Para ilmuwan mencari cara untuk melacak apa yang terjadi di dalam baterai
Green Tech

Para ilmuwan mencari cara untuk melacak apa yang terjadi di dalam baterai


Ilustrasi yang dibuat oleh DOE ini menunjukkan ion dalam baterai lithium-ion yang terisi penuh. Sebuah tim peneliti yang menggunakan APS telah menemukan metode baru untuk secara tepat mengukur pergerakan ion-ion ini melalui baterai. Kredit: Departemen Energi

Masa depan mobilitas adalah mobil listrik, truk, dan pesawat terbang. Tetapi tidak mungkin satu desain baterai dapat memberi daya pada masa depan itu. Bahkan baterai ponsel dan laptop Anda memiliki persyaratan dan desain yang berbeda. Baterai yang kami perlukan selama beberapa dekade mendatang harus disesuaikan dengan penggunaan spesifiknya.

Dan itu berarti memahami dengan tepat apa yang terjadi, seakurat mungkin, di dalam setiap jenis baterai. Setiap baterai bekerja dengan prinsip yang sama: ion, yaitu atom atau molekul dengan muatan listrik, membawa arus dari anoda ke katoda melalui bahan yang disebut elektrolit, dan kemudian kembali lagi. Tetapi pergerakan mereka yang tepat melalui bahan itu, baik cair atau padat, telah membingungkan para ilmuwan selama beberapa dekade. Mengetahui dengan tepat bagaimana berbagai jenis ion bergerak melalui berbagai jenis elektrolit akan membantu para peneliti mencari tahu bagaimana memengaruhi gerakan itu, untuk membuat baterai yang mengisi dan melepaskan dengan cara yang paling sesuai dengan penggunaan spesifiknya.

Dalam penemuan terobosan, tim ilmuwan telah mendemonstrasikan kombinasi teknik yang memungkinkan pengukuran ion yang bergerak secara tepat melalui baterai. Menggunakan Advanced Photon Source (APS), Fasilitas Pengguna Sains Kantor Departemen Energi AS (DOE) di DOE’s Argonne National Laboratory, para peneliti ini tidak hanya mengintip ke dalam baterai saat beroperasi, mengukur reaksi secara real time, tetapi juga membuka pintu untuk eksperimen serupa dengan berbagai jenis baterai.

Para peneliti berkolaborasi dalam hasil ini dengan Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), DOE Energy Innovation Hub yang dipimpin oleh Argonne. Makalah tim, yang merinci kecepatan ion litium yang bergerak melalui elektrolit polimer, diterbitkan di Ilmu Energi dan Lingkungan.

“Ini adalah kombinasi dari metode eksperimental yang berbeda untuk mengukur kecepatan dan konsentrasi, dan kemudian membandingkan keduanya dengan teori,” kata Hans-Georg Steinrück, profesor di Universitas Paderborn di Jerman dan penulis pertama makalah tersebut. “Kami menunjukkan ini mungkin, dan sekarang kami akan melakukannya di sistem lain yang sifatnya berbeda.”

Metode tersebut, dilakukan pada beamline 8-ID-I di APS, termasuk menggunakan sinar-X ultra-terang untuk mengukur kecepatan ion yang bergerak melalui baterai, dan sekaligus mengukur konsentrasi ion dalam elektrolit, sementara model baterai habis. Tim peneliti kemudian membandingkan hasilnya dengan model matematika. Hasilnya adalah angka yang sangat akurat yang mewakili arus yang dibawa oleh ion — yang disebut bilangan transpor.

Jumlah transpor pada dasarnya adalah jumlah arus yang dibawa oleh ion bermuatan positif dalam kaitannya dengan arus listrik secara keseluruhan, dan perhitungan tim menempatkan angka tersebut sekitar 0,2. Kesimpulan ini berbeda dari yang diperoleh dengan metode lain, kata para peneliti, karena sensitivitas cara baru mengukur pergerakan ion ini.

Jumlah transportasi nilai sebenarnya telah menjadi bahan perdebatan di antara para ilmuwan selama bertahun-tahun, menurut Michael Toney, profesor di Universitas Colorado Boulder dan seorang penulis makalah. Toney dan Steinrück adalah staf ilmuwan di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC DOE ketika penelitian ini dilakukan.

“Cara tradisional untuk mengukur nomor transportasi adalah dengan menganalisis arus,” kata Toney. “Tetapi tidak diketahui seberapa besar arus itu disebabkan oleh ion litium dan berapa banyak yang disebabkan oleh hal-hal lain yang tidak Anda inginkan dalam analisis Anda. Prinsipnya mudah, tetapi kami harus mengukur secara akurat. Ini tentu saja bukti dari konsep.”

Untuk percobaan ini, tim peneliti menggunakan elektrolit polimer padat, bukan cairan yang banyak digunakan untuk baterai lithium ion. Seperti dicatat Toney, polimer lebih aman, karena menghindari masalah kemudahbakaran pada beberapa elektrolit cair.

Venkat Srinivasan dari Argonne, wakil direktur JCESR dan penulis makalah, memiliki pengalaman luas dalam memodelkan reaksi di dalam baterai, tetapi ini adalah pertama kalinya dia dapat membandingkan model-model tersebut dengan data waktu nyata tentang pergerakan ion melalui elektrolit. .

“Selama bertahun-tahun kami menulis makalah tentang apa yang terjadi di dalam baterai, karena kami tidak dapat melihat hal-hal di dalamnya,” katanya. “Saya selalu bercanda bahwa apa pun yang saya katakan pasti benar, karena kami tidak dapat memastikannya. Jadi selama beberapa dekade kami telah mencari informasi seperti ini, dan itu menantang orang-orang seperti saya yang telah membuat prediksi.”

Di masa lalu, kata Srinivasan, cara terbaik untuk meneliti cara kerja bagian dalam baterai adalah dengan mengirimkan arus melaluinya dan kemudian menganalisis apa yang terjadi setelahnya. Kemampuan untuk melacak ion yang bergerak secara real time, katanya, menawarkan para ilmuwan kesempatan untuk mengubah gerakan itu agar sesuai dengan kebutuhan desain baterai mereka.

“Kami harus menghubungkan titik-titik tersebut sebelumnya, dan sekarang kami dapat langsung mendeteksi ion-ion tersebut,” katanya. “Tidak ada ambiguitas.”

Eric Dufresne, fisikawan dari Argonne’s X-ray Science Division, adalah salah satu ilmuwan APS yang mengerjakan proyek ini. Seorang penulis di atas kertas, Dufresne mengatakan eksperimen tersebut memanfaatkan koherensi yang tersedia di APS, memungkinkan tim peneliti untuk menangkap efek yang mereka cari hingga kecepatan hanya nanometer per detik.

“Ini studi yang sangat teliti dan kompleks,” katanya. “Ini adalah contoh bagus dari menggabungkan teknik sinar-X dengan cara baru, dan langkah yang baik untuk mengembangkan aplikasi di masa depan.”

Dufresne dan rekan-rekannya juga mencatat bahwa eksperimen ini hanya akan meningkat setelah APS mengalami pemutakhiran cincin penyimpan elektron yang sedang berlangsung, yang akan meningkatkan kecerahan sinar-X yang dihasilkannya hingga 500 kali lipat.

“Peningkatan APS akan memungkinkan kami untuk mendorong studi dinamis ini menjadi lebih baik daripada mikrodetik,” kata Dufresne. “Kami akan dapat memfokuskan sinar untuk pengukuran yang lebih kecil dan melewati material yang lebih tebal. Peningkatan ini akan memberi kami kemampuan unik, dan kami akan dapat melakukan lebih banyak eksperimen jenis ini.”

Itu adalah prospek yang menggairahkan tim peneliti. Steinrück mengatakan langkah selanjutnya adalah menganalisis polimer yang lebih kompleks dan bahan lain, dan akhirnya menjadi elektrolit cair. Toney mengatakan dia ingin memeriksa ion dari jenis material lain, seperti kalsium dan seng.

Memeriksa keragaman bahan, kata Srinivasan, akan menjadi penting untuk tujuan akhirnya: baterai yang dirancang secara tepat untuk penggunaan masing-masing.

“Jika kita ingin membuat baterai berenergi tinggi, cepat, aman, dan tahan lama, kita perlu tahu lebih banyak tentang gerakan ion,” katanya. “Kami perlu memahami lebih banyak tentang apa yang terjadi di dalam baterai, dan menggunakan pengetahuan itu untuk mendesain material baru dari bawah ke atas.”


Peninjauan skala nano pertama tentang bagaimana ion litium menavigasi labirin molekul untuk mencapai elektroda baterai


Informasi lebih lanjut:
Hans-Georg Steinrück dkk. Profil konsentrasi dan kecepatan dalam elektrolit baterai lithium-ion polimer, Energi & Ilmu Lingkungan (2020). DOI: 10.1039 / D0EE02193H

Disediakan oleh Laboratorium Nasional Argonne

Kutipan: Baterai tes: Ilmuwan mencari cara untuk melacak apa yang terjadi di dalam baterai (2020, 4 Desember) diambil 4 Desember 2020 dari https://techxplore.com/news/2020-12-battery-scientists-figure-track-batteries. 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