Peningkatan teknologi baterai lithium-ion telah dicapai dengan memasukkan banyak elemen ke dalam bahan katoda, meningkatkan kapasitas dan stabilitas energi, dan mengurangi dampak lingkungan, sehingga membuka jalan bagi komersialisasi di masa depan. Kredit: Grafik Sains. Co, Ltd.
Para peneliti telah secara signifikan meningkatkan kinerja katoda litium-besi-oksida yang digunakan dalam baterai litium-ion dengan mendopingnya dengan banyak unsur seperti aluminium dan silikon.
Siklus pengisian-pengisian ulang oksida besi super kaya litium, katoda yang hemat biaya dan berkapasitas tinggi untuk baterai litium-ion generasi baru, dapat ditingkatkan secara signifikan dengan doping dengan elemen mineral yang tersedia.
Kapasitas energi dan siklus pengisian ulang (siklusabilitas) litium-besi-oksida, bahan katoda hemat biaya untuk baterai litium-ion yang dapat diisi ulang, ditingkatkan dengan menambahkan sejumlah kecil elemen yang melimpah. Perkembangan yang dicapai oleh para peneliti di Universitas Hokkaido, Universitas Tohoku, dan Institut Teknologi Nagoya, dilaporkan dalam jurnal Surat Materi ACS.
Baterai litium-ion sudah sangat diperlukan dalam kehidupan modern, digunakan dalam banyak aplikasi termasuk telepon seluler, kendaraan listrik, dan sistem penyimpanan daya besar. Upaya penelitian terus-menerus sedang dilakukan untuk meningkatkan kapasitas, efisiensi, dan keberlanjutannya. Tantangan terbesarnya adalah mengurangi ketergantungan pada sumber daya yang langka dan mahal. Salah satu pendekatannya adalah dengan menggunakan bahan yang lebih efisien dan berkelanjutan untuk katoda baterai, tempat terjadinya proses pertukaran elektron utama.
Perkembangan dan Tantangan Penelitian
Para peneliti berupaya meningkatkan kinerja katoda berdasarkan senyawa litium-besi-oksida tertentu. Pada tahun 2023, mereka melaporkan a bahan katoda yang menjanjikan, Li5FeO4yang menunjukkan kapasitas tinggi menggunakan reaksi redoks besi dan oksigen. Namun, perkembangannya menemui masalah terkait dengan produksi oksigen selama siklus pengisian-pengisian ulang.
“Kami sekarang telah menemukan bahwa kemampuan siklik dapat ditingkatkan secara signifikan dengan mendoping sejumlah kecil unsur-unsur yang banyak tersedia seperti aluminium, silikon, fosfor, dan belerang ke dalam struktur kristal katoda,” kata Associate Professor Hiroaki Kobayashi di Departemen Kimia, Fakultas Ilmu Pengetahuan Alam. Sains, Universitas Hokkaido.
Retensi kapasitas katoda litium-besi-oksida ditingkatkan dari 50% menjadi 90% bila diolah dengan unsur-unsur yang banyak tersedia seperti aluminium, silikon, fosfor, dan belerang. Kredit: Hiroaki Kobayashi
Aspek kimia penting dari peningkatan ini terbukti adalah pembentukan ikatan ‘kovalen’ yang kuat antara atom dopan dan oksigen di dalam struktur. Ikatan ini menyatukan atom ketika elektron dibagi antar atom, bukan interaksi ‘ionik’ antara ion bermuatan positif dan negatif.
“Ikatan kovalen antara atom dopan dan oksigen membuat pelepasan oksigen yang bermasalah menjadi kurang menguntungkan secara energetik, dan oleh karena itu kecil kemungkinannya untuk terjadi,” kata Kobayashi.
Para peneliti menggunakan analisis serapan sinar-X dan perhitungan teoretis untuk mengeksplorasi rincian halus perubahan struktur bahan katoda yang disebabkan oleh masuknya unsur dopan yang berbeda. Hal ini memungkinkan mereka untuk mengajukan penjelasan teoretis atas perbaikan yang mereka amati. Mereka juga menggunakan analisis elektrokimia untuk mengukur peningkatan kapasitas energi katoda, stabilitas, dan siklus antara fase pengisian dan pengosongan, yang menunjukkan peningkatan retensi kapasitas dari 50% menjadi 90%.
“Kami akan terus mengembangkan wawasan baru ini, dengan harapan dapat memberikan kontribusi yang signifikan terhadap kemajuan teknologi baterai yang akan sangat penting jika tenaga listrik ingin menggantikan penggunaan bahan bakar fosil secara luas, seperti yang disyaratkan oleh upaya global untuk memerangi perubahan iklim,” Kobayashi menyimpulkan. .
Tahap penelitian berikutnya akan mencakup eksplorasi tantangan dan kemungkinan dalam meningkatkan metode menjadi teknologi yang siap untuk dikomersialkan.
Referensi: “Menuju Katoda Baterai Lithium-Ion Berenergi Tinggi yang Hemat Biaya: Pembentukan Ikatan Kovalen Memberdayakan Redoks Oksigen Keadaan Padat dalam Oksida Besi Kaya Litium Tipe Antifluorit” oleh Hiroaki Kobayashi, Yuki Nakamura, Yumika Yokoyama, Itaru Honma dan Masanobu Nakayama , 22 April 2024, Surat Materi ACS.
DOI: 10.1021/acsmaterialslett.4c00268
