Baterai Solid-State Magnesium-Ion:Lebih Aman &Efisien dibandingkan Lithium
Masih terlalu dini untuk menjanjikan baterai solid-state yang lebih padat energi dan tidak meledak. Namun, para peneliti di Pusat Penelitian Penyimpanan Energi Gabungan telah mengembangkan konduktor solid-state magnesium-ion yang akan menghasilkan baterai magnesium yang tidak mudah terbakar dan memiliki kapasitas penyimpanan energi yang lebih besar.
Alasan mengapa baterai lithium meledak adalah, baterai tersebut terbuat dari cairan elektrolit yang membawa muatan bolak-balik antara anoda dan katoda, dan ini menjadikannya bahan yang berpotensi mudah terbakar. Namun, konduktor padat magnesium, yang dapat digunakan sebagai elektrolit (bukan cairan), tahan api. Artinya, di masa depan kita tidak akan melihat Samsung Galaxy dan iPhone hancur berkeping-keping.
Beberapa perusahaan, termasuk Toyota dan KIT telah berfokus pada pembuatan elektrolit cair yang lebih baik, namun mereka cenderung menimbulkan korosi pada komponen baterai lainnya. Jadi, peneliti ingin mencoba sesuatu yang berbeda. Mengapa tidak Magnesium, yang memiliki kepadatan lebih tinggi dibandingkan litium dan jauh lebih melimpah di alam.
Untuk mengembangkan teknologi ini, para peneliti telah memilih magnesium scandium selenide spinel , yang memiliki mobilitas magnesium sebanding dengan elektrolit lithium solid-state. Mari kita cari tahu bagaimana mereka mewujudkannya.
Peran MIT dan Argonne
Tim ilmuwan ini mendapat bantuan dari peneliti MIT yang menawarkan sumber daya komputasi, dan Laboratorium Nasional Argonne yang mendokumentasikan struktur dan fungsi bahan spinel magnesium skandium selenida.
Seorang ahli kimia penelitian dari Argonne, Baris Key, melakukan uji spektroskopi NMR (Nuclear Magnetic Resonance) untuk membuktikan bahwa ion magnesium dapat menembus material secepat yang diperkirakan dalam studi teoritis. Data dalam percobaan tersebut melibatkan struktur material yang tidak diketahui dengan sifat yang kompleks sehingga cukup sulit untuk dipahami.
Seiring dengan pengukuran NMR dan sinkrotron solid-state, karakterisasi elektrokimia tradisional diterapkan untuk memungkinkan temuan ini.
NMR sangat mirip dengan MRI (Magnetic Resonance Imaging), yang sering digunakan dalam dunia medis untuk menunjukkan atom hidrogen air di saraf, otot, dan jaringan lemak manusia. Frekuensi NMR dapat disetel untuk mengidentifikasi elemen lain, seperti magnesium atau ion litium yang ada dalam bahan baterai.
Sumber: Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley
Mengapa Spinel Magnesium Skandium Selenida?
Struktur spinel dipilih berdasarkan parameter desain. Struktur ini memiliki mobilitas Magnesium tertinggi dengan volume per anion yang tinggi. Selain itu, relaksometri NMR dan spektroskopi impedansi mengkonfirmasi pergerakan ion magnesium yang cepat dengan penghalang migrasi yang rendah. Karena spektroskopi impedansi menunjukkan perilaku konduksi campuran, rencana untuk menekan konduktivitas elektronik harus diupayakan agar bahan tersebut menjadi elektrolit magnesium padat yang dapat digunakan secara praktis.
Dua fenomena mendasar yang mungkin secara signifikan mempengaruhi pembuatan elektrolit magnesium padat – peran cacat titik, dan pengaruh inversi pada mobilitas Magnesium dan elektrokimia, kedua makalah tersebut diterbitkan dalam Chemistry of Materials.
Pengamatan menunjukkan bahwa konduktivitas elektronik disebabkan oleh cacat intrinsik atau oleh fase sekunder yang tidak mengandung magnesium. Oleh karena itu, memahami cacat kimia pada spinel magnesium skandium selenida cukup penting untuk mengurangi konduktivitas elektronik. Pendekatan alternatif untuk menghindari konduksi elektronik adalah dengan merekayasa permukaannya menjadi konduktif ion tetapi mengisolasi elektron. Hal ini dapat dicapai melalui pembentukan antarmuka tipis antara elektrolit padat dan elektroda material, atau pelapisan ex situ pada lapisan tipis material berbeda.
Untuk memastikan kinerja yang layak dari baterai solid state, lapisan pelapis praktis harus menunjukkan mobilitas magnesium yang cukup. Tim peneliti mempertimbangkan difusi magnesium pada produk penguraian elektrolit yang terkenal terhadap bahan magnesium, termasuk biner Magnesium selenida, Magnesium sulfida, dan Magnesium oksida.
Mereka menemukan hambatan difusi yang tinggi pada Magnesium oksida dan Magnesium sulfida, sedangkan Magnesium selenida menunjukkan nilai yang lebih rendah. Oleh karena itu, potensi elektrolit padat Magnesium (yang tersusun dari sulfida dan oksida) perlu memastikan dihasilkannya produk antarmuka dengan mobilitas Magnesium yang lebih baik bila digunakan terhadap logam Magnesium, dibandingkan dengan magnesium kalkogenida biner.
Selain mengidentifikasi spinel pertama dengan konduktivitas ionik Magnesium suhu ruangan yang tinggi, penelitian ini juga memvalidasi aturan desain yang terdeteksi sebelumnya untuk konduktor padat ion multivalen cepat. Ini merupakan langkah yang menggembirakan dalam menemukan lebih banyak padatan dengan mobilitas Magnesium yang cepat, yang dapat berfungsi sebagai bahan elektrolit atau elektroda.
Makalah Penelitian: Mobilitas magnesium yang tinggi pada kalkogenida spinel terner
Efek dan Cakupan Masa Depan
Menurut asisten profesor Bo, di Universitas Shanghai Jiao Tong, penelitian ini akan memiliki dampak penting pada lanskap energi. Meskipun teknologi ini masih dalam tahap awal, dalam waktu dekat, teknologi ini mungkin akan memberikan dampak transformatif pada penyimpanan energi.
Baca:30 Eksperimen Sains Menarik di Internet
Kedengarannya inovatif dan menarik, namun tim mengatakan masih memerlukan banyak pekerjaan perabotan sebelum bahan tersebut dapat digunakan dalam baterai sebenarnya. Saat ini, ada sejumlah kecil kebocoran elektron yang harus dihilangkan, namun peningkatan mobilitas ion mendorong terciptanya baterai komersial yang lebih aman.
