Teknik Biologi Berusia Puluhan Tahun Mengungkap Kunci untuk Memperpanjang Masa Pakai Baterai Pesawat Listrik

Sebuah studi terkini menunjukkan bahwa larutan elektrolit inovatif, yang diidentifikasi melalui teknik biosains, telah melipatgandakan siklus hidup baterai yang digunakan dalam pesawat listrik.

Ketika harus mencari tahu mengapa baterai pesawat listrik kehilangan daya seiring waktu, orang biasanya tidak akan berpikir untuk beralih ke pendekatan yang sudah ada sejak puluhan tahun lalu yang digunakan para ahli biologi untuk mempelajari struktur dan fungsi komponen dalam organisme hidup. Namun, ternyata omik, bidang yang membantu para ilmuwan mengungkap rahasia genom manusia, juga dapat segera memainkan peran penting dalam mewujudkan perjalanan udara bebas karbon.

Dalam sebuah studi baru di jurnal Joulesebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Lawrence Berkeley Nationwide Laboratory (Berkeley Lab) dari Departemen Energi menggunakan teknik omik untuk mempelajari interaksi rumit dalam anoda, katoda, dan elektrolit baterai pesawat listrik. Salah satu temuan paling signifikan adalah penemuan bahwa garam tertentu yang dicampur ke dalam elektrolit baterai membentuk lapisan pelindung pada partikel katoda, membuatnya jauh lebih tahan terhadap korosi, sehingga meningkatkan masa pakai baterai.

Tim peneliti yang terdiri dari ilmuwan dari Universitas California, BerkeleyUniversitas Michigan, dan mitra industri ABA (Palo Alto, CA) dan 24M (Cambridge, MA), kemudian merancang dan menguji baterai pesawat listrik menggunakan larutan elektrolit baru mereka. Baterai tersebut menunjukkan peningkatan empat kali lipat jika dibandingkan dengan baterai konvensional dalam jumlah siklus yang dapat mempertahankan rasio daya terhadap energi yang dibutuhkan untuk penerbangan udara listrik. Langkah selanjutnya dalam proyek ini adalah bagi tim untuk membuat baterai yang cukup (sekitar kapasitas whole 100 kWh) untuk uji terbang yang diproyeksikan pada tahun 2025.

“Sektor transportasi berat, termasuk penerbangan, belum banyak dieksplorasi dalam hal elektrifikasi,” kata Brett Helms, penulis korespondensi studi tersebut dan ilmuwan senior di Molecular Foundry, Berkeley Lab. “Pekerjaan kami mendefinisikan ulang apa yang mungkin, mendorong batasan teknologi baterai untuk memungkinkan dekarbonisasi yang lebih dalam.”

Brett Helms, ilmuwan senior di Molecular Foundry, bersama Youngmin Ko, peneliti pascadoktoral, yang memegang baterai sel koin yang digunakan dalam penelitian ini. Kredit: Jeremy Demarteau

Perjalanan udara listrik menghadirkan tantangan unik

Tidak seperti baterai kendaraan listrik, yang mengutamakan energi berkelanjutan dalam jarak jauh, baterai pesawat listrik menghadapi tantangan unik berupa kebutuhan daya tinggi untuk lepas landas dan mendarat, dikombinasikan dengan kepadatan energi tinggi untuk penerbangan panjang.

“Pada kendaraan listrik, Anda berfokus pada penurunan kapasitas dari waktu ke waktu,” kata Youngmin Ko, peneliti pascadoktoral di Molecular Foundry Berkeley Lab dan penulis utama studi tersebut. “Namun, untuk pesawat terbang, penurunan dayalah yang penting – kemampuan untuk secara konsisten mencapai daya tinggi saat lepas landas dan mendarat.”

Menurut Ko, desain baterai tradisional kurang dalam hal ini, sebagian besar karena kurangnya pemahaman tentang apa yang terjadi di antarmuka antara elektrolit, anoda, dan katoda. Ko mengatakan di sinilah pendekatan omik berperan, sebuah metodologi yang dipinjam dari ilmu biologi untuk menguraikan pola dari perubahan tanda kimia dalam sistem yang kompleks.

“Ahli biologi menggunakan omik untuk mempelajari hubungan kompleks antara hal-hal seperti ekspresi gen dan DNA “struktur,” kata Helms. “Jadi, kami ingin melihat apakah kami dapat menggunakan pendekatan serupa untuk memeriksa tanda-tanda kimia dari komponen baterai dan mengidentifikasi reaksi yang berkontribusi terhadap memudarnya daya dan di mana reaksi tersebut terjadi.”

Para peneliti memfokuskan analisis mereka pada baterai logam litium dengan lapisan oksida bertegangan tinggi dan berdensitas tinggi yang mengandung nikel, mangan, dan kobalt. Bertentangan dengan penelitian sebelumnya, yang biasanya menganggap masalah pudarnya daya merupakan hasil dari sesuatu yang terjadi di anoda baterai, tim mengamati bahwa pudarnya daya terutama berasal dari sisi katoda. Di sinilah partikel retak dan terkorosi seiring waktu, menghambat pergerakan muatan dan mengurangi efisiensi baterai. Selain itu, para peneliti menemukan bahwa elektrolit tertentu dapat mengendalikan laju korosi pada antarmuka katoda.

“Itu adalah hasil yang tidak jelas,” kata Ko. “Kami menemukan bahwa mencampur garam dalam elektrolit dapat menekan reaktivitas zat yang biasanya reaktif. jenisyang membentuk lapisan penstabil dan anti korosi.”

Setelah mengembangkan elektrolit baru mereka, para peneliti mengujinya dalam baterai berkapasitas tinggi. Hasilnya menunjukkan retensi daya yang sangat baik menggunakan misi realistis untuk lepas landas dan mendarat vertikal elektrik. Tim berharap baterai tersebut dapat diproduksi untuk uji terbang yang diproyeksikan pada tahun 2025 dalam prototipe pesawat yang dibuat oleh empat mitra eVTOL (lepas landas dan mendarat vertikal) pada akhir tahun. Ke depannya, Helms dan Ko mengatakan tim dan kolaborator mereka berencana untuk memperluas penggunaan omik dalam penelitian baterai, mengeksplorasi interaksi berbagai komponen elektrolit untuk lebih memahami dan menyesuaikan kinerja baterai untuk kasus penggunaan saat ini dan yang akan datang dalam transportasi dan jaringan listrik.

Referensi: “Pemahaman tentang elektrolit baterai pesawat listrik yang didukung Omics” oleh Youngmin Ko, Michael A. Baird, Xinxing Peng, Tofunmi Ogunfunmi, Younger-Woon Byeon, Liana M. Klivansky, Haegyeom Kim, Mary C. Scott, John Chen, Anthony J. D'Angelo, Junzheng Chen, Shashank Sripad, Venkatasubramanian Viswanathan dan Brett A. Helms, 17 Juni 2024, Joule.
DOI: 10.1016/j.joule.2024.05.013

Molecular Foundry adalah fasilitas pengguna Kantor Sains DOE di Berkeley Lab.

Pekerjaan ini didukung oleh Badan Proyek Penelitian Lanjutan-Energi DOE (ARPA-E) dan Kantor Sains DOE.