Pencarian berkelanjutan untuk menemukan baterai yang lebih baik
Energy

Pencarian berkelanjutan untuk menemukan baterai yang lebih baik


Strategi menyeluruh JCESR — bahan bangunan dari bawah ke atas, atom-demi-atom, dan molekul-demi-molekul — menghilangkan “negosiasi dengan baterai” untuk mencapai beberapa metrik kinerja dengan mengorbankan metrik lainnya. Kredit: Laboratorium Nasional Argonne

Sepuluh tahun yang lalu, jika Anda membutuhkan baterai untuk sesuatu yang lebih dari sekadar senter atau jam alarm, pilihan Anda sangat terbatas. Baterai lithium-ion telah masuk ke perangkat elektronik konsumen pada tahun 1990-an, dan para peneliti baru saja mulai mengeksplorasi potensi mereka untuk aplikasi otomotif tertentu.

Namun, bahkan pada tahun 2010, ilmuwan dan pembuat kebijakan tahu bahwa baterai lithium-ion bukan satu-satunya solusi untuk tantangan penyimpanan energi. Aplikasi yang berbeda, dari truk tugas berat hingga pesawat listrik hingga penyimpanan energi terbarukan yang kadang-kadang diproduksi dalam instalasi skala besar di jaringan listrik, mengharuskan para ilmuwan untuk berpikir lebih luas dalam hal kimia dan teknologi.

Untuk menemukan teknologi baterai yang sangat penting di luar lithium-ion, Departemen Energi AS (DOE) memulai Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), Pusat Inovasi Energi yang dipimpin oleh Argonne National Laboratory DOE yang dirancang untuk menyatukan laboratorium, akademisi, dan industri untuk memecahkan tantangan utama dalam penyimpanan energi. Awalnya dirancang sebagai upaya lima tahun, JCESR ditugaskan untuk mengembangkan baterai yang akan menyimpan lebih banyak energi secara dramatis dalam jumlah berat yang sama dengan biaya yang jauh lebih murah.

Pada masa-masa awal JCESR, tantangan ini memotivasi pencarian “peluru ajaib” —baterai yang, karena memenuhi kepadatan energi dan persyaratan biaya tertentu, akan memenuhi kebutuhan berbagai aplikasi. “Awalnya kami berpikir bahwa kami dapat menemukan satu zat kimia, atau mungkin satu keluarga kimia, yang dapat bekerja secara menyeluruh,” kata direktur JCESR dan Rekan Terhormat Argonne, George Crabtree. “Kami akhirnya menyadari bahwa apa pun baterai yang akhirnya kami rancang, pendekatan satu ukuran untuk semua tidak akan pernah berhasil.”

Salah satu alasannya, Crabtree menjelaskan, adalah bahwa jenis aplikasi baterai yang berbeda memerlukan jenis pengorbanan yang berbeda pula. Baterai yang bagus untuk pesawat terbang harus dapat menyimpan dan menghasilkan energi dalam jumlah yang sangat besar — ​​beberapa kali lipat dari lithium-ion — sekaligus sangat aman. Di sisi lain, biaya tidak menjadi faktor yang signifikan, kata dia, karena biaya operasional maskapai mengerdilkan biaya modal.

Sebaliknya, baterai untuk mobil dan truk ringan hanya perlu menyimpan energi yang cukup untuk mengemudi beberapa ratus mil sebelum diisi ulang, tetapi idealnya harus dapat diisi dengan cepat, serta aman dan murah.

“Dengan cepat menjadi jelas bahwa Anda tidak akan pernah memiliki satu baterai yang benar-benar memberi Anda segalanya,” kata ilmuwan material Argonne dan pemimpin integrasi penelitian JCESR Lynn Trahey. “Visi itu bekerja dengan baik untuk elektronik pribadi, penggunaan utama baterai lithium-ion hingga sekitar tahun 2010. Dunia saat ini menyimpang ke dalam banyak aplikasi yang sangat berbeda, dan kami membutuhkan keragaman baterai untuk melayani mereka.”

Dalam lingkup lima tahun awal JCESR, para peneliti menggunakan model ekonomi baterai yang berbeda dan aplikasinya untuk menginformasikan eksperimen dan analisis mereka. Selain elektronik konsumen — pasar yang kebutuhannya cukup terpenuhi oleh teknologi lithium-ion — para ilmuwan JCESR mengambil pandangan seluas mungkin tentang bagaimana terobosan teknologi penyimpanan energi dapat mengubah ekonomi Amerika dan cara hidup kita.

Baterai untuk transportasi dan baterai untuk jaringan listrik sangat berbeda kebutuhannya. Dalam aplikasi yang berupaya menyimpan energi bersih dalam jumlah besar di jaringan listrik saat matahari tidak bersinar atau angin tidak bertiup, para ilmuwan dapat menggunakan baterai yang besar dan murah tidak seperti baterai yang cocok untuk mobil listrik.

Kredit: Laboratorium Nasional Argonne

Untuk penyimpanan jaringan ini, ilmuwan JCESR menyelidiki penggunaan baterai aliran redoks, yang tidak seperti baterai litium yang menggunakan cairan, bukan elektroda padat. Baterai aliran redoks mendapatkan namanya dari fakta bahwa cairan yang mengalir menyebabkan satu sisi baterai berkurang secara elektrokimia, atau menjadi lebih negatif, sementara sisi lainnya teroksidasi secara elektrokimia, atau menjadi lebih positif, saat baterai diisi atau dikosongkan.

Konsep dasar dari baterai aliran redoks cukup sederhana — masing-masing dari dua cairan yang bermuatan berbeda bersirkulasi di antara dua tangki, sambil berbagi ion melintasi membran transpor di sel elektrokimia yang terletak di antara dua set tangki. Karena fluida biasanya merupakan garam anorganik dalam larutan berbasis air, bagaimanapun, kepadatan energinya dan potensi penghematan biaya terbatas, kata Crabtree.

Untuk mengatasi keterbatasan ini dengan baterai aliran redoks, ilmuwan JCESR melihat apakah mereka dapat menggunakan molekul organik sebagai fondasinya. Dengan melakukan itu, mereka mengembangkan satu set molekul yang disebut “redokser”, yang merupakan polimer organik yang menawarkan ketersediaan tegangan sel yang meningkat bila digunakan dalam pelarut organik.

“Hal yang luar biasa tentang peredoks adalah jumlahnya sangat banyak dan sangat serbaguna,” kata Trahey. “Ada ribuan molekul organik berbeda yang dapat dikonfigurasi dalam ribuan cara berbeda. Saat kami menjelajahi ruang yang luas ini, kami mempelajari konfigurasi mana yang memungkinkan kinerja yang ditargetkan yang kami inginkan, seperti tegangan tinggi, pengisian cepat, keamanan tinggi, atau biaya rendah . ” Pembelajaran mesin, tempat komputer mempelajari fitur atom dan molekuler yang menghasilkan kinerja baterai tinggi, secara dramatis mempercepat penemuan materi baru dan lebih baik.

Seperti halnya jaringan listrik, baterai untuk transportasi harus melayani berbagai aplikasi. Ilmuwan JCESR telah mengerjakan baterai litium-oksigen, litium-sulfur, dan “ion multivalen”. Tidak seperti ion litium, yang memiliki muatan +1, ion multivalen memiliki muatan +2 atau +3, memungkinkan ion tersebut melakukan lebih banyak pekerjaan elektrokimia setiap perjalanan melalui baterai. Baterai ini semuanya menjanjikan kepadatan energi yang jauh lebih tinggi dengan biaya lebih rendah daripada lithium-ion, asalkan kombinasi bahan yang tepat dapat ditemukan.

Pelajaran utama dari tahun-tahun awal JCESR adalah tantangan menemukan bahan yang tepat. Meskipun ada banyak kandidat, ada juga banyak persyaratan kinerja dan banyak reaksi samping yang tidak diinginkan yang seringkali menghalangi kandidat yang menjanjikan untuk mendapatkan nilai.

Dalam beberapa tahun terakhir, filosofi pengoperasian JCESR telah berubah. Alih-alih mencoba menemukan kimia baterai yang secara khusus disesuaikan dengan kebutuhan teknologi tertentu, para peneliti JCESR telah memperdagangkan proses “top-down” untuk pendekatan “bottom-up” di mana mereka berfokus pada penyelidikan mendasar dari berbagai proses kimia pada tingkat atom dan molekuler. .

“Idenya adalah untuk memahami material dan fenomena penyimpanan energi dengan baik sehingga kami dapat merancang berbagai baterai untuk berbagai aplikasi,” kata Crabtree. “Pengetahuan luas tentang penyimpanan energi pada tingkat atom dan molekul adalah fitur baru yang memungkinkan kami merancang baterai atom-demi-atom dan molekul-demi-molekul, dan memenuhi persyaratan kinerja baterai secara keseluruhan untuk aplikasi apa pun.”

“Dengan teknik mutakhir seperti sumber cahaya canggih dan pembelajaran mesin, kami dapat menjelajahi area kimia baterai yang tidak pernah kami antisipasi. Itu mengasyikkan,” tambah Trahey.


JCESR meletakkan dasar untuk baterai yang lebih aman dan tahan lama


Disediakan oleh Laboratorium Nasional Argonne

Kutipan: Pencarian berkelanjutan untuk menemukan baterai yang lebih baik (2020, 15 Desember) diambil pada 15 Desember 2020 dari https://techxplore.com/news/2020-12-quest-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 : Togel HK