Studi Baru Mengungkap Penyebab Keretakan Baterai dan Strategi Mitigasinya
Universitas Chicago, Sekolah Teknik Molekuler Pritzker, Chicago, IL
Jing Wang, seorang peneliti pascadoktoral yang bekerja di Fakultas Teknik Molekuler Pritzker Universitas Chicago dan Laboratorium Nasional Argonne, adalah penulis pertama makalah baru yang mengungkap beberapa akar penyebab – dan cara untuk mengurangi – strain nanoskopik yang dapat menyebabkan keretakan pada bentuk baterai yang semakin populer untuk kendaraan listrik dan teknologi lainnya. (Gambar:John Zich)
Penelitian baru dari Laboratorium Nasional Argonne dan Fakultas Teknik Molekuler Universitas Chicago Pritzker telah memecahkan misteri besar baterai yang menyebabkan penurunan kapasitas, memperpendek masa pakai, dan, dalam beberapa kasus, menyebabkan kebakaran.
Dalam makalah yang diterbitkan di Nature Nanotechnology , para peneliti mengungkap beberapa akar penyebab — dan cara untuk memitigasi — strain nanoskopik yang dapat menyebabkan keretakan pada baterai yang semakin populer untuk kendaraan listrik dan teknologi lainnya.
“Elektrifikasi dalam masyarakat membutuhkan kontribusi semua orang,” kata Khalil Amine, Argonne Distinguished Fellow dan Joint Professor di University of Chicago, salah satu penulis terkait. “Jika masyarakat tidak percaya bahwa baterai aman dan tahan lama, mereka tidak akan memilih untuk menggunakannya.”
Karena masalah retak yang sudah berlangsung lama pada baterai lithium-ion yang menggunakan bahan kaya Ni polikristalin (PC-NMC) di katodanya, para peneliti selama beberapa tahun terakhir telah beralih ke oksida berlapis kaya kristal tunggal Ni (SC-NMC). Namun model tersebut tidak selalu menunjukkan performa yang serupa atau lebih baik dibandingkan model lama.
Penelitian baru, yang dilakukan oleh penulis pertama Jing Wang selama gelar Ph.D. periode ini, yang diawasi bersama oleh Laboratorium Penyimpanan dan Konversi Energi Profesor Shirley Meng dan tim Teknologi Baterai Tingkat Lanjut Amine, mengungkapkan masalah mendasar:Asumsi yang diambil dari katoda polikristalin diterapkan secara tidak tepat pada bahan kristal tunggal.
“Ketika orang mencoba beralih ke katoda kristal tunggal, mereka mengikuti prinsip desain yang serupa dengan katoda polikristal,” kata Wang, yang sekarang menjadi peneliti pascadoktoral yang bekerja di Universitas Chicago dan Argonne. “Penelitian kami mengidentifikasi bahwa mekanisme degradasi utama partikel kristal tunggal berbeda dengan partikel polikristal, sehingga memerlukan persyaratan komposisi yang berbeda.”
“Tidak hanya diperlukan strategi desain baru, namun material yang berbeda juga diperlukan untuk membantu baterai katoda kristal tunggal mencapai potensi maksimalnya,” kata Meng, yang juga Direktur Energy Storage Research Alliance (ESRA), yang berbasis di Argonne. “Dengan lebih memahami bagaimana berbagai jenis bahan katoda terdegradasi, kami dapat membantu merancang rangkaian bahan katoda yang berfungsi tinggi untuk kebutuhan energi dunia.”
Saat baterai katoda polikristal diisi dan dikosongkan, partikel primer yang kecil dan bertumpuk membengkak dan menyusut. Ekspansi dan kontraksi yang berulang-ulang ini dapat memperluas batas butir yang memisahkan polikristal, serupa dengan bagaimana pembekuan dan pencairan yang berulang-ulang membuat jalan-jalan berlubang di jalan-jalan kota. “Biasanya, volumenya akan mengalami ekspansi atau penyusutan volume sekitar lima hingga 10 persen,” kata Wang. “Jika umur pemuaian atau penyusutan melebihi batas elastis, hal itu akan menyebabkan retaknya partikel.”
Jika retakan terlalu melebar, elektrolit dapat masuk, yang dapat menyebabkan reaksi samping yang tidak diinginkan dan pelepasan oksigen, yang dapat meningkatkan masalah keselamatan, termasuk risiko pelepasan panas. Namun, kecuali keadaan dramatis tersebut, dampak yang lebih besar dari hari ke hari adalah penurunan kapasitas – baterai akan memudar seiring berjalannya waktu, menjadi semakin tidak mampu memberikan daya yang sama seperti saat masih baru. Karena tidak terbuat dari banyak tumpukan kristal, material katoda kristal tunggal tidak memiliki batas butir awal, namun masih mengalami degradasi.
“Kami menunjukkan bahwa degradasi katoda NMC kristal tunggal sebagian besar diatur oleh mode kegagalan mekanis yang berbeda,” kata penulis koresponden lainnya, Tongchao Liu, ahli kimia di Argonne. “Dengan mengidentifikasi mekanisme yang sebelumnya kurang dihargai ini, penelitian ini membangun hubungan langsung antara komposisi material dan jalur degradasi, sehingga memberikan wawasan lebih dalam tentang asal mula penurunan kinerja pada material tersebut.”
Dengan menggunakan teknik sinar-X sinkrotron multi-skala dan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi, mereka menemukan bahwa retakan pada katoda kristal tunggal terutama didorong oleh heterogenitas reaksi. Partikel mengalami reaksi dengan laju yang berbeda-beda, sehingga menyebabkan regangan bukan di antara banyak kristal seperti pada desain polikristal, namun di dalam satu kristal.
Katoda polikristal adalah tindakan penyeimbang nikel, mangan, dan kobalt. Kobalt menyebabkan keretakan tetapi diperlukan untuk mengatasi masalah lain — gangguan Li/Ni.
Dengan membangun dan menguji satu baterai nikel-kobalt (tanpa mangan) dan satu baterai nikel-mangan (tanpa kobalt), tim menemukan bahwa, untuk katoda kristal tunggal, yang terjadi justru sebaliknya. Mangan lebih merusak secara mekanis dibandingkan kobalt dan kobalt sebenarnya membantu baterai bertahan lebih lama.
Namun kobalt lebih mahal daripada nikel atau mangan. Wang mengatakan langkah tim selanjutnya untuk mengubah inovasi laboratorium ini menjadi produk nyata adalah menemukan bahan yang lebih murah dan meniru hasil bagus kobalt.
“Kemajuan datang dalam siklus,” kata Amine. "Anda memecahkan masalah, lalu melanjutkan ke masalah berikutnya. Wawasan yang diuraikan dalam makalah kolaboratif ini akan membantu peneliti masa depan menciptakan bahan yang lebih aman dan tahan lama untuk baterai masa depan."
Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Khalil Amine di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya..
