Merevolusi Penyimpanan Energi:Baterai Lithium Elektrolit Padat Menawarkan Keamanan, Kapasitas, dan Kecepatan

Andrew Corselli

Gambaran seniman mengenai lapisan tipis atom perak dan beberapa atom perak di bawah permukaan, melindungi struktur kristal elektrolit padat dari tekanan mekanis. (Gambar:Chaoyang Zhao)

Secara teori, elektrolit padat — bukan cair — di antara elektroda-elektroda baterai yang berlawanan seharusnya memungkinkan baterai logam litium yang dapat diisi ulang menjadi lebih aman, mengemas lebih banyak energi, dan mengisi daya jauh lebih cepat daripada baterai Li-ion yang tersedia secara komersial saat ini. Selama beberapa dekade, para ilmuwan dan insinyur telah menjajaki beberapa cara untuk mewujudkan potensi besar baterai logam litium. Masalah utama pada elektrolit kristal padat yang diteliti adalah terbentuknya retakan mikroskopis yang membesar selama penggunaan hingga baterai rusak.

Para peneliti di Stanford, berdasarkan temuan yang mereka terbitkan tiga tahun lalu yang mengidentifikasi bagaimana ketidaksempurnaan kecil ini terbentuk dan meluas, telah menemukan bahwa proses anil (anil) lapisan perak yang sangat tipis pada permukaan elektrolit padat tampaknya dapat memecahkan masalah tersebut. Seperti yang dilaporkan dalam Bahan Alam , lapisan ini memperkuat permukaan elektrolit lima kali lipat agar tidak retak akibat tekanan mekanis. Hal ini juga membuat ketidaksempurnaan yang ada jauh lebih rentan terhadap lithium yang masuk ke dalamnya, terutama saat pengisian ulang cepat, yang mengubah celah nano menjadi celah nano dan pada akhirnya membuat baterai tidak berguna.

“Elektrolit padat yang kami dan pihak lain sedang perbaiki adalah sejenis keramik yang memungkinkan ion Li-ion bergerak bolak-balik dengan mudah, namun rapuh,” kata Penulis Senior Wendy Gu, Associate Professor, Teknik Mesin. “Dalam skala yang sangat kecil, tidak seperti piring atau mangkuk keramik yang Anda miliki di rumah yang permukaannya memiliki retakan kecil.”

"Baterai solid-state sebenarnya terbuat dari lapisan tumpukan lembaran katoda-elektrolit-anoda. Pembuatan baterai ini tanpa cacat sekecil apa pun hampir mustahil dan sangat mahal," kata Gu. “Kami memutuskan bahwa permukaan pelindung mungkin lebih realistis, dan sedikit perak saja sudah cukup memberikan hasil yang baik.”

Penelitian sebelumnya oleh ilmuwan lain menyelidiki penggunaan lapisan logam Ag pada bahan elektrolit padat yang sama – dikenal sebagai “LLZO” karena campuran atom litium, lantanum, dan zirkonium, serta oksigen – yang digunakan dalam penelitian ini. Meskipun penelitian sebelumnya menggunakan perak metalik untuk meningkatkan kinerja baterai, penelitian baru menggunakan bentuk perak terlarut yang telah kehilangan elektron (Ag+). Perak terlarut dan bermuatan ini — tidak seperti perak logam, perak padat — secara langsung bertanggung jawab untuk mengeraskan keramik terhadap pembentukan retakan.

Para peneliti menyimpan lapisan perak setebal 3 nanometer ke permukaan LLZO, lalu memanaskan sampel hingga 300 °C (572 °F). Selama pemanasan, atom perak berdifusi ke permukaan elektrolit, bertukar tempat dengan atom litium yang jauh lebih kecil hingga kedalaman 20 hingga 50 nanometer. Perak tetap berupa ion bermuatan positif dibandingkan perak metalik, yang menurut para ilmuwan merupakan kunci untuk mencegah terbentuknya retakan. Jika terdapat ketidaksempurnaan, keberadaan beberapa ion perak positif juga mencegah litium menyusup dan menumbuhkan cabang destruktif di dalam elektrolit.

“Studi kami menunjukkan bahwa doping perak skala nano dapat secara mendasar mengubah cara retakan bermula dan menyebar di permukaan elektrolit, menghasilkan elektrolit padat yang tahan lama dan tahan terhadap kegagalan untuk teknologi penyimpanan energi generasi berikutnya,” kata Pemimpin Penelitian Xin Xu, yang saat itu menjabat sebagai Asisten Profesor, Teknik, Arizona State University.

Berikut adalah Ringkasan Teknologi eksklusif wawancara, diedit agar panjang dan jelas, dengan Xu.

Ringkasan Teknologi :Apa tantangan teknis terbesar yang Anda hadapi saat melakukan anil lapisan?

Xu :Sebelum saya menjawab, saya ingin mengklarifikasi bahwa kami bukanlah kelompok pertama yang memikirkan tentang perak. Lapisan perak telah digunakan pada baterai solid-state selama beberapa tahun, sebagian besar sebagai lapisan antara logam litium dan elektrolit padat. Jelas sekali, mereka bekerja dengan baik. Namun kami datang dengan ide yang sedikit berbeda. Kami mulai menganggap perak sebagai elemen ajaib. Ini besar dan sangat terpolarisasi.

Artinya, lengan perak sangat fleksibel sehingga dapat menekan material ke tempat yang tidak bisa dilakukan oleh ion kecil. Hipotesis kami di sini sangat sederhana:Jika perak dapat menyebarkan atau menekan elektrolit ke dalam sel, hal itu dapat menimbulkan tegangan tekan dan sebenarnya dapat memperkuat material tersebut. Hal ini akan membuat material lebih tahan terhadap retak.

Ketika kami pertama kali mendapat ide ini, kami berpikir, 'Seberapa sulitkah hal ini? Taruh saja perak di sana.’ Ternyata sangat, sangat sulit. Tantangan teknis terbesarnya adalah:Elektrolit padat sangat sensitif terhadap udara. Kelembaban bereaksi dengan CO2 dan ini juga akan membentuk lapisan kontaminasi di permukaan. Bahkan di laboratorium, hal ini terjadi dengan mudah. Setelah kontaminasi pada permukaan elektrolit terbentuk, perak tidak dapat melakukan apa yang kita inginkan.

Kami akhirnya menyadari bahwa kebersihan permukaan adalah segalanya. Jadi, jika kita membuat permukaan yang sangat bersih, perak dapat melebur ke dalam bahan elektrolit dan menghasilkan tegangan tekan yang kita inginkan. Sejak saat itu, kami menjadi sangat terobsesi dengan pengendalian lingkungan laboratorium. Kami mulai dari persiapan sampel, dari karakterisasi pelapisan hingga pengujian. Setiap langkah semuanya dilakukan dalam kondisi bebas udara yang dikontrol ketat. Kami bahkan merancang kapal transfer bebas udara khusus yang sangat unik hanya untuk proyek ini. Kami bahkan menjual ini di Amazon. Setelah kami melakukannya, hasilnya sangat jelas. Sangat menarik.

Ringkasan Teknologi :Apakah Anda punya rencana untuk pekerjaan di masa depan?

Xu :Kami memiliki beberapa hal yang perlu diperhatikan untuk langkah selanjutnya. Pertama, dan menurut saya ini mungkin bagian favorit saya, kami ingin mencoba elemen lainnya. Hasil ini menunjukkan bahwa ukuran ionik merupakan faktor kuncinya. Jika itu benar, perak itu tidak istimewa karena itu perak; ini istimewa karena besar. Artinya, elemen yang lebih murah namun berukuran besar juga bisa digunakan. Misalnya natrium, kalium, atau tembaga. Faktanya, kami telah memperoleh hasil yang sangat menjanjikan dengan tembaga.