Elastic Horizons: Ilmu di Balik Baterai Lithium-Ion yang Dapat Diregangkan Hingga 5000%

Baterai lithium-ion yang dapat diregangkan dan baru dikembangkan mempertahankan penyimpanan daya yang efisien setelah 70 siklus dan mengembang hingga 5000%. Inovasi ini memenuhi permintaan baterai yang terus meningkat dalam perangkat elektronik yang dapat dikenakan, memastikan fleksibilitas dan daya tahan.

Ketika Anda berpikir tentang baterai, Anda mungkin tidak berpikir tentang sesuatu yang lentur. Namun, baterai akan membutuhkan kualitas yang dapat berubah bentuk ini untuk dimasukkan ke dalam elektronik yang fleksibel, yang semakin diminati untuk monitor kesehatan yang dapat dikenakan. Sekarang, para peneliti di Surat Energi ACS melaporkan baterai lithium-ion dengan komponen yang sepenuhnya dapat diregangkan, termasuk lapisan elektrolit yang dapat mengembang hingga 5000%, dan mempertahankan kapasitas penyimpanan dayanya setelah hampir 70 siklus pengisian/pengosongan daya.

Kemajuan dalam Elektronik Fleksibel

Elektronik yang dapat ditekuk dan diregangkan membutuhkan baterai dengan sifat yang serupa. Sebagian besar peneliti yang telah mencoba membuat baterai semacam itu membuatnya dengan kain konduktif yang ditenun atau komponen kaku yang dilipat menjadi bentuk yang dapat diperluas, mirip dengan origami. Namun, untuk baterai yang benar-benar lentur, setiap bagian — elektroda yang mengumpulkan muatan dan lapisan elektrolit tengah yang menyeimbangkan muatan — harus elastis.

Sejauh ini, prototipe baterai yang benar-benar elastis memiliki elastisitas sedang, proses perakitan yang rumit, atau kapasitas penyimpanan energi yang terbatas, terutama seiring waktu dengan pengisian dan pengosongan daya yang berulang. Hal tersebut dapat terjadi karena hubungan yang lemah antara lapisan elektrolit dan elektroda atau ketidakstabilan elektrolit cair, yang dapat bergerak ketika baterai berubah bentuk. Jadi, daripada menggunakan cairan, Wen-Yong Lai dan rekan kerjanya ingin memasukkan elektrolit ke dalam lapisan polimer yang menyatu di antara dua lapisan elektroda fleksibel, untuk menciptakan baterai yang benar-benar padat dan elastis.

Baterai lithium-ion ini memiliki komponen yang sepenuhnya dapat diregangkan dan kapasitas pengisian dan pengosongan yang stabil dari waktu ke waktu. Kredit: Diadaptasi dari ACS Vitality Letters 2024, DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01254

Mengembangkan Baterai yang Sepenuhnya Elastis

Untuk membuat elektroda bagi baterai yang sepenuhnya elastis, tim tersebut menyebarkan lapisan tipis pasta konduktif yang mengandung nanokabel perak, karbon hitam, dan bahan katode atau anoda berbasis litium ke atas pelat. Lapisan polidimetilsiloksan, bahan fleksibel yang umum digunakan dalam lensa kontak, kemudian dioleskan ke bagian atas pasta. Tepat di atas lapisan ini, para peneliti menambahkan garam litium, cairan yang sangat konduktif, dan bahan-bahan untuk membuat polimer yang elastis.

Ketika diaktifkan oleh cahaya, komponen-komponen ini bergabung untuk membentuk lapisan karet padat yang mampu meregang hingga 5000% dari panjang aslinya dan mampu mengangkut ion litium. Akhirnya, tumpukan itu ditutup dengan lapisan elektroda lain, dan seluruh perangkat disegel dalam lapisan pelindung.

Peningkatan Kinerja dan Stabilitas

Ketika membandingkan desain baterai padat yang lentur dengan perangkat serupa dengan elektrolit cair tradisional, versi baru memiliki kapasitas pengisian rata-rata sekitar enam kali lebih tinggi pada tingkat pengisian cepat. Demikian pula, baterai padat mempertahankan kapasitas yang lebih stabil saat beroperasi selama 67 siklus pengisian dan pengosongan. Pada prototipe lain yang dibuat dengan elektroda padat, elektrolit polimer mempertahankan operasi yang stabil selama 1000 siklus, dengan kapasitas turun sebesar 1% dalam 30 siklus pertama, dibandingkan dengan penurunan 16% untuk elektrolit cair.

Masih ada beberapa perbaikan yang harus dilakukan, tetapi cara baru untuk menciptakan baterai padat yang sepenuhnya dapat diregangkan ini dapat menjadi langkah maju yang menjanjikan untuk perangkat yang dapat dikenakan atau ditanamkan yang dapat melentur dan bergerak mengikuti tubuh.

Referensi: “Elektrolit Polimer Elastis Terintegrasi dengan Elektroda yang Ditransfer Polimerisasi In Situ menuju Baterai yang Dapat Diregangkan” oleh Shi Wang, Shijun Xiao, Henan Cai, Wenqing Solar, Tong Wu, Yu Wang, Jixin He, Sheng Yang, Zhen-Dong Huang dan Wen-Yong Lai, 17 Juli 2024, Surat Energi ACS.
Jumlah halaman: 10.1021/acsenergylett.4c01254

Penulis mengucapkan terima kasih atas pendanaan dari Program Penelitian dan Pengembangan Kunci Nasional Tiongkok; Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Nasional Tiongkok; Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Provinsi Jiangsu; Yayasan Laboratorium Kunci Elektronik Fleksibel Provinsi Zhejiang; Program Profesor Khusus Jiangsu; Proyek “1311” dan Yayasan Ilmiah NUPT; Yayasan Sains Pascadoktoral Tiongkok; Proyek Laboratorium Kunci Negara Elektronik Organik dan Tampilan Informasi, NJUPT; dan Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam NJUPT.