melalui 120 siklus pengisian-pemakaian, dan menunjukkan kurang dari 2 persen kehilangan kapasitas, menunjukkan bahwa baterai tersebut dapat memiliki masa manfaat yang lama. Dan karena baterai tersebut dapat dipasang dan dioperasikan seperti baterai lithium-ion padat konvensional, tanpa komponen tambahan yang diperlukan untuk baterai lithium-air, mereka dapat dengan mudah disesuaikan dengan instalasi yang ada atau desain paket baterai konvensional untuk mobil, elektronik, atau bahkan penyimpanan daya skala jaringan.

Karena katoda “oksigen padat” ini jauh lebih ringan daripada katoda baterai lithium-ion konvensional, desain baru dapat menyimpan sebanyak dua kali lipat jumlah energi untuk bobot katoda tertentu, kata tim tersebut. Dan dengan penyempurnaan desain lebih lanjut, Li mengatakan, baterai baru pada akhirnya dapat menggandakan kapasitas itu lagi.

Semua ini dilakukan tanpa menambahkan komponen atau bahan yang mahal, menurut Li. Karbonat yang mereka gunakan sebagai elektrolit cair dalam baterai ini “adalah jenis elektrolit termurah,” katanya. Dan komponen oksida kobalt memiliki berat kurang dari 50 persen dari komponen nanolithia. Secara keseluruhan, sistem baterai baru “sangat skalabel, murah, dan jauh lebih aman” daripada baterai lithium-air, kata Li.

Tim berharap untuk beralih dari pembuktian konsep skala lab ini ke prototipe praktis dalam waktu sekitar satu tahun.

“Ini adalah terobosan dasar, yang dapat menggeser paradigma baterai berbasis oksigen,” kata Xiulei Ji, asisten profesor kimia di Oregon State University, yang tidak terlibat dalam pekerjaan ini. “Dalam sistem ini, elektrolit berbasis karbonat komersial bekerja sangat baik dengan angkutan superoksida terlarut, yang cukup mengesankan dan mungkin ada hubungannya dengan kurangnya gas O 2 dalam sistem tertutup ini. Semua massa aktif katoda selama bersepeda adalah padat, yang tidak hanya menghadirkan kepadatan energi yang besar tetapi juga kompatibilitas dengan infrastruktur pembuatan baterai saat ini. ”

Read More