Baterai Grafin Dijelaskan: Masa Depan Energi Tahan Lama

Teknologi baterai telah meningkat banyak hari ini. Namun jika ada satu hal yang orang tidak akan pernah dapat cukup adalah janji umur baterai yang panjang. Bukankah akan bagus jika laptop dan smartphone kami bertahan selama seminggu penggunaan intensif dengan hanya satu kali pengisian daya? Atau bagaimana jika mobil listrik dapat diisi daya penuh dalam menit?

Dengan baterai grafin, semuanya mungkin.

Grafin saat ini adalah bahan yang paling banyak diteliti untuk penyimpanan muatan. Hasil dari berbagai laboratorium di seluruh dunia mengonfirmasi potensinya untuk merevolusi industri penyimpanan energi.

Ditemukan pada tahun 2004, grafin dapat menyajikan banyak fitur baru untuk perangkat penyimpanan energi dalam dekade mendatang, seperti baterai yang dapat digulung sepenuhnya, kapasitor lebih kecil, perangkat dengan kapasitas tinggi dan pengisian daya cepat, dan baterai transparan.

Mari kita gali lebih dalam dan pelajari lebih banyak tentang teknologi yang mengubah permainan ini: bagaimana cara bedanya dengan baterai lithium-ion yang ada, apa aplikasinya, dan mengapa ini adalah masalah besar.

Apa Itu Baterai Grafin?

Grafin, lapisan atom karbon yang tersusun dalam jaringan sarang lebah dua dimensi, diakui sebagai 'bahan ajaib' karena properti uniknya. Ini adalah konduktor panas dan listrik yang luar biasa, sangat fleksibel, hampir transparan, 100 kali lebih kuat dari baja dengan ketebalan yang sama, dan sangat ringan.

Atom dalam grafin tersusun dalam jaringan sarang lebah dua dimensi

Dan karena bahan ini juga ramah lingkungan dan berkelanjutan, ia memiliki kemungkinan tak terbatas dalam berbagai macam aplikasi. Salah satu aplikasi yang menjanjikan adalah baterai generasi mendatang.

Grafin dapat diintegrasikan ke dalam berbagai jenis baterai: logam-udara, aliran redox, logam-lithium, lithium-sulfur, dan yang lebih penting, baterai lithium-ion. Ini dapat diproses secara kimiawi menjadi berbagai versi yang cocok untuk elektroda negatif dan positif.

Baterai yang terbuat dengan grafin dapat memungkinkan segalanya dari perangkat gangan dan kendaraan listrik. Mereka menahan lebih banyak daya dan memiliki siklus hidup yang lebih lama dibandingkan baterai komersial (lithium-ion) yang ada.

Grafin sebagai baterai juga dapat digunakan sebagai superkapasitor, yang dapat mengisi dan mengosongkan daya dengan sangat cepat. Faktanya, mereka dapat membantu peradaban akhirnya beralih dari bahan bakar fosil yang berbahaya.

Bagaimana cara bedanya dengan baterai tradisional?

Teknologi baterai grafin mirip dengan baterai lithium-ion: ia memiliki dua elektroda padat dan larutan elektrolit untuk mengaktifkan aliran ion. Namun, beberapa baterai grafin memiliki elektrolit padat.

Perbedaan utama terletak pada konstituen satu atau kedua elektroda. Dalam baterai konvensional, katoda (elektroda positif) sepenuhnya terbuat dari bahan padat. Namun, dalam baterai grafin, katoda terbuat dari komponen hibrida yang berisi grafin dan bahan logam padat.

Jumlah grafin yang digunakan dalam elektroda bervariasi, tergantung pada efisiensi dan persyaratan performa bahan padat. Selain itu, grafin, sebagai anoda, menyediakan kapasitas tinggi dan kemampuan tingkat yang superior.

Tantangan Saat Ini

Dalam beberapa tahun terakhir, peneliti telah menunjukkan berbagai baterai berbasis grafin yang mengalahkan yang tersedia secara komersial. Namun, teknologi ini belum memasuki pasar. Dua hambatan besar masih harus diatasi:

1. Kurangnya proses yang efisien untuk menghasilkan grafin berkualitas tinggi dalam jumlah besar
2. Biaya produksi saat ini terlalu mahal.

Memproduksi satu kilogram grafin berbiaya puluhan ribu dolar: jumlahnya bervariasi tergantung pada persyaratan kualitas material. Karena arsip aktif yang saat ini digunakan dalam superkapasitori tersedia dengan biaya rendah ($15 per kg), sangat sulit untuk material lain memasuki pasar komersial.

12 Fitur Baru Baterai Grafin

Segera, grafin dapat mendirikan perangkat penyimpanan energi generasi baru dengan fitur luar biasa yang tidak mungkin dengan teknologi saat ini.

1. Superkapasitor dengan pemfilteran garis AC

Kapasitor lapis ganda listrik berdasarkan lembar grafin yang berorientasi vertikal dapat diisi/osongkan dengan sangat cepat (kurang dari satu milidetik). Puluhan bahan telah diuji untuk pemfilteran garis AC, termasuk oksida grafin, karpet grafin-CNT (Carbon NanoTube), dan titik kuantum grafin.

Superkapasitor ultrafast ini dapat menggantikan kapasitor elektrolitik besar yang saat ini digunakan dalam elektronik, membuat perangkat elektronik lebih ringan dan lebih kecil.

2. Perangkat penyimpanan energi fleksibel

Baterai dan superkapasitor yang ada kaku: Oleh karena itu, membengkokkannya dapat mengakibatkan kebocoran elektrolit dan kerusakan sel. Namun, grafin, dengan struktur satu atom tebal dua dimensinya, dapat berubah bentuk dalam arah normal ke permukaannya tanpa menyebabkan kerusakan apa pun.

Selain fleksibilitas mekanis bawaan ini, karakteristik listrik yang luar biasa dan luas permukaan besar menjadikan grafin bahan yang menjanjikan untuk baterai fleksibel.

3. Baterai dan superkapasitor yang dapat meregang

Perangkat penyimpanan energi yang dapat meregang dapat dibangun dengan memanfaatkan ketahanan struktural elektrode komposit grafin-CNT/bahan aktif micro-honeycomb dan gel elektrolit yang saling terhubung secara fisik.

Film grafin-CNT/bahan aktif pada substrat yang dapat meregang | Credit: ACS Nano

Bahan aktif yang saling terhubung melalui nanonawala karbon yang tersambung dan lembar grafin menyediakan jaringan kerangka pori yang stabil mekanis, sementara kerangka yang menjulang ke dalam dalam struktur sarang lebah memungkinkan peregangan struktural selama deformasi.

4. Baterai lithium-ion dengan pengisian daya cepat

Karena grafin memungkinkan transfer ion dan elektron yang lebih cepat dalam elektroda, baterai lithium-ion yang dilengkapi grafin dapat diisi dan diosongkan dalam waktu yang jauh lebih singkat.

Misalnya, baterai lithium-ion yang dimuat dengan katoda LiFePO₄ skala nano dan bahan anoda Li₄Ti₅O₁₂ pada foam grafin fleksibel dapat diisi penuh hanya dalam 18 detik. Grafin murni juga dapat digunakan pada anoda untuk meningkatkan kapasitas dan laju pengisian/osongan daya ultrafast.

5. Baterai untuk perangkat wearable

Kemajuan terbaru dalam elektroda koaksial dan inti-selubung telah membuatnya feasible untuk menggabungkan material elektroda dan pengumpul arus dalam satu benang, yang dapat dipasang atau dirajut langsung ke dalam tekstil.

Grafin dapat secara efektif dirakit menjadi mikroserat multifungsi dan dirajut ke dalam kain. Mikroserat inti-selubung grafin telah digunakan untuk mendemonstrasikan superkapasitor fleksibel dan dapat meregang (dengan kapasitansi luas yang tinggi) yang dapat diintegrasikan ke dalam tekstil menggunakan metode rajut tradisional.

6. Pengumpul arus tipis untuk perangkat ringan

Baterai yang ada menggunakan pengumpul arus foil logam (seperti tembaga, aluminium, atau nikel) dengan ketebalan 20-80 mikrometer untuk memfasilitasi aliran elektron antara elektroda dan rangkaian eksternal. Karena logam ini tidak menyimpan muatan, mereka mengurangi densitas energi keseluruhan baterai. Selain itu, mereka menderita korosi, yang berdampak negatif pada resistensi internal sel dan umur baterai.

Grafin, di sisi lain, adalah alternatif pengumpul arus yang lebih baik. Ini memiliki konduktivitas listrik tinggi, densitas rendah, dan dapat berperforma stabil dalam kondisi operasi ekstrim. Grafin dapat dengan mudah diubah menjadi film dengan gerombolan dan kerutan pada permukaannya, yang menghasilkan kontak listrik yang lebih baik dengan bahan aktif (ini lebih mengurangi resistensi sel).

7. Baterai dan superkapasitor transparan

Dengan konduktivitas tinggi dan transparansi yang cukup (sampai 97.7% transmitansi), grafin dapat memainkan peran signifikan dalam membuat baterai transparan lebih efisien. Ini dapat digunakan sebagai material elektroda tidak hanya untuk mengembangkan perangkat penyimpanan energi transparan tetapi juga untuk jendela cerdas, sel surya, dan berbagai peralatan optoelektronik.

8. Baterai yang tahan lebih lama

Baterai lithium-ion saat ini menggunakan anoda grafit. Densitas energinya dapat ditingkatkan dengan mengganti grafit dengan grafin.

Elektroda grafin dalam bentuk kertas grafin lipat, film grafin pori, dan kerangka grafin yang dilarutkan menawarkan kapasitas tiga kali lebih besar dibandingkan elektroda grafit tradisional, menjanjikan jarak tempuh yang lebih lama untuk kendaraan listrik dan waktu operasi yang lebih lama untuk perangkat gangan.

Kapasitas dan densitas daya dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan mendoping anoda grafin dengan nitrogen dan boron.

9. Oksida grafin sebagai elektrolit padat dan pemisah

Oksida grafin adalah insulator elektron yang baik. Ini dapat digunakan baik sebagai elektrolit padat yang feasible dan pemisah elektroda pada saat yang sama. Beberapa studi menunjukkan bahwa film oksida grafin, yang bertindak sebagai elektrolit padat, menunjukkan kapasitansi tinggi tetapi dengan difusi ion yang tidak terdeteksi mirip dengan kapasitor dielektrik.

Observasi ini dapat membantu peneliti mengembangkan kapasitor ultrafast, ringan, dan padat energi yang tidak menderita difusi ion, yang sering menjadi tanggung jawab bahaya kebocoran elektrolit.

10. Superkapasitor dengan densitas energi baterai

Superkapasitor yang dibuat dengan [pori dan padat] foam grafin cenderung memiliki densitas energi ultra tinggi yang dapat dibandingkan dengan baterai asam timbal. Foam grafin ini dibuat dengan menggali lubang kecil di bidang dasar grafin dan kemudian mengompresnya dengan peralatan hidrolik canggih.

Manfaat utama superkapasitor grafin dibandingkan tradisional adalah mereka bekerja dengan elektrolit air dan dapat diproduksi tanpa perakitan 'ruang kering' yang rumit.

11. Membran oksida grafin semipermeabel

Membran oksida grafin menunjukkan karakteristik penghalang unik. Dalam keadaan kering, membran ini tidak melalui segalanya, kecuali uap air. Dalam air, mereka berperilaku sebagai saringan molekuler, memblokir ion besar sambil memfasilitasi transportasi ion yang lebih kecil.

Fitur ini dapat menyebabkan pengembangan membran ion-selektif generasi baru untuk superkapasitor, baterai, dan sel bahan bakar.

12. Elektroda tanpa perekat dan aditif

Perekat dan aditif bersama-sama membentuk hingga 40% massa elektroda. Ini dikenal sebagai 'massa mati' karena tidak menyimpan muatan apa pun dan sehingga mengurangi densitas energi keseluruhan.

Tapi karena grafin dapat dirakit menjadi struktur 2D dan 3D mandiri dengan konduktivitas listrik yang tinggi, memungkinkan untuk menggabungkan grafin ke dalam elektroda secara langsung, tanpa menambahkan perekat dan agen konduktif.

Studi Terbaru

Dalam dekade terakhir, ilmuwan berfokus pada meningkatkan performa elektrokimia komprehensif dan keandalan baterai yang ada. Mereka telah mengembangkan dan menguji banyak versi baterai yang dilengkapi komposit grafin.

Baterai lithium-ion berdasarkan nanokomposit grafin/silikon yang dioptimalkan

Peneliti telah memproduksi komposit oksida grafin yang direduksi/silikon yang dioptimalkan menggunakan metode self-assembly berbentuk cetakan yang mudah. Grafin secara merata mendukung nanopartikel silikon, membentuk jaringan tiga dimensi (karena interaksi antar molekula yang ditingkatkan dan luas permukaan spesifik yang meningkat).

Strategi sintesis komposit RGO/Si yang dioptimalkan | Credit: ACS Publications

Ini dapat digunakan sebagai lapis interphase elektrolit padat yang stabil, yang meningkatkan konduktivitas listrik dan stabilitas struktural.

Sel tas berbasis grafin

Baterai lithium-oxygen quasi-solid-state berbasis grafin menghasilkan densitas energi gravimetrik dan volumetrik yang lebih tinggi dibandingkan baterai polimer lithium-ion yang ada. Ini terdiri dari katoda grafin pori 3D, anoda grafin pori/Li, dan larutan elektrolit gel polimer yang dimodifikasi mediator redox.

Ilustrasi skematis baterai Li-O2 berbasis grafin | Credit: Nature

Studi ini membuka jalan baru untuk mengembangkan baterai lithium-oxygen yang aman dan stabil dengan siklus yang stabil pada kapasitas besar dan overpotensi pengisian rendah.

Film laminat grafin untuk penyimpanan energi kapasitif

Pada tahun 2020, tim peneliti merancang elektroda film laminat grafin mandiri dengan utilizasi pori yang sangat efisien. Mudah untuk mengonfigurasi porositas dengan menyesuaikan jarang antar lapis film. Karena pori digunakan secara optimal, kapasitansi volumetrik dimaksimalkan.

Superkapasitor grafin fleksibel dapat menyimpan energi 10x lebih banyak dibandingkan konvensional | Credit: University College London

Jenis superkapasitor ini dapat mempertahankan 97,8% kapasitas energi mereka setelah 5.000 siklus. Mereka juga sangat fleksibel: mereka berperforma hampir sama ketika dibengkokkan 180 derajat seperti ketika mereka berbaring datar.

Elektroda grafin yang diinduksi laser

Ilmuwan telah memproduksi mikro-superkapasitor fleksibel melalui stempel reduksi fotonik pulsa tunggal laser. Dengan metode ini, 1.000 laser yang dibentuk spasial dapat diproduksi per detik, dan lebih dari 30.000 mikro-superkapasitor dapat diproduksi dalam 10 menit.

Lebih dari 30.000 MSC diproduksi dalam area satu sentimeter persegi | Credit: Beijing Institute of Technology

Elektroda berbasis grafin yang diinduksi laser ini menunjukkan kapasitansi spesifik yang luar biasa, konstanta waktu yang sangat pendek, densitas energi yang sangat tinggi, dan daya tahan siklus jangka panjang.

Pasar

Penelitian grafin akan terus berkembang selama dekade mendatang dengan janji untuk menjadikan kehidupan manusia lebih baik. Pada tahun 2019, pasar baterai grafin global dinilai sebesar $49 juta, dan diproyeksi akan mencapai sekitar $399 juta pada tahun 2027, mencatat CAGR (laju pertumbuhan tahunan majemuk) lebih dari 31% selama periode peramalan.

Pertumbuhan pasar didorong oleh penggunaan baterai grafin dalam kendaraan listrik, perangkat elektronik portabel, dan lonjakan adopsi sumber energi non-konvensional. Segmen otomotif diharapkan akan memiliki laju pertumbuhan tertinggi karena permintaan yang meningkat akan mobil listrik karena kekhawatiran lingkungan.

Berdasarkan wilayah, wilayah Asia Pasifik diproyeksi akan menahan porsi terbesar dari industri baterai grafin. Negara kunci yang berkontribusi terhadap permintaan yang meningkat adalah China, Jepang, dan Korea Selatan. Eropa kemungkinan akan menahan porsi kedua terbesar dari pasar baterai grafin global.