Hingga Satu Juta Kilometer: Sintesis Kristal Tunggal yang Revolusioner Memperpanjang Umur Baterai Kendaraan Listrik
Para peneliti di POSTECH, yang dipimpin oleh Profesor Kyu-Younger Park, telah mengembangkan teknologi sintesis kristal tunggal baru untuk bahan katode berbasis nikel dalam baterai kendaraan listrik, yang menunjukkan peningkatan signifikan dalam masa pakai dan daya tahan. Karya mereka, yang diterbitkan dalam Bahan dan Antarmuka ACSmenyoroti suhu kritis yang dibutuhkan untuk mensintesis kristal tunggal yang kuat, berkontribusi pada baterai yang lebih tahan lama dan efisien.
Peneliti POSTECH telah memajukan teknologi baterai kendaraan listrik dengan mengembangkan metode untuk mensintesis bahan katoda kristal tunggal yang tahan lama, memperpanjang masa pakai dan efisiensi baterai.
Bisakah kristal tunggal suhu tinggi memungkinkan kendaraan listrik mampu melaju hingga satu juta kilometer?
Tim dari Pohang College of Science and Expertise (POSTECH), di bawah pimpinan Profesor Kyu-Younger Park dari Graduate Institute of Ferrous & Eco Supplies Expertise dan Division of Supplies Science and Engineering, bersama dengan kandidat PhD Kyoung Eun Lee dan alumni Yura Kim, telah membuat kemajuan yang signifikan. Berkolaborasi dengan POSCO Holdings N.EX.T Hub, mereka telah berhasil mengembangkan teknologi sintesis kristal tunggal yang sangat meningkatkan keawetan materials katode yang digunakan dalam kendaraan listrik.
Penelitian ini dipublikasikan dalam edisi on-line Bahan dan Antarmuka ACSjurnal internasional di bidang ilmu materials.
Baterai sekunder litium (Li), yang umum digunakan dalam kendaraan listrik, menyimpan energi dengan mengubah energi listrik menjadi energi kimia dan menghasilkan listrik untuk melepaskan energi kimia menjadi energi listrik melalui pergerakan ion Li antara katode dan anoda. Baterai sekunder ini terutama menggunakan bahan katode nikel (Ni) karena kapasitas penyimpanan ion litiumnya yang tinggi. Bahan berbasis nikel tradisional memiliki morfologi polikristalin yang terdiri dari banyak kristal kecil yang dapat mengalami degradasi struktural selama pengisian dan pengosongan, sehingga secara signifikan mengurangi masa pakainya.
Manfaat Bahan Katoda Kristal Tunggal
Salah satu pendekatan untuk mengatasi masalah ini adalah dengan memproduksi materials katode dalam bentuk “kristal tunggal”. Pembuatan materials katode berbasis nikel sebagai partikel besar tunggal, atau “kristal tunggal”, dapat meningkatkan stabilitas dan ketahanan struktural serta kimianya. Diketahui bahwa materials kristal tunggal disintesis pada suhu tinggi dan menjadi kaku. Namun, proses pengerasan yang tepat selama sintesis dan kondisi spesifik yang menyebabkan hal ini terjadi masih belum jelas.
Skema evolusi mikrostruktur bahan katode nikel tinggi dengan suhu sintesis dan strategi untuk mensintesis kristal tunggal pada suhu kritis. Kredit: POSTECH
Untuk meningkatkan ketahanan bahan katode nikel untuk kendaraan listrik, para peneliti berfokus pada identifikasi suhu tertentu, yang disebut sebagai “suhu kritis”, di mana bahan kristal tunggal berkualitas tinggi disintesis. Mereka menyelidiki berbagai suhu sintesis untuk menentukan kondisi optimum untuk membentuk kristal tunggal dalam sintesis bahan katode berbasis nikel (N884). Tim secara sistematis mengamati dampak suhu pada kapasitas materials dan kinerja jangka panjang.
Para peneliti menemukan bahwa bahan polikristalin konvensional yang disintesis di bawah suhu kritis tertentu rentan terhadap degradasi jika digunakan dalam jangka panjang pada baterai sekunder. Namun, ketika disintesis di atas suhu kritis ini, kristal tunggal berkualitas tinggi dapat diproduksi dengan mudah, sehingga menghasilkan bahan dengan keawetan yang lebih unggul.
Hal ini disebabkan oleh proses yang disebut “pemadatan” yang terjadi di atas suhu kritis tertentu. Selama proses ini, ukuran butiran inner materials meningkat dan ruang kosong di dalam materials terisi dengan rapat. Kristal tunggal yang dipadatkan sangat keras dan tahan terhadap degradasi dalam jangka waktu lama, sehingga meningkatkan daya tahannya secara signifikan. Berdasarkan temuan ini, tim tersebut mengonfirmasi bahwa mensintesis kristal tunggal di atas suhu kritis merupakan strategi desain materials yang lebih menguntungkan. Mereka juga mengusulkan metode yang efektif untuk mensintesis materials kristal tunggal berkualitas tinggi.
Profesor Kyu-Younger Park dari POSTECH menyatakan, “Kami telah memperkenalkan strategi sintesis baru untuk meningkatkan ketahanan bahan katode berbasis nikel.” Ia menambahkan, “Kami akan melanjutkan penelitian kami untuk membuat baterai sekunder untuk kendaraan listrik lebih murah, lebih cepat, dan lebih tahan lama.”
Referensi: “Studi Perbandingan Mikrostruktur Berbasis Termal pada Katoda Ni-Tinggi untuk Baterai Lithium-Ion: Suhu Kalsinasi Kritis untuk Desain Polikristalin dan Kristal Tunggal” oleh Kyoung Eun Lee, Yura Kim, Ju Seong Kim, Kyoung Solar Kim, Ki Joo Hong, Sang-Cheol Nam, Hyungsub Kim, Dongwook Lee dan Kyu-Younger Park, 29 April 2024, Bahan dan Antarmuka Terapan ACS.
DOI: 10.1021/acsami.4c00514
Penelitian ini dilakukan dengan dukungan dari POSCO Holdings dan Program Penelitian Dasar Kementerian Sains dan TIK.
