Insinyur di University of California San Diego telah mengembangkan baterai lithium-ion yang bekerja dengan baik pada suhu dingin dan panas yang menyengat, sambil mengemas banyak energi.Para peneliti mencapai prestasi ini dengan mengembangkan elektrolit yang tidak hanya serbaguna dan kuat di seluruh rentang suhu yang luas, tetapi juga kompatibel dengan anoda dan katoda berenergi tinggi.
Baterai tahan suhudijelaskan dalam makalah yang diterbitkan minggu 4 Juli di Prosiding National Academy of Sciences (PNAS).
Baterai semacam itu dapat memungkinkan kendaraan listrik di iklim dingin untuk melakukan perjalanan lebih jauh dengan sekali pengisian daya;mereka juga dapat mengurangi kebutuhan akan sistem pendingin untuk menjaga kemasan baterai kendaraan dari panas berlebih di iklim panas, kata Zheng Chen, seorang profesor teknik nano di Sekolah Teknik UC San Diego Jacobs dan penulis senior studi tersebut.
“Anda memerlukan operasi suhu tinggi di area di mana suhu sekitar dapat mencapai tiga digit dan jalanan menjadi lebih panas.Pada kendaraan listrik, kemasan baterai biasanya berada di bawah lantai, dekat dengan jalan yang panas ini,” jelas Chen, yang juga anggota fakultas Pusat Tenaga dan Energi Berkelanjutan UC San Diego.“Juga, baterai memanas hanya karena arus mengalir selama operasi.Jika baterai tidak dapat mentolerir pemanasan ini pada suhu tinggi, kinerjanya akan menurun dengan cepat.”
Dalam pengujian, baterai proof-of-concept mempertahankan 87,5% dan 115,9% dari kapasitas energinya masing-masing pada -40 dan 50 C (-40 dan 122 F).Mereka juga memiliki efisiensi Coulomb tinggi masing-masing 98,2% dan 98,7% pada suhu ini, yang berarti baterai dapat menjalani siklus pengisian dan pengosongan lebih banyak sebelum berhenti bekerja.
Baterai yang dikembangkan Chen dan rekan keduanya tahan dingin dan panas berkat elektrolitnya.Itu terbuat dari larutan cair dibutil eter yang dicampur dengan garam litium.Fitur khusus tentang dibutil eter adalah molekulnya terikat lemah pada ion litium.Dengan kata lain, molekul elektrolit dapat dengan mudah melepaskan ion lithium saat baterai berjalan.Interaksi molekul yang lemah ini, para peneliti telah menemukan dalam studi sebelumnya, meningkatkan kinerja baterai pada suhu di bawah nol.Plus, dibutil eter dapat dengan mudah mengambil panas karena tetap cair pada suhu tinggi (memiliki titik didih 141 C, atau 286 F).
Menstabilkan kimia lithium-sulfur
Yang juga istimewa dari elektrolit ini adalah kompatibel dengan baterai lithium-sulfur, yang merupakan jenis baterai isi ulang yang memiliki anoda yang terbuat dari logam lithium dan katoda yang terbuat dari belerang.Baterai lithium-sulfur adalah bagian penting dari teknologi baterai generasi mendatang karena mereka menjanjikan kepadatan energi yang lebih tinggi dan biaya yang lebih rendah.Mereka dapat menyimpan hingga dua kali lebih banyak energi per kilogram daripada baterai lithium-ion saat ini — ini dapat menggandakan jangkauan kendaraan listrik tanpa peningkatan berat paket baterai.Selain itu, belerang lebih melimpah dan tidak terlalu bermasalah untuk sumber daripada kobalt yang digunakan dalam katoda baterai lithium-ion tradisional.
Tetapi ada masalah dengan baterai lithium-sulfur.Baik katoda maupun anoda sangat reaktif.Katoda belerang sangat reaktif sehingga larut selama operasi baterai.Masalah ini menjadi lebih buruk pada suhu tinggi.Dan anoda logam lithium cenderung membentuk struktur seperti jarum yang disebut dendrit yang dapat menembus bagian-bagian baterai, menyebabkannya mengalami korsleting.Alhasil, baterai lithium-sulfur hanya bertahan hingga puluhan siklus.
“Jika Anda menginginkan baterai dengan kepadatan energi tinggi, Anda biasanya perlu menggunakan bahan kimia yang sangat keras dan rumit,” kata Chen.“Energi tinggi berarti lebih banyak reaksi terjadi, yang berarti lebih sedikit stabilitas, lebih banyak degradasi.Membuat baterai berenergi tinggi yang stabil adalah tugas yang sulit — mencoba melakukan ini melalui rentang suhu yang lebar bahkan lebih menantang.”
Elektrolit dibutil eter yang dikembangkan oleh tim UC San Diego mencegah masalah ini, bahkan pada suhu tinggi dan rendah.Baterai yang mereka uji memiliki masa pakai yang lebih lama daripada baterai lithium-sulfur biasa.“Elektrolit kami membantu meningkatkan sisi katoda dan sisi anoda sambil memberikan konduktivitas tinggi dan stabilitas antarmuka,” kata Chen.
Tim juga merekayasa katoda belerang agar lebih stabil dengan mencangkoknya ke polimer.Ini mencegah lebih banyak belerang larut ke dalam elektrolit.
Langkah selanjutnya termasuk meningkatkan bahan kimia baterai, mengoptimalkannya untuk bekerja pada suhu yang lebih tinggi, dan memperpanjang umur siklus lebih lanjut.
Kertas: “Kriteria pemilihan pelarut untuk baterai lithium-sulfur tahan suhu.”Rekan penulis termasuk Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal dan Ping Liu, semuanya di UC San Diego.
Pekerjaan ini didukung oleh hibah Early Career Faculty dari NASA's Space Technology Research Grants Program (ECF 80NSSC18K1512), National Science Foundation melalui UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, hibah DMR-2011924), dan Office of Teknologi Kendaraan Departemen Energi AS melalui Program Penelitian Bahan Baterai Tingkat Lanjut (Konsorsium Baterai500, kontrak DE-EE0007764).Pekerjaan ini dilakukan sebagian di Infrastruktur Nanoteknologi San Diego (SDNI) di UC San Diego, anggota Infrastruktur Terkoordinasi Nanoteknologi Nasional, yang didukung oleh National Science Foundation (hibah ECCS-1542148).
Waktu posting: 10 Agustus-2022