Hal Penting yang Perlu Diketahui:
- Memajukan AIB Teknologi: Baterai Amonium Ion (AIB) menawarkan alternatif baterai tradisional yang lebih aman dan ramah lingkungan, menggunakan amonium asetat (NH4Ac) yang mencegah pertumbuhan dendritik dan meningkatkan masa pakai baterai.
- Bahan Anoda Inovatif: Perkembangan terkini pada material anoda seperti MXenes, yang dieksplorasi melalui perhitungan DFT, menunjukkan kinerja tegangan rendah yang menjanjikan dan kepadatan energi yang tinggi.
- Perilaku Pseudokapasitif: Anoda MXene di AIB menunjukkan perilaku pseudokapasitif unik dengan NH4Ac, mencapai kapasitas dan stabilitas tinggi selama 5000 siklus, sebuah kemajuan signifikan dibandingkan material lainnya.
- Peningkatan yang didukung penelitian: Studi seperti yang dilakukan oleh Sun et al. mengkonfirmasi manfaat penggunaan amonium asetat, meningkatkan keamanan dan efektivitas AIB secara keseluruhan.
Banyak arsitektur baterai kini ada ketika para insinyur dan ilmuwan mencoba melakukan perubahan Baterai Li-ion untuk mencoba menghadirkan sistem baterai baru yang memiliki kepadatan energi tinggi, dapat mengisi daya lebih cepat, atau lebih ramah lingkungan. Dalam beberapa tahun terakhir, banyak arsitektur baterai baru telah dikomersialkan setelah bertahun-tahun dikembangkan secara akademis, dan baterai baru lainnya mulai mengambil tempat di dunia akademis.
Salah satu baterai tersebut adalah baterai ion amonium (AIB), yang menggunakan elektrolit berair, sehingga lebih aman dan tidak rentan terhadap pelepasan panas. AIB memiliki biaya rendah, stabilitas bawaan, sifat elektrokimia yang baik, dan ramah lingkungan. Ini adalah bidang penelitian baterai yang lebih baru dibandingkan dengan beberapa sistem yang lebih mapan, dan meskipun ada potensi untuk menciptakan baterai yang lebih ramah lingkungan, AIB terhambat oleh tantangan dalam desain anoda.
Potensi Baterai Amonium
AIB adalah baterai isi ulang yang menggunakan ion amonium (NH4+) sebagai pembawa muatan. Dibandingkan dengan ion logam tradisional— Li+, Na+, K+, Zn2+ dan Mg2+—ion amonium memiliki karakteristik difusi yang cepat dalam elektrolit berair (berbasis air) karena memiliki jari-jari ion yang lebih kecil dan massa molar yang lebih ringan. Ion amonium juga tidak mengalami pertumbuhan dendritik—yang sering kali menyebabkan korsleting baterai—tidak seperti kebanyakan ion amonium lainnya. baterai logam-ion, jadi ada potensi untuk menciptakan baterai yang lebih aman dan terdegradasi lebih lambat. Elektrolit ion amonium juga lebih ramah lingkungan dibandingkan pelarut organik yang digunakan dalam baterai ion logam dan juga jauh lebih murah. Salah satu elektrolit yang paling umum adalah amonium asetat (NH4Ac).
Untuk lebih menggarisbawahi manfaat lingkungan dan keselamatan operasional AIB, penelitian terbaru, seperti yang dilakukan oleh Sun et al., menyoroti peran elektrolit amonium asetat (NH4Ac) dalam meningkatkan stabilitas dan kapasitas baterai ini. Berbeda dengan elektrolit tradisional, NH4Ac membantu mencegah pembentukan dendrit, yang seringkali merupakan bahaya keselamatan utama dalam pengoperasian baterai. Karakteristik ini tidak hanya meningkatkan keselamatan namun juga memperpanjang siklus hidup baterai secara signifikan, sehingga menjadikan AIB pilihan yang lebih ramah lingkungan dalam jangka panjang.
Semua karakteristik ini menunjukkan bahwa terdapat banyak potensi AIB, terutama karena karakteristik ini sering dianggap sebagai keunggulan dibandingkan baterai metal-ion—yang telah menjadi standar komersial saat ini. Banyak pekerjaan yang telah dilakukan dalam desain katoda AIB, dan kapasitas spesifik yang tinggi kini dapat dicapai. Contoh katoda meliputi material berbahan dasar nikel, berbahan dasar mangan, dan berbahan dasar vanadium. Namun, tidak banyak upaya yang dilakukan dalam desain anoda, dan interaksi antara anoda dan elektrolit merupakan area yang masih perlu dikembangkan lebih lanjut.
Perkembangan Material Anoda Baru
Anoda saat ini menjadi faktor pembatas AIB, karena saat ini tidak banyak bahan anoda yang memiliki tegangan kerja rendah. Pengembangan anoda AIB terutama terbatas pada oksida logam transisi/sulfida dan polimer organik. Ini bukan bahan yang ideal karena senyawa logam transisi cenderung memiliki kapasitas yang buruk, dan anoda polimer memiliki laju disolusi yang tinggi, sehingga stabilitas siklusnya buruk. Hal ini menyebabkan banyak AIB yang dikembangkan hingga saat ini menjadi tidak layak untuk aplikasi praktis.
Meskipun terdapat tantangan material, material baru terus disodorkan dan diujicobakan. Salah satu kelas material yang disebut-sebut sebagai solusi potensial adalah MXene. MXenes adalah material 2D yang dibuat dari material fase MAX, yang memiliki rumus umum Mn+1AXn. Dalam struktur kimia ini, M adalah logam transisi awal, A adalah unsur golongan 13 atau 14 dan X adalah karbon atau nitrogen.
MXene memiliki serangkaian sifat yang bermanfaat untuk elektroda. Misalnya saja, bahan-bahan tersebut mempunyai konduktivitas listrik yang sangat baik dan aktivitas permukaan yang tinggi, dan cara lapisan-lapisan tersebut bertumpuk sangat diinginkan untuk penyimpanan ion—terutama dibandingkan dengan jenis bahan nano lainnya. Jadi, MXene dipandang sebagai potensi manfaat bagi AIB, dan banyak penelitian teoritis yang sedang dilakukan untuk melihat apakah MXene layak untuk ditelusuri lebih lanjut secara eksperimental.
Potensi MXenes sebagai bahan anoda yang efektif pada Baterai Amonium Ion didukung oleh perhitungan Density Functional Theory (DFT) yang terperinci. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1 di bawah, perhitungan ini mengungkapkan potensi kerja yang rendah dan perilaku pseudokapasitif yang tinggi dari bahan MXene, khususnya V2CTx, yang menunjukkan kesesuaiannya untuk aplikasi kinerja tinggi dalam teknologi baterai.
a Perspektif lateral model struktural untuk V2CTx MXene digambarkan. Bola berwarna abu-abu, hitam, dan oranye melambangkan terminasi V, C, dan T. b c Kurva potensial elektrostatik rata-rata bidang untuk V2CO2 dan V2CF2 ditampilkan masing-masing. d Kurva potensial elektrostatis rata-rata bidang untuk 1T-MoS2 diilustrasikan. e Korelasi antara fungsi kerja dan jendela potensial operasional bahan dua dimensi yang dipelajari dalam penelitian ini ditunjukkan.
Untuk menguatkan kesesuaian MXenes untuk aplikasi AIB, penelitian diuraikan dalam Alam Komunikasi oleh Sun dkk. membahas sifat pseudokapasitif V2CTx MXenes bila digunakan dengan elektrolit NH4Ac. Bahan-bahan ini tidak hanya menjanjikan potensi kerja yang lebih rendah tetapi juga menunjukkan peningkatan stabilitas dan kepadatan energi, yang penting untuk baterai berperforma tinggi. Aktivitas permukaan tinggi yang melekat pada MXene meningkatkan efisiensinya, sehingga secara signifikan memajukan fabrikasi anoda dalam teknologi baterai berkelanjutan.
Perhitungan DFT Menyarankan Elektrolit Berair Terbaik untuk Anoda MXene
Teori fungsional kepadatan (DFT) adalah teknik mapan di bidang teori dan kimia komputasi dan sering digunakan untuk memodelkan dan menyelidiki sifat-sifat sistem material yang berbeda untuk melihat apakah sistem tersebut layak untuk aplikasi tertentu (serta untuk menyimpulkan strukturnya). Perhitungan DFT menunjukkan bahwa MXene, V2CTx, memiliki jendela potensi kerja terendah dibandingkan material berbasis vanadium lainnya, sehingga berpotensi menjadi material anoda yang menjanjikan untuk AIB.
Para peneliti kini telah melihat lebih jauh anoda MXene ini menggunakan kombinasi perhitungan DFT dan metode karakterisasi bahan fisik untuk melihat bagaimana interaksinya dengan elektrolit berair dan untuk menyelidiki seperti apa kinerja anoda ini. Para peneliti menemukan bahwa anoda MXene ini menunjukkan perilaku pseudokapasitif untuk penyimpanan ion amonium, dengan kapasitas spesifik 115.9 mAh g-1 pada 1 A g-1 dan retensi kapasitas 100% setelah 5000 siklus pada 5 A g-1.
Meskipun banyak elektrolit berair sedang diuji coba dengan anoda MXene—termasuk (NH4)2SO4, NH4Cl, (NH4)2C2O4, dan NH4Me—satu-satunya elektrolit di mana anoda MXene menunjukkan perilaku pseudokapasitif ini adalah dengan elektrolit amonium asetat NH4Ac. Kinerja perilaku pseudokapasitif yang ditunjukkan antara anoda MXene dan elektrolit NH4Ac melampaui semua elektroda tipe kapasitif di AIB hingga saat ini.
Untuk menyelidiki sifat-sifat anoda dan interaksinya dengan elektrolit, in-situ pengukuran keseimbangan mikro kristal kuarsa elektrokimia (EQCM) dilakukan yang menunjukkan proses elektrokimia dua langkah yang menghasilkan perilaku penyimpanan pseudokapasitif dalam elektrolit amonium asetat.
Hasil percobaan ditindaklanjuti dengan perhitungan dan simulasi DFT untuk lebih memahami proses elektrokimia ini. Bagian pertama dari proses ini melibatkan adsorpsi/deposisi elektrostatik NH4+ pada permukaan MXene. Pada langkah kedua proses ini, reaksi redoks terjadi antara gugus d-V2CTx di anoda dan gugus [NH4+(HAc)3] pada elektrolit. Selama proses redoks ini, ion NH4+ pusat bertindak sebagai proton semu, yang memfasilitasi pergantian terminasi V2CTx. Hal ini kemudian mengubah keadaan valensi ion vanadium dalam kompleks, sehingga mendorong transfer muatan.
Penggunaan inovatif amonium asetat dalam AIB berbasis MXene tidak hanya meningkatkan stabilitas elektrokimia namun juga meningkatkan kapasitas penyimpanan energi seperti yang dijelaskan oleh Sun et al. Terobosan ini disebabkan oleh interaksi unik antara ion NH4+ dan elektrolit, yang memfasilitasi transpor ion yang efisien dan stabilitas siklus yang kuat, sehingga menjadi landasan bagi solusi penyimpanan energi generasi berikutnya.
Para peneliti juga mengkonfirmasi efek peningkatan ion asetat dalam baterai amonium-ion berbasis MoS2 (bahan 2D lain dalam keluarga logam transisi dichalcogenide). Kemampuan untuk digunakan dengan bahan yang berbeda berarti bahwa elektrolit asetat dapat digunakan bersama bahan 2D yang berbeda untuk meningkatkan kapasitas AIB. Pendekatan ini juga berpotensi untuk mendobrak batasan kapasitas pada Faradaic (redoks) dan non-Faradaic (hanya interaksi elektrostatik) dan dapat menawarkan cara untuk meningkatkan AIB yang berbeda dan mengarah pada penciptaan baterai yang lebih berkelanjutan.
Dampak Lingkungan dan Pertimbangan Keamanan Baterai Amonium Ion
Peralihan ke Baterai Amonium Ion (AIB) tidak hanya merupakan peningkatan teknis dibandingkan sistem baterai tradisional namun juga merupakan langkah maju yang signifikan dalam pelestarian lingkungan. AIB menggunakan bahan yang tidak terlalu berbahaya dan melibatkan reaksi kimia yang lebih aman, sehingga mengurangi risiko kecelakaan dan polusi lingkungan. Studi seperti yang dilakukan oleh Sun et al. di dalam Alam Komunikasi telah menunjukkan bahwa penggunaan elektrolit yang lebih aman seperti amonium asetat secara signifikan mengurangi risiko seperti pelepasan panas dan pencucian bahan kimia, menjadikan AIB pilihan yang lebih disukai untuk penyimpanan energi berkelanjutan.
Referensi:
Sun Z. dkk., Elektrolit asetat untuk meningkatkan kapasitas pseudokapasit dalam baterai ion amonium berair, Nature Communications, 15, (2024), 1934.