Baterai Kalsium‑Ion:Frontier Berikutnya dalam Penyimpanan Energi

Andrew Corselli

Prof. Yoonseob KIM (kanan), Associate Professor di Departemen Teknik Kimia dan Biologi dan Penulis Koresponden, dan gelar Ph.D. siswa YIN Zhuoyu (kiri), Penulis Pertama, yang memegang cetakan sel elektrokimia. Mereka digambarkan di samping pengendara sepeda sel baterai. (Gambar:HKUST)

Para peneliti di Universitas Sains dan Teknologi Hong Kong (HKUST) telah mencapai terobosan dalam teknologi baterai kalsium-ion (CIB), yang dapat mengubah solusi penyimpanan energi dalam kehidupan sehari-hari. Dengan memanfaatkan elektrolit kuasi-padat-status (QSSE), CIB inovatif ini berjanji untuk meningkatkan efisiensi dan keberlanjutan penyimpanan energi, sehingga berdampak pada berbagai aplikasi mulai dari sistem energi terbarukan hingga kendaraan listrik. Temuan ini dipublikasikan di jurnal internasional Advanced Science berjudul “Baterai Kalsium-Ion Kuasi Padat Berkinerja Tinggi dari Elektrolit Kerangka Organik Kovalen Aktif Redoks.”

Urgensi terhadap solusi penyimpanan energi berkelanjutan semakin penting di seluruh dunia. Ketika dunia semakin cepat beralih ke energi ramah lingkungan, permintaan akan sistem baterai yang efisien dan stabil menjadi semakin mendesak. Baterai Li-ion (LIB) yang umum saat ini menghadapi tantangan karena kelangkaan sumber daya dan kepadatan energi yang hampir terbatas, sehingga eksplorasi alternatif seperti CIB penting untuk masa depan yang berkelanjutan.

CIB sangat menjanjikan karena jendela elektrokimianya sebanding dengan LIB dan kelimpahannya di Bumi. Namun, mereka menghadapi kesulitan, khususnya dalam mencapai transportasi kation yang efisien dan mempertahankan performa bersepeda yang stabil. Kendala-kendala ini saat ini membatasi daya saing CIB terhadap LIB yang tersedia secara komersial.

Untuk mengatasi tantangan ini, tim peneliti yang dipimpin oleh Prof. Yoonseob KIM, Associate Professor, Departemen Teknik Kimia dan Biologi, HKUST, telah mengembangkan kerangka organik kovalen redoks untuk digunakan sebagai QSSE. QSSE yang kaya karbonil ini menunjukkan konduktivitas ionik yang luar biasa (0,46 mS cm-1) dan kemampuan transpor Ca2+ (>0,53) pada suhu kamar. Menggabungkan studi eksperimental dan simulasi, tim mengungkapkan bahwa Ca2+ dengan cepat berpindah sepanjang gugus karbonil yang selaras dalam pori-pori COF yang teratur.

Pendekatan inovatif ini menghasilkan terciptanya sel ion kalsium lengkap yang menunjukkan kapasitas spesifik reversibel sebesar 155,9 mAh g-1 pada 0,15 A g-1 dan mempertahankan retensi kapasitas lebih dari 74,6 persen pada 1 A g-1 setelah 1.000 siklus, yang menunjukkan potensi COF redoks untuk memajukan teknologi CIB.

Skema yang menunjukkan proses sintetik pembuatan elektrolit kuasi-padat berbasis kerangka organik kovalen dan kerja sel penuh direalisasikan dalam karya ini. (Gambar:HKUST)

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

Ringkasan Teknologi :Apa tantangan teknis terbesar yang Anda hadapi saat mengembangkan terobosan teknologi CIB ini?

Kim :Tantangan terbesarnya adalah lambatnya pergerakan ion kalsium. Dibandingkan dengan ion litium, ion kalsium memiliki ukuran yang lebih besar dan muatan yang lebih kuat, sehingga membuat difusinya jauh lebih lambat — terutama dalam elektrolit kuasi-padat, yang konduktivitasnya bisa sepuluh kali lebih rendah dibandingkan dengan litium. Mengatasi penurunan konduktivitas yang signifikan ini sangat penting agar baterai kalsium-ion dapat berfungsi.

Untuk mengatasi hal ini, kami mengeksplorasi penggunaan bahan berpori yang sangat kristalin untuk membangun jalur transpor ion yang selaras secara vertikal. Dengan merekayasa struktur ini, kami bertujuan untuk menciptakan saluran berkelanjutan yang memfasilitasi pergerakan ion. Selain itu, kami memperkenalkan situs aktif yang ditempatkan secara strategis di sepanjang jalur ini untuk meningkatkan dan mempertahankan transportasi ion kalsium yang efisien. Pendekatan ini tidak hanya inovatif tetapi juga sangat menantang untuk diterapkan, karena memerlukan kontrol yang tepat terhadap arsitektur material dan kimia permukaan pada skala nano.

Ringkasan Teknologi :Bisakah Anda menjelaskan secara sederhana cara kerjanya?

Kim :Bayangkan baterai tradisional sebagai dua wadah yang dihubungkan oleh sebuah jembatan. Ion – pembawa bermuatan – perlu melintasi jembatan itu untuk menghasilkan listrik. Pada baterai kalsium, tantangannya adalah ion kalsium lebih besar dan "lebih lengket" dibandingkan ion litium yang digunakan pada sebagian besar baterai saat ini. Mereka cenderung melambat atau terhenti di tengah jalan, terutama dalam elektrolit kuasi-padat — yang lebih berbentuk padat daripada cair.

Jadi, kami membangun sistem jalan raya khusus di dalam baterai kami. Dengan menggunakan bahan berpori, kami membuat jalur jelas yang memandu ion kalsium ke arah yang benar. Kami juga menambahkan "stasiun layanan" di sepanjang jalan — tempat yang memberikan sedikit dorongan pada ion agar mereka tetap bergerak. Desain ini membantu ion kalsium berukuran besar bergerak secara efisien, sehingga baterai dapat menyimpan dan menyalurkan energi secara efektif menggunakan kalsium yang melimpah, bukan litium yang langka.

Ringkasan Teknis :Apakah Anda mempunyai rencana untuk penelitian/pekerjaan/dll lebih lanjut? Jika tidak, apa langkah Anda selanjutnya?

Kim :Ya, kami memiliki langkah selanjutnya yang jelas. Pertama, kami berencana untuk lebih mengoptimalkan saluran transpor ion untuk mencapai konduktivitas ion kalsium yang lebih tinggi. Sasaran kami adalah memungkinkan konduksi ion kalsium tunggal melalui bahan kerangka organik kovalen (COFs) — yang berarti setiap saluran membawa ion dengan lebih efisien, seperti jalur ekspres khusus.

Kedua, kami akan berupaya mengoptimalkan material dan struktur katoda dan anoda. Pada akhirnya, kami bertujuan untuk mengembangkan baterai ion kalsium solid-state, yang selanjutnya akan meningkatkan kepadatan dan keamanan energi. Hal ini mendekatkan kita pada baterai praktis dan berkinerja tinggi yang menggunakan banyak kalsium.

Ringkasan Teknologi :Apakah ada hal lain yang ingin Anda tambahkan namun belum saya bahas?

Kim :Saya akan berbicara tentang arah yang menjanjikan dari baterai isi ulang, satu arah penting yang membuat kami bersemangat:saat ini, kami fokus pada pembuatan baterai dengan bahan aktif anoda, namun tujuan utama kami adalah mengembangkan baterai bebas anoda.

Bayangkan sebuah baterai di mana Anda tidak perlu membawa-bawa bahan anodanya — bahan anoda akan terbentuk dengan sendirinya saat pengisian daya. Hal ini akan meningkatkan kepadatan energi secara signifikan karena Anda menggunakan setiap bahan secara efisien. Ini seperti mengemas lebih banyak barang ke dalam koper yang sama.

Desain bebas anoda dianggap sebagai generasi berikutnya untuk baterai isi ulang, dan kami percaya bahan kimia kalsium menawarkan peluang unik untuk mencapainya. Ini ambisius, tapi itulah yang sedang kami upayakan.

Ringkasan Teknologi :Apakah Anda punya saran untuk para peneliti yang ingin mewujudkan idenya?

Kim :Berikut ini beberapa saran:

Pertama, jangan menghindari masalah yang sulit – terimalah masalah tersebut. Jika tantangannya sulit, berarti solusinya akan berharga. Ion kalsium pada dasarnya lebih lambat dibandingkan litium, namun mengatasi tantangan mendasar itulah yang menjadikan terobosan ini bermakna.

Kedua, berpikirlah secara struktural, bukan hanya secara kimiawi. Terkadang jawabannya bukanlah materi baru, melainkan bagaimana Anda menyusunnya. Desain saluran berpori kami tidak hanya menanyakan "apa" namun juga "bagaimana" — bagaimana ion sebenarnya bergerak melalui ruang?

Dan terakhir, tetaplah bersabar namun gigih. Terobosan jarang terjadi dalam semalam. Hal ini terjadi karena adanya kemajuan kecil dan bertahap — seperti peningkatan konduktivitas beberapa persen, lalu beberapa persen lagi, hingga tiba-tiba Anda melampaui ambang batas.

Masalah yang patut dipecahkan adalah masalah yang tidak mudah menyerah.