Terobosan Berlawanan Intuisi dalam Kimia Baterai
Selama bertahun-tahun, pembuat baterai telah memperlakukan air sebagai musuh. Proses manufaktur baterai yang dapat diisi ulang biasanya melibatkan pengeringan hati-hati material elektroda pada suhu tinggi untuk menghilangkan jejak kelembaban apa pun. Sekarang, peneliti dari Universitas Surrey telah membalikkan asumsi tersebut dengan penemuan yang dapat mengubah ekonomi penyimpanan energi skala grid.
Tim menemukan bahwa mempertahankan molekul air di dalam material katoda baterai natrium-ion hampir menggandakan kapasitas penyimpanan energinya dibandingkan dengan versi dehidrasi dari material yang sama. Temuan, yang diterbitkan dalam Journal of Materials Chemistry A, menunjukkan bahwa pendekatan standar industri untuk manufaktur baterai mungkin telah meninggalkan keuntungan kinerja yang signifikan di meja.
"Material menunjukkan kinerja dan stabilitas yang jauh lebih kuat dari yang diharapkan," kata peneliti utama Daniel Commandeur dari Universitas Surrey. Penemuan ini membuka jalur yang menjanjikan untuk baterai natrium-ion, yang telah lama berjuang untuk menyamai kepadatan energi dari rekan ionnya yang litium meskipun menawarkan keuntungan yang menarik dalam hal biaya dan keberlanjutan.
Bagaimana Air Meningkatkan Kinerja Natrium-Ion
Mekanisme di balik peningkatan ini sangat sederhana. Katoda dalam studi dibuat dari hidrat vanadat nanobermuktur, atau NVOH. Ketika molekul air tetap tertanam dalam struktur kristal material, mereka menyebabkan lapisan dalam katoda mengembang sedikit. Jarak yang diperluas ini menciptakan ruang tambahan untuk ion natrium bergerak masuk dan keluar selama siklus pengisian dan pengosongan.
Pikirkan seperti memperlebar lorong di gudang. Dengan lebih banyak ruang untuk bergerak, ion natrium dapat mengalir lebih bebas dan dalam jumlah lebih besar, memungkinkan katoda menerima dan melepaskan lebih banyak muatan per siklus. Molekul air pada dasarnya bertindak sebagai pilar struktural, membuka arsitektur berlapis dari katoda dan mencegahnya runtuh selama siklus berulang.
Baterai uji yang dibangun dengan material katoda terhidrasi mempertahankan stabilitas selama lebih dari 400 siklus pengisian, menunjukkan bahwa air tidak merusak atau melumpuhkan elektroda seiring waktu. Material NVOH sekarang dianggap sebagai salah satu material katoda berkinerja terbaik untuk baterai natrium-ion, kelas teknologi yang semakin banyak dilihat oleh peneliti dan industri sebagai pelengkap litium-ion untuk aplikasi penyimpanan stasioner.
Mengapa Baterai Natrium-Ion Penting
Baterai litium-ion mendominasi pasar baterai yang dapat diisi ulang karena alasan yang baik. Mereka mengemas energi yang luar biasa ke dalam paket yang kecil dan ringan, menjadikannya ideal untuk ponsel pintar, laptop, dan kendaraan listrik. Tetapi litium membawa beban. Unsur ini terkonsentrasi di segelintir negara, penambangan memerlukan jumlah air yang sangat besar, dan komplikasi geopolitik dari rantai pasokan litium telah menjadi kekhawatiran yang berkembang bagi pemerintah dan pabrikan.
Natrium, sebaliknya, adalah salah satu elemen paling berlimpah di Bumi. Ini dapat diekstraksi dari air laut dengan sebagian kecil dari biaya penambangan litium, dan baterai natrium-ion umumnya lebih aman untuk dioperasikan, dengan risiko lebih rendah dari thermal runaway dan kebakaran. Keuntungan ini membuat teknologi natrium-ion sangat menarik untuk penyimpanan energi skala besar di grid, di mana biaya, keselamatan, dan ketahanan rantai pasokan lebih penting daripada berat dan ukuran.
Tangkapan selalu menjadi kepadatan energi. Baterai natrium-ion menyimpan energi yang jauh lebih sedikit per unit berat atau volume dibandingkan dengan sel litium-ion, membatasi aplikasi praktisnya. Penemuan tim Surrey, dengan hampir menggandakan kapasitas katoda, mengambil langkah bermakna menuju menutup kesenjangan itu.
Penemuan Bonus: Potensi Desalinasi
Dalam putaran yang tak terduga, peneliti juga menemukan bahwa material katoda terhidrasi mereka berfungsi secara efektif sebagai elektroda desalinasi. Ketika digunakan dalam pengaturan desalinasi elektrokimia, material NVOH dapat menghilangkan garam dari air sambil secara bersamaan menyimpan energi. Kemampuan ganda ini menimbulkan kemungkinan menggugah bahwa sistem baterai dapat diintegrasikan dengan pabrik desalinasi di komunitas pesisir, menghasilkan energi tersimpan dan air tawar dari air laut.
Meskipun aplikasi seperti itu tetap spekulatif, penemuan ini mengisyaratkan potensi yang lebih luas untuk material di luar penggunaan baterai konvensional. Di daerah di mana air bersih dan penyimpanan energi yang andal adalah kebutuhan mendesak, teknologi yang mengatasi kedua tantangan secara bersamaan dapat terbukti transformatif.
Jalan menuju Komersialkan
Implikasi langsung dari penemuan ini paling signifikan bagi industri baterai natrium-ion yang berkembang. Perusahaan di Cina, termasuk CATL dan HiNa Battery, telah memulai produksi komersial sel natrium-ion untuk kendaraan listrik dan penyimpanan grid. Jika pendekatan katoda terhidrasi dapat diperkuat dan diintegrasikan ke dalam proses manufaktur yang ada, hal ini dapat secara substansial meningkatkan daya saing teknologi natrium-ion terhadap alternatif litium-ion.
Kesederhanaan pendekatan ini sangat menggugah. Daripada memerlukan material baru yang eksotis atau teknik manufaktur yang rumit, peningkatan datang dari melakukan lebih sedikit, khususnya dari melewati langkah pengeringan yang hemat energi yang merupakan praktik standar dalam produksi katoda. Ini dapat diterjemahkan menjadi kinerja yang lebih baik dan biaya manufaktur yang lebih rendah, kombinasi langka dalam penelitian baterai.
Saat dunia berlomba untuk membangun infrastruktur penyimpanan energi yang diperlukan untuk mendukung grid energi terbarukan, teknologi baterai yang terjangkau dan dapat diskalakan akan menjadi penting. Karya tim Surrey menunjukkan bahwa jawaban untuk baterai yang lebih baik mungkin telah disembunyikan di depan kami sepanjang waktu, di dalam air yang telah hati-hati dihilangkan para pabrikan.
Artikel ini didasarkan pada pelaporan dari New Atlas. Baca artikel asli.
