Gel membantu silikon menyimpan lebih banyak energi
Para peneliti di Pohang University of Science and Technology (POSTECH), Korea Selatan, mengembangkan sistem baterai silikon dan gel yang menurut universitas tersebut menghasilkan kepadatan energi sekitar 40% lebih tinggi dengan tetap mempertahankan kinerja yang stabil. Diumumkan pada 2 Februari 2024, penelitian ini menggunakan partikel silikon berukuran 5 mikrometer dan sinar elektron untuk membantu baterai bertahan terhadap pemuaian dan penyusutan material yang berulang.
Daftar Isi
Penelitian ini bertujuan membawa kendaraan listrik lebih dekat ke kemampuan menempuh 1.000 kilometer dengan sekali pengisian daya. POSTECH menyebut jarak tersebut sebagai sasaran penelitian. Pengumumannya menjelaskan hasil dari sistem baterai, sementara demonstrasi pada kendaraan, tanggal peluncuran komersial, dan harga belum ditentukan.
Profesor Soojin Park, kandidat doktor Minjun Je, dan Dr. Hye Bin Son dari Departemen Kimia POSTECH mengembangkan pendekatan ini. Studi mereka terbit secara daring di Advanced Science pada 17 Januari 2024, sebelum universitas menerbitkan pengumuman penelitian.
Gagasan utamanya adalah membuat material berkapasitas penyimpanan besar lebih mudah digunakan. Silikon dapat menampung jauh lebih banyak litium daripada grafit yang umum digunakan pada anoda baterai, tetapi ukurannya berubah drastis saat pengisian daya. Tim POSTECH menghubungkan partikel silikon dengan gel elastis melalui ikatan kimia, sehingga strukturnya lebih mampu mengatasi perubahan tersebut.
Bagi pengemudi, manfaatnya jelas: menyimpan lebih banyak energi dalam baterai dapat mendukung perjalanan lebih jauh di antara waktu pengisian daya. Bagi produsen baterai, penelitian ini menjawab persoalan lain, yakni cara menggunakan partikel silikon yang relatif murah tanpa mengorbankan kestabilan operasi.
Mengapa silikon sulit digunakan
Keunggulan silikon dalam menyimpan energi disertai masalah mekanis. Menurut POSTECH, material ini mengembang hingga lebih dari tiga kali ukuran awalnya saat pengisian daya, lalu menyusut ketika baterai digunakan. Perubahan berulang tersebut memberi tekanan pada elektroda dan material di sekitarnya.
Anoda adalah salah satu dari dua elektroda dalam baterai. Saat pengisian daya, ion litium bergerak melalui elektrolit dan masuk ke anoda, tempat energi disimpan. Saat baterai digunakan, prosesnya berbalik. Elektrolit harus memungkinkan ion-ion tersebut bergerak, sementara struktur elektroda tetap berfungsi selama siklus pengisian daya yang berulang.
Para peneliti kerap menggunakan partikel silikon yang sangat kecil untuk membantu mengatasi tekanan tersebut. POSTECH menyebut produksi silikon berukuran nanometer sebagai proses yang rumit dan mahal. Partikel yang lebih besar, berukuran mikrometer, menawarkan keunggulan dari segi biaya produksi dan kepadatan energi, tetapi pemuaiannya lebih sulit ditangani.
Partikel dalam eksperimen POSTECH berukuran 5 mikrometer, atau lima per sejuta meter. Menurut universitas tersebut, ukurannya sekitar 100 kali lebih besar daripada partikel yang digunakan pada anoda silikon tradisional berukuran nanometer. Itulah perbandingan ukuran partikel spesifik dalam pengumuman resmi, bukan faktor 1.000 yang disebutkan dalam uraian awal penelitian. Satu mikrometer sendiri 1.000 kali lebih panjang daripada satu nanometer.
Cara kerja gel dan sinar elektron
Tim POSTECH memadukan partikel silikon yang lebih besar dengan elektrolit polimer berbentuk gel. Polimer adalah material yang tersusun dari rantai molekul panjang. Dalam baterai ini, struktur elastisnya membantu elektrolit mengakomodasi perubahan ukuran silikon sekaligus memungkinkan ion litium bergerak.
Para peneliti kemudian menggunakan sinar elektron untuk membentuk ikatan kovalen antara partikel silikon dan gel. Ikatan kovalen adalah hubungan kimia yang membuat atom-atom berbagi elektron. Dalam hal ini, ikatan tersebut membantu menyebarkan tekanan internal yang timbul saat silikon mengembang dan menyusut.
Pendekatan ini memperlakukan silikon dan elektrolit di sekelilingnya sebagai satu struktur terpadu. Alih-alih hanya mengandalkan partikel yang lebih kecil, para peneliti mengubah cara partikel terhubung dengan material di sekitarnya. POSTECH mengaitkan kestabilan struktur yang dihasilkan dengan ikatan tersebut dan kemampuan gel mengakomodasi perubahan ukuran.
Park, profesor kimia POSTECH yang memimpin tim tersebut, menyebut hasil ini sebagai kemajuan dalam upaya memanfaatkan kapasitas penyimpanan silikon secara praktis:
Kami menggunakan anoda silikon mikro, tetapi baterainya tetap stabil. Penelitian ini membawa kami lebih dekat ke sistem baterai ion litium dengan kepadatan energi tinggi yang sesungguhnya.
Universitas itu juga melaporkan bahwa sistem gel tersebut memiliki konduktivitas ion yang serupa dengan baterai konvensional yang menggunakan elektrolit cair. Konduktivitas ion menggambarkan kemudahan partikel bermuatan bergerak melalui suatu material. Menjaga pergerakan itu tetap efektif penting karena elektrolit harus mendukung aliran ion saat baterai diisi dan memasok daya.
Arti peningkatan 40% bagi jarak tempuh
POSTECH melaporkan peningkatan kepadatan energi sekitar 40% pada sistem elektrolit silikon dan gelnya. Kepadatan energi menggambarkan banyaknya energi yang dapat disimpan baterai dibandingkan dengan massa atau volumenya. Peningkatan kepadatan energi merupakan salah satu cara untuk membawa lebih banyak energi tanpa membuat baterai bertambah berat atau besar secara proporsional.
Pengumuman universitas tersebut menggunakan sekitar 700 kilometer sebagai acuan jarak tempuh kendaraan listrik dan 1.000 kilometer sebagai jarak yang ingin dicapai para peneliti. Peningkatan dari 700 menjadi 1.000 kilometer berarti tambahan 300 kilometer, atau sekitar 43%.
Angka-angka itu menjelaskan daya tarik peningkatan kepadatan energi sebesar 40%. Sebagai ilustrasi sederhana, peningkatan jarak tempuh 700 kilometer sebesar 40% menghasilkan 980 kilometer, mendekati sasaran yang disebutkan. Perhitungan ini mengasumsikan kendaraan menggunakan energi dengan laju yang sama dan energi yang dapat digunakan dari baterai bertambah dalam proporsi yang sama.
Jarak tempuh kendaraan sesungguhnya juga bergantung pada bobot, efisiensi, kecepatan, suhu, dan desain paket baterai. Tantangan praktisnya adalah menerapkan keunggulan penyimpanan material tersebut pada baterai lengkap, lalu pada kendaraan. Kombinasi operasi yang stabil, partikel silikon lebih besar, dan konduktivitas ion yang sebanding seperti dilaporkan POSTECH menjawab beberapa bagian dari tantangan itu secara bersamaan.
Studi lain mengatasi lapisan pelindung silikon
Tim peneliti lain, dengan Ai-Min Li dan Chunsheng Wang sebagai beberapa penulisnya, menerbitkan studi di Nature Communications pada 8 Februari 2024. Studi itu juga menggunakan partikel silikon berukuran 5 mikrometer, tetapi menempuh solusi berbeda: elektrolit cair yang dirancang untuk membentuk lapisan permukaan pelindung yang mampu menoleransi pergerakan silikon.
Makalah tersebut menjelaskan bahwa salah satu sumber utama hilangnya kapasitas adalah kerusakan pada lapisan antarmuka elektrolit padat, yang biasanya disingkat SEI. Lapisan pelindung tipis ini terbentuk pada anoda. Saat retak, elektrolit cair dapat masuk ke partikel silikon yang rusak dan kembali bereaksi, membentuk lapisan baru serta mengganggu kontak listrik.
Li dan koleganya merancang elektrolit yang mengandung fluoroethylene carbonate, sulfolane, dan TTE, sejenis eter terfluorinasi. Formulasi mereka mendukung sel yang beroperasi pada tegangan 4,3 volt dan membentuk lapisan pelindung yang kaya akan litium fluorida dan litium oksida.
Para penulis menyebut lapisan ini tidak mudah melekat pada silikon, yang berarti ikatannya dengan material litium dan silikon di bawahnya lemah. Ikatan yang lemah itu memungkinkan silikon mengembang dan menyusut di dalam lapisan pelindung dengan tekanan lebih kecil pada lapisan itu sendiri. Sebaliknya, pendekatan POSTECH menggunakan ikatan kimia kuat antara silikon dan gel elastis untuk menyebarkan tekanan.
Dengan demikian, kedua studi mengatasi masalah pergerakan yang sama pada batas antarmuka yang berbeda. Studi pertama menghubungkan silikon dengan struktur fleksibel di sekelilingnya; studi kedua memungkinkan silikon bergerak di dalam lapisan pelindung yang melekat lebih lemah.
Hal yang diukur dalam pengujian tim kedua
Studi di Nature Communications melaporkan bahwa anoda silikonnya menghasilkan kapasitas 2.175 miliampere jam per gram selama lebih dari 250 siklus, dengan efisiensi Coulomb sebesar 99,8%. Kapasitas per gram menunjukkan jumlah muatan listrik yang dapat disimpan oleh massa material tertentu. Satu siklus terdiri atas satu putaran pengisian dan pengosongan daya.
Efisiensi Coulomb membandingkan muatan yang dikeluarkan saat baterai digunakan dengan muatan yang dimasukkan selama pengisian. Pada angka 99,8%, selisihnya sekitar 0,2% per siklus yang diukur. Menjaga selisih ini tetap kecil penting karena reaksi yang tidak diinginkan secara berulang menghabiskan muatan dan material seiring waktu.
Tim tersebut juga menguji sel kantong dengan kapasitas nominal 100 miliampere jam. Sel itu menghasilkan 172 miliampere jam per gram material katoda selama 120 siklus, dengan efisiensi Coulomb di atas 99,9%. Sel kantong menempatkan komponen baterai di dalam wadah fleksibel.
Pengukuran tersebut menjelaskan kapasitas elektroda, efisiensi, dan kinerja siklus pada desain elektrolit cair. Hasil utama POSTECH berkaitan dengan peningkatan kepadatan energi sekitar 40% dari sistem gelnya. Masing-masing studi menyumbangkan rangkaian pengukuran yang berbeda untuk membantu pemanfaatan partikel silikon berukuran lebih besar dalam baterai ion litium.
Dari publikasi menuju produksi
POSTECH menyebut proses produksinya sederhana dan siap diterapkan. Penggunaan partikel silikon yang lebih besar mengatasi biaya dan kerumitan yang terkait dengan produksi partikel berukuran nanometer, sementara sinar elektron membentuk ikatan yang dibutuhkan untuk menghasilkan struktur terpadu.
Pengumuman universitas tersebut menyebut dukungan dari Program Peneliti Independen National Research Foundation of Korea. Urutan publikasinya menempatkan hasil tersebut berdampingan dengan upaya lain untuk mengatasi masalah pemuaian silikon pada periode yang sama:
- 17 Januari 2024: Studi tim POSTECH terbit secara daring di Advanced Science.
- 2 Februari 2024: POSTECH mengumumkan hasil penelitian silikon dan elektrolit gelnya serta ambisi mencapai jarak tempuh kendaraan 1.000 kilometer.
- 8 Februari 2024: Nature Communications menerbitkan studi terpisah tentang elektrolit cair untuk partikel silikon berukuran 5 mikrometer.
Daya tarik praktis yang mendasari kedua proyek ini sama: silikon berlimpah dan memiliki kapasitas penyimpanan tinggi, sementara partikel yang lebih besar dapat mengurangi kendala produksi. Membuat material di sekitarnya mampu menoleransi pergerakan silikon merupakan kunci untuk mengubah keunggulan tersebut menjadi baterai yang tetap memiliki kapasitas berguna setelah digunakan berulang kali.
Poin Utama
- POSTECH melaporkan kepadatan energi sekitar 40% lebih tinggi dari sistem baterai silikon dan elektrolit gel terpadu.
- Para peneliti menggunakan sinar elektron untuk membentuk ikatan kimia yang membantu menyebarkan tekanan saat silikon mengembang dan menyusut.
- Sistem yang stabil tersebut menggunakan partikel berukuran 5 mikrometer, yang menurut POSTECH 100 kali lebih besar daripada nanopartikel silikon tradisional.
- Jarak tempuh kendaraan 1.000 kilometer merupakan sasaran penelitian; pengumuman tersebut berfokus pada pengembangan baterai.
- Studi terpisah di Nature Communications menggunakan elektrolit cair dan lapisan permukaan pelindung, serta melaporkan kinerja anoda silikon selama lebih dari 250 siklus.
