Tampilan atom pada baterai yang kaya lithium
Energy

Tampilan atom pada baterai yang kaya lithium


Visualisasi katoda yang kaya litium. Kredit: Universitas Carnegie Mellon dan Universitas Northeastern

Baterai telah berkembang jauh sejak Volta pertama kali menumpuk cakram tembaga dan seng 200 tahun yang lalu. Sementara teknologi terus berkembang dari timbal-asam menjadi ion lithium, masih banyak tantangan yang dihadapi—seperti mencapai kepadatan yang lebih tinggi dan menekan pertumbuhan dendrit. Para ahli berlomba untuk mengatasi kebutuhan global yang meningkat akan baterai yang hemat energi dan aman.

Elektrifikasi kendaraan dan pesawat tugas berat membutuhkan baterai dengan kepadatan energi lebih banyak. Sebuah tim peneliti percaya bahwa perubahan paradigma diperlukan untuk membuat dampak yang signifikan dalam teknologi baterai untuk industri ini. Pergeseran ini akan memanfaatkan mekanisme reduksi-oksidasi anionik dalam katoda yang kaya litium. Temuan dipublikasikan di Alam menandai pertama kalinya pengamatan langsung reaksi redoks anionik ini telah diamati dalam bahan baterai yang kaya lithium.

Institusi yang berkolaborasi termasuk Carnegie Mellon University, Northeastern University, Lappeenranta-Lahti University of Technology (LUT) di Finlandia, dan institusi di Jepang termasuk Gunma University, Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), Yokohama National University, Kyoto University, dan Ritsumeikan University.

Oksida kaya litium adalah kelas bahan katoda yang menjanjikan karena telah terbukti memiliki kapasitas penyimpanan yang jauh lebih tinggi. Tetapi ada “masalah DAN” yang harus dipenuhi oleh bahan baterai—bahan tersebut harus mampu mengisi daya dengan cepat, stabil terhadap suhu ekstrem, dan siklus yang andal selama ribuan siklus. Para ilmuwan membutuhkan pemahaman yang jelas tentang bagaimana oksida ini bekerja pada tingkat atom, dan bagaimana mekanisme elektrokimia yang mendasarinya berperan, untuk mengatasi hal ini.

Baterai Li ion normal bekerja dengan redoks kationik, ketika ion logam mengubah keadaan oksidasinya saat litium dimasukkan atau dikeluarkan. Dalam kerangka penyisipan ini, hanya satu ion litium yang dapat disimpan per ion logam. Katoda yang kaya lithium, bagaimanapun, dapat menyimpan lebih banyak. Para peneliti mengaitkan ini dengan mekanisme redoks anionik—dalam hal ini, redoks oksigen. Ini adalah mekanisme yang dikreditkan dengan kapasitas bahan yang tinggi, hampir menggandakan penyimpanan energi dibandingkan dengan katoda konvensional. Meskipun mekanisme redoks ini telah muncul sebagai pesaing utama di antara teknologi baterai, ini merupakan penyimpangan radikal dari kumpulan bahan kimia.

Tim berangkat untuk memberikan bukti konklusif untuk mekanisme redoks menggunakan hamburan Compton, fenomena di mana foton menyimpang dari lintasan lurus setelah berinteraksi dengan partikel (biasanya elektron). Para peneliti melakukan studi teoretis dan eksperimental yang canggih di SPring-8, fasilitas radiasi sinkrotron generasi ketiga terbesar di dunia yang dioperasikan oleh JASRI.

Radiasi sinkrotron terdiri dari berkas radiasi elektromagnetik yang sempit dan kuat yang dihasilkan ketika berkas elektron dipercepat hingga mendekati kecepatan cahaya dan dipaksa untuk melakukan perjalanan dalam jalur melengkung oleh medan magnet, keadaan di mana hamburan Compton menjadi terlihat.

Para peneliti mengamati bagaimana orbital elektronik yang terletak di jantung aktivitas redoks anionik yang reversibel dan stabil dapat dicitrakan dan divisualisasikan, serta karakter dan simetrinya ditentukan. Ilmiah pertama ini bisa mengubah permainan untuk teknologi baterai masa depan.

Sementara penelitian sebelumnya telah mengusulkan penjelasan alternatif dari mekanisme redoks anionik, itu tidak dapat memberikan gambaran yang jelas tentang orbital elektronik mekanika kuantum yang terkait dengan reaksi redoks karena ini tidak dapat diukur dengan eksperimen standar.

Tim peneliti memiliki momen “a-ha” ketika mereka pertama kali melihat kesepakatan dalam karakter redoks antara teori dan hasil eksperimen. “Kami menyadari bahwa analisis kami dapat menggambarkan keadaan oksigen yang bertanggung jawab atas mekanisme redoks, yang merupakan sesuatu yang secara fundamental penting untuk penelitian baterai,” jelas Hasnain Hafiz, penulis utama studi yang melakukan penelitian ini selama waktunya sebagai penelitian pascadoktoral. rekanan di Carnegie Mellon.

“Kami memiliki bukti konklusif untuk mendukung mekanisme redoks anionik dalam bahan baterai yang kaya lithium,” kata Venkat Viswanathan, profesor teknik mesin di Carnegie Mellon. “Studi kami memberikan gambaran yang jelas tentang cara kerja baterai kaya lithium pada skala atom dan menyarankan jalur untuk merancang katoda generasi berikutnya untuk memungkinkan penerbangan listrik. Desain untuk katoda kepadatan energi tinggi mewakili perbatasan berikutnya untuk baterai. ”


Baterai aliran redoks hibrida dengan masa pakai yang lama


Informasi lebih lanjut:
Rekonstruksi tomografi orbital oksigen non-ikatan dalam bahan baterai kaya Li, Alam, DOI: 10.1038 / s41586-021-03509-z

Disediakan oleh Teknik Mesin Universitas Carnegie Mellon

Kutipan: Tampilan atom pada baterai kaya lithium (2021, 9 Juni) diambil 9 Juni 2021 dari https://techxplore.com/news/2021-06-atomic-lithium-rich-batteries.html

Dokumen ini tunduk pada hak cipta. Terlepas dari transaksi wajar apa pun 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