Baterai lithium-sulfur 1.000 siklus dapat melipatgandakan rentang kendaraan listrik
Tech

Baterai lithium-sulfur 1.000 siklus dapat melipatgandakan rentang kendaraan listrik

Membran baterai baru yang diilhami secara biologis telah memungkinkan baterai dengan kapasitas lima kali lipat dari desain ion lithium standar industri untuk bekerja selama ribuan siklus lebih yang diperlukan untuk memberi daya pada mobil listrik.

Jaringan nanofiber aramid, yang didaur ulang dari Kevlar, dapat mengaktifkan baterai lithium-sulfur untuk mengatasi kelemahan siklus hidup mereka—berapa kali baterai dapat diisi dan dikosongkan—telah ditunjukkan oleh tim Universitas Michigan.

“Ada sejumlah laporan yang mengklaim beberapa ratus siklus untuk baterai lithium-sulfur, tetapi hal itu dicapai dengan mengorbankan parameter lain—kapasitas, kecepatan pengisian, ketahanan, dan keamanan. Tantangan saat ini adalah membuat baterai yang meningkatkan kecepatan siklus dari 10 siklus sebelumnya menjadi ratusan siklus dan memenuhi beberapa persyaratan lainnya termasuk biaya,” kata Nicholas Kotov, Profesor Ilmu dan Teknik Kimia Universitas Terhormat Irving Langmuir, yang memimpin riset.

Litium-sulfur: Diagram baterai menunjukkan bagaimana ion litium dapat kembali ke elektroda litium sedangkan polisulfida litium tidak dapat melewati membran yang memisahkan elektroda.

Litium-sulfur: Diagram baterai menunjukkan bagaimana ion litium dapat kembali ke elektroda litium sedangkan polisulfida litium tidak dapat melewati membran yang memisahkan elektroda. Selain itu, dendrit runcing yang tumbuh dari elektroda lithium tidak dapat memperpendek baterai dengan menembus membran dan mencapai elektroda belerang. Kredit gambar: Ahmet Emre, Kotov Lab

“Rekayasa biomimetik baterai ini mengintegrasikan dua skala—molekul dan skala nano. Untuk pertama kalinya, kami mengintegrasikan selektivitas ionik dari membran sel dan ketangguhan tulang rawan. Pendekatan sistem terintegrasi kami memungkinkan kami untuk mengatasi tantangan menyeluruh dari baterai lithium-sulfur.”

Sebelumnya, timnya mengandalkan jaringan serat nano aramid yang diresapi dengan gel elektrolit untuk menghentikan salah satu penyebab utama siklus hidup pendek: dendrit yang tumbuh dari satu elektroda ke elektroda lainnya, menembus membran. Ketangguhan serat aramid menghentikan dendrit.

Tetapi baterai lithium sulfur memiliki masalah lain: molekul kecil lithium dan sulfur terbentuk dan mengalir ke lithium, menempel dan mengurangi kapasitas baterai. Membran diperlukan untuk memungkinkan ion litium mengalir dari litium ke belerang dan kembali—dan untuk memblokir partikel litium dan belerang, yang dikenal sebagai litium polisulfida. Kemampuan ini disebut selektivitas ion.

“Terinspirasi oleh saluran ion biologis, kami merekayasa jalan raya untuk ion lithium di mana polisulfida lithium tidak dapat melewati tol,” kata Ahmet Emre, seorang peneliti postdoctoral di bidang teknik kimia dan salah satu penulis makalah di Nature Communications.

Pada awal percobaan, polisulfida lithium hanya berada di sisi kiri sel baterai, baik untuk membran Celgard industri (kiri) dan membran nanofiber aramid UM (kanan). Kredit gambar: Ahmet Emre, Kotov Lab

Ion litium dan litium polisulfida memiliki ukuran yang sama, sehingga tidak cukup untuk memblokir litium polisulfida dengan membuat saluran kecil. Meniru pori-pori di membran biologis, para peneliti UM menambahkan muatan listrik ke pori-pori di membran baterai.

Mereka melakukan ini dengan memanfaatkan polisulfida lithium sendiri: Mereka menempel pada serat nano aramid, dan muatan negatifnya menolak ion lithium polisulfida yang terus terbentuk di elektroda belerang. Ion lithium bermuatan positif, bagaimanapun, bisa lewat dengan bebas.

Hanya setengah jam, membran Celgard (kiri) membocorkan lithium polisulfida. Namun, membran UM (kanan) sepenuhnya memblokir polisulfida lithium 96 jam kemudian. Kredit gambar: Ahmet Emre, Kotov Lab

“Mencapai tingkat rekor untuk beberapa parameter untuk beberapa sifat material adalah apa yang dibutuhkan sekarang untuk baterai mobil,” kata Kotov. “Ini sedikit mirip dengan senam untuk Olimpiade — Anda harus sempurna di sekitar termasuk keberlanjutan produksinya.”

Sebagai baterai, Kotov mengatakan bahwa desainnya “hampir sempurna”, dengan kapasitas dan efisiensinya mendekati batas teoretis. Itu juga dapat menangani suhu ekstrem kehidupan otomotif, dari panasnya pengisian di bawah sinar matahari penuh hingga dinginnya musim dingin. Namun, siklus hidup dunia nyata mungkin lebih pendek dengan pengisian cepat, lebih seperti 1.000 siklus, katanya. Ini dianggap sebagai umur sepuluh tahun.

Seiring dengan kapasitas yang lebih tinggi, baterai lithium-sulfur memiliki keunggulan keberlanjutan dibandingkan baterai lithium-ion lainnya. Sulfur jauh lebih berlimpah daripada kobalt elektroda lithium-ion. Selain itu, serat aramid pada membran baterai dapat didaur ulang dari rompi antipeluru lama.

Penelitian ini didanai oleh National Science Foundation dan Departemen Pertahanan. Tim mempelajari membran di Pusat Karakterisasi Bahan Michigan. Universitas Michigan telah mematenkan membran dan Kotov sedang mengembangkan perusahaan untuk membawanya ke pasar.

Kotov juga merupakan Profesor Teknik Joseph B. dan Florence V. Cejka dan profesor teknik kimia, ilmu dan teknik material, serta sains dan teknik makromolekul.

Sumber: Universitas Michigan



Posted By : pengeluaran hk hari ini