Baterai Generasi Baru yang Tahan Lama dan Mampu Mengisi Daya dengan Cepat

Peneliti berhasil menemukan kelemahan pada baterai logam litium yang kerap korsleting dan kegagalan misterius lainnya. Temuan ini berguna dalam menciptakan baterai yang dapat diisi dengan cepat, tidak mudah terbakar, dan tahan lama.

Baterai logam litium (lithium metal battery) dengan elektrolit padat adalah teknologi yang menjanjikan. Kelebihan baterai jenis ini adalah ringan, tidak mudah terbakar, kepadatan energi yang tinggi, dan kemampuan pengisian ulang yang cepat.

Namun pengisian daya yang sangat cepat dan memiliki kepadatan daya tinggi masih belum terwujud sampai saat ini. Padahal kedua hal itu menjadi kunci bagi percepatan penggunaan kendaraan listrik untuk dapat menjangkau jarak yang jauh.

Selama ini perkembangan baterai logam litium terhambat pada beberapa kelemahan yaitu korsleting listrik dan kegagalan-kegagalan lainnya yang tidak dapat dijelaskan. Oleh karenanya para Ilmuwan di Stanford University and SLAC National Accelerator Laboratory berusaha memecahkan hal tersebut dan baru-baru ini mereka berhasil memecahkan kekurangan dan misteri pada baterai logam litium.

Menurut mereka, hambatan bagi terwujudnya baterai logam litium pada stres tekanan mekanis lebih tepatnya terutama selama pengisian daya yang kuat.

"Hanya lekukan, tekukan, atau pelintiran baterai yang sederhana dapat menyebabkan celah nanoskopik pada material terbuka dan litium menyusup ke dalam elektrolit padat yang menyebabkannya mengalami korsleting," ungkap penulis senior William Chueh, seorang profesor ilmu dan teknik material di School of Engineering, dan ilmu energi dan teknik The New Stamford Doerr School of Sustainability.

"Bahkan debu atau kotoran lain yang masuk ke pabrik dapat menghasilkan tekanan yang cukup untuk menyebabkan kegagalan," tambah Chueh, yang memimpin penelitian bersama Wendy Gu, asisten profesor teknik mesin.

Masalah kegagalan elektrolit padat bukanlah hal baru karena banyak yang telah mempelajari fenomena tersebut. Banyak teori tentang apa sebenarnya penyebabnya. Ada yang mengatakan aliran elektron yang tidak disengaja adalah penyebabnya, sementara yang lain menunjuk pada reaksi kimia. Namun yang lain berteori kekuatan yang berbeda sedang dimainkan.

Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan pada 30 Januari lalu di jurnal Nature Energy, rekan penulis utama Geoff McConohy, Xin Xu, dan Teng Cui menjelaskan dalam eksperimen yang ketat dan signifikan secara statistik bagaimana cacat skala nano dan tekanan mekanis menyebabkan elektrolit padat gagal.

Keberhasilan para ilmuwan tersebut dalam mengatasi konsleting dan kegagalan misterius pada baterai logam litium dapat dikembangkan dalam menciptakan baterai isi ulang elektrolit padat baru, merancang masalah tersebut atau bahkan memanfaatkan penemuan tersebut untuk pengisian daya yang cepat.

Seperti yang sedang diteliti oleh tim Stanford ini, baterai logam litium padat energi, dengan pengisian cepat, dan tidak mudah terbakar yang bertahan lama, dapat mengatasi hambatan utama penggunaan kendaraan listrik secara luas. Selain kendaraan listrik baterai model ini nantinya juga berguna untuk berbagai manfaat lainnya.

Selama ini baterai elektrolit padat terkemuka berupa keramik. Keramik memungkinkan pengangkutan cepat ion litium dan secara fisik memisahkan dua elektroda yang menyimpan energi, kemampuan tahan panas atau api. Namun kekurangan dari bahan ini adalah sering terjadi retakan kecil di permukaannya, seperti halnya lantai keramik.

Melalui lebih dari 60 kali percobaan, bahan keramik sering dipenuhi dengan retakan, penyok, dan memiliki celah nanoskopik, banyak yang lebarnya kurang dari 20 nanometer. Selembar kertas tebalnya sekitar 100.000 nanometer. Selama pengisian cepat, Chueh dan tim mengatakan, retakan yang melekat ini terbuka, memungkinkan litium untuk masuk.

Dalam setiap percobaan, para peneliti menerapkan probe listrik ke elektrolit padat, membuat baterai mini, dan menggunakan mikroskop elektron untuk mengamati pengisian cepat secara real time. Selanjutnya, mereka menggunakan sinar ion sebagai pisau bedah untuk memahami mengapa litium terkumpul di permukaan keramik di beberapa lokasi, seperti yang diinginkan, sementara di tempat lain mulai menggali, semakin dalam, hingga jembatan litium melintasi elektrolit padat, menciptakan arus pendek.

Perbedaannya adalah tekanan, saat probe listrik hanya menyentuh permukaan elektrolit, litium berkumpul dengan indah di atas elektrolit bahkan saat baterai diisi dalam waktu kurang dari satu menit. Namun, ketika probe menekan ke dalam elektrolit keramik, meniru tekanan mekanis lekukan, tekukan, dan puntiran, kemungkinan besar baterai mengalami korsleting.

Teori Menjadi Praktek

Baterai keadaan padat (solid state) dunia nyata terbuat dari lapisan demi lapisan lembaran katoda-elektrolit-anoda yang ditumpuk satu di atas yang lain. Peran elektrolit adalah memisahkan katoda dari anoda secara fisik, namun memungkinkan ion litium bergerak bebas di antara keduanya.

Jika katoda dan anoda bersentuhan atau dihubungkan secara elektrik dengan cara apa pun, seperti melalui terowongan litium logam, akan terjadi korsleting. Seperti yang ditunjukkan Chueh dan tim, bahkan tekukan halus, sedikit puntiran, atau setitik debu yang tersangkut di antara elektrolit dan anoda litium akan menyebabkan celah yang tidak terlihat.

"Diberi kesempatan untuk menggali ke dalam elektrolit, litium pada akhirnya akan menembus, menghubungkan katoda dan anoda," kata McConohy, yang menyelesaikan gelar doktornya tahun lalu bekerja di lab Chueh dan sekarang bekerja di industri. "Ketika itu terjadi, baterainya tak berfungsi," ungkap dia.

Pemahaman baru itu ditunjukkan berulang kali, kata para peneliti. Mereka merekam video proses menggunakan mikroskop elektron pemindaian mikroskop yang sama yang tidak dapat melihat retakan yang baru lahir dalam elektrolit murni yang belum teruji.

Ini sedikit mirip dengan lubang yang muncul di trotoar yang sempurna, jelas Xu. Melalui hujan dan salju, ban mobil menumbuk air ke dalam ketidaksempurnaan kecil yang sudah ada sebelumnya di trotoar menghasilkan retakan yang semakin melebar yang tumbuh seiring waktu.

"Litium sebenarnya adalah bahan yang lembut, tetapi, seperti analogi air dalam lubang, yang diperlukan hanyalah tekanan untuk memperlebar celah dan menyebabkan kegagalan," kata Xu, seorang sarjana di lab Chueh.

Dengan pemahaman baru mereka, tim Chueh sedang mencari cara untuk menggunakan gaya mekanis yang sama ini dengan sengaja untuk memperkuat material selama manufaktur, seperti pandai besi yang mengambil pisau selama produksi. Mereka juga mencari cara untuk melapisi permukaan elektrolit untuk mencegah retakan atau memperbaikinya jika muncul.

"Semua perbaikan ini dimulai dengan satu pertanyaan: Mengapa?" papar Cui, seorang sarjana di lab Gu. "Kami adalah insinyur. Hal terpenting yang dapat kita lakukan adalah mencari tahu mengapa sesuatu terjadi. Setelah kami mengetahuinya, kami dapat meningkatkan berbagai hal," lanjut dia. hay/I-1