'Bunga' penelitian baterai lithium-ion
Green Tech

‘Bunga’ penelitian baterai lithium-ion


Gambar pemindaian mikroskop elektron dari litium titanat (litium, titanium, oksigen) “nanoflowers”. Kredit: Laboratorium Nasional Brookhaven

Baterai lithium-ion bekerja dengan mengacak ion litium antara elektroda positif (katoda) dan elektroda negatif (anoda) selama pengisian dan ke arah berlawanan selama pemakaian. Ponsel cerdas, laptop, dan kendaraan listrik kami biasanya menggunakan baterai lithium-ion dengan anoda yang terbuat dari grafit, suatu bentuk karbon. Litium disisipkan ke grafit saat Anda mengisi daya baterai dan dilepaskan saat Anda menggunakan baterai.

Meskipun grafit dapat diisi dan dilepaskan secara reversibel selama ratusan atau bahkan ribuan siklus, jumlah litium yang dapat disimpan (kapasitas) tidak cukup untuk aplikasi intensif energi. Misalnya, mobil listrik hanya dapat berjalan jauh sebelum perlu diisi ulang. Selain itu, grafit tidak dapat diisi atau dikosongkan dengan kecepatan yang sangat tinggi (daya). Karena keterbatasan ini, para ilmuwan terus mencari bahan anoda alternatif.

Salah satu material anoda yang cukup menjanjikan adalah lithium titanate (LTO) yang mengandung lithium, titanium, dan oksigen. Selain kemampuan tingkat tinggi, LTO memiliki stabilitas siklus yang baik dan mempertahankan situs kosong di dalam strukturnya untuk menampung ion litium. Namun, LTO menghantarkan listrik dengan buruk, dan ion litium lambat berdifusi ke dalam material.

“LTO murni memiliki kapasitas yang dapat digunakan sedang tetapi dapat memberikan daya dengan cepat,” kata Amy Marschilok, seorang profesor di Departemen Kimia dan anggota fakultas tambahan di Departemen Ilmu Material dan Teknik Kimia di Stony Brook University — di mana dia juga menjabat sebagai wakil direktur Center for Mesoscale Transport Properties (m2M) —dan manajer Divisi Penyimpanan Energi dan ilmuwan di Departemen Ilmu Interdisipliner di Laboratorium Nasional Brookhaven National Department of Energy (DOE) Departemen Energi AS. “Bahan baterai tingkat tinggi menarik untuk aplikasi di mana Anda ingin menggunakan energi yang tersimpan dengan cepat, dalam beberapa menit — seperti kendaraan listrik, perkakas listrik portabel, dan sistem catu daya darurat.”

Marschilok adalah bagian dari tim interdisipliner Brookhaven Lab – Stony Brook yang mulai berkolaborasi dalam penelitian LTO pada tahun 2014. Dalam upaya terbaru mereka, mereka meningkatkan kapasitas LTO sebesar 12 persen dengan menambahkan klorin melalui proses yang dikenal sebagai doping.

“Doping terkontrol dapat mengubah sifat elektronik dan struktur material,” jelas Stanislaus Wong, profesor terkemuka di Departemen Kimia di Stony Brook University, di mana dia juga peneliti utama yang bertanggung jawab atas tim berbasis mahasiswa yang terdiri dari Wong Group. . “Dalam grup saya, kami tertarik untuk mengembangkan dan menggunakan kimia untuk mengarahkan korelasi properti-struktur yang menguntungkan. Untuk LTO, penggabungan atom dopan dapat meningkatkan konduktivitas listrik dan memperluas kisi kristal, sehingga saluran ion litium bermigrasi menjadi lebih luas . Ilmuwan telah menguji berbagai jenis dopan, tetapi klorin belum banyak dieksplorasi. “

Untuk membuat LTO “yang didoping klorin”, tim menggunakan metode berbasis solusi yang disebut sintesis hidrotermal. Dalam sintesis hidrotermal, para ilmuwan menambahkan larutan yang mengandung prekursor yang relevan (bahan yang bereaksi untuk membentuk produk yang diinginkan) di dalam air, menempatkan campuran dalam wadah tertutup, dan memaparkannya ke suhu dan tekanan yang relatif sedang untuk durasi tertentu. Dalam hal ini, untuk memungkinkan peningkatan skala prosedur mereka, para ilmuwan memilih prekursor titanium berbasis cairan daripada foil titanium padat yang sebelumnya digunakan dalam jenis reaksi ini. Setelah sintesis hidrotermal dari LTO murni dan LTO yang didoping klorin selama 36 jam, mereka melakukan langkah-langkah pemrosesan kimia tambahan untuk mengisolasi bahan yang diinginkan. Studi pencitraan tim menggunakan scanning electron microscopy (SEM) di Fasilitas Mikroskopi Elektron dari Center for Functional Nanomaterials (CFN) Brookhaven mengungkapkan bahwa kedua jenis sampel tersebut dicirikan oleh struktur nano “berbentuk bunga”. Hasil ini menunjukkan bahwa perlakuan kimiawi tidak merusak struktur aslinya.

“Pendekatan sintesis baru kami memfasilitasi reaksi yang lebih cepat, seragam, dan efisien untuk produksi skala besar dari bunga nano 3-D ini,” kata Wong. “Jenis arsitektur yang relatif unik ini memiliki luas permukaan yang tinggi, dengan” kelopak “seperti bunga yang menyebar secara radial dari inti pusat. Struktur ini menyediakan banyak jalur bagi ion litium untuk mengakses materi.

Dengan memvariasikan konsentrasi klorin, litium, dan prekursor; kemurnian prekursor; dan waktu reaksi, para ilmuwan menemukan kondisi optimal untuk membuat bunga nano yang sangat kristal.

Di CFN, tim melakukan beberapa eksperimen karakterisasi berdasarkan bagaimana sampel berinteraksi dengan sinar-X dan elektron: difraksi sinar-X untuk mendapatkan informasi kristalinitas dan komposisi kimia, SEM untuk memvisualisasikan morfologi (bentuk), spektroskopi sinar-X dispersif energi untuk memetakan distribusi unsur, dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) untuk mengkonfirmasi komposisi kimia dan memperoleh bilangan oksidasi kimia.

“Data XPS adalah kunci dalam studi ini karena mereka membuktikan bahwa titanium — yang biasanya ada di LTO sebagai 4+, yang berarti empat elektron telah dihilangkan — dikurangi menjadi 3+,” kata Xiao Tong, staf ilmuwan di CFN Interface Science. dan Grup Katalisis. “Perubahan dalam keadaan kimiawi ini signifikan karena material berubah dari isolator menjadi semikonduktor, meningkatkan konduktivitas listrik dan mobilitas lithium-ion.”

Dengan sampel yang dioptimalkan, para ilmuwan melakukan beberapa tes elektrokimia. Mereka menemukan bahwa LTO yang didoping klorin memiliki kapasitas yang lebih dapat digunakan dalam kondisi kecepatan tinggi di mana baterai habis dalam 30 menit. Peningkatan ini dipertahankan selama lebih dari 100 siklus pengisian / pengosongan.

“LTO yang didoping klorin tidak hanya lebih baik pada awalnya tetapi juga tetap stabil dari waktu ke waktu,” kata Marschilok.

Untuk memahami mengapa peningkatan ini terjadi, tim beralih ke teori komputasi, memodelkan perubahan struktural dan elektronik yang timbul dari doping klorin.

“Ketika kami melakukan eksperimen sains dasar, kami perlu memahami apa yang kami amati untuk melihat bagaimana material berfungsi dan mendapatkan wawasan tentang bagaimana meningkatkan kinerja material,” jelas Ping Liu, seorang ahli kimia di Divisi Kimia Brookhaven yang memimpin studi teoritis. . “Teori adalah cara yang sangat efektif untuk mencapai pemahaman mekanistik seperti itu, terutama untuk material yang kompleks seperti LTO.”

Dalam menghitung geometri LTO yang paling stabil secara energik dengan doping klorin, tim menemukan bahwa klorin lebih memilih untuk menggantikan situs tempat oksigen berada dalam struktur LTO.

“Substitusi ini melempar satu elektron ke sistem, menyebabkan redistribusi elektronik,” kata Liu. “Ini menyebabkan titanium, yang berinteraksi langsung dengan klorin, menjadi berkurang dari 4+ menjadi 3+, konsisten dengan hasil XPS eksperimental. Kami juga melakukan perhitungan yang menunjukkan sekali klorin diganti dengan oksigen, lebih banyak lithium dapat dimasukkan ke LTO selama pembuangan. . Klorin lebih besar dari oksigen, sehingga menyediakan terowongan yang lebih besar untuk transportasi litium. “

Selanjutnya, tim mempelajari bagaimana struktur mikroskopis dari bunga nano 3-D memengaruhi transportasi. Mereka juga mengeksplorasi substitusi tingkat atom lainnya di bahan anoda dan katoda yang dapat mengarah pada peningkatan transportasi.

“Meningkatkan konduktivitas elektronik dan ionik melalui satu proses seringkali merupakan tantangan,” kata Marschilok. “Namun selain meningkatkan kinerja salah satu bahan, di m2M, kami selalu berpikir tentang merancang studi model yang dapat menunjukkan cara komunitas ilmiah untuk mengembangkan bahan baterai baru secara komprehensif. Kombinasi sintesis bahan, karakterisasi bahan tingkat lanjut, dan teori komputasi, serta kolaborasi antara Stony Brook dan Brookhaven, adalah kekuatan kerja m2M. “

Penelitian ini diterbitkan dalam edisi khusus tentang “Pendekatan Rute Solusi Suhu Rendah ke Bahan Skala Nano Fungsional Oksida” di Kimia – Jurnal Eropa.


Bahan anoda baru dapat menghasilkan baterai pengisian cepat yang lebih aman


Informasi lebih lanjut:
Kenna L. Salvatore dkk. Berbasis Solusi, Anion-Doping dari Li 4 Ti 5 O 12 Nanoflowers untuk Aplikasi Baterai Lithium-Ion, Kimia – Jurnal Eropa (2020). Doi: 10.1002 / chem.202002489

Disediakan oleh Brookhaven National Laboratory

Kutipan: ‘Bunga’ penelitian baterai lithium-ion (2020, 5 November) diakses 27 November 2020 dari https://techxplore.com/news/2020-11-lithium-ion-battery.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Lagutogel