Penyimpanan Energi Generasi Baru Berdasarkan Reaksi 'Kimia Klik'

Kapasitor generasi lama kurang dapat menyimpan dan menyalurkan energi dalam jumlah besar dalam kondisi termal dan listrik yang intens. Polimer fleksibel yang dibuat dengan reaksi "kimia klik" dapat digunakan dalam kapasitor dan aplikasi lainnya seperti baterai listrik.

Meningkatnya permintaan masyarakat akan teknologi kelistrikan tegangan tinggi termasuk sistem tenaga listrik, mobil dan pesawat bertenaga listrik, serta aplikasi energi terbarukan, memerlukan kapasitor generasi baru. Pasalnya pada kapasitor generasi sebelumnya kurang dapat menyimpan dan menyalurkan energi dalam jumlah besar dalam kondisi termal dan listrik yang intens.

Perangkat berbasis polimer baru yang dikembangkan oleh Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) and Scripps Research milik Kementerian Energi Amerika Serikat (AS), mampu secara efisien menangani energi dalam jumlah besar sekaligus tahan terhadap suhu ekstrem dan medan listrik. Perangkat ini terdiri dari bahan yang disintesis melalui reaksi kimia versi generasi berikutnya yaitu "kimia klik" (click chemistry).

Kimia klik menghantarkan tiga ilmuwan memenangkan anugerah Nobel Kimia pada tahun 2022. Mereka adalah Carolyn R Bertozzi, Morten P Meldal, dan K Barry Sharpless, yang mengembangkan kimia klik dan kimia bioorthogonal.

Kapasitor film polimer adalah komponen listrik yang menyimpan dan melepaskan energi dalam medan listrik menggunakan lapisan plastik tipis sebagai lapisan isolasi. Komponen ini menyumbang sekitar 50 persen dari pasar kapasitor tegangan tinggi global dan menawarkan keuntungan termasuk bobot ringan, biaya rendah, fleksibilitas mekanis, dan kemampuan siklus yang kuat.

Namun kapasitor film polimer canggih mengalami penurunan kinerja secara drastis seiring dengan meningkatnya suhu dan voltase. Mengembangkan material baru dengan toleransi yang lebih baik terhadap panas dan medan listrik adalah hal yang terpenting. Menciptakan polimer dengan kimia yang hampir sempurna, menawarkan cara untuk melakukannya.

"Pekerjaan kami menambahkan kriteria baru polimer yang kuat secara elektrik. Hal ini membuka banyak kemungkinan untuk eksplorasi material yang lebih kuat dan berperforma tinggi," kata Yi Liu, seorang ahli kimia di Berkeley Lab dan penulis senior studi Joule yang melaporkan penelitian tersebut, seperti dikutip dariScitech Daily.

"Pekerjaan kami menambahkan kriteria baru polimer yang kuat secara elektrik. Ini membuka banyak kemungkinan untuk eksplorasi bahan yang lebih kuat dan berkinerja tinggi," kata Yi Liu yang juga Direktur Fasilitas Sintesis Organik dan Makromolekuler di Molecular Foundry, pada fasilitas sains Kementerian Energi AS di Berkeley Lab.

Selain tetap stabil saat mengalami suhu tinggi, sebuah kapasitor perlu menjadi bahan "dielektrik" yang kuat. Artinya kapasitor tetap menjadi isolator yang kuat saat mengalami tegangan tinggi. Namun, hanya sedikit sistem material yang dikenal yang memberikan stabilitas termal dan kekuatan dielektrik.

Kelangkaan ini disebabkan oleh kurangnya metode sintesis yang andal, serta kurangnya pemahaman mendasar tentang hubungan antara struktur dan sifat polimer. "Meningkatkan stabilitas termal film yang ada sambil mempertahankan kekuatan isolasi listriknya merupakan tantangan material yang berkelanjutan," kata Liu.

Kolaborasi jangka panjang antara para peneliti di Molecular Foundry dan Scripps Research Institute kini telah menjawab tantangan itu. Mereka menggunakan reaksi kimia sederhana dan cepat yang dikembangkan pada 2014 yang menukar atom fluor dalam senyawa yang mengandung ikatan sulfur-fluorida, untuk menghasilkan rantai polimer panjang dari molekul sulfat yang disebut polisulfat.

Reaksi pertukaran sulfur-fluorida (Sulfur-Fluoride Exchange/SuFEx) adalah versi generasi berikutnya dari reaksi kimia klik yang dipelopori oleh K Barry Sharpless, ahli kimia di Scripps Research, bersama dengan Peng Wu, juga ahli kimia di Scripps Research.

Reaksi yang hampir sempurna namun mudah dijalankan menggabungkan entitas molekul terpisah melalui ikatan kimia kuat yang terbentuk di antara kelompok reaktif yang berbeda. Tim Liu awalnya menggunakan berbagai alat analisis termal untuk memeriksa sifat termal dan mekanik dasar dari bahan baru ini.

Sebagai bagian dari program Lab Berkeley untuk mensintesis dan mengidentifikasi bahan-bahan baru yang dapat berguna dalam penyimpanan energi. Liu dan rekan-rekannya kini menemukan bahwa polisulfat memiliki sifat dielektrik yang luar biasa, terutama pada medan listrik dan suhu tinggi.

"Beberapa polimer komersial dan yang dihasilkan laboratorium dikenal karena sifat dielektriknya, tetapi polisulfat belum pernah dipertimbangkan. Perkawinan antara polisulfat dan dielektrik adalah salah satu hal baru di sini," kata He Li, peneliti pascadoktoral di Molecular Foundry dan Divisi Ilmu Material di Berkeley Lab, dan penulis utama studi itu.

Kinerja dan Potensi

Terinspirasi oleh sifat dielektrik dasar luar biasa yang ditawarkan oleh polisulfat, para peneliti memasukkan lapisan aluminium oksida (Al2O3) yang sangat tipis ke dalam lapisan tipis bahan tersebut. Hal ini dimaksudkan untuk merekayasa perangkat kapasitor dengan kinerja penyimpanan energi yang ditingkatkan.

Dari tindakan itu mereka menemukan bahwa kapasitor yang dibuat menunjukkan fleksibilitas mekanis yang sangat baik, tahan terhadap medan listrik lebih dari 750 juta volt per meter. Yang mengejutkan lagi dapat bekerja secara efisien pada suhu hingga 150 derajat Celsius, yang menjadi tantangan bagi teknologi kapasitor generasi sebelumnya.

Sebagai perbandingan, kapasitor polimer komersial patokan saat ini hanya berfungsi andal pada suhu di bawah 120 derajat Celsius. Di atas suhu tersebut, mereka hanya mampu menahan medan listrik yang lebih kecil dari 500 juta volt per meter, dan efisiensi energinya turun drastis hingga lebih dari setengahnya.

Pekerjaan ini membuka peluang untuk mengeksplorasi material yang kuat dan berperforma tinggi untuk penyimpanan energi. "Kami telah memberi wawasan mendalam tentang mekanisme dasar yang berkontribusi pada kinerja material yang luar biasa ini," kata Wu.

Polimer mencapai keseimbangan sifat listrik, termal, dan mekanik, kemungkinan besar disebabkan oleh ikatan sulfat yang disebabkan oleh reaksi kimia klik. Karena kimia modular mengakomodasi keragaman struktural dan skalabilitas yang luar biasa, jalur yang sama dapat menawarkan jalur yang layak menuju polimer baru dengan kinerja lebih tinggi yang memenuhi kondisi operasional yang lebih menuntut.

Polisulfat ini adalah pesaing kuat untuk menjadi dielektrik polimer baru yang canggih. Ketika para ilmuwan mengatasi hambatan dalam proses manufaktur skala besar untuk bahan film tipis, perangkat ini dapat meningkatkan efisiensi energi sistem tenaga terintegrasi pada kendaraan listrik dan meningkatkan keandalan operasionalnya. hay/I-1