Sebuah teknik untuk memandu pengembangan baterai generasi berikutnya yang lebih cepat dan tahan lama

Teknologi penyimpanan energi yang bersih dan efisien sangat penting untuk membangun infrastruktur energi terbarukan.Baterai lithium-ion sudah dominan dalam perangkat elektronik pribadi, dan merupakan kandidat yang menjanjikan untuk penyimpanan tingkat jaringan dan kendaraan listrik yang andal.Namun, pengembangan lebih lanjut diperlukan untuk meningkatkan tingkat pengisian daya dan masa pakainya.

Untuk membantu pengembangan baterai yang pengisiannya lebih cepat dan tahan lama, para ilmuwan harus mampu memahami proses yang terjadi di dalam baterai yang sedang beroperasi, untuk mengidentifikasi keterbatasan kinerja baterai.Saat ini, memvisualisasikan bahan baterai aktif saat bekerja memerlukan teknik sinar-X sinkrotron atau mikroskop elektron yang canggih, yang mungkin sulit dan mahal, dan seringkali tidak dapat mengambil gambar dengan cukup cepat untuk menangkap perubahan cepat yang terjadi pada bahan elektroda pengisian cepat.Akibatnya, dinamika ion pada skala panjang masing-masing partikel aktif dan laju pengisian cepat yang relevan secara komersial sebagian besar masih belum dieksplorasi.

Para peneliti di Universitas Cambridge telah mengatasi masalah ini dengan mengembangkan teknik mikroskop optik berbasis laboratorium berbiaya rendah untuk mempelajari baterai lithium-ion.Mereka memeriksa partikel individu Nb14W3O44, yang merupakan salah satu bahan anoda dengan pengisian tercepat hingga saat ini.Cahaya tampak dikirim ke baterai melalui jendela kaca kecil, memungkinkan para peneliti untuk mengamati proses dinamis dalam partikel aktif, secara real time, dalam kondisi non-ekuilibrium yang realistis.Hal ini mengungkapkan gradien konsentrasi litium seperti bagian depan yang bergerak melalui masing-masing partikel aktif, menghasilkan ketegangan internal yang menyebabkan beberapa partikel patah.Pecahnya partikel merupakan masalah bagi baterai, karena dapat menyebabkan pemutusan aliran listrik pada pecahan tersebut, sehingga mengurangi kapasitas penyimpanan baterai.“Peristiwa spontan seperti itu mempunyai dampak buruk terhadap baterai, namun sebelumnya tidak pernah bisa diamati secara real time,” kata rekan penulis Dr Christoph Schnedermann, dari Cambridge's Cavendish Laboratory.

Kemampuan throughput yang tinggi dari teknik mikroskop optik memungkinkan para peneliti menganalisis populasi partikel yang besar, mengungkapkan bahwa retakan partikel lebih umum terjadi pada tingkat delithiasi yang lebih tinggi dan pada partikel yang lebih panjang.“Temuan ini memberikan prinsip desain yang dapat diterapkan secara langsung untuk mengurangi retakan partikel dan pemudaran kapasitas pada kelas material ini” kata penulis pertama Alice Merryweather, kandidat PhD di Laboratorium Cavendish dan Departemen Kimia Cambridge.

Ke depan, keunggulan utama metodologi ini – termasuk akuisisi data yang cepat, resolusi partikel tunggal, dan kemampuan throughput yang tinggi – akan memungkinkan eksplorasi lebih lanjut tentang apa yang terjadi jika baterai rusak dan cara mencegahnya.Teknik ini dapat diterapkan untuk mempelajari hampir semua jenis bahan baterai, menjadikannya bagian penting dari teka-teki dalam pengembangan baterai generasi berikutnya.