Struktur anoda silikon menghasilkan potensi baru untuk baterai lithium-ion
Engineering

Struktur anoda silikon menghasilkan potensi baru untuk baterai lithium-ion


Di ruang 1, nanopartikel, terbuat dari logam tantalum, ditanam. Di dalam ruangan ini, atom tantalum individu berkumpul bersama, mirip dengan pembentukan tetesan hujan. Di ruang 2, nanopartikel disaring secara massal, membuang yang terlalu besar atau terlalu kecil. Di ruang 3, lapisan nanopartikel diendapkan. Lapisan ini kemudian “disemprot” dengan atom silikon yang terisolasi, membentuk lapisan silikon. Proses ini kemudian dapat diulangi untuk membuat struktur berlapis-lapis. Kredit: Pavel Puchenkov, Bagian Komputasi Ilmiah & Analisis Data OIST.

Penelitian baru yang dilakukan oleh Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) telah mengidentifikasi blok bangunan khusus yang meningkatkan anoda dalam baterai lithium-ion. Sifat unik dari struktur tersebut, yang dibangun menggunakan teknologi partikel nano, terungkap dan dijelaskan hari ini di Materi Komunikasi.

Baterai lithium-ion yang kuat, portabel, dan dapat diisi ulang merupakan komponen penting dari teknologi modern, yang dapat ditemukan di smartphone, laptop, dan kendaraan listrik. Pada tahun 2019, potensi mereka untuk merevolusi cara kita menyimpan dan mengonsumsi daya di masa depan, saat kita menjauh dari bahan bakar fosil, sangat diakui, dengan Hadiah Nobel diberikan bersama kepada anggota Dewan Gubernur OIST yang baru, Dr. Akira Yoshino, untuk karyanya mengembangkan baterai lithium-ion.

Secara tradisional, grafit digunakan untuk anoda baterai lithium-ion, tetapi bahan karbon ini memiliki keterbatasan utama.

“Saat baterai sedang diisi, ion litium dipaksa untuk berpindah dari satu sisi baterai — katoda — melalui larutan elektrolit ke sisi lain baterai — anoda. Kemudian, saat baterai sedang digunakan, litium ion bergerak kembali ke katoda dan arus listrik dilepaskan dari baterai, “jelas Dr. Marta Haro, mantan peneliti di OIST dan penulis pertama studi tersebut. “Tapi dalam anoda grafit, enam atom karbon dibutuhkan untuk menyimpan satu ion litium, jadi kepadatan energi baterai ini rendah.”

Dengan sains dan industri yang sedang menjajaki penggunaan baterai lithium-ion untuk menggerakkan kendaraan listrik dan pesawat ruang angkasa, meningkatkan kepadatan energi sangat penting. Para peneliti kini mencari material baru yang dapat meningkatkan jumlah ion litium yang tersimpan di anoda.

Salah satu kandidat yang paling menjanjikan adalah silikon, yang dapat mengikat empat ion litium untuk setiap satu atom silikon.

“Anoda silikon dapat menyimpan muatan sepuluh kali lebih banyak dalam volume tertentu daripada anoda grafit — seluruh urutan besarnya lebih tinggi dalam hal kepadatan energi,” kata Dr. Haro. Masalahnya adalah, saat ion litium bergerak ke anoda, perubahan volumenya sangat besar, hingga sekitar 400%, yang menyebabkan elektroda patah dan pecah.

Perubahan volume yang besar juga mencegah pembentukan lapisan pelindung yang stabil yang terletak di antara elektrolit dan anoda. Oleh karena itu, setiap kali baterai diisi, lapisan ini harus terus menerus terbentuk kembali, menggunakan pasokan ion litium yang terbatas dan mengurangi masa pakai dan daya isi ulang baterai.

“Tujuan kami adalah untuk mencoba dan menciptakan anoda yang lebih kuat yang mampu menahan tekanan ini, yang dapat menyerap lithium sebanyak mungkin dan memastikan siklus pengisian sebanyak mungkin sebelum memburuk,” kata Dr. Grammatikopoulos, penulis senior makalah tersebut. “Dan pendekatan yang kami ambil adalah membangun struktur menggunakan nanopartikel.”

Struktur anoda silikon menghasilkan potensi baru untuk baterai lithium-ion

Pada tahap pertama, film silikon ada sebagai struktur kolom yang kaku tetapi goyah. Pada tahap kedua, kolom bersentuhan di bagian atas, membentuk struktur berkubah, yang kuat karena aksi lengkungan. Pada tahap ketiga, deposisi lebih lanjut dari atom silikon menghasilkan struktur seperti spons. Garis putus-putus merah menunjukkan bagaimana silikon berubah bentuk saat gaya diterapkan. Kredit: Dr. Panagiotis Grammatikopoulos, Nanopartikel OIST oleh Unit Desain dan Laboratorium Teknologi Partikel, ETH Zürich

Dalam makalah sebelumnya, yang diterbitkan pada tahun 2017 di Ilmu Lanjutan, Nanopartikel OIST yang sekarang dibubarkan oleh Unit Desain mengembangkan struktur berlapis seperti kue, di mana setiap lapisan silikon diapit di antara nanopartikel logam tantalum. Ini meningkatkan integritas struktural anoda silikon, mencegah pembengkakan berlebihan.

Saat bereksperimen dengan ketebalan yang berbeda dari lapisan silikon untuk melihat bagaimana hal itu mempengaruhi sifat elastis material, para peneliti menemukan sesuatu yang aneh.

“Ada titik pada ketebalan tertentu dari lapisan silikon di mana sifat elastis dari struktur benar-benar berubah,” kata Theo Bouloumis, Ph.D. siswa di OIST yang melakukan percobaan ini. “Material menjadi kaku secara bertahap, tetapi kemudian dengan cepat berkurang kekakuannya ketika ketebalan lapisan silikon ditingkatkan lebih lanjut. Kami memiliki beberapa ide, tetapi pada saat itu, kami tidak mengetahui alasan mendasar di balik mengapa perubahan ini terjadi.”

Makalah baru akhirnya memberikan penjelasan untuk lonjakan tiba-tiba dalam kekakuan pada satu ketebalan kritis. Melalui teknik mikroskop dan simulasi komputer pada tingkat atom, para peneliti menunjukkan bahwa ketika atom silikon diendapkan ke lapisan partikel nano, mereka tidak membentuk film yang rata dan seragam. Sebaliknya, mereka membentuk kolom dalam bentuk kerucut terbalik, tumbuh semakin lebar karena semakin banyak atom silikon yang diendapkan. Akhirnya, kolom silikon individu saling menyentuh, membentuk struktur berkubah.

“Struktur kubahnya kuat, sama seperti lengkungan yang kuat dalam teknik sipil,” kata Dr. Grammatikopoulos. “Konsep yang sama berlaku, hanya pada skala nano.”

Yang penting, peningkatan kekuatan struktur juga bertepatan dengan peningkatan kinerja baterai. Ketika para ilmuwan melakukan tes elektrokimia, mereka menemukan bahwa baterai lithium-ion memiliki kapasitas pengisian yang lebih besar. Lapisan pelindungnya juga lebih stabil, yang berarti baterai dapat menahan lebih banyak siklus pengisian daya.

Peningkatan ini hanya terlihat pada saat kolom bersentuhan. Sebelum momen ini terjadi, masing-masing pilar goyah sehingga tidak dapat memberikan integritas struktural ke anoda. Dan jika pengendapan silikon berlanjut setelah kolom bersentuhan, itu menciptakan film berpori dengan banyak rongga, menghasilkan perilaku seperti spons yang lemah.

Pengungkapan struktur berkubah ini dan bagaimana ia memperoleh sifat uniknya tidak hanya bertindak sebagai langkah maju yang penting menuju komersialisasi anoda silikon dalam baterai lithium-ion, tetapi juga memiliki banyak aplikasi potensial lainnya dalam ilmu material.

“Struktur kubah bisa digunakan bila dibutuhkan bahan yang kuat dan mampu menahan berbagai tekanan, seperti untuk bio-implan atau untuk menyimpan hidrogen,” kata Dr. Grammatikopoulos. “Jenis material yang Anda butuhkan — lebih kuat atau lebih lembut, lebih fleksibel atau kurang fleksibel — dapat dibuat dengan tepat, hanya dengan mengubah ketebalan lapisan. Itulah keindahan struktur nano.”


Bagaimana korsleting pada baterai logam litium dapat dicegah


Informasi lebih lanjut:
Marta Haro dkk. Arsitektur kubah nano mengurangi tekanan pada anoda berbasis silikon untuk baterai lithium-ion, Materi Komunikasi (2021). DOI: 10.1038 / s43246-021-00119-0

Disediakan oleh Institut Sains dan Teknologi Okinawa

Kutipan: Struktur anoda silikon menghasilkan potensi baru untuk baterai lithium-ion (2021, 5 Februari) diambil 5 Februari 2021 dari https://techxplore.com/news/2021-02-silicon-anode-potential-lithium-ion-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 : Togel HKG