Dibebankan sepenuhnya hanya dalam 12 menit! Ilmuwan Korea mengembangkan baterai lithium-sulfur generasi berikutnya
Tim Profesor Jong-Sung Yu mengembangkan bahan karbon berpori yang didoping nitrogen yang meningkatkan kinerja baterai lithium-sulfur, mencapai pengisian cepat (12 menit) dan stabilitas jangka panjang (retensi kapasitas 82% setelah 1.000 siklus). Terobosan ini dapat mempercepat komersialisasi baterai.
Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Jong-Sung Yu dari DGIST Departemen Ilmu Energi dan Teknik, di bawah Presiden Kunwoo Lee, telah mengembangkan teknologi inovatif untuk secara dramatis meningkatkan kecepatan pengisian baterai lithium-sulfur. Tim memperkenalkan bahan karbon berpori inovatif yang inovatif untuk mengatasi keterbatasan pengisian yang lambat yang telah menghentikan komersialisasi baterai lithium-sulfur.
Baterai lithium-ion, walaupun penting untuk teknologi ramah lingkungan seperti kendaraan listrik, menghadapi tantangan karena kapasitas penyimpanan energi yang terbatas dan biaya produksi yang tinggi. Sebaliknya, baterai lithium-sulfur telah muncul sebagai alternatif yang menjanjikan, menawarkan kepadatan energi yang lebih tinggi dan mendapat manfaat dari keterjangkauan belerang sebagai bahan utama. Namun, kelayakan komersial mereka telah terhambat oleh pemanfaatan sulfur yang tidak efisien selama pengisian cepat, yang menyebabkan berkurangnya kapasitas baterai.
Tantangan dalam Pengembangan Baterai Lithium -Sulfur
Masalah lain adalah lithium polisulfida yang diproduksi selama proses pembuangan. Senyawa ini bermigrasi di dalam baterai, merendahkan kinerjanya. Untuk mengatasi hal ini, para peneliti telah mengembangkan baterai dengan memasukkan sulfur ke dalam struktur karbon berpori. Namun, mereka belum mencapai tingkat kinerja yang cocok untuk komersialisasi.
Untuk menyelesaikan tantangan ini, tim Profesor Yu mensintesis novel yang sangat grafit, bahan karbon beragam yang didoping dengan nitrogen dan menerapkannya pada katoda baterai lithium -sulfur. Teknologi ini berhasil mempertahankan kapasitas energi tinggi bahkan dalam kondisi pengisian yang cepat.
Sintesis bahan karbon canggih
Bahan karbon yang baru dikembangkan disintesis dengan menggunakan metode reduksi termal yang melibatkan magnesium dan ZIF-8.
ZIF-8 adalah kerangka logam-organik (MOF) yang dibentuk oleh koordinasi ion logam dan ligan organik. Ini ditandai dengan stabilitas termal dan kimianya yang tinggi, serta struktur berpori yang khas.
Pada suhu tinggi, magnesium bereaksi dengan nitrogen di ZIF-8, membuat struktur karbon lebih stabil dan kuat sambil menciptakan struktur pori yang beragam. Struktur ini tidak hanya memungkinkan pemuatan belerang yang lebih tinggi tetapi juga meningkatkan kontak antara sulfur dan elektrolit, secara signifikan meningkatkan kinerja baterai.
Baterai lithium-sulfur yang dikembangkan dalam penelitian ini menggunakan bahan karbon multifungsi yang disintesis, melalui metode reduksi termal yang dibantu magnesium sederhana, sebagai inang belerang. Bahkan dalam kondisi pengisian cepat dengan waktu pengisian penuh hanya 12 menit, baterai mencapai kapasitas tinggi 705 mAh G⁻¹, yang merupakan peningkatan 1,6 kali lipat dari baterai konvensional. Selain itu, doping nitrogen pada permukaan karbon secara efektif menekan migrasi lithium polisulfida, memungkinkan baterai mempertahankan kapasitas 82% bahkan setelah 1.000 siklus pengisian daya, menunjukkan stabilitas yang sangat baik.
Selama penelitian, tim kolaboratif, yang dipimpin oleh Dr. Khalil Amine dari Argonne National Laboratory, melakukan analisis mikroskopis canggih. Analisis ini mengkonfirmasi bahwa lithium sulfida (Li₂s) terbentuk dalam orientasi spesifik dalam struktur berlapis bahan karbon yang baru dikembangkan. Temuan ini memvalidasi bahwa doping nitrogen dan struktur karbon berpori meningkatkan pemuatan belerang, sedangkan sifat grafit dari reaksi sulfur yang dipercepat karbon, sehingga meningkatkan kecepatan pengisian.
Profesor Jong-Sung Yu berkomentar, “Penelitian ini berfokus pada peningkatan kecepatan pengisian baterai lithium-sulfur menggunakan metode sintesis sederhana yang melibatkan magnesium. Kami berharap penelitian ini akan mempercepat komersialisasi baterai lithium -sulfur. ”
Referensi: “Deposisi LI2 yang berorientasi pada baterai lithium-sulfur yang sangat cepat diisi” oleh Jeong-hoon Yu, Byong-June Lee, Shiyuan Zhou, Jong Hun Sung, Chen Zhao, Cheol-Hwan Shin, Bo Yu, Gui- Liang Xu, Khalil Amine dan Jong-Sung Yu, 7 November 2024, ACS Nano.
Doi: 10.1021/acsnano.4c09892
Penelitian ini didukung oleh National Research Foundation dari Program Dukungan Peneliti Pertengahan karir Korea.
