Energi
Lithium-CO₂ Baterai Pemecahan Captures Karbon Sambil Menghidupkan Perangkat
Insinyur Universitas Surrey telah memperkenalkan baterai Lithium-CO2 yang menghilangkan karbon dioksida dari udara sebagai bagian dari operasi normalnya. Desain baterai yang ditingkatkan ini memiliki potensi untuk mengungguli pendahulunya sambil membantu melawan polusi dan perubahan iklim. Berikut adalah apa yang perlu Anda ketahui.
Mengapa Baterai Lithium-Ion Tidak Mencukupi dalam Energi Hijau
Masa depan adalah nirkabel, dan produsen memahami bahwa ada permintaan untuk solusi baterai yang bersih. Baterai yang paling umum digunakan saat ini adalah baterai lithium-ion. Baterai ini dapat ditemukan di perangkat sehari-hari, seperti ponsel, kendaraan listrik, dan jam tangan pintar. Baterai lithium-ion menawarkan kepadatan yang layak, siklus pengisian, dan terjangkau. Namun, mereka tidak berkelanjutan dan tetap menjadi polutan utama di tempat pembuangan limbah global.
Tantangan Utama Baterai Lithium-Ion: Keamanan, Biaya, dan Limbah
Ada beberapa masalah dengan baterai lithium-ion yang telah membatasi efektivitas dan efisiensinya. Pertama, mereka memerlukan penggunaan bahan langka dan mahal. Sumber daya seperti platinum sulit ditemukan dan meningkatkan biaya proses manufaktur secara signifikan. Selain itu, permintaan akan mineral langka telah menjadi kekhawatiran keamanan bagi negara-negara yang sekarang mencari untuk memastikan mereka memiliki pasokan yang dalam dari barang-barang penting ini.
Baterai lithium-ion juga menderita siklus hidup yang buruk. Desain baterai ini mengalami beberapa kerugian untuk setiap siklus pengisian. Sebagai hasilnya, baterai lithium-ion mengurangi kinerja dengan setiap siklus. Selain itu, mereka sangat mahal untuk dibuang dan dapat menjadi bahaya keamanan jika tidak diisi dengan benar atau jika terjadi kebocoran termal.
Kebocoran termal merujuk pada sel baterai lithium-ion yang terlalu panas, menyebabkan sel di sekitarnya melakukan hal yang sama. Hasilnya adalah kerusakan besar yang dapat menyebabkan kebakaran atau bahkan ledakan. Kerusakan yang dilakukan selama kejadian ini telah didokumentasikan dengan baik. Pencarian sederhana akan menyoroti sejarah panjang kebakaran baterai lithium-ion di seluruh dunia.
Over Potensial
Masalah lain untuk pengguna baterai lithium-ion adalah overpotensial. Istilah ini merujuk pada jumlah energi yang digunakan untuk memulai reaksi kimia dan mengisi baterai. Sistem lithium-ion menderita overpotensial yang tinggi. Namun, semua itu akan berubah berkat beberapa ilmuwan yang cerdas.
Apa itu Baterai Lithium-CO₂ dan Bagaimana Mereka Bekerja?
Baterai Lithium-CO2 telah muncul sebagai alternatif yang menarik. Baterai isi ulang ini menggunakan gas CO2 sebagai pembawa energi. Struktur ini menyediakan beberapa keuntungan seperti kinerja yang ditingkatkan, kapasitas yang lebih tinggi, dan kualitas udara yang lebih bersih. Konsekuensinya, banyak orang percaya bahwa baterai lithium-CO2 adalah langkah terbaik untuk mencapai emisi karbon netral di masa depan.
Kelemahan Baterai Lithium-CO2 Saat Ini
Salah satu kelemahan utama dari baterai Li-CO2 saat ini adalah kurangnya katalis yang andal dan murah. Mengakui fakta ini, insinyur telah menciptakan versi baru yang mengintegrasikan kemajuan terbaru dalam ilmu bahan dan pemodelan komputer. Pendekatan baru ini berjanji untuk menangani dua masalah sekaligus, penggunaan energi dan kualitas udara.
Studi Pemecahan Baterai Lithium-CO₂ Universitas Surrey
Studi1,”Ultralow Overpotential in Rechargeable Li–CO2 Batteries Enabled by Caesium Phosphomolybdate as an Effective Redox Catalyst,” dipublikasikan di Advanced Science, membahas tentang “baterai yang bernapas”. Perangkat ini menggunakan CO2 untuk berinteraksi dengan katalis yang dirancang khusus, menciptakan loop energi yang bersih.
Baterai Lithium-CO2 Dibongkar
Sebagai bagian dari proses mereka, insinyur menciptakan beberapa baterai Li-CO2 dengan katalis yang berbeda. Mereka kemudian melewati baterai tersebut melalui ribuan siklus pengisian, mewakili tahun-tahun penggunaan sehari-hari. Mereka kemudian membongkar unit-unit tersebut setelah periode siklus untuk mendapatkan pemahaman yang lebih dalam tentang apa yang terjadi dalam hal degradasi, pembangunan, dan faktor-faktor kinerja lainnya. Yang cukup menonjol, tim tersebut memperhatikan bahwa deposit lithium karbonat akan terbentuk dan bahwa mereka dapat dengan mudah dihilangkan untuk memungkinkan baterai meningkatkan siklus pengisianannya.
Model Komputer Baterai Lithium-CO2
Peneliti menggunakan data yang mereka peroleh dari eksperimen mereka untuk menciptakan model komputer yang akurat. Model ini menggunakan teori fungsional densitas (DFT) untuk memprediksi detail dan perubahan kritis. Model ini meningkatkan kemampuan tim untuk melakukan eksperimen pemikiran dan membantu tim mengurangi biaya total sambil memperluas pengujian. Tujuan adalah untuk menggunakan model untuk menemukan bahan terbaik untuk menciptakan struktur berpori yang stabil yang dapat mendukung reaksi kimia yang membuat baterai lithium bekerja.
Caesium Phosphomolybdate (CPM)
Setelah beberapa pengujian, insinyur menentukan bahwa Caesium phosphomolybdate (Cs3PMo12O40, CPM) adalah pilihan yang menjanjikan. Insinyur mengaplikasikan CPM sebagai katalis dalam baterai Li‒CO2 dan kemudian melakukan beberapa pengujian. Untuk menciptakan CPM, insinyur mensintesis katalis dan melapisi katoda.
Bahan ini ditemukan ideal karena memiliki banyak situs elektroaktif dan fitur permukaan yang diperkaya oksigen. Selain itu, komposit ini memiliki morfologi mesopori unik yang menambah ketahanannya dan kinerjanya selama siklus pengisian, yang berarti bahwa baterai ini menggunakan lebih sedikit energi untuk mengisi ulang dibandingkan dengan pendahulunya.
Pori CPM ini ideal karena mendukung difusi CO2 yang efisien dan ion Li+ ke situs aktif. Selain itu, pori-pori tersebut berfungsi sebagai penampungan produk pembuangan. Yang cukup menonjol, struktur kristal ini hanya berukuran 140 nm.
Powder X-ray Diffraksi (PXRD)
Insinyur meninjau struktur kristal dan komposisi katalis CPM yang disintesis menggunakan metode difraksi X-ray serbuk. Alat ini bekerja dengan memfokuskan X-ray pada struktur dan menganalisis pola difraksinya.
Fourier Transform Infrared (FTIR)
Langkah berikutnya adalah menentukan energi yang diserap atau dipancarkan karena proses. Insinyur menggunakan spektroskopi inframerah Fourier Transform untuk mencapai langkah ini. Tim tersebut mencatat kehadiran partikel keggin selama proses, yang sesuai dengan prediksi model komputasi mereka.
Unit Keggin
Tim tersebut menghabiskan banyak upaya untuk menentukan apakah ciptaan mereka memiliki unit keggin yang terintegrasi ke permukaannya. Unit keggin merujuk pada kerangka kristal yang dikenal karena ketahanannya dan stabilitas struktural. Ini adalah pengaturan ideal untuk baterai karena mempertahankan struktur melalui proses siklus.
X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)
Tim tersebut menggunakan spektroskopi fotoelektron X-ray untuk mendapatkan pemahaman yang lebih dalam tentang keadaan kimia katalis selama proses dan setelahnya. Mereka secara akurat menentukan komposisi elemen permukaan dan menyesuaikannya untuk mengoptimalkan kinerja dan umur baterai.
Termogravimetri (TG)
Langkah berikutnya adalah menentukan apakah ada kelembaban yang memasuki sistem atau dihasilkan sebagai produk sampingan. Peneliti menggunakan termogravimetri untuk menilai kandungan air dari komposit CPM. Tes ini mengungkapkan bahwa desain baru dapat mendukung pengembangan baterai dengan kepadatan tinggi.
Pengujian Baterai Lithium-CO2
Serangkaian eksperimen laboratorium membantu insinyur untuk memverifikasi prediksi mereka. Tim tersebut menjalankan simulasi fisik dan komputer untuk mengevaluasi kemampuan elektrokatalitik katalis CPM dalam meningkatkan kinetika CRR/CER.
Mereka menentukan bahwa struktur mereka memiliki beberapa karakteristik unik yang membuatnya ideal untuk digunakan sebagai katalis.
Hasil Pengujian Baterai Lithium-CO2
Hasil tes sangat menarik. Struktur baterai baru ini beroperasi tanpa kegagalan. Tim tersebut melakukan 100 siklus pada 50 mA g−1 dengan batasan kapasitas 500 mAh g−1. Mereka mencatat bahwa perangkat dapat menyimpan lebih banyak energi dan lebih mudah diisi daripada opsi lithium-ion tradisional. Yang cukup mengesankan, baterai yang ditingkatkan ini menunjukkan kapasitas pelepasan yang sangat baik sebesar 15440 mAh g−1 pada 50 mA g−1 dengan efisiensi coulombik 97,3%. Selain itu, katalis tersebut memberikan overpotensial yang rendah sebesar 0,67 V.
Data ini menunjukkan bahwa desain baru ini jauh lebih efektif daripada katalis tradisional. Secara khusus, ini menawarkan kapasitas pengisian-pengeluaran yang lebih tinggi dan overpotensial yang lebih rendah. Selain itu, desain baterai Li-CO2 ini mendukung stabilitas yang lama sebesar 107 siklus pada 50 mA g−1 dengan kapasitas terbatas sebesar 500 mAh g−1.
Keuntungan Utama Baterai Lithium-CO₂ untuk Energi Bersih
Ada banyak keuntungan yang dibawa oleh baterai lithium-CO2 ke pasar. Pertama, mereka menawarkan pengguna alternatif yang bersih untuk baterai lithium-ion, yang terus mengisi tempat pembuangan limbah. Pendekatan baru ini mengurangi limbah dan emisi gas rumah kaca pada saat yang sama, membuka pintu bagi industri baterai untuk melakukan peningkatan serius sambil mengurangi polusi.
Kapasitas yang Lebih Tinggi
Laporan menunjukkan bahwa baterai Lithium-CO2 dapat menyediakan kapasitas yang lebih tinggi daripada pendahulunya. Selain itu, mereka memiliki overpotensial yang jauh lebih rendah, yang berarti bahwa mereka menggunakan energi yang jauh lebih sedikit untuk mengisi. Pendekatan pengisian yang kurang intens ini memperluas siklus hidup baterai tanpa mengurangi kinerjanya.
Baterai Lithium-CO2 Lebih Terjangkau
Alasan lain mengapa produsen baterai dan konsumen mungkin melihat peningkatan tiba-tiba dalam opsi Lithium-CO2 adalah bahwa mereka menyediakan proses manufaktur yang lebih terjangkau. Ketika Anda menggabungkan biaya manufaktur yang berkurang dengan emisi yang lebih rendah, alternatif Lithium-CO2 tampak seperti cara yang praktis untuk menyimpan energi bersih.
Baterai Lithium-CO2 Lebih Dapat Diskalakan
Peneliti memastikan bahwa pekerjaan mereka dapat diskalakan untuk memenuhi kebutuhan masyarakat. Ada permintaan besar untuk opsi energi bersih untuk menghidupkan perangkat portabel. Insinyur melihat pengembangan baterai ini sebagai peningkatan yang menghemat biaya yang memiliki keuntungan tambahan bahwa mereka menjebak CO2, gas rumah kaca yang berbahaya.
Baterai Lithium-CO2 Lebih Efisien
Efisiensi adalah keuntungan lain yang dimiliki baterai lithium-CO2 dibandingkan dengan solusi baterai lainnya. Baterai pasokan energi generasi berikutnya ini akan dapat beroperasi dengan efisien di berbagai kasus penggunaan. Unit-unit ini menawarkan lebih banyak kapasitas energi dan dapat diskalakan untuk memastikan mereka sesuai dengan aplikasi.
Tidak Ada Logam Tanah Jarang
Logam tanah jarang adalah sumber daya yang terbatas yang terus melihat nilai yang tumbuh. Ada tarif dan legislasi lain yang sudah ada untuk mencoba melindungi akses ke logam tanah jarang oleh kekuatan dunia. Keputusan insinyur untuk menghilangkan kebutuhan akan mineral ini dalam desain baterai mereka bisa menjadi salah satu alasan utama mengapa teknologi ini berhasil.
Aplikasi Dunia Nyata dari Baterai Lithium-CO₂ dan Kapan Mengharapkannya
Ada banyak aplikasi untuk baterai yang lebih hijau. Dunia membutuhkan alternatif yang bersih yang dapat menghidupkan jumlah sistem nirkabel yang terus bertambah setiap hari. Lithium-CO2 bisa suatu hari nanti menghidupkan rumah, mobil, dan perangkat Anda, sambil membantu mengurangi gas rumah kaca yang berbahaya.
Perjalanan Antariksa
Perjalanan antariksa adalah aplikasi lain untuk teknologi ini. Ketika ilmuwan terus memikirkan cara untuk mendukung eksplorasi ke ruang angkasa yang dalam dan dunia lain, opsi daya baru harus diteliti. Pengembangan terbaru ini memiliki beberapa keuntungan kunci karena dapat beroperasi di planet yang jauh seperti Mars karena atmosfernya yang terdiri dari 95% CO₂.
Timeline Baterai Lithium-CO2
Mungkin sekitar +5 tahun sampai baterai CO2 masuk ke konsumen. Teknologinya ada, tetapi tim masih harus menemukan pendekatan terbaik untuk membawa penemuan mereka ke pasar. Yang cukup menonjol, permintaan yang tumbuh untuk memenuhi kewajiban karbon netral bisa mempercepat timeline ini dan membantu membuat integrasi opsi lithium-CO2 menjadi prioritas.
Peneliti Baterai Lithium-CO2
Studi baterai lithium-CO2 ini diselenggarakan oleh Sekolah Kimia dan Teknik Kimia Surrey dan Institut Teknologi Lanjutan. Makalah pemecahan ini mencantumkan Siddharth Gadkari dan Daniel Commandeur sebagai co-penulis dari studi. Mereka menerima dukungan dari Mahsa Masoudi, Neubi F. Xavier Jr, James Wright, Thomas M Roseveare, Steven Hinder, Vlad Stolojan, Qiong Cai, dan Robert C. T. Slade.
Masa Depan Baterai Lithium-CO2
Tim tersebut berusaha untuk lebih dalam mempelajari bahan lain dan bagaimana katalis ini berinteraksi dengan elektroda dan elektrolit. Mereka juga ingin lebih lanjut mengeksplorasi Keggin-type polyoxometalate sebagai katalis redoks bifungsi. Langkah-langkah ini bisa membantu meningkatkan aspek-aspek besar dari desain mereka, termasuk siklus pengisian ulang yang dapat diulang dari baterai Li–CO2 yang dapat diisi ulang.
Investasi di Sektor Baterai
Ada beberapa perusahaan yang terlibat dalam pasar baterai. Perusahaan-perusahaan ini mencakup produsen tier 1 yang terkenal hingga alternatif dengan biaya rendah dan bahkan tiruan. Permintaan untuk baterai berkualitas tetap tinggi. Berikut adalah salah satu produsen baterai yang tetap berada dalam posisi untuk sukses dan bisa mengintegrasikan baterai lithium-CO2 ke dalam produknya di masa depan.
Solid Power
Solid Power (SLDP ) memasuki pasar pada tahun 2011 dan berkantor pusat di Colorado. Tujuan perusahaan adalah menciptakan alternatif baterai solid-state yang berkinerja tinggi. Sejak peluncurannya, Solid Power telah melihat dukungan dan pertumbuhan yang cukup besar di pasar. Pertumbuhan ini sebagian besar disebabkan oleh semangat inovatif dan produk unik yang menggantikan elektrolit cair dengan opsi sulfida padat. Pendekatan ini mengurangi risiko kebakaran atau kebocoran termal.
Solid Power memiliki beberapa kemitraan strategis dengan produsen kendaraan listrik. Kemitraan-kemitraan ini dirancang untuk mengarahkan inovasi dan membantu pasar menemukan alternatif yang lebih aman dan lebih efisien. Saat ini, perusahaan memiliki kesepakatan dengan berbagai produsen dari berbagai industri, termasuk sektor medis dan manufaktur.
(SLDP )
