Bhataramedia.com – Pengamatan terbaru yang dilakukan oleh para peneliti MIT telah mengungkapkan cara kerja dari jenis elektroda yang banyak digunakan di dalam baterai lithium-ion (Li-ion). Temuan baru ini menjelaskan daya yang tinggi secara spontan dan siklus hidup yang panjang dari baterai tersebut.
Temuan ini muncul dalam sebuah makalah yang diterbitkan di jurnal Nano Letters. Makalah ini ditulis oleh Juni Jie Niu, MIT Postdoc, Akihiro Kushima, ilmuwan peneliti, profesor Namun-Ming Chiang, Ju Li, dan tiga orang peneliti lainnya.
Bahan elektroda dari baterai tersebut, yaitu litium besi fosfat (LiFePO4), dianggap sebagai materi sangat menjanjikan untuk baterai litium berbasis isi ulang. Hal ini telah dibuktikan dalam aplikasi mulai dari alat-alat listrik, kendaraan listrik hingga penyimpanan grid skala besar.
Para peneliti MIT juga menemukan bahwa di dalam elektroda ini, pada saat pengisian, zona larut-padat (SSZ / solid-solution zone) terbentuk di perbatasan antara area kaya litium dan area miskin litium, dimana area ini merupakan tempat dimana kegiatan charging (pengisian) terkonsentrasi, karena adanya ion litium yang ditarik keluar dari elektroda.
Li mengatakan bahwa ini “SSZ “telah secara teoritis diperkirakan ada, namun dia baru melihatnya secara langsung untuk pertama kalinya melalui video elektron mikroskop transmisi (TEM) yang diambil saat proses charging.
Pengamatan ini membantu para peneliti untuk menyelesaikan teka-teki lama tentang LiFePO4, yaitu “Pada saat sebagian besar bentuknya berupa kristal, litium besi fosfat dan besi fosfat (FePO4, yaitu senyawa yang muncul akibat ion litium bermigrasi keluar dari bahan elektroda selama charging) memiliki konduktivitas ionik dan elektrik yang sangat minim. Namun, ketika LiFePO4 mendapatkan perlakuan berupa doping dan pelapisan karbon, lalu digunakan sebagai nanopartikel di dalam baterai, material ini justru menunjukkan tingkat charging yang tinggi secara impresif”.
“Hal ini cukup mengejutkan ketika temuan ini [laju charging dan discharging yang cepat] pertama kali ditunjukkan,” kata Li, seperti dirilis laman Massachusetts Institute of Technology (9/6/2014).
“Kami langsung fokus mengamati larutan padat acak metastabil yang dapat mengatasi masalah mendasar yang telah menarik perhatian para ilmuwan material selama bertahun-tahun,” kata Li, Profesor Nuclear Science and Engineering dan juga professor materials science and engineering di Battelle Energy Alliance.
SSZ merupakan zona pada kondisi “metastabil” dan dapat bertahan selama setidaknya beberapa menit pada suhu kamar. Menghilangkan perbatasan antara LiFePO4 dan FePO4 telah terbukti dapat menimbulkan banyak garis kerusakan tambahan yang disebut “dislokasi,” SSZ berfungsi sebagai penyangga, yaitu mengurangi jumlah dislokasi.
“Kami tidak melihat lagi adanya dislokasi setelah aplikasi SSZ,” kata Li. Hal ini menjadi penting karena penambahan dislokasi dapat menyebabkan kelelahan dan membatasi siklus hidup dari elektroda.
Tidak seperti pencitraan TEM konvensional, teknik yang digunakan dalam studi ini memungkinkan untuk mengamati komponen baterai, seperti halnya proses charging dan discharging, yang dapat mengungkapkan proses-proses dinamik. Teknik ini dikembangkan pada tahun 2010 oleh Kushima dan Li,
“Dalam empat tahun terakhir, telah terjadi peningkatan pesat dalam menggunakan teknik TEM in situ untuk mempelajari operasi baterai,” kata Li.
“Pemahaman yang lebih baik dari proses-proses dinamik dapat meningkatkan kinerja bahan elektroda dengan cara penyetelan yang lebih baik dari sifat-sifatnya,” Li mengatakan.
Meskipun sampai saat ini belum ada pemahaman lengkap terhadap nanopartikel litium besi fosfat, namun material ini sudah digunakan pada skala industri untuk baterai lithium-ion, Li menjelaskan. “Ilmu pengetahuan tertinggal oleh aplikasi,” katanya. “Kemampuan material tersebut sudah ditingkatkan dan cukup sukses di pasaran. Hal ini menjadi salah satu kisah sukses dari nanoteknologi.”
“Dibandingkan dengan lithium-ion tradisional, lithium besi fosfat memiliki keunggulan yaitu ramah lingkungan, dan sangat stabil,” kata Niu. “Namun yang lebih penting adalah bahan ini harus dipahami dengan baik.”
Li mengatakan, “Prinsip yang sama juga berlaku untuk bahan elektroda lainnya. Orang-orang mencari bahan elektroda berdaya tinggi, dan kondisi metastabil seperti itu bisa saja muncul di bahan elektroda lain yang inert dan jumlahnya banyak …. Fenomena ini sangat umum, dan tidak spesifik untuk bahan ini. “
Referensi Jurnal :
Junjie Niu, Akihiro Kushima, Xiaofeng Qian, Liang Qi, Kai Xiang, Yet-Ming Chiang, Ju Li. In Situ Observation of Random Solid Solution Zone in LiFePO4Electrode. Nano Letters, 2014; 140609100322009 DOI: 10.1021/nl501415b.
