Mengemas lebih banyak jus dalam baterai lithium-ion melalui anoda silikon dan lapisan polimer
Green Tech

Mengemas lebih banyak jus dalam baterai lithium-ion melalui anoda silikon dan lapisan polimer


PBS berfungsi sebagai antarmuka elektrolit padat buatan dengan konduksi ion litium yang baik dan kemampuan penyembuhan diri untuk secara otomatis memperbaiki setiap retakan yang terbentuk selama operasi. Kredit: Noriyoshi Matsumi dari JAIST

Meskipun anoda silikon dapat meningkatkan kapasitas baterai Li-ion secara signifikan, kinerjanya akan menurun dengan cepat seiring penggunaan. Lapisan polimer dapat membantu memecahkan masalah ini, tetapi sangat sedikit penelitian yang telah mengeksplorasi mekanisme yang mendasari. Dalam penelitian terbaru, para ilmuwan dari Japan Advanced Institute of Science and Technology menyelidiki bagaimana lapisan poli (borosiloksan) sangat menstabilkan kapasitas anoda silikon, membuka jalan untuk baterai Li-ion yang lebih baik dan lebih tahan lama untuk mobil listrik dan pemanenan energi terbarukan.

Sejak konsepsinya, baterai lithium-ion (LIB) terus ditingkatkan dan diadaptasi sehingga cocok untuk aplikasi yang sangat berbeda, dari perangkat seluler dan mobil listrik hingga unit penyimpanan untuk pemanen energi terbarukan. Dalam sebagian besar aplikasi skala besar (seperti dua yang terakhir), fokus penelitian LIB ditempatkan pada peningkatan kapasitas dan batas voltase tanpa meningkatkan ukuran keseluruhannya. Tentunya, agar bisa memungkinkan, komponen dan material aki harus dinyalakan.

Banyak peneliti telah menempatkan taruhan mereka pada penggunaan anoda silikon daripada anoda grafit tradisional. Anoda adalah bagian dari baterai tempat ion litium disimpan saat baterai diisi, yang kemudian mengalir melalui media yang disebut elektrolit ke katoda di ujung lainnya saat pengisian baterai digunakan. Meskipun silikon jelas merupakan bahan anoda yang menjanjikan yang menawarkan peningkatan kapasitas hampir sepuluh kali lipat untuk LIB, ia membawa serta serangkaian tantangan yang harus diatasi sebelum anoda silikon dapat dikomersialkan.

Dalam studi terbaru yang diterbitkan di Bahan Energi Terapan ACS, tim ilmuwan dari Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) menangani masalah anoda silikon menggunakan lapisan polimer yang menjanjikan: poli (borosiloksan) (PBS). Penelitian ini dipimpin oleh Profesor Noriyoshi Matsumi dan juga melibatkan Dr. Sai Gourang Patnaik dan Dr. Tejkiran Pindi Jayakumar, yang saat itu sedang menyelesaikan program doktoral di JAIST.

Mengemas lebih banyak jus dalam baterai lithium-ion melalui anoda silikon dan lapisan polimer

Berkat sifat penyembuhannya sendiri, lapisan PBS menawarkan kinerja yang jauh lebih stabil dalam hal kapasitas dibandingkan dengan anoda telanjang atau yang dilapisi dengan PVDF, polimer yang digunakan secara komersial dalam baterai lithium-ion. Kredit: Noriyoshi Matsumi dari JAIST

Pelapis polimer dapat mengatasi salah satu kelemahan paling serius yang mengganggu anoda silikon: pembentukan solid electrolyte interfase (SEI) yang terlalu besar. Pembentukan SEI secara spontan antara elektrolit dan anoda sebenarnya penting untuk kinerja baterai dalam jangka panjang. Namun, bahan seperti silikon cenderung berkembang pesat dengan penggunaan, yang menyebabkan pembentukan SEI terus menerus dan menipisnya elektrolit yang tersedia. Tak perlu dikatakan, ini menghalangi kinerja baterai dan menyebabkan penurunan kapasitas besar-besaran dari waktu ke waktu.

Di sinilah lapisan polimer berperan; mereka dapat mencegah pembentukan SEI yang berlebihan pada silikon dan membentuk SEI buatan dan stabil (lihat Gambar 1). Meskipun para peneliti telah mencatat potensi PBS sebagai lapisan untuk anoda silikon, penelitian sebelumnya tidak menawarkan penjelasan yang jelas untuk mekanisme yang berperan, seperti yang dijelaskan Prof. Matsumi, “Ada sangat sedikit laporan tentang polimer berbasis PBS yang terdefinisi dengan baik yang menawarkan asal mekanistik untuk aplikasi dan efeknya. Oleh karena itu, kami ingin mengevaluasi dan menjelaskan kontribusinya terhadap anoda silikon sebagai antarmuka buatan penyembuhan sendiri yang juga mencegah ekspansi volume yang merugikan. “

Tim membandingkan kinerja anoda silikon jangka pendek dan jangka panjang dengan dan tanpa lapisan polimer dalam hal stabilitas, kapasitas, dan sifat antarmuka. Mereka melakukan ini melalui serangkaian pengukuran elektrokimia dan perhitungan teoritis, yang membuat mereka memahami bagaimana PBS membantu menstabilkan kapasitas anoda silikon.

Dibandingkan dengan anoda silikon telanjang dan anoda yang dilapisi dengan poli (vinilidena fluorida) (lapisan yang digunakan secara komersial dalam LIB), sifat penyembuhan diri PBS dan akomodasi ion litiumnya yang dapat dibalik menghasilkan stabilitas yang sangat ditingkatkan. Ini sebagian karena kemampuan PBS untuk mengisi setiap retakan yang terbentuk di SEI selama operasi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, kapasitas anoda silikon berlapis PBS tetap hampir sama selama lebih dari 300 ratus siklus, tidak seperti dua anoda lainnya.

Dengan membahas masalah utama yang terkait dengan anoda silikon, penelitian ini membuka jalan ke generasi baru LIB dengan kapasitas dan daya tahan yang jauh lebih tinggi. Puas dengan hasilnya, Prof. Matsumi menyatakan, “Penerapan LIB berkapasitas tinggi yang meluas akan memungkinkan mobil listrik menjangkau jarak yang lebih jauh, drone menjadi lebih besar, dan energi terbarukan disimpan dengan lebih efisien.” Dia juga menambahkan bahwa, dalam satu dekade, kita bahkan mungkin melihat LIB digunakan sebagai sumber energi sekunder di kendaraan yang lebih besar seperti kereta api, kapal, dan pesawat terbang. Mari kita berharap penelitian lebih lanjut membawa kita ke sana!


Desain elektrolit baru yang dapat meningkatkan kinerja baterai Li-ion


Informasi lebih lanjut:
Sai Gourang Patnaik dkk, Poli Definisi (borosiloksan) sebagai Lapisan Interfase Elektrolit Padat Buatan untuk Anoda Silikon Film Tipis, Bahan Energi Terapan ACS (2021). DOI: 10.1021 / acsaem.0c02749

Disediakan oleh Japan Advanced Institute of Science and Technology

Kutipan: Mengemas lebih banyak jus dalam baterai lithium-ion melalui anoda silikon dan lapisan polimer (2021, 5 Februari) diambil pada 5 Februari 2021 dari https://techxplore.com/news/2021-02-juice-lithium-ion-batteries-silicon- anodes.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