Garam Batu Yang Tidak Teratur Dan Anoda Logam Transisi - Rekayasa Baterai Masa Depan

Orang suka mengatakan tidak ada yang pasti selain kematian dan pajak. Tapi ada hal lain yang bisa kami pastikan - pengumuman tentang teknologi baterai baru yang menjanjikan kepadatan energi yang lebih tinggi dan waktu pengisian yang lebih singkat. Mengingat bahwa penemuan di laboratorium biasanya membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk masuk ke produksi, dua pengumuman seperti itu minggu ini menyarankan anak-anak masa depan akan berpikir tentang baterai lithium-ion hari ini seperti anak-anak hari ini berpikir tentang transistor.

Garam Batu yang Tidak Teratur

Para ilmuwan di UC San Diego telah menemukan bahan anoda baru yang mereka sebut garam batu tidak teratur yang memungkinkan baterai lithium-ion diisi ulang dengan aman dalam hitungan menit dan bertahan selama ribuan siklus. Mereka terdiri dari atom lithium, vanadium, dan oksigen yang tersusun hampir sama seperti garam dapur biasa, kecuali didistribusikan secara acak. Penelitian ini dilakukan oleh Profesor Ping Liu dan Syue Ping Ong dan diterbitkan pada 2 September di jurnal Nature.

Saat ini, dua bahan yang paling umum digunakan sebagai anoda dalam baterai lithium-ion yang tersedia secara komersial adalah grafit, yang padat energi, dan lithium titanat, yang memungkinkan pengisian lebih cepat tanpa risiko kebakaran tetapi memiliki kepadatan energi yang lebih rendah. Anoda garam batu yang tidak teratur memiliki sifat yang berada di antara keduanya. Lebih aman digunakan daripada grafit namun memiliki kepadatan energi setidaknya 70% lebih besar dari lithium titanate.

“Kapasitas dan energinya akan sedikit lebih rendah dari grafit, tetapi lebih cepat, lebih aman, dan memiliki masa pakai yang lebih lama. Ini memiliki tegangan yang jauh lebih rendah dan oleh karena itu kepadatan energi jauh lebih baik daripada anoda lithium-titanat pengisian cepat yang dikomersialkan saat ini,”kata Haodong Liu, seorang sarjana postdoctoral di lab Profesor Ping Liu dan penulis pertama makalah ini. “Jadi dengan bahan ini kami dapat membuat baterai yang dapat diisi dengan cepat dan aman dengan masa pakai yang lama, tanpa mengorbankan kepadatan energi yang terlalu besar.” Menurut Science Daily, penggunaan pertama untuk baterai dengan anoda baru adalah bus listrik dan peralatan listrik, karena karakteristik garam batu yang tidak teratur membuatnya ideal untuk digunakan pada perangkat di mana pengisian ulang dapat dengan mudah dijadwalkan.

“Untuk waktu yang lama, komunitas baterai telah mencari bahan anoda yang beroperasi pada potensi tepat di atas grafit untuk memungkinkan pengisian baterai lithium-ion yang aman dan cepat. Materi ini mengisi celah pengetahuan dan aplikasi yang penting,”kata Ping Liu. “Kami sangat senang dengan potensi komersialnya karena bahan tersebut dapat menjadi solusi drop-in untuk proses pembuatan baterai lithium-ion saat ini.”

Dalam studi tersebut, para peneliti menemukan anoda garam batu yang tidak teratur dapat memutar dua ion lithium secara terbalik pada tegangan rata-rata 0,6 V - lebih tinggi dari grafit 0,1 V, menghilangkan pelapisan logam lithium pada tingkat pengisian daya tinggi yang membuat baterai lebih aman, tetapi lebih rendah dari 1,5 V di mana lithium-titanate menginterkalasi lithium, dan karena itu menyimpan lebih banyak energi. Dalam pengujian anoda baru didaur ulang lebih dari 6.000 kali dengan kehilangan kapasitas yang dapat diabaikan. Ini dapat mengisi dan mengeluarkan energi dengan cepat, menghasilkan lebih dari 40 persen kapasitasnya dalam 20 detik.

Kandidat pascadoktoral Zhuoying Zhu mengatakan, “Kami menemukan bahwa Li3V2O5 beroperasi melalui mekanisme pengisian yang berbeda dari bahan elektroda lainnya. Ion lithium mengatur ulang diri mereka sendiri dengan cara yang menghasilkan tegangan rendah serta difusi lithium yang cepat.

Oksida Logam Transisi

Para ilmuwan telah lama terpesona oleh sekelompok oksida logam yang menyimpan lebih banyak energi daripada yang mungkin secara teoritis. Sekarang tim peneliti internasional dari University of Texas di Austin, Massachusetts Institute of Technology, University of Waterloo di Kanada, Shandong University China, Qingdao University, dan Chinese Academy of Sciences berpikir mereka telah memecahkan misteri tersebut. Penelitian yang dipublikasikan di Nature Materials, menemukan beberapa jenis senyawa logam dengan kemampuan penyimpanan energi hingga tiga kali lipat dibandingkan dengan bahan umum dalam baterai lithium-ion yang tersedia secara komersial saat ini.

“Selama hampir dua dekade, komunitas peneliti dibingungkan oleh kapasitas tinggi yang tidak wajar dari bahan-bahan ini di luar batas teoretisnya,” kata Guihua Yu, seorang profesor di Departemen Teknik Mesin Walker di Cockrell School of Engineering. “Pekerjaan ini menunjukkan bukti eksperimental pertama yang menunjukkan bahwa muatan tambahan disimpan secara fisik di dalam bahan-bahan ini melalui mekanisme penyimpanan muatan ruang angkasa.”

Di kepala penemuan adalah oksida logam transisi - senyawa yang mencakup oksigen terikat dengan besi, nikel, atau seng. Energi dapat disimpan di dalam oksida logam yang bertentangan dengan perubahan struktur kristal yang dibutuhkan baterai lithium-ion konvensional untuk menyimpan energi, menurut Science Daily.

Teknik kunci yang digunakan dalam penelitian ini, yang disebut magnetometri in situ, adalah metode pemantauan magnetik real-time yang digunakan untuk menyelidiki evolusi struktur elektronik internal material. Ia mampu mengukur kapasitas muatan dengan mengukur variasi magnetisme. Teknik ini dapat digunakan untuk mempelajari penyimpanan muatan pada skala yang sangat kecil - kemampuan yang tidak tersedia dengan menggunakan banyak alat karakterisasi konvensional. “Hasil paling signifikan diperoleh dari teknik yang biasa digunakan oleh fisikawan tetapi sangat jarang di komunitas baterai,” kata Yu. "Ini adalah karya sempurna dari perkawinan yang indah antara fisika dan elektrokimia."

QuantumScape Menjadi Publik

Semua penelitian di atas adalah hal-hal teoritis yang terjadi di dalam laboratorium. Waktu yang dibutuhkan untuk beralih dari penelitian ke komersialisasi ditunjukkan oleh QuantumScape, sebuah spin-off dari penelitian di Universitas Stanford yang didirikan oleh Jagdeep Singh satu dekade lalu. Sekarang sepuluh tahun kemudian, perusahaan berpikir itu hampir siap untuk prime time dan merencanakan IPO untuk mengumpulkan dana untuk mendapatkan proses pembuatan prototipe pertama dan berjalan.

IPO akan dicapai dengan sesuatu yang disebut merger terbalik menggunakan perusahaan akuisisi tujuan khusus Kensington Capital Acquisition - teknik yang populer di Wall Street. Telah digunakan baru-baru ini untuk go public oleh Lordstown Motors, Nikola, dan Fisker. Canoo akan melakukan IPO dengan cara yang sama. IPO QuantumScape diperkirakan akan mengumpulkan $3,3 miliar.

Menurut Tech Crunch, baterai lithium-ion konvensional memiliki dua elektroda. Ada anoda di satu sisi dan katoda di sisi lain. Elektrolit di tengah bertindak sebagai kurir yang memindahkan ion di antara elektroda saat pengisian dan pengosongan. Baterai solid state menggunakan elektrolit padat, bukan elektrolit berbasis cairan atau gel yang ditemukan di sebagian besar baterai lithium-ion. Perusahaan mengklaim elektrolit padat memiliki kepadatan energi yang lebih besar, yang berarti lebih banyak jangkauan dari baterai yang lebih kecil, lebih ringan (dan semoga lebih murah). Elektrolit padat juga diharapkan dapat mengurangi risiko kebakaran dan kebutuhan akan sistem pendingin yang terkait dengan baterai lithium-ion tradisional.

Begitu sering hari ini kita mendengar tentang terobosan menakjubkan dalam teknologi baterai yang tidak lebih dari perangkat uap. QuantumScape tampaknya menjadi masalah nyata. Tidak kurang otoritas dari JB Straubel, mantan chief technical officer Tesla dan sekarang pendiri Redwood Materials, sebuah perusahaan yang mengembangkan cara untuk mengambil kembali bahan baku di dalam baterai lithium-ion untuk digunakan kembali, menyebut desain tanpa anoda solid state QuantumScape, “arsitektur paling elegan yang pernah saya lihat untuk sistem baterai berbasis lithium.” Pujian yang tinggi dari seseorang yang seharusnya tahu.