Memajukan pengeditan gen dengan varian CRISPR / Cas9 baru - ScienceDaily
Teknologi

Teknologi kristal tunggal menjanjikan untuk baterai lithium-ion generasi berikutnya – ScienceDaily


Teknologi menjanjikan yang sedang dikembangkan oleh pembuat baterai utama menjadi lebih menarik, berkat para peneliti yang telah melihat satu penghalang utama untuk baterai lithium-ion yang lebih baik dan tahan lama.

Para ilmuwan di Laboratorium Nasional Pacific Northwest Departemen Energi AS melaporkan temuan baru tentang cara membuat katoda kristal tunggal yang kaya nikel lebih keras dan lebih efisien. Pekerjaan tim pada katoda, salah satu komponen penting dalam baterai lithium-ion yang umum ditemukan pada kendaraan listrik saat ini, muncul di jurnal edisi 11 Desember. Ilmu.

Para peneliti di seluruh dunia sedang berupaya untuk membuat baterai yang menghasilkan lebih banyak energi, lebih tahan lama, dan lebih murah untuk diproduksi. Baterai lithium-ion yang ditingkatkan sangat penting untuk adopsi kendaraan listrik yang lebih luas.

Tantangannya banyak. Penampilan sederhana baterai memungkiri kompleksitasnya, dan mengendalikan interaksi molekuler kompleks di dalamnya sangat penting agar perangkat dapat beroperasi dengan baik. Reaksi kimia yang konstan berdampak buruk, membatasi berapa lama baterai bertahan dan memengaruhi ukuran, biaya, dan faktor lainnya.

Janji katoda kaya nikel: Lebih banyak kapasitas energi

Ilmuwan sedang mencari cara untuk menyimpan lebih banyak energi dalam bahan katoda dengan meningkatkan kandungan nikel. Nikel ada di papan gambar pembuat baterai lithium-ion terutama karena biayanya yang relatif rendah, ketersediaan yang luas dan toksisitas yang rendah dibandingkan dengan bahan baterai utama lainnya, seperti kobalt.

“Bahan katoda yang kaya nikel memiliki potensi nyata untuk menyimpan lebih banyak energi,” kata Jie Xiao, penulis makalah dan ketua kelompok program penelitian baterai PNNL. “Tapi penyebaran skala besar telah menjadi tantangan.”

Meskipun nikel sangat menjanjikan, dalam jumlah yang tinggi dapat menimbulkan masalah pada baterai. Semakin banyak nikel dalam kisi material, semakin kurang stabil katoda. Kandungan nikel yang tinggi dapat meningkatkan reaksi samping yang tidak diinginkan, merusak bahan dan mempersulit penyimpanan dan penanganan.

Memanfaatkan semua manfaat dari lebih banyak nikel sambil meminimalkan kekurangannya merupakan tantangan.

Saat ini katoda kaya nikel yang paling umum adalah dalam bentuk polikristal – agregat dari banyak kristal nano dalam satu partikel yang lebih besar. Ini membawa keuntungan untuk menyimpan dan menggunakan energi lebih cepat. Tetapi polikristal terkadang rusak selama siklus berulang. Hal ini dapat menyebabkan sebagian besar area permukaan terpapar elektrolit, mempercepat reaksi kimia yang tidak diinginkan yang disebabkan oleh kandungan nikel yang tinggi dan menghasilkan gas. Kerusakan yang tidak dapat diperbaiki ini menghasilkan baterai dengan katoda kaya nikel yang gagal lebih cepat dan menimbulkan masalah keamanan.

Dari kristal tunggal, es batu, dan baterai lithium-ion

Ilmuwan seperti Xiao mencoba menghindari banyak masalah ini dengan menciptakan katoda kristal tunggal yang kaya nikel. Para peneliti PNNL mengembangkan proses untuk menumbuhkan kristal berkinerja tinggi dalam garam cair – natrium klorida, garam meja biasa – pada suhu tinggi.

Apa keunggulan kristal tunggal dibandingkan dengan bahan polikristalin? Pikirkan untuk menjaga makanan Anda tetap dingin saat berkemah. Sebuah balok es padat mencair jauh lebih lambat dari jumlah es yang sama yang datang dalam kubus kecil; balok es lebih tahan terhadap kerusakan akibat suhu yang lebih tinggi dan kekuatan luar lainnya.

Mirip dengan katoda kaya nikel: Kumpulan kristal kecil jauh lebih rentan terhadap sekelilingnya daripada kristal tunggal dalam kondisi tertentu, terutama bila terdapat kandungan nikel yang tinggi, karena nikel cenderung memicu reaksi kimia yang tidak diinginkan. Seiring waktu, dengan siklus baterai berulang, agregat akhirnya hancur lebur, merusak struktur katoda. Itu tidak terlalu menjadi masalah bila jumlah nikel di katoda lebih rendah; dalam kondisi seperti itu, katoda polikristalin yang mengandung nikel menawarkan daya dan stabilitas tinggi. Masalahnya menjadi lebih jelas, ketika para ilmuwan membuat katoda dengan lebih banyak nikel – katoda yang benar-benar kaya nikel.

Microcracks katoda dapat dibalik, dicegah

Tim PNNL menemukan satu alasan mengapa katoda kristal tunggal kaya nikel rusak: Ini karena proses yang dikenal sebagai luncuran kristal, di mana kristal mulai pecah, mengarah ke celah mikro. Mereka menemukan bahwa gliding tersebut sebagian dapat dibalik dalam kondisi tertentu dan telah mengusulkan cara untuk menghindari kerusakan sama sekali.

“Dengan pemahaman fundamental baru, kami akan dapat mencegah terjadinya gliding dan microcracks pada kristal tunggal. Ini tidak seperti kerusakan pada bentuk polikristalin, dimana partikel dihancurkan dalam proses yang tidak dapat dibalik,” kata Xiao.

Ternyata gerakan meluncur di dalam lapisan kisi kristal adalah akar dari celah mikro. Lapisannya bergerak maju mundur, seperti kartu di tumpukan saat dikocok. Peluncuran terjadi saat baterai mengisi dan melepaskan – ion litium keluar dan kembali ke katoda, membuat kristal sedikit tegang setiap saat. Selama banyak siklus, hasil luncuran yang berulang di microcracks.

Tim Xiao mempelajari bahwa proses tersebut sebagian dapat membalikkan dirinya sendiri melalui tindakan alami atom litium, yang menciptakan tekanan ke satu arah saat ion memasuki kisi kristal dan ke arah yang berlawanan saat mereka pergi. Tetapi kedua tindakan tersebut tidak sepenuhnya membatalkan satu sama lain, dan seiring waktu, microcracks akan terjadi. Itulah sebabnya kristal tunggal akhirnya gagal, meskipun kristal tersebut tidak terurai menjadi partikel kecil seperti kristal polikristalin.

Tim sedang mengejar beberapa strategi untuk mencegah meluncur. Para peneliti telah menemukan bahwa mengoperasikan baterai pada tegangan umum – sekitar 4,2 volt – meminimalkan kerusakan sementara masih dalam kisaran normal baterai lithium-ion untuk kendaraan listrik. Tim juga memperkirakan bahwa menjaga ukuran kristal tunggal di bawah 3,5 mikron dapat menghindari kerusakan bahkan pada voltase yang lebih tinggi. Dan tim sedang mencari cara untuk menstabilkan kisi kristal untuk mengakomodasi kedatangan dan kepergian ion litium dengan lebih baik.

Tim memperkirakan bahwa kristal tunggal, katoda kaya nikel mengemas setidaknya 25 persen lebih banyak energi dibandingkan dengan baterai lithium-ion yang digunakan pada kendaraan listrik saat ini.

Sekarang, peneliti PNNL yang dipimpin oleh Xiao bekerja dengan Albemarle Corporation, sebuah perusahaan manufaktur bahan kimia khusus utama dan salah satu produsen lithium untuk baterai kendaraan listrik terkemuka di dunia. Dalam kolaborasi yang didanai oleh DOE, tim akan meneliti dampak garam litium tingkat lanjut terhadap kinerja bahan katoda kristal tunggal yang kaya nikel dengan mendemonstrasikan proses dalam skala kilogram.

Dipersembahkan Oleh : Lapak Judi

Baca Juga : Data Sidney