Nanokomposit Elektrokatalis Dapat Membayangkan Ulang Baterai Lithium-Sulfur dengan Waktu Pengisian 5 Menit

Dari Lithium-Ion ke Lithium-Sulfur

Baterai lithium-ion sejauh ini telah mendominasi pasar baterai. Hal ini berkat kepadatan energi yang tinggi serta keunggulan awal karena banyak digunakan dan diproduksi untuk pasar konsumen elektronik.

Ketika diterapkan pada penggunaan lain, batasan kapasitas baterai lithium-ion mulai muncul. Misalnya, baterai lithium-ion relatif lambat untuk diisi ulang, dan meskipun pengisian cepat memungkinkan, hal itu cenderung merusak umur baterai.

Pengisian yang lambat telah menjadi masalah terus-menerus bagi pemilik kendaraan listrik dan sering disebut sebagai alasan orang menolak mengadopsi kendaraan listrik.

Dengan kendaraan listrik kini menjadi konsumen terbesar baterai berdasarkan kapasitas daya, kimia baterai baru yang dapat mengisi lebih cepat dapat menjadi populer dengan cepat dan bersaing dengan desain lithium-ion.

Salah satu kimia baru yang menjanjikan adalah baterai lithium-sulfur. Desain sebelumnya bahkan lebih lambat mengisi dibandingkan lithium-ion, namun nanomaterial baru dapat membuat kendaraan listrik berbasis lithium-sulfur terisi dalam hanya 5 menit.

Keuntungan & Tantangan Lithium-Sulfur

Teknologi baterai lithium-sulfur baru ditemukan oleh peneliti di universitas dan lembaga riset China serta Australia (Adelaide, Tianjin, ANSTO, dan Tsinghua) dan dipublikasikan dalam Nature Nanotechnology dengan judul “Mengembangkan baterai Li||S berdaya tinggi melalui rekayasa elektrokatalis nanokomposit logam transisi/karbon”.

Baterai lithium-sulfur telah lama dikenal menawarkan kepadatan energi yang luar biasa, lebih dari dua kali energi baterai lithium-ion klasik ketika diukur dalam Wh/kg (energi spesifik), dan kinerja superior ketika diukur dalam Wh/L (kapasitas spesifik).

Sumber: Vertex Holdings

Masalah utama yang menghentikan prototipe baterai lithium-sulfur untuk diadopsi secara luas sejauh ini adalah umur pakai yang rendah (1/3 dari lithium-ion) dan kecepatan pengisian yang sangat lambat, memerlukan 1-10 jam untuk pengisian penuh.

Hal ini jelas tidak dapat diterima untuk kendaraan listrik, dengan pengguna yang sudah mengeluhkan waktu 20-30 menit pada lithium-ion.

(Kami membahas banyak kimia alternatif untuk lithium-ion dalam artikel referensi kami “Masa Depan Mobilitas – Teknologi Baterai”).

Keterbatasan lithium-sulfur tiba-tiba berubah berkat penemuan terbaru yang dipublikasikan di Nature, dengan desain lithium-sulfur baru yang menjanjikan kinerja menakjubkan:

• Umur pakai minimal 1.000 siklus, serupa dengan lithium-ion.
• Energi spesifik 1.306 Wh/kg, 10 kali lebih tinggi daripada lithium-ion, bahkan lebih unggul dibandingkan sebagian besar desain baterai solid-state.
• Siklus pengisian/pengosongan kurang dari 5 menit.

Membangun Baterai Lithium-Sulfur pada Skala Nano

Jadi, bagaimana para peneliti berhasil membangun apa yang tampaknya menjadi baterai sempurna?

Pertama, mereka memeriksa pada tingkat atom/kuantum reaksi reduksi belerang (SRR), bagian kunci yang mengendalikan laju pengisian/pengosongan. Untuk mencapai ini, mereka menggunakan akselerator partikel (Australian Synchrotron, ANSTO) untuk menentukan isi orbital atom (posisi elektron di sekitar atom belerang) secara tepat pada katalis berbasis logam.

Dengan data yang belum pernah dianalisis sebelumnya ini, mereka berhasil memprediksi secara akurat kecepatan dan proses reaksi reduksi belerang (SRR).

Dengan model prediktif ini, mereka kemudian merancang elektrokatalis nanokomposit, terbuat dari karbon dan beberapa paduan berbeda dari elektrokatalis logam seperti besi, kobalt, nikel, tembaga, dan seng.

Akhirnya, paduan kobalt dan seng dipilih, dengan kinerja luar biasa yang dijelaskan di atas.

Apa Selanjutnya?

Pengembangan “super baterai” semacam ini dapat menjadi titik balik dalam elektrifikasi sistem energi kita, mulai dari transportasi hingga adopsi massal energi terbarukan yang memerlukan baterai skala utilitas yang kuat.

Namun, masih terlalu dini, dan beberapa pertanyaan perlu dijawab sebelum baterai lithium-sulfur mengambil alih.

Bahan Langka

Produsen baterai lithium-ion & kendaraan listrik telah berusaha menjauh dari desain yang menggunakan kobalt selama bertahun‑tahun. Hal ini karena kobalt merupakan mineral langka, dan sumber utamanya berasal dari Kongo, di mana produksi kobalt terkait dengan kerja anak dan perbudakan serta pelanggaran hak asasi manusia secara umum.

Jadi, nanoklaster kobalt-seng yang digunakan dalam elektrokatalis juga harus menghadapi masalah tersebut.

Biaya

Biaya material yang tinggi merupakan alasan lain mengapa industri beralih dari desain berbasis kobalt ke baterai yang menggunakan solid-state, lithium-iron-phosphate (LFP), atau sodium-ion.

Jadi ini bisa menjadi masalah bagi baterai lithium-sulfur berbasis kobalt. Meskipun mereka jauh lebih efisien dan memiliki kepadatan energi lebih tinggi dibandingkan lithium-ion.

Pada saat yang sama, energi spesifik yang sangat tinggi berarti lebih sedikit baterai yang dibutuhkan untuk jangkauan EV yang sama.

Hal ini, pada gilirannya, secara signifikan mengurangi berat EV, karena baterai saat ini menyumbang lebih dari 25% berat kendaraan. Berat yang lebih rendah meningkatkan jangkauan lebih jauh.

Faktor penentu sebenarnya akan menjadi harga per Wh baterai lithium-sulfur, dan seberapa rendah berat paket baterai dapat dikurangi.

Produksi Massal

Dekade terakhir telah menyaksikan banyak material dan desain inovatif dalam teknologi baterai. Namun mengubah sel koin buatan laboratorium menjadi paket baterai, lalu menciptakan proses skala pabrik untuk memproduksinya bukanlah hal yang sederhana.

For example, tanggal komersialisasi baterai solid-state telah berulang kali ditunda tahun demi tahun oleh QuantumScape, Volkswagen, Toyota, CATL, LG, dll. (QS )

Ini bukan karena teknologinya tidak berfungsi, melainkan produksi massal baterai solid-state dalam skala besar, tanpa masalah kualitas & dengan biaya rendah, terbukti sangat menantang.

Jadi, kemungkinan masih banyak langkah yang harus ditempuh untuk mengubah prototipe lithium-sulfur ini menjadi baterai komersial.

Kesimpulan

Baterai telah menjadi titik lemah EV sejak awal, sesuatu yang perlahan teratasi melalui upaya riset besar-besaran oleh universitas di seluruh dunia, serta pemimpin industri seperti CATL, Telsa, LG, dll.

Tidak jelas desain atau kimia mana yang pada akhirnya akan menang. Pesaing terkuat tampaknya adalah baterai solid-state, dan lithium-sulfur mungkin menjadi generasi baterai yang akan muncul setelah komersialisasi solid-state.

LFP dan sodium-ion mungkin juga tetap ada untuk aplikasi dan produk yang berfokus pada biaya rendah daripada kinerja tinggi.

Dan tentu saja, mungkin bahkan desain yang lebih eksotik untuk baterai skala utilitas dengan persyaratan yang sangat berbeda dibandingkan EV, seperti baterai besi-udara, redoks, gravitasi, atau beton yang kami bahas dalam artikel kami “Masa Depan Penyimpanan Energi – Teknologi Baterai Skala Utilitas” dan “Alternatif Non-Kimia untuk Baterai dalam Transisi Energi”.

Bagaimanapun, masa depan sistem energi mengarah pada elektrifikasi massal. Dan teknologi baterai berkembang sangat cepat, yang kemungkinan akan menghilangkan hambatan terakhir menuju adopsi massal EV dan energi terbarukan.