Para insinyur di Universitas California San Diego telah mengembangkan baterai lithium-ion yang bekerja dengan baik pada suhu dingin dan panas terik, sekaligus mengemas banyak energi.Para peneliti mencapai prestasi ini dengan mengembangkan elektrolit yang tidak hanya serbaguna dan kuat pada rentang suhu yang luas, namun juga kompatibel dengan anoda dan katoda berenergi tinggi.
Baterai tahan suhudijelaskan dalam makalah yang diterbitkan minggu 4 Juli di Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Baterai semacam itu memungkinkan kendaraan listrik di iklim dingin melakukan perjalanan lebih jauh dengan sekali pengisian daya;hal ini juga dapat mengurangi kebutuhan sistem pendingin untuk menjaga baterai kendaraan agar tidak terlalu panas di iklim panas, kata Zheng Chen, seorang profesor nanoengineering di UC San Diego Jacobs School of Engineering dan penulis senior studi tersebut.
“Anda memerlukan pengoperasian bersuhu tinggi di area yang suhu lingkungannya bisa mencapai tiga digit dan jalanan menjadi lebih panas.Pada kendaraan listrik, baterai biasanya diletakkan di bawah lantai, dekat dengan jalan yang panas,” jelas Chen, yang juga merupakan staf pengajar di Pusat Tenaga dan Energi Berkelanjutan UC San Diego.“Selain itu, baterai menjadi panas hanya karena adanya arus yang mengalir selama pengoperasian.Jika baterai tidak dapat mentolerir pemanasan pada suhu tinggi, kinerjanya akan cepat menurun.”
Dalam pengujian, baterai proof-of-concept mempertahankan 87,5% dan 115,9% kapasitas energinya masing-masing pada -40 dan 50 C (-40 dan 122 F).Mereka juga memiliki efisiensi Coulomb yang tinggi masing-masing sebesar 98,2% dan 98,7% pada suhu ini, yang berarti baterai dapat menjalani lebih banyak siklus pengisian dan pengosongan sebelum berhenti bekerja.
Baterai yang dikembangkan Chen dan rekannya tahan dingin dan panas berkat elektrolitnya.Itu terbuat dari larutan cair dibutil eter yang dicampur dengan garam litium.Ciri khusus dibutil eter adalah molekulnya berikatan lemah dengan ion litium.Dengan kata lain, molekul elektrolit dapat dengan mudah melepaskan ion litium saat baterai bekerja.Interaksi molekuler yang lemah ini, yang ditemukan para peneliti dalam penelitian sebelumnya, meningkatkan kinerja baterai pada suhu di bawah nol derajat.Ditambah lagi, dibutil eter mudah menerima panas karena tetap cair pada suhu tinggi (memiliki titik didih 141 C, atau 286 F).
Menstabilkan kimia litium-sulfur
Yang istimewa juga dari elektrolit ini adalah kompatibel dengan baterai lithium-sulfur, yaitu jenis baterai isi ulang yang memiliki anoda terbuat dari logam litium dan katoda terbuat dari belerang.Baterai litium-sulfur merupakan bagian penting dari teknologi baterai generasi mendatang karena menjanjikan kepadatan energi yang lebih tinggi dan biaya yang lebih rendah.Baterai ini dapat menyimpan energi hingga dua kali lebih banyak per kilogram dibandingkan baterai litium-ion yang ada saat ini. Hal ini dapat menggandakan jangkauan kendaraan listrik tanpa menambah bobot baterai.Selain itu, sulfur lebih melimpah dan tidak terlalu bermasalah untuk diperoleh dibandingkan kobalt yang digunakan dalam katoda baterai litium-ion tradisional.
Namun ada masalah dengan baterai lithium-sulfur.Baik katoda dan anoda keduanya sangat reaktif.Katoda belerang sangat reaktif sehingga larut selama pengoperasian baterai.Masalah ini menjadi lebih buruk pada suhu tinggi.Dan anoda logam litium rentan membentuk struktur seperti jarum yang disebut dendrit yang dapat menembus bagian baterai, sehingga menyebabkan korsleting.Alhasil, baterai lithium-sulfur hanya bertahan hingga puluhan siklus.
“Jika Anda menginginkan baterai dengan kepadatan energi tinggi, biasanya Anda perlu menggunakan bahan kimia yang sangat keras dan rumit,” kata Chen.“Energi yang tinggi berarti lebih banyak reaksi yang terjadi, yang berarti stabilitasnya berkurang, dan degradasinya lebih besar.Membuat baterai berenergi tinggi dan stabil merupakan tugas yang sulit — mencoba melakukan hal ini melalui rentang suhu yang luas bahkan lebih menantang.”
Elektrolit dibutil eter yang dikembangkan oleh tim UC San Diego mencegah masalah ini, bahkan pada suhu tinggi dan rendah.Baterai yang mereka uji memiliki masa pakai yang lebih lama dibandingkan baterai lithium-sulfur pada umumnya.“Elektrolit kami membantu meningkatkan sisi katoda dan anoda sekaligus memberikan konduktivitas tinggi dan stabilitas antarmuka,” kata Chen.
Tim juga merekayasa katoda sulfur agar lebih stabil dengan mencangkokkannya ke polimer.Hal ini mencegah lebih banyak belerang larut ke dalam elektrolit.
Langkah selanjutnya termasuk meningkatkan kimia baterai, mengoptimalkannya untuk bekerja pada suhu yang lebih tinggi, dan memperpanjang masa pakai baterai.
Makalah: “Kriteria pemilihan pelarut untuk baterai lithium-sulfur yang tahan suhu.”Rekan penulis termasuk Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal dan Ping Liu, semuanya di UC San Diego.
Pekerjaan ini didukung oleh hibah Fakultas Karir Awal dari Program Hibah Penelitian Teknologi Luar Angkasa NASA (ECF 80NSSC18K1512), National Science Foundation melalui Pusat Sains dan Teknik Penelitian Material UC San Diego (MRSEC, hibah DMR-2011924), dan Kantor Teknologi Kendaraan dari Departemen Energi AS melalui Program Penelitian Bahan Baterai Tingkat Lanjut (Konsorsium Battery500, kontrak DE-EE0007764).Pekerjaan ini dilakukan sebagian di San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) di UC San Diego, anggota National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, yang didukung oleh National Science Foundation (hibah ECCS-1542148).
Waktu posting: 10 Agustus-2022