Energi yang Aman dan Efisien: Bahan Baterai yang Mengubah Permainan Ditemukan

Para ilmuwan telah mengidentifikasi konduktor lithium-ion yang stabil dan sangat konduktif yang dapat digunakan sebagai elektrolit padat dalam baterai lithium-ion solid-state.

Baterai lithium-ion solid-state, yang menggunakan elektrolit padat, tidak mudah terbakar dan memiliki kepadatan energi dan jumlah transferensi ion yang lebih tinggi dibandingkan dengan baterai elektrolit cair. Fitur-fitur ini memposisikan baterai sebagai pengganti potensial di pasar yang didominasi oleh baterai elektrolit cair tradisional, termasuk kendaraan listrik. Terlepas dari kelebihan ini, elektrolit padat mempunyai kelemahan seperti konduktivitas lithium-ion yang lebih rendah dan kesulitan dalam mempertahankan kontak yang cukup antara elektroda dan elektrolit padat.

Meskipun elektrolit padat berbahan dasar sulfida bersifat konduktif, namun bereaksi dengan uap air membentuk hidrogen disulfida beracun. Oleh karena itu, diperlukan elektrolit padat non-sulfida yang konduktif dan stabil di udara untuk membuat baterai Li-ion solid-state yang aman, berkinerja tinggi, dan dapat diisi dengan cepat.

Dalam sebuah penelitian terbaru yang dipublikasikan di jurnal Kimia Bahantim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Kenjiro Fujimoto, Profesor Akihisa Aimi dari Universitas Sains Tokyo, dan Dr. Shuhei Yoshida dari DENSO CORPORATION, menemukan konduktor Li-ion yang stabil dan sangat konduktif dalam bentuk oksifluorida tipe piroklor.

Menurut Prof. Fujimoto, “Membuat baterai sekunder lithium-ion solid-state telah menjadi impian lama banyak peneliti baterai. Kami telah menemukan elektrolit padat oksida yang merupakan komponen kunci dari semua baterai lithium-ion solid-state, yang memiliki kepadatan energi dan keamanan yang tinggi. Selain stabil di udara, materials ini juga menunjukkan konduktivitas ionik yang lebih tinggi dibandingkan elektrolit padat oksida yang dilaporkan sebelumnya.”

Analisis dan Kinerja Terperinci

Oksfluorida tipe piroklor yang dipelajari dalam karya ini dapat dilambangkan sebagai Li_2-XLa_(1+X)/3M₂HAI₆F (M = Nb, Ta). Ia menjalani analisis struktural dan komposisi menggunakan berbagai teknik, termasuk difraksi sinar-X, analisis Rietveld, digabungkan secara induktif plasma spektrometri emisi optik, dan difraksi elektron space terpilih. Secara khusus, Li_1.25La_0,58Catatan₂HAI₆F dikembangkan, menunjukkan konduktivitas ionik curah sebesar 7,0 mS cm⁻¹ dan konduktivitas ionik complete sebesar 3,9 mS cm⁻¹ pada suhu kamar. Ditemukan lebih tinggi dari konduktivitas lithium-ion dari elektrolit padat oksida yang diketahui. Energi aktivasi konduksi ionik bahan ini sangat rendah, dan konduktivitas ionik bahan ini pada suhu rendah adalah salah satu yang tertinggi di antara elektrolit padat yang diketahui, termasuk bahan berbasis sulfida.

Tepatnya, bahkan pada suhu –10°C, materials baru ini memiliki konduktivitas yang sama dengan elektrolit padat berbasis oksida konvensional pada suhu kamar. Selain itu, karena konduktivitas di atas 100 °C juga telah diverifikasi, rentang pengoperasian elektrolit padat ini adalah –10 °C hingga 100 °C. Baterai lithium-ion konvensional tidak dapat digunakan pada suhu di bawah titik beku. Oleh karena itu, kondisi pengoperasian baterai litium-ion untuk telepon seluler yang umum digunakan adalah 0 °C hingga 45 °C.

Mekanisme konduksi Li-ion dalam bahan ini diselidiki. Jalur konduksi struktur tipe piroklor mencakup ion F yang terletak di terowongan yang dibuat oleh MHAI₆ oktahedra. Mekanisme konduksi adalah pergerakan ion Li secara berurutan sambil mengubah ikatan dengan ion F. Ion Li yang berpindah ke posisi Li terdekat selalu melewati posisi metastabil. tidak bergerak La³⁺ terikat pada ion F menghambat konduksi Li-ion dengan menghalangi jalur konduksi dan menghilangkan posisi metastabil di sekitarnya.

Tidak seperti baterai sekunder lithium-ion yang ada, semua baterai solid-state berbahan oksida tidak memiliki risiko kebocoran elektrolit karena kerusakan dan tidak ada risiko pembentukan fuel beracun seperti pada baterai berbasis sulfida. Oleh karena itu, inovasi baru ini diharapkan dapat memimpin penelitian di masa depan. “Bahan yang baru ditemukan ini aman dan menunjukkan konduktivitas ionik yang lebih tinggi dibandingkan elektrolit padat berbasis oksida yang dilaporkan sebelumnya. Penerapan bahan ini menjanjikan untuk pengembangan baterai revolusioner yang dapat beroperasi pada berbagai suhu, dari rendah hingga tinggi,” Prof. Fujimoto membayangkan. “Kami yakin kinerja yang diperlukan untuk penerapan elektrolit padat pada kendaraan listrik telah terpenuhi.”

Khususnya, materials baru ini sangat stabil dan tidak akan terbakar jika rusak. Sangat cocok untuk pesawat terbang dan tempat lain yang mengutamakan keselamatan. Cocok juga untuk aplikasi berkapasitas tinggi, seperti kendaraan listrik, karena dapat digunakan pada suhu tinggi dan mendukung pengisian ulang yang cepat. Selain itu, ini juga merupakan bahan yang menjanjikan untuk miniaturisasi baterai, peralatan rumah tangga, dan peralatan medis.

Singkatnya, para peneliti tidak hanya menemukan konduktor Li-ion dengan konduktivitas tinggi dan stabilitas udara tetapi juga memperkenalkan konduktor superionik tipe baru dengan oksifluorida tipe piroklor. Menjelajahi struktur lokal di sekitar litium, perubahan dinamisnya selama konduksi, dan potensinya sebagai elektrolit padat untuk baterai solid-state adalah space penting untuk penelitian di masa depan!

Referensi: “Konduktivitas Li-Ion Tinggi dalam Elektrolit Padat Tipe Pirokhlore Li2–xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta)” oleh Akihisa Aimi, Hitoshi Onodera, Yuta Shimonishi, Kenjiro Fujimoto dan Shuhei Yoshida, 28 Maret 2024, Kimia Bahan.
DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c03288