Dari laptop ke smartphone ke industri mobil listrik yang sedang berkembang, dunia kita semakin bergantung pada baterai yang dapat diisi ulang. Tetapi sebagaimana diketahui oleh siapa pun yang memiliki laptop selama lebih dari beberapa tahun, baterai pada akhirnya kehilangan kemampuannya untuk mengisi daya penuh.
Para ilmuwan tidak pernah benar-benar mengerti mengapa ini terjadi, yang membuatnya sulit untuk diperbaiki. Tetapi menurut sepasang studi terbaru oleh para peneliti dari Departemen Energi AS, yang diterbitkan dalam jurnal Nature Communications, kita mungkin lebih dekat dari sebelumnya ke baterai yang tidak rusak.
Bekerja secara khusus dengan baterai lithium-ion, yang biasa digunakan dalam perangkat konsumen karena bobotnya yang ringan dan kapasitas tinggi, para ilmuwan telah memetakan proses pengisian dan pengosongan hingga sepersejuta meter untuk lebih memahami dengan tepat bagaimana cara kerja degradasi. Mereka menemukan dua penyebab degradasi baterai. Yang pertama: kerentanan mikroskopis dalam struktur bahan baterai mengarahkan ion lithium secara serampangan melalui sel, mengikis baterai dengan cara yang tampaknya acak, seperti karat menyebar di seluruh ketidaksempurnaan dalam baja. Dalam studi kedua, yang berfokus pada menemukan keseimbangan terbaik antara tegangan, kapasitas penyimpanan dan siklus pengisian maksimum, para peneliti tidak hanya menemukan masalah serupa dengan aliran ion, tetapi juga akumulasi kecil kristal skala nano yang ditinggalkan oleh reaksi kimia, yang menyebabkan aliran ion menjadi lebih tidak teratur setelah setiap pengisian. Menjalankan baterai pada tegangan lebih tinggi juga menyebabkan lebih banyak penyimpangan jalur ion, dan dengan demikian baterai semakin cepat memburuk.
Konten terkait
- Mobil Listrik Dapat Membuat Kota Lebih Dingin
Sepertinya para ilmuwan seharusnya memahami sepenuhnya baterai — teknologi yang secara efektif sudah ada sejak 1800 — dekade yang lalu. Namun Huolin Xin, seorang ilmuwan material di Brookhaven Lab dan rekan penulis pada kedua studi tersebut, mengatakan kombinasi pemenang dari teknologi baru baru-baru ini tersedia.
“Banyak alat karakterisasi canggih, seperti mikroskop elektron yang dikoreksi aberasi dan teknik X-ray synchrotron baru, tidak tersedia 10 tahun yang lalu, ” kata Xin. Tapi sekarang, katanya, mereka dapat diterapkan pada studi baterai lithium-ion.
Data baru memberi para peneliti gambaran yang lebih jelas tentang bagaimana baterai ini bekerja, yang dapat menyebabkan baterai lebih tahan lama dalam elektronik konsumen dalam waktu yang tidak terlalu lama. Tapi, itu juga menghadirkan masalah baru. Xin mengatakan memaksimalkan luas permukaan penting untuk kinerja baterai, tetapi luas permukaan yang lebih besar juga cenderung memfasilitasi degradasi.
"Untuk mencegah [degradasi permukaan], kita bisa melapisi katoda dengan lapisan pelindung, " kata Xin, "atau menyembunyikan permukaan ini dengan membuat batas-batas dalam bubuk berukuran mikron [di dalam sel]."
Menemukan cara yang paling efisien, hemat biaya untuk melakukan ini akan menjadi bagian dari fase penelitian di masa depan.
Namun Daniel Abraham, seorang ilmuwan yang berfokus pada penelitian baterai lithium-ion di Argonne National Laboratory di luar Chicago, ragu bahwa studi baru tersebut merupakan terobosan nyata. Dia mengatakan pemetaan pekerjaan dengan bahan serupa telah dilakukan di masa lalu, termasuk oleh timnya sekitar 12 tahun yang lalu. Dia juga percaya mungkin ada lebih banyak degradasi baterai daripada apa yang ditemukan studi baru.
"Mereka berusaha membuat korelasi antara penurunan kinerja dan gambar yang mereka lihat, yang mungkin tidak benar, " kata Abraham. "Ini sebagian ceritanya, tapi kurasa bukan keseluruhan ceritanya."
Xin, lebih optimis bahwa pekerjaan itu akan mengarah pada peningkatan baterai, tidak hanya untuk kendaraan listrik di masa depan, tetapi juga untuk elektronik portabel.
“Katoda Lithium-nickel-mangan-cobalt-oxide baru-baru ini diidentifikasi sebagai satu-satunya bahan yang layak secara komersial untuk baterai lithium-ion generasi mendatang, ” kata Xin. "Dengan mengatasi masalah degradasinya, kami dapat membuat baterai generasi mendatang lebih kecil dan membuatnya lebih terisi dan lebih andal."
Kedua ahli baterai sepakat, bahwa untuk banyak aplikasi penting di masa depan, menemukan cara untuk membuat baterai yang tidak cepat aus sama pentingnya dengan membuat baterai yang memiliki kapasitas lebih besar.
Xin menunjukkan bahwa pembeli mobil listrik khawatir tentang kegagalan baterai setelah garansi mereka berakhir. Abraham mencatat bahwa walaupun Anda mungkin hanya memerlukan beberapa tahun kinerja dari baterai ponsel cerdas atau tablet Anda, untuk kendaraan listrik, sebagian besar pemilik mencari baterai yang tahan 10 hingga 15 tahun. Dan untuk digunakan dalam jaringan listrik (untuk menyimpan energi berlebih yang dihasilkan pada jam-jam sibuk), baterai harus bertahan 30 tahun atau lebih.
Itu membuat membangun baterai yang lebih baik untuk laptop Anda jauh lebih mudah daripada menyelesaikan masalah umur panjang di area lain.
"Adalah baik memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi, tetapi jika Anda mendapatkan kepadatan energi yang tinggi tetapi tidak berumur panjang, maka kelangsungan hidup komersial dari teknologi tersebut dipertanyakan, " kata Abraham. "Padahal, jika Anda dapat menunjukkan bahwa Anda memiliki teknologi baru dan itu bisa bertahan antara dua dan 30 tahun, itu menjadi langsung layak secara komersial."
Sementara pekerjaan Xin dan rekan-rekannya dapat membantu para peneliti membuat baterai yang tidak cepat rusak, jelas bahwa terobosan lebih lanjut akan diperlukan sebelum kita akan melihat baterai isi ulang yang bertahan satu dekade atau lebih tanpa aus yang serius.
