Sebuah studi baru dari Universitas Tokyo menawarkan formula sederhana namun efektif untuk memprediksi stabilitas material interkalasi, kunci bagi elektronik dan baterai generasi berikutnya. Terobosan ini dapat mengurangi waktu dan biaya penelitian dan pengembangan secara signifikan, serta mempercepat hadirnya teknologi inovatif di pasar.
Kinerja berbagai teknologi mutakhir, mulai dari baterai litium-ion hingga gelombang superkonduktor berikutnya, bergantung pada karakteristik fisik yang disebut interkalasi. Memprediksi material interkalasi mana yang akan stabil menimbulkan tantangan yang signifikan, yang mengarah pada eksperimen coba-coba yang ekstensif dalam pengembangan produk baru.
Sekarang, dalam sebuah penelitian yang baru-baru ini diterbitkan di Kimia Fisika ACS Aupara peneliti dari Institut Ilmu Industri, Universitas Tokyo, dan mitra kerja sama telah merancang persamaan sederhana yang secara tepat memprediksi stabilitas material yang diselingi. Pedoman desain sistematis yang dimungkinkan oleh pekerjaan ini akan mempercepat pengembangan perangkat elektronik dan penyimpan energi berkinerja tinggi yang akan datang.
Memahami Penelitian dan Konteksnya
Untuk mengapresiasi prestasi tim peneliti, kita perlu memahami konteks penelitian ini. Interkalasi adalah penyisipan tamu (atom atau molekul) yang dapat dibalik ke dalam inang (misalnya, material berlapis 2D). Tujuan interkalasi biasanya untuk memodifikasi properti atau struktur host untuk meningkatkan kinerja perangkat, seperti yang terlihat pada, misalnya, baterai lithium-ion komersial. Meskipun banyak metode sintetik yang tersedia untuk menyiapkan bahan selingan, para peneliti tidak memiliki cara yang dapat diandalkan untuk memprediksi kombinasi host-guest mana yang stabil. Oleh karena itu, diperlukan banyak pekerjaan laboratorium untuk merancang bahan selingan baru untuk memberikan fungsionalitas perangkat generasi berikutnya. Meminimalkan pekerjaan laboratorium dengan mengusulkan alat prediksi langsung untuk stabilitas tuan rumah-tamu adalah tujuan dari penelitian tim peneliti.
Para peneliti dari Institute of Industrial Science, The University of Tokyo dan mitra kolaborasinya telah membuat pedoman untuk desain material interkalasi, yang akan mempercepat penelitian mengenai penyimpanan energi, elektronik, dan banyak lagi. Kredit: Institut Ilmu Industri, Universitas Tokyo
“Kami adalah pihak pertama yang mengembangkan alat prediksi akurat untuk energi interkalasi tuan rumah-tamu, dan stabilitas senyawa selingan,” jelas Naoto Kawaguchi, penulis utama studi tersebut. “Analisis kami, berdasarkan database 9.000 senyawa, menggunakan prinsip langsung dari sarjana kimia tahun pertama.”
Sorotan khusus dari penelitian ini adalah bahwa hanya dua properti tamu dan delapan deskriptor turunan host yang diperlukan untuk perhitungan energi dan stabilitas para peneliti. Dengan kata lain, ‘tebakan terbaik’ awal tidak diperlukan; hanya fisika yang mendasari sistem host-guest. Selanjutnya, para peneliti memvalidasi model mereka terhadap hampir 200 set koefisien regresi.
“Kami gembira karena formulasi model regresi kami sederhana dan masuk akal secara fisik,” kata Teruyasu Mizoguchi, penulis senior. “Model komputasi lain dalam literatur tidak memiliki dasar fisik atau validasi terhadap senyawa selingan yang tidak diketahui.”
Pekerjaan ini merupakan langkah maju yang penting dalam meminimalkan pekerjaan laboratorium yang melelahkan yang biasanya diperlukan untuk menyiapkan bahan selingan. Mengingat banyak perangkat penyimpanan energi dan elektronik saat ini dan yang akan datang bergantung pada bahan tersebut, waktu dan biaya yang diperlukan untuk penelitian dan pengembangan terkait akan diminimalkan. Akibatnya, produk dengan fungsionalitas tingkat lanjut akan mencapai pasar lebih cepat dibandingkan sebelumnya.
Referensi: “Mengungkap Stabilitas Senyawa Interkalasi Berlapis melalui Perhitungan Prinsip Pertama: Membangun Hubungan Energi Bebas Linier dengan Ion Berair” oleh Naoto Kawaguchi, Kiyou Shibata dan Teruyasu Mizoguchi, 7 Maret 2024, Kimia Fisika ACS Au.
DOI: 10.1021/acsphyschemau.3c00063
