Ketika ion lithium mengalir masuk dan keluar dari elektroda baterai selama pengisian dan pemakaian, sedikit oksigen merembes keluar dan baterai tegangan—ukuran seberapa banyak energi yang dihasilkannya—memudar sama kecilnya. Kerugian meningkat dari waktu ke waktu, dan pada akhirnya dapat menguras kapasitas penyimpanan energi baterai hingga 10-15%.
Sekarang para peneliti telah mengukur proses super lambat ini dengan detail yang belum pernah terjadi sebelumnya, menunjukkan bagaimana lubang, atau kekosongan, yang ditinggalkan oleh atom oksigen yang terlepas mengubah struktur dan kimia elektroda dan secara bertahap mengurangi berapa banyak energi yang dapat disimpannya.
Hasilnya bertentangan dengan beberapa asumsi yang dibuat para ilmuwan tentang proses ini dan dapat menyarankan cara-cara baru dalam rekayasa elektroda untuk mencegahnya.
Para peneliti mampu mengukur tingkat oksigen yang sangat kecil yang mengalir keluar, sangat lambat, selama ratusan siklus. Seorang Peneliti dari Stanford yang mengerjakan eksperimen bersama tim peneliti. Dikatakan “Fakta bahwa itu sangat lambat juga yang membuatnya sulit untuk dideteksi.”
Kursi goyang dua arah
Baterai lithium-ion bekerja seperti kursi goyang, menggerakkan ion lithium bolak-balik di antara dua elektroda yang menyimpan muatan sementara. Idealnya, ion-ion itu adalah satu-satunya hal yang bergerak masuk dan keluar dari miliaran nanopartikel yang membentuk setiap elektroda. Tetapi para peneliti telah mengetahui selama beberapa waktu bahwa atom oksigen bocor keluar dari partikel ketika lithium bergerak maju mundur. Detailnya sulit untuk dijabarkan karena sinyal dari kebocoran ini terlalu kecil untuk diukur secara langsung.
“Jumlah total kebocoran oksigen, lebih dari 500 siklus pengisian dan pengosongan baterai, adalah 6%,” kata Peneliti. “Itu bukan jumlah yang kecil, tetapi jika Anda mencoba mengukur jumlah oksigen yang keluar selama setiap siklus, itu sekitar seperseratus persen.”
Dalam studi ini, peneliti mengukur kebocoran secara tidak langsung, dengan melihat bagaimana kehilangan oksigen mengubah kimia dan struktur partikel. Mereka melacak proses pada beberapa skala panjang—dari partikel nano terkecil hingga gumpalan nanopartikel hingga ketebalan penuh elektroda.
Karena sangat sulit bagi atom oksigen untuk bergerak dalam bahan padat pada suhu di mana baterai beroperasi, kebijaksanaan konvensional adalah bahwa kebocoran oksigen hanya datang dari permukaan nanopartikel, kata Peneliti, meskipun hal ini masih diperdebatkan.
Untuk melihat lebih dekat apa yang terjadi, tim peneliti mendaur ulang baterai untuk waktu yang berbeda, memisahkannya, dan mengiris nanopartikel elektroda untuk pemeriksaan terperinci di Sumber Cahaya Lanjutan Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley. Di sana, mikroskop sinar-X khusus memindai sampel, membuat gambar beresolusi tinggi dan memeriksa susunan kimiawi dari setiap titik kecil. Informasi ini digabungkan dengan teknik komputasi yang disebut ptychography untuk mengungkapkan detail skala nano, diukur dalam sepersejuta meter.
Sementara itu, di SLAC's Stanford Synchrotron Light Source, tim menembakkan sinar-X melalui seluruh elektroda untuk memastikan bahwa apa yang mereka lihat pada tingkat skala nano juga benar pada skala yang jauh lebih besar.
Ledakan, lalu tetesan
Membandingkan hasil eksperimen dengan model komputer tentang bagaimana hilangnya oksigen mungkin terjadi, tim menyimpulkan bahwa ledakan awal oksigen lolos dari permukaan partikel, diikuti oleh tetesan yang sangat lambat dari interior. Ketika nanopartikel menyatu untuk membentuk gumpalan yang lebih besar, partikel yang berada di dekat pusat gumpalan kehilangan lebih sedikit oksigen daripada yang berada di dekat permukaan.
Pertanyaan penting lainnya, kata Peneliti, adalah bagaimana hilangnya atom oksigen mempengaruhi materi yang mereka tinggalkan. "Itu sebenarnya misteri besar," katanya. “Bayangkan atom dalam nanopartikel seperti bola padat. Jika Anda terus mengeluarkan atom oksigen, semuanya bisa runtuh dan padat, karena strukturnya suka tetap rapat.”
Karena aspek struktur elektroda ini tidak dapat dicitrakan secara langsung, para ilmuwan kembali membandingkan jenis pengamatan eksperimental lainnya dengan model komputer dari berbagai skenario kehilangan oksigen. Hasilnya menunjukkan bahwa kekosongan tetap ada — bahannya tidak runtuh dan mengeras — dan menunjukkan bagaimana mereka berkontribusi pada penurunan bertahap baterai.
“Ketika oksigen pergi, atom mangan, nikel, dan kobalt di sekitarnya bermigrasi. Semua atom menari keluar dari posisi idealnya,” kata Peneliti. “Penataan ulang ion logam ini, bersama dengan perubahan kimia yang disebabkan oleh oksigen yang hilang, menurunkan voltase dan efisiensi baterai dari waktu ke waktu. Orang-orang telah mengetahui aspek-aspek dari fenomena ini sejak lama, tetapi mekanismenya tidak jelas.”
Sekarang, katanya, “kita memiliki pemahaman ilmiah dan dari bawah ke atas” tentang sumber penting ini baterai degradasi, yang dapat mengarah pada cara baru untuk mengurangi kehilangan oksigen dan efek merusaknya.