Sebuah teknik untuk memandu pengembangan baterai generasi berikutnya yang lebih cepat dan tahan lama

Teknologi penyimpanan energi yang bersih dan efisien sangat penting untuk membangun infrastruktur energi terbarukan.Baterai lithium-ion sudah dominan di perangkat elektronik pribadi, dan merupakan kandidat yang menjanjikan untuk penyimpanan tingkat jaringan yang andal dan kendaraan listrik.Namun, pengembangan lebih lanjut diperlukan untuk meningkatkan tingkat pengisian dan masa pakai yang dapat digunakan.

Untuk membantu pengembangan baterai yang dapat diisi lebih cepat dan lebih tahan lama, para ilmuwan harus dapat memahami proses yang terjadi di dalam baterai yang beroperasi, untuk mengidentifikasi batasan kinerja baterai.Saat ini, memvisualisasikan bahan baterai aktif saat bekerja membutuhkan teknik sinar-X sinkrotron atau mikroskop elektron yang canggih, yang bisa jadi sulit dan mahal, dan seringkali tidak dapat mengambil gambar dengan cukup cepat untuk menangkap perubahan cepat yang terjadi pada bahan elektroda pengisian cepat.Akibatnya, dinamika ion pada skala panjang partikel aktif individu dan pada tingkat pengisian cepat yang relevan secara komersial sebagian besar masih belum dijelajahi.

Para peneliti di Universitas Cambridge telah mengatasi masalah ini dengan mengembangkan teknik mikroskop optik berbasis laboratorium yang murah untuk mempelajari baterai lithium-ion.Mereka memeriksa partikel individu Nb14W3O44, yang merupakan salah satu bahan anoda pengisian tercepat hingga saat ini.Cahaya tampak dikirim ke baterai melalui jendela kaca kecil, memungkinkan para peneliti untuk menyaksikan proses dinamis dalam partikel aktif, secara real time, di bawah kondisi non-ekuilibrium yang realistis.Ini mengungkapkan gradien konsentrasi lithium seperti depan yang bergerak melalui partikel aktif individu, menghasilkan regangan internal yang menyebabkan beberapa partikel patah.Fraktur partikel merupakan masalah bagi baterai, karena dapat menyebabkan pemutusan listrik dari fragmen, mengurangi kapasitas penyimpanan baterai."Peristiwa spontan seperti itu memiliki implikasi parah pada baterai, tetapi tidak pernah dapat diamati secara real time sebelum sekarang," kata rekan penulis Dr Christoph Schnedermann, dari Laboratorium Cavendish Cambridge.

Kemampuan throughput tinggi dari teknik mikroskop optik memungkinkan para peneliti untuk menganalisis populasi partikel yang besar, mengungkapkan bahwa retakan partikel lebih sering terjadi dengan tingkat delitiasi yang lebih tinggi dan pada partikel yang lebih panjang.“Temuan ini memberikan prinsip-prinsip desain yang dapat diterapkan secara langsung untuk mengurangi retakan partikel dan kapasitas memudar di kelas bahan ini” kata penulis pertama Alice Merryweather, kandidat PhD di Laboratorium Cavendish dan Departemen Kimia Cambridge.

Ke depan, keuntungan utama dari metodologi — termasuk akuisisi data yang cepat, resolusi partikel tunggal, dan kemampuan throughput yang tinggi — akan memungkinkan eksplorasi lebih lanjut tentang apa yang terjadi ketika baterai gagal dan bagaimana mencegahnya.Teknik ini dapat diterapkan untuk mempelajari hampir semua jenis bahan baterai, menjadikannya bagian penting dari teka-teki dalam pengembangan baterai generasi berikutnya.