Iron Energy: Merevolusi Baterai Dengan Logam Paling Berlimpah di Bumi

Penelitian baru memperkenalkan katoda berbasis besi untuk baterai lithium-ion, menawarkan biaya lebih rendah dan keamanan lebih tinggi dibandingkan bahan tradisional.

Inisiatif kolaboratif yang dipimpin bersama oleh peneliti kimia Universitas Negeri Oregon Xiulei “David” Ji memperkenalkan besi sebagai bahan katoda yang layak dan berkelanjutan untuk baterai litium-ion, yang berpotensi menggantikan bahan mahal seperti kobalt dan nikel. Inovasi ini menjanjikan kepadatan energi yang lebih tinggi, biaya yang jauh lebih rendah, dan peningkatan keselamatan. Kelimpahan zat besi menjamin pasokan yang stabil, menjadikan pengembangan ini sebagai langkah penting menuju teknologi baterai yang lebih berkelanjutan.

Penelitian tersebut, dirinci dalam publikasi terbaru di Kemajuan Ilmu Pengetahuan, penting karena beberapa alasan. Ji menjelaskan, “Kami telah mengubah reaktivitas logam besi, komoditas logam termurah. Elektroda kami dapat menawarkan kepadatan energi yang lebih tinggi dibandingkan bahan katoda canggih pada kendaraan listrik. Dan karena kita menggunakan besi, yang harganya bisa kurang dari satu dolar per kilogram – sebagian kecil dari nikel dan kobalt, yang sangat diperlukan dalam baterai lithium-ion berenergi tinggi saat ini – maka biaya baterai kita berpotensi jauh lebih rendah.”

Manfaat Ekonomi dan Lingkungan dari Katoda Berbasis Besi

Saat ini, katoda menyumbang setengah biaya produksi sel baterai lithium-ion. Katoda berbasis besi tidak hanya dapat mengurangi biaya namun juga meningkatkan keamanan dan keberlanjutan baterai. Dengan meningkatnya permintaan baterai litium-ion untuk menggerakkan kendaraan listrik, pasokan nikel dan kobalt world semakin berkurang, dan kekurangan yang diperkirakan akan mengancam produksi di masa depan.

Selain itu, kepadatan energi elemen-elemen tersebut telah diperluas hingga ke tingkat tertinggi. Jika didorong lebih jauh, oksigen yang dilepaskan selama pengisian daya dapat menyebabkan baterai terbakar. Selain itu, kobalt bersifat racun, artinya dapat mencemari ekosistem dan sumber air jika keluar dari tempat pembuangan sampah.

Jika digabungkan, kata Ji, maka akan mudah untuk memahami pencarian world akan bahan kimia baterai baru yang lebih berkelanjutan.

Kolaborasi yang dipimpin oleh peneliti kimia dari Oregon State College, David Ji, berharap dapat memicu revolusi baterai ramah lingkungan dengan menunjukkan bahwa besi dapat digunakan sebagai bahan katoda dalam baterai lithium-ion sebagai pengganti kobalt dan nikel. Kredit: Xiulei “David” Ji, Universitas Negeri Oregon

Pengertian Komponen dan Fungsi Baterai

Baterai menyimpan daya dalam bentuk energi kimia dan melalui reaksi mengubahnya menjadi energi listrik yang diperlukan untuk menggerakkan kendaraan, laptop computer, serta perangkat dan mesin lainnya. Ada beberapa jenis baterai, namun kebanyakan baterai bekerja dengan cara dasar yang sama dan mengandung komponen dasar yang sama.

Baterai terdiri dari dua elektroda – anoda dan katoda, biasanya terbuat dari bahan berbeda – serta pemisah dan elektrolit, media kimia yang memungkinkan aliran muatan listrik. Selama pengosongan baterai, elektron mengalir dari anoda ke sirkuit eksternal dan kemudian berkumpul di katoda.

Dalam baterai litium-ion, seperti namanya, muatan dibawa melalui ion litium saat bergerak melalui elektrolit dari anoda ke katoda selama pengosongan, dan kembali lagi saat pengisian ulang.

“Katoda berbasis besi kita tidak akan dibatasi oleh kekurangan sumber daya,” kata Ji, menjelaskan bahwa besi, selain menjadi unsur paling umum di Bumi jika diukur berdasarkan massa, merupakan unsur paling melimpah keempat di kerak bumi. . “Kita tidak akan kehabisan besi sampai matahari berubah menjadi raksasa merah.”

Desain Kimia yang Inovatif Meningkatkan Reaktivitas Besi

Ji dan kolaborator dari berbagai universitas dan laboratorium nasional meningkatkan reaktivitas besi di katoda mereka dengan merancang lingkungan kimia berdasarkan campuran anion fluor dan fosfat – ion yang bermuatan negatif.

Campuran tersebut, tercampur rata sebagai larutan padat, memungkinkan konversi reversibel – artinya baterai dapat diisi ulang – dari campuran halus bubuk besi, litium fluorida, dan litium fosfat menjadi garam besi.

“Kami telah menunjukkan bahwa desain bahan dengan anion dapat memecahkan batasan kepadatan energi untuk baterai yang lebih berkelanjutan dan lebih murah,” kata Ji. “Kami tidak menggunakan garam yang lebih mahal untuk digabungkan dengan besi – hanya garam yang telah digunakan oleh industri baterai dan kemudian bubuk besi. Untuk menerapkan katoda baru ini, tidak ada hal lain yang perlu diubah – tidak ada anoda baru, tidak ada jalur produksi baru, tidak ada desain baterai baru. Kami hanya mengganti satu hal, katoda.”

Prospek Masa Depan dan Dampak Lingkungan

Efisiensi penyimpanan masih perlu ditingkatkan, kata Ji. Saat ini, tidak semua listrik yang dimasukkan ke dalam baterai selama pengisian daya tersedia untuk digunakan saat daya habis. Ketika perbaikan tersebut dilakukan, dan Ji mengharapkannya, hasilnya adalah baterai yang bekerja jauh lebih baik daripada baterai yang saat ini digunakan, namun harganya lebih murah dan lebih ramah lingkungan.

“Jika ada investasi pada teknologi ini, tidak butuh waktu lama untuk tersedia secara komersial,” kata Ji. “Kita membutuhkan para visioner di industri ini untuk mengalokasikan sumber daya ke bidang yang sedang berkembang ini. Dunia dapat memiliki industri katoda yang berbahan dasar logam yang hampir bebas dibandingkan dengan kobalt dan nikel. Dan meskipun Anda harus bekerja sangat keras untuk mendaur ulang kobalt dan nikel, Anda bahkan tidak perlu mendaur ulang besi – besi hanya akan berubah menjadi karat jika Anda membiarkannya.”

Referensi: “Membuka logam besi sebagai katoda untuk baterai Li-ion berkelanjutan dengan larutan padat anion” oleh Mingliang Yu, Jing Wang, Ming Lei, Min Soo Jung, Zengqing Zhuo, Yufei Yang, Xueli Zheng, Sean Sandstrom, Chunsheng Wang, Wanli Yang, De-en Jiang, Tongchao Liu dan Xiulei Ji, 23 Mei 2024, Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
DOI: 10.1126/sciadv.adn4441

Program Ilmu Energi Dasar Departemen Energi AS mendanai penelitian ini, yang dipimpin bersama oleh Tongchao Liu dari Laboratorium Nasional Argonne dan juga termasuk Mingliang Yu, Min Soo Jung, dan Sean Sandstrom dari Negara Bagian Oregon. Para ilmuwan dari Universitas Vanderbilt, Universitas Stanford, Universitas Maryland, Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley, dan Laboratorium Akselerator Nasional SLAC juga berkontribusi.