Lapisan Pelindung Baru Meningkatkan Keamanan Baterai Logam Lithium dan Kepadatan Energi

Universitas Stanford, CA

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, antara elektroda berlawanan pada baterai seharusnya memungkinkan baterai logam litium yang dapat diisi ulang menjadi lebih aman, mengemas lebih banyak energi, dan mengisi daya jauh lebih cepat dibandingkan baterai litium-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 litium bergerak bolak-balik dengan mudah, namun rapuh,” kata Wendy Gu, Profesor Madya Teknik Mesin dan penulis senior studi tersebut. “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 nano meter 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.

"Metode ini dapat diperluas ke kelas keramik yang luas. Hal ini menunjukkan bahwa lapisan permukaan yang sangat tipis dapat membuat elektrolit tidak terlalu rapuh dan lebih stabil dalam kondisi elektrokimia dan mekanis yang ekstrem, seperti pengisian daya dan tekanan yang cepat," kata Xin Xu, yang bekerja di Stanford di laboratorium Profesor William Chueh, penulis senior studi tersebut dan Direktur Precourt Institute for Energy, yang merupakan bagian dari Stanford Doerr School of Sustainability.

Dengan menggunakan probe khusus di dalam mikroskop elektron pemindai, para peneliti mengukur gaya yang diperlukan untuk mematahkan permukaan. Elektrolit padat yang diberi perlakuan perak memerlukan tekanan hampir lima kali lebih besar untuk retak, dibandingkan dengan bahan yang tidak diberi perlakuan. Sejauh ini, eksperimen tersebut berhasil dengan sampel uji kecil, bukan baterai lengkap. Para peneliti kini menerapkan perlakuan permukaan berbasis perak pada baterai logam lithium penuh untuk melihat seberapa baik kinerja lapisan tersebut dalam kondisi dunia nyata, seperti pengisian cepat berulang kali dan penggunaan jangka panjang.

Selain itu, tim sedang meneliti berbagai strategi untuk menggunakan tekanan mekanis pada berbagai sudut yang dapat memperpanjang masa pakai baterai. Mereka juga mempelajari metode untuk mencegah kegagalan pada jenis elektrolit padat lainnya, seperti yang berbahan dasar sulfur, yang mungkin memiliki manfaat tambahan seperti peningkatan stabilitas kimia dengan litium. Penerapan temuan ini pada baterai berbasis natrium yang sedang berkembang merupakan kemungkinan yang menarik, yang dapat membantu meringankan kendala rantai pasokan pada baterai berbasis litium.

Perak bukan satu-satunya pilihan, kata para peneliti. Uji coba awal dengan logam lain yang lebih murah – misalnya tembaga – telah menunjukkan hasil yang menggembirakan. Secara keseluruhan, temuan ini menunjukkan pendekatan baru dan fleksibel untuk memperkuat material rapuh yang mungkin penting bagi baterai generasi berikutnya.

Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Wendy Gu di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya..