Apa Itu Baterai Grafena? [Ikhtisar Sederhana]

Teknologi baterai telah meningkat pesat akhir-akhir ini. Tetapi jika ada satu hal yang orang tidak akan pernah bisa puas adalah janji masa pakai baterai yang lama. Bukankah lebih bagus jika laptop dan smartphone kita bertahan selama seminggu penuh penggunaan intensif hanya dengan sekali pengisian daya? Atau bagaimana jika mobil listrik dapat terisi penuh dalam hitungan menit?

Dengan baterai graphene, semuanya mungkin.

Graphene saat ini merupakan bahan yang paling banyak diteliti untuk penyimpanan muatan. Hasil dari berbagai laboratorium di seluruh dunia mengkonfirmasi potensinya untuk merevolusi industri penyimpanan energi.

Ditemukan pada tahun 2004, graphene dapat menghadirkan banyak fitur baru untuk perangkat penyimpanan energi pada dekade berikutnya, seperti baterai yang dapat digulung sepenuhnya, kapasitor yang lebih kecil, perangkat berkapasitas tinggi dan pengisian cepat, serta baterai transparan.

Mari gali lebih dalam dan pelajari lebih lanjut tentang teknologi pengubah permainan ini:apa bedanya dengan baterai lithium-ion yang ada, apa aplikasinya, dan mengapa hal itu menjadi masalah besar.

Apa Sebenarnya Baterai Grafena Itu?

Grafena, lembaran atom karbon yang disusun dalam kisi sarang lebah dua dimensi, diakui sebagai 'bahan ajaib' karena sifatnya yang unik. Ini adalah konduktor panas dan listrik yang sangat baik, sangat fleksibel, hampir transparan, 100 kali lebih kuat dari baja dengan ketebalan yang sama, dan sangat ringan.

Atom dalam graphene diatur dalam kisi sarang lebah dua dimensi

Dan karena bahannya juga ramah lingkungan dan berkelanjutan, ia memiliki kemungkinan tak terbatas dalam berbagai aplikasi. Salah satu aplikasi yang menjanjikan itu adalah baterai generasi berikutnya.

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

Baterai yang dibuat dengan graphene dapat memberi daya pada segala hal mulai dari perangkat genggam dan kendaraan listrik. Mereka memiliki lebih banyak daya dan memiliki siklus hidup yang lebih lama daripada baterai komersial (lithium-ion) yang ada.

Grafena sebagai baterai juga dapat digunakan sebagai superkapasitor, yang dapat diisi dan dikosongkan dengan sangat cepat. Bahkan, mereka bisa membantu peradaban akhirnya menjauh dari bahan bakar fosil yang berbahaya.

Apa perbedaannya dengan baterai tradisional?

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

Perbedaan utama terletak pada konstituen dari satu atau kedua elektroda. Dalam baterai konvensional, katoda (elektroda positif) seluruhnya terbuat dari bahan solid-state. Namun, dalam baterai graphene, katoda terbuat dari komponen hibrida yang mengandung graphene dan material logam padat.

Jumlah graphene yang digunakan dalam elektroda bervariasi, tergantung pada efisiensi dan persyaratan kinerja material solid-state. Selanjutnya, graphene, sebagai anoda, menyediakan kapasitas tinggi dan kemampuan kecepatan yang unggul.

Tantangan Saat Ini

Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti telah mendemonstrasikan berbagai baterai berbasis graphene yang mengungguli baterai yang tersedia secara komersial. Namun, teknologinya belum memasuki pasar. Dua rintangan utama masih perlu diatasi:

1. Kurangnya proses yang efisien untuk memproduksi graphene berkualitas tinggi dalam jumlah besar
2. Biaya produksi sangat tinggi saat ini.

Memproduksi satu kilogram graphene membutuhkan biaya puluhan ribu dolar:jumlahnya bervariasi sesuai dengan persyaratan kualitas bahan. Karena karbon aktif yang saat ini digunakan dalam superkapasitor tersedia dengan biaya rendah ($15 per kg), sangat sulit bagi bahan lain untuk memasuki pasar komersial.

12 Fitur Baru Baterai Graphene

Dalam waktu dekat, graphene dapat membuat perangkat penyimpan energi generasi baru dengan fitur luar biasa yang tidak mungkin dilakukan dengan teknologi saat ini.

1. Superkapasitor dengan pemfilteran saluran AC 

Kapasitor lapisan ganda listrik berdasarkan lembaran graphene yang berorientasi vertikal dapat diisi / dikosongkan dengan sangat cepat (dalam waktu kurang dari satu milidetik). Puluhan bahan telah diuji untuk penyaringan saluran AC, termasuk graphene oxide, karpet graphene-CNT (Carbon NanoTube), dan titik kuantum graphene.

Superkapasitor ultracepat tersebut dapat menggantikan kapasitor elektrolit besar yang saat ini digunakan dalam elektronik, membuat perangkat elektronik lebih ringan dan lebih kecil.

2. Perangkat penyimpanan energi yang fleksibel

Baterai dan superkapasitor yang ada bersifat kaku:Oleh karena itu, membengkokkannya dapat menyebabkan kebocoran elektrolit dan kerusakan sel. Namun, graphene, dengan struktur dua dimensi setebal satu atom, dapat dideformasi ke arah normal ke permukaannya tanpa menyebabkan kerusakan apa pun.

Selain fleksibilitas mekanis yang melekat ini, karakteristik listrik yang fenomenal dan luas permukaan yang besar menjadikan graphene sebagai bahan yang menjanjikan untuk baterai fleksibel.

3. Baterai dan superkapasitor yang dapat diregangkan

Perangkat penyimpanan energi yang dapat diregangkan dapat dibuat dengan memanfaatkan kelenturan struktural elektroda komposit bahan aktif graphene-CNT/micro-honeycomb dan elektrolit gel yang terhubung silang secara fisik.

Graphene-CNT/film bahan aktif pada substrat yang dapat diregangkan | Kredit:ACS Nano

Bahan aktif yang saling terhubung melalui karbon nanotube dan lembaran graphene yang terjerat memberikan kerangka jaringan berpori yang stabil secara mekanis, sedangkan kerangka yang menonjol ke dalam dalam struktur sarang lebah memungkinkan peregangan struktural selama deformasi.

4. Baterai lithium-ion yang dapat diisi dengan cepat

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

Misalnya, baterai lithium-ion yang diisi dengan LiFePO skala nano₄ katoda dan Li₄ Ti₅ O₁₂ bahan anoda pada busa graphene fleksibel dapat terisi penuh hanya dalam 18 detik. Grafena murni juga dapat digunakan di anoda untuk meningkatkan kapasitas dan tingkat pengisian/pengosongan ultra cepat.

5. Baterai untuk perangkat wearable 

Kemajuan terbaru dalam elektroda koaksial dan selubung inti telah memungkinkan untuk menggabungkan bahan elektroda dan kolektor arus dalam satu benang, yang dapat ditenun atau dirajut langsung menjadi tekstil.

Grafena dapat secara efektif dirakit menjadi serat mikro multifungsi dan ditenun menjadi kain. Serat mikro selubung inti graphene telah digunakan untuk mendemonstrasikan superkapasitor yang fleksibel dan dapat diregangkan (dengan kapasitansi luas yang tinggi) yang dapat digabungkan ke dalam tekstil menggunakan metode tenun tradisional.

6. Pengumpul arus ultra tipis untuk perangkat ringan

Baterai yang ada menggunakan kolektor arus foil logam (seperti tembaga, aluminium, atau nikel) dengan ketebalan 20-80 mikrometer untuk memfasilitasi aliran elektron antara elektroda dan sirkuit eksternal. Karena logam ini tidak menyimpan muatan, mereka mengurangi kepadatan energi baterai secara keseluruhan. Selain itu, mereka mengalami korosi, yang berdampak negatif pada ketahanan internal sel dan masa pakai baterai.

Graphene, di sisi lain, adalah kolektor arus alternatif yang lebih baik. Ini memiliki konduktivitas listrik yang tinggi, kepadatan rendah, dan dapat bekerja secara stabil di bawah kondisi operasi yang ekstrim. Grafena dapat dengan mudah diubah menjadi film dengan riak dan kerutan di permukaannya, yang menghasilkan kontak listrik yang lebih baik dengan bahan aktif (ini semakin mengurangi hambatan sel).

7. Baterai dan superkapasitor transparan

Karena konduktivitasnya yang tinggi dan transparansi yang layak (transmisi hingga 97,7%), graphene dapat memainkan peran penting dalam membuat baterai transparan lebih efisien. Ini dapat digunakan sebagai bahan elektroda tidak hanya untuk mengembangkan perangkat penyimpanan energi transparan tetapi juga untuk jendela pintar, sel surya, dan berbagai peralatan optoelektronik.

8. Baterai lebih tahan lama 

Baterai lithium-ion saat ini menggunakan anoda grafit. Kepadatan energinya dapat ditingkatkan dengan mengganti grafit dengan graphene.

Elektroda graphene dalam bentuk kertas graphene yang dilipat, film graphene berpori, dan kerangka graphene terlarut menawarkan kapasitas tiga kali lebih banyak daripada elektroda grafit tradisional, menjanjikan jangkauan yang lebih panjang untuk kendaraan listrik dan waktu pengoperasian yang lebih lama untuk perangkat genggam.

Kapasitas dan kepadatan daya dapat lebih ditingkatkan dengan doping anoda graphene dengan nitrogen dan boron.

9. Grafena oksida sebagai elektrolit padat dan pemisah

Grafena oksida adalah isolator elektronik yang baik. Ini dapat digunakan sebagai elektrolit padat dan pemisah elektroda pada saat yang bersamaan. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa film oksida graphene, bertindak sebagai elektrolit padat, menunjukkan kapasitansi tinggi tetapi dengan difusi ion yang tidak terdeteksi mirip dengan kapasitor dielektrik.

Pengamatan ini dapat membantu peneliti mengembangkan kapasitor yang sangat cepat, ringan, dan padat energi yang tidak mengalami difusi ion, yang seringkali bertanggung jawab atas bahaya kebocoran elektrolit.

10. Superkapasitor dengan kepadatan energi baterai

Superkapasitor yang dibuat dengan busa graphene [berpori dan padat] cenderung memiliki kepadatan energi sangat tinggi yang sebanding dengan baterai timbal-asam. Busa graphene ini dibuat dengan menggali lubang kecil di bidang dasar graphene dan kemudian mengompresnya dengan peralatan hidraulik canggih.

Manfaat utama superkapasitor graphene dibandingkan superkapasitor tradisional adalah mereka beroperasi dengan elektrolit berair dan dapat diproduksi tanpa perakitan 'ruang kering' yang canggih.

11. Membran oksida graphene semipermeabel

Membran oksida graphene menunjukkan berbagai karakteristik penghalang yang unik. Dalam keadaan kering, membran ini kedap terhadap segala sesuatu, tidak termasuk uap air. Di dalam air, mereka berperilaku sebagai saringan molekuler, menghalangi ion besar sambil memfasilitasi pengangkutan yang lebih kecil.

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

12. Elektroda bebas pengikat dan aditif

Pengikat dan aditif bersama-sama membuat hingga 40% dari massa elektroda. Ini dikenal sebagai 'massa mati' karena tidak menyimpan muatan apa pun dan dengan demikian mengurangi kepadatan energi secara keseluruhan.

Namun karena graphene dapat dirakit menjadi struktur 2D dan 3D yang berdiri sendiri dengan penghantaran listrik yang tinggi, graphene dapat digabungkan ke dalam elektroda secara langsung, tanpa menambahkan pengikat dan bahan konduktif.

Baca: Baterai Solid State [Ringkasan Sederhana]

Studi Terbaru

Dalam dekade terakhir, para ilmuwan telah berfokus pada peningkatan kinerja elektrokimia yang komprehensif dan keandalan baterai yang ada. Mereka telah mengembangkan dan menguji banyak baterai versi berbeda yang dilengkapi dengan komposit graphene.

Baterai lithium-ion berdasarkan nanokomposit graphene/silikon yang dioptimalkan

Para peneliti telah membuat komposit graphene oxide/silicon tereduksi yang dioptimalkan menggunakan metode perakitan mandiri yang mudah. Grafena secara seragam mendukung nanopartikel silikon, membentuk jaringan tiga dimensi (karena interaksi antarmolekul yang ditingkatkan dan peningkatan luas permukaan spesifik).

Strategi sintetis dari komposit RGO/Si yang dioptimalkan | Kredit:Publikasi ACS 

Ini dapat digunakan sebagai lembaran interfase padat-elektrolit yang stabil, yang meningkatkan konduktivitas listrik dan stabilitas struktural.

Sel kantong berbasis graphene

Baterai lithium-oksigen quasi-solid-state berbasis graphene menghasilkan kepadatan energi gravimetri dan volumetrik yang lebih tinggi daripada baterai polimer lithium-ion yang ada. Ini terdiri dari katoda graphene berpori 3D, anoda graphene/Li berpori, dan elektrolit polimer gel yang dimodifikasi mediator redoks.

Ilustrasi skematik baterai Li-O2 berbasis graphene | Kredit:Alam 

Studi ini membuka jalan baru untuk mengembangkan baterai lithium-oksigen yang aman dan stabil dengan siklus stabil pada kapasitas besar dan kelebihan muatan rendah.

Film laminasi graphene untuk penyimpanan energi kapasitif

Pada tahun 2020, tim peneliti merancang elektroda film laminasi graphene berdiri bebas dengan pemanfaatan pori yang sangat efisien. Sangat mudah untuk mengkonfigurasi porositas dengan menyesuaikan jarak antar lapisan film. Karena pori-pori digunakan secara optimal, kapasitansi volumetrik dimaksimalkan.

Superkapasitor graphene fleksibel dapat menyimpan energi 10x lebih banyak daripada yang konvensional | Kredit:University College London 

Jenis superkapasitor ini dapat mempertahankan 97,8% dari kapasitas energinya setelah 5.000 siklus. Mereka juga sangat fleksibel:performanya hampir sama saat ditekuk 180 derajat seperti saat berbaring.

Elektroda berbasis graphene yang diinduksi laser

Para ilmuwan telah membuat mikro-superkapasitor fleksibel melalui stamping reduksi fotonik laser pulsa tunggal. Dengan menggunakan metode ini, 1.000 laser berbentuk spasial dapat diproduksi per detik, dan lebih dari 30.000 mikro-superkapasitor dapat diproduksi dalam 10 menit.

Lebih dari 30.000 MSC dibuat di area persegi satu sentimeter | Kredit:Institut Teknologi Beijing 

Elektroda berbasis graphene yang diinduksi laser ini menunjukkan kapasitansi spesifik yang luar biasa, konstanta waktu yang sangat singkat, kepadatan energi yang sangat tinggi, dan kemampuan siklus jangka panjang.

Pasar

Penelitian graphene akan terus berkembang selama dekade berikutnya dengan janji membuat kehidupan manusia lebih baik. Pada tahun 2019, pasar baterai graphene global bernilai $49 juta, dan diproyeksikan mencapai sekitar $399 juta pada tahun 2027, mencatat CAGR (tingkat pertumbuhan tahunan gabungan) lebih dari 31% selama periode perkiraan.

Pertumbuhan pasar didorong oleh penggunaan baterai graphene pada kendaraan listrik, perangkat elektronik portabel, dan lonjakan adopsi sumber daya energi non-konvensional. Segmen otomotif diperkirakan memiliki tingkat pertumbuhan tertinggi karena meningkatnya permintaan mobil listrik karena masalah lingkungan.

Baca: 10 Jenis Baterai yang Berbeda | Dijelaskan

Berdasarkan wilayahnya, wilayah Asia Pasifik diproyeksikan menyumbang pangsa terbesar dari industri baterai graphene. Negara-negara kunci yang berkontribusi terhadap peningkatan permintaan adalah Cina, Jepang, dan Korea Selatan. Eropa kemungkinan akan memiliki pangsa pasar baterai graphene global terbesar ke-2.