Eksperimen tiga bulan dengan hasil luar biasa
Di sebuah laboratorium di University of California, Irvine, peneliti doktoral Mya Le Thai berulang kali mengisi dan mengosongkan elektroda eksperimental hingga mencapai 200.000 siklus. Setelah tiga bulan, para peneliti tidak mendeteksi penurunan kapasitas atau daya dan tidak menemukan kawat nano yang retak. UCI mengumumkan temuan tersebut pada 20 April 2016, saat penelitian itu diterbitkan di ACS Energy Letters.
Daftar Isi
Material tersebut menggabungkan kawat nano emas, lapisan mangan dioksida, dan elektrolit gel yang menyerupai Plexiglas. Daya tahannya menawarkan kemungkinan jawaban atas masalah yang sulit diatasi: kawat-kawat kecil yang berguna untuk menyimpan energi listrik cenderung retak setelah digunakan berulang kali.
Penemuan itu juga memunculkan klaim mencolok bahwa baterai laptop di masa depan mungkin dapat bertahan 400 tahun. Angka tersebut diperoleh dengan mengonversi jumlah siklus dalam eksperimen menjadi hitungan tahun berdasarkan asumsi tingkat penggunaan tertentu. Pencapaian sebenarnya adalah elektroda laboratorium yang bertahan selama 200.000 siklus dalam pengujian tiga bulan.
Hampir satu dekade setelah pengumuman tersebut, hasil penelitian kawat nano itu masih berupa bukti konsep di laboratorium. Thai kemudian meraih gelar doktor dan beralih meneliti baterai untuk transportasi listrik. Eksperimennya terus menarik perhatian karena menunjukkan cara menjaga material baterai yang rapuh tetap utuh meski digunakan berulang kali.
Bagaimana lapisan gel tipis mengubah eksperimen
Thai, peneliti keturunan Vietnam-Amerika, sedang meneliti kawat nano ketika mencoba menambahkan lapisan gel tipis pada struktur eksperimental tersebut. Elektroda itu terus berfungsi saat pengujian melewati 10.000 siklus dan, beberapa hari kemudian, 30.000 siklus. Pengujian akhirnya mencapai 200.000 siklus.
Reginald Penner, penulis senior penelitian tersebut dan saat itu ketua departemen kimia UCI, menjelaskan penemuan tak terduga itu dalam pengumuman April 2016 universitas tersebut.
Mya bereksperimen, lalu melapisi seluruh benda ini dengan lapisan gel yang sangat tipis dan mulai mengujinya dalam siklus berulang," kata Penner. "Ia menemukan bahwa hanya dengan menggunakan gel ini, ia bisa mengujinya hingga ratusan ribu kali tanpa kehilangan kapasitas.
Penner menyebut hasil itu mengejutkan karena struktur sebanding biasanya gagal setelah 5.000 hingga 7.000 siklus. Dibandingkan dengan titik tersebut, 200.000 siklus pada elektroda UCI setara dengan sekitar 29 hingga 40 kali lebih banyak siklus. Perbandingan itu menggambarkan peningkatan terhadap struktur yang dibahas Penner.
Unsur kebetulan dalam eksperimen tersebut adalah keberhasilan perlakuan gel. Untuk memastikan manfaatnya, diperlukan pengujian berkelanjutan: Thai terus menguji elektroda itu dalam siklus berulang selama berbulan-bulan, seraya memeriksa apakah kinerja listrik atau struktur fisiknya mengalami penurunan.
Mengapa kawat nano perlu perlindungan
Kawat nano ribuan kali lebih tipis daripada rambut manusia. Kawat ini menghantarkan listrik dengan baik dan memiliki luas permukaan yang besar dibandingkan ukurannya, sehingga menarik untuk dijadikan bahan dasar elektroda, yaitu bagian baterai tempat muatan disimpan dan dilepaskan melalui reaksi elektrokimia.
Pengisian dan pengosongan berulang memberi tekanan pada struktur tersebut. UCI menjelaskan bahwa kawat nano dapat mengembang dan menjadi rapuh saat digunakan dalam baterai litium-ion pada umumnya. Retakan kemudian dapat terbentuk dan memecah material yang harus tetap terhubung agar elektroda berfungsi secara efektif.
Struktur eksperimental Thai memiliki tiga elemen utama. Kawat nano emas menjadi intinya, mangan dioksida menyelubunginya, dan elektrolit gel melapisi keseluruhan struktur. Elektrolit memungkinkan partikel bermuatan yang disebut ion bergerak melalui perangkat penyimpan energi.
Para peneliti menduga gel tersebut membuat oksida logam lebih plastis. Dalam istilah sederhana, gel mungkin membuat lapisan itu lebih fleksibel sehingga dapat menahan pergerakan tanpa retak. Dengan menjaga struktur tetap utuh, elektroda mampu mempertahankan kinerjanya melalui siklus berulang.
UCI melaporkan bahwa setelah pengujian selama tiga bulan, tidak terdeteksi penurunan kapasitas atau daya pada elektroda yang diuji, dan tidak ditemukan kawat nano yang retak. Kapasitas menggambarkan banyaknya muatan listrik yang dapat disimpan perangkat; daya menggambarkan seberapa cepat perangkat dapat menyalurkan energi. Keduanya penting bagi baterai yang berguna.
Makna angka kinerja
Eksperimen itu juga dilaporkan mencapai efisiensi Coulomb rata-rata sebesar 94 hingga 96 persen. Efisiensi Coulomb membandingkan muatan yang diperoleh saat pengosongan dengan muatan yang dimasukkan saat pengisian. Nilai 94 persen berarti sekitar 94 unit muatan diperoleh kembali untuk setiap 100 unit yang disalurkan.
Retensi kapasitas dan efisiensi Coulomb menggambarkan aspek kinerja yang berbeda. Retensi kapasitas melacak apakah jumlah yang dapat disimpan elektroda berkurang setelah digunakan berulang kali. Efisiensi Coulomb melacak muatan yang masuk dan keluar selama siklus. Elektroda dapat mempertahankan kapasitas penyimpanannya, tetapi mengembalikan muatan dalam jumlah lebih kecil daripada yang diterimanya.
Konfigurasi nanobaterai Stanford yang dikembangkan pada 2007 sebelumnya telah mencapai 40.000 siklus. Angka 200.000 siklus UCI lima kali lipat dari jumlah tersebut, meskipun perangkatnya menggunakan konfigurasi berbeda. Karena itu, desain dan kondisi pengujian perlu diperhatikan saat membandingkan hasilnya.
Perbandingan dengan baterai laptop juga mencolok. Dibandingkan dengan 300 hingga 500 siklus yang lazim disebut sebagai jumlah siklus baterai laptop pada umumnya, 200.000 berarti 400 hingga sekitar 667 kali lebih banyak siklus. Angka-angka itu menjelaskan antusiasme terhadap eksperimen tersebut, sementara pengembangan komersial tetap memerlukan baterai utuh dengan kapasitas, material, keamanan, dan biaya produksi yang sesuai.
Asal perkiraan 400 tahun
Perkiraan itu berasumsi sebuah laptop menyelesaikan 1.000 siklus pengisian setiap dua tahun, atau 500 siklus per tahun. Membagi 200.000 siklus dengan 500 menghasilkan 400 tahun. Setiap langkah dalam perhitungan tersebut sederhana, tetapi durasi dalam hitungan tahun itu merupakan ekstrapolasi dari hasil laboratorium.
Elektroda Thai mencapai jumlah siklus tersebut melalui pengujian berkelanjutan selama tiga bulan. Baterai dalam penggunaan sehari-hari juga menghabiskan waktu dalam keadaan terisi sebagian, beroperasi pada suhu yang berubah-ubah, dan harus bekerja bersama komponen lain. Produk jadi perlu diuji dalam kondisi yang akan dihadapi penggunanya.
Tujuan praktisnya adalah memperpanjang masa pakai sebelum baterai perlu diganti. Bagi pemilik laptop, itu bisa berarti menggunakan baterai yang sama selama porsi lebih besar dari masa pakai komputer. Bagi produsen kendaraan, itu dapat berarti sistem penyimpanan energi yang mampu menahan lebih banyak siklus pengisian dan penggunaan sebelum perlu diganti.
Hal yang masih perlu dipahami para peneliti
Laporan lanjutan UCI pada Mei 2016 menguraikan penelitian lebih lanjut untuk memahami lapisan mangan dioksida. Para peneliti dapat melihat bahwa gel mencegah material itu pecah menjadi bongkahan, tetapi mereka masih menyelidiki perubahan pada material itu sendiri.
Penner, yang berbicara sebagai penulis senior sekaligus ketua departemen kimia, menjelaskan tugas ilmiah berikutnya.
"Mya kini melakukan sejumlah penelitian untuk mencoba memahami lebih baik apa yang terjadi pada material mangan dioksida. Kami tahu gel mencegahnya pecah menjadi bongkahan, tetapi kami belum tahu apakah material yang tersisa berbeda dari material yang akan ada tanpa gel," kata Penner.
Memahami proses tersebut penting agar hasilnya dapat direproduksi dan diterapkan pada material lain. Jika para peneliti dapat mengidentifikasi sifat gel dan lapisan yang menjaga elektroda tetap utuh, mereka dapat merancang struktur yang lebih terarah agar mampu bertahan dalam pengisian berulang.
Penelitian ini dilakukan bersama Energy Frontier Research Center for Nanostructures for Electrical Energy Storage di University of Maryland. Pendanaannya berasal dari divisi Basic Energy Sciences, U.S. Department of Energy.
Dari kawat nano emas ke baterai praktis
Emas menjadi kendala biaya untuk produksi skala besar. Para peneliti telah mengkaji alternatif yang lebih murah, termasuk nikel, sebagai kemungkinan jalan menuju desain yang lebih ekonomis. Penggantian logam juga mengharuskan para peneliti memeriksa apakah elektroda yang dihasilkan tetap memiliki daya tahan seperti struktur aslinya.
Baterai komersial utuh harus memadukan masa pakai siklus yang panjang dengan kapasitas penyimpanan energi yang memadai, daya yang berguna, keamanan yang andal, dan proses produksi yang terjangkau. Hasil UCI mengatasi kelemahan tertentu pada elektroda eksperimental: kerusakan fisik akibat siklus berulang. Agar keberhasilan itu menjadi produk, berbagai persyaratan lainnya juga harus dipenuhi secara bersamaan.
UCI menyebut komputer, ponsel pintar, peralatan rumah tangga, mobil, dan wahana antariksa sebagai kemungkinan penerapannya. Masing-masing memiliki tuntutan berbeda terhadap baterai. Ponsel memerlukan pasokan energi yang ringkas; kendaraan membutuhkan sistem yang jauh lebih besar dan mampu menyalurkan daya yang signifikan; wahana antariksa membutuhkan pengoperasian yang andal dalam kondisi berat.
Thai kemudian menjadi ilmuwan utama di Enevate, perusahaan teknologi baterai AS, dan mengerjakan baterai canggih untuk transportasi listrik. Ia juga mengajukan paten atas penemuan lain, termasuk teknologi yang dirancang untuk menunda perambatan panas antarsel. Perambatan panas terjadi ketika panas dari sel yang mengalami kerusakan menyebar ke sel-sel di dekatnya.
Belum ada tanggal peluncuran komersial teknologi kawat nano emas yang diumumkan dalam laporan-laporan penelitian tersebut. Karier Thai setelahnya menunjukkan keterlibatannya yang berkelanjutan dalam pengembangan baterai, termasuk tantangan daya tahan dan keamanan di luar eksperimen awal.
Tahapan penting di balik penemuan
Kisah ini mencakup hasil nanobaterai terdahulu, pengujian laboratorium selama berbulan-bulan, dan dua pengumuman UCI pada 2016. Menyajikan tahapan-tahapan tersebut secara berurutan membantu pembaca memahami usia dan cakupan penemuan ini.
- 2007: Konfigurasi nanobaterai berbeda yang dikembangkan para peneliti Stanford mencapai 40.000 siklus, menurut laporan.
- Selama eksperimen UCI: Elektroda berlapis gel milik Thai melewati 10.000 dan kemudian 30.000 siklus sebelum mencapai 200.000 siklus dalam tiga bulan.
- 20 April 2016: UCI mengumumkan hasil tersebut, dan temuannya diterbitkan di ACS Energy Letters.
- 16 Mei 2016: UCI menerbitkan laporan lanjutan tentang penelitian berkelanjutan mengenai pengaruh gel terhadap mangan dioksida.
- Setelah meraih gelar doktor: Thai bergabung dengan industri untuk meneliti baterai dan menjadi ilmuwan utama di Enevate.
Thai menjelaskan hasil tersebut dengan menekankan peningkatan kestabilan fisik elektroda dan kemungkinan membuat baterai yang tahan lama. Sebagai peneliti doktoral yang memimpin studi itu, ia mengatakan:
Elektroda berlapis ini jauh lebih mampu mempertahankan bentuknya, sehingga menjadi pilihan yang lebih andal," kata Thai. "Penelitian ini membuktikan bahwa elektroda baterai berbasis kawat nano dapat berumur panjang dan kita dapat mewujudkan baterai semacam ini.
Poin Utama
- Elektroda UCI milik Mya Le Thai menyelesaikan 200.000 siklus selama tiga bulan tanpa penurunan kapasitas atau daya yang terdeteksi maupun kawat nano yang retak.
- Desainnya menggabungkan kawat nano emas, mangan dioksida, dan elektrolit gel yang diyakini para peneliti membantu mencegah keretakan.
- Temuan tersebut diterbitkan di ACS Energy Letters pada 20 April 2016.
- Perkiraan 400 tahun didasarkan pada asumsi 500 siklus per tahun; pengujian laboratorium berlangsung selama tiga bulan.
- Biaya emas dan persyaratan baterai utuh tetap menjadi faktor utama dalam pengembangan komersial.
- Thai kemudian menjadi ilmuwan utama di Enevate, mengerjakan baterai untuk transportasi listrik.
