Baterai lithium-metal (LMB), jenis baru dari baterai berbasis lithium yang dapat diisi ulang yang terbuat dari logam solid-state dan bukan lithium-ion, adalah salah satu teknologi baterai isi ulang densitas energi tinggi yang paling menjanjikan. Meskipun memiliki beberapa karakteristik yang menguntungkan, baterai ini memiliki beberapa keterbatasan, termasuk kepadatan energi yang buruk dan masalah terkait keselamatan.
Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti telah mencoba untuk mengatasi keterbatasan ini dengan memperkenalkan alternatif, desain sel baterai lithium bebas anoda. Desain bebas anoda ini dapat membantu meningkatkan kepadatan energi dan keamanan baterai lithium-metal.
Para peneliti di Institut Nasional Ilmu Pengetahuan Industri Lanjutan dan Teknologi baru-baru ini melakukan penelitian yang bertujuan untuk meningkatkan kepadatan energi baterai lithium bebas anoda, memperkenalkan baterai lithium baru dengan kepadatan energi tinggi dan bebas anoda yang tahan lama berdasarkan penggunaan Li2Wahai agen pengorbanan.
Arsitektur baterai sel penuh bebas anoda biasanya didasarkan pada katoda yang sepenuhnya terlitiasi dengan kolektor arus tembaga anoda telanjang. Hebatnya, baik kepadatan energi gravimetri dan volumetrik baterai lithium bebas anoda dapat diperpanjang hingga batas maksimumnya. Arsitektur sel bebas anoda memiliki beberapa keunggulan lain dibandingkan desain LMB yang lebih konvensional, termasuk biaya yang lebih rendah, keamanan yang lebih besar, dan prosedur perakitan sel yang lebih sederhana.
Untuk membuka potensi penuh LMB bebas anoda, peneliti pertama-tama harus mencari cara untuk mencapai reversibilitas/stabilitas pelapisan logam-Li. Sementara banyak yang mencoba memecahkan masalah ini dengan merekayasa dan memilih elektrolit yang lebih disukai, sebagian besar upaya ini sejauh ini tidak berhasil.
Yang lain juga telah mengeksplorasi potensi penggunaan garam atau aditif yang dapat meningkatkan reversibilitas pelapisan/pengupasan logam-Li. Setelah meninjau upaya sebelumnya ini, para peneliti di Institut Nasional Sains dan Teknologi Industri Lanjutan mengusulkan penggunaan Li2O sebagai agen pengorbanan, yang dimuat sebelumnya ke LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 permukaan.
“Sulit untuk mewujudkan reversibilitas Li yang tinggi, terutama mengingat reservoir Li yang terbatas (biasanya nol kelebihan lithium) dalam konfigurasi sel,” tulis para peneliti dalam makalah mereka. “Dalam penelitian ini kami telah memperkenalkan Li2O sebagai agen pengorbanan yang dimuat sebelumnya pada LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 katoda, menyediakan sumber Li tambahan untuk mengimbangi hilangnya Li yang ireversibel selama siklus jangka panjang dalam sel bebas anoda awal.”
Selain mempekerjakan Li2O sebagai agen korban, para peneliti mengusulkan penggunaan aditif eter fluoropropil untuk menetralkan O nukleofilik2-, yang dilepaskan selama oksidasi Li2O, dan mencegah evolusi tambahan gas O2 dihasilkan dari fabrikasi elektrolit berbasis LiF yang dilapisi pada permukaan katoda baterai.
“Kami menunjukkan bahwa O2– spesies, dilepaskan melalui Li2Oksidasi O, dinetralkan secara sinergis oleh aditif eter terfluorinasi,” para peneliti menjelaskan dalam makalah mereka. “Ini mengarah pada pembangunan lapisan berbasis LiF pada antarmuka katoda/elektrolit, yang mempasifkan permukaan katoda dan menahan dekomposisi oksidatif yang merugikan dari pelarut eter.”
Berdasarkan desain yang mereka buat, Yu Qiao dan anggota tim lainnya di Institut Nasional Sains dan Teknologi Industri Lanjutan mampu mewujudkan sel kantong bebas anoda 2.46 Ah yang tahan lama. Sel ini menunjukkan kepadatan energi gravimetri 320 Wh kg-1, mempertahankan kapasitas 80% setelah 300 siklus operasi.
Di masa depan, lithium bebas anoda baterai diperkenalkan oleh kelompok penelitian ini dapat membantu mengatasi beberapa keterbatasan LMB yang sering dilaporkan. Selain itu, desainnya dapat menginspirasi pembuatan baterai isi ulang berbasis lithium yang lebih aman dengan kepadatan energi yang lebih tinggi dan masa pakai yang lebih lama.
