Peneliti MIT Terapkan Pendekatan Baru Produksi Baterai Lithium-ion untuk Transisi Energi

Liputan6.com, Jakarta - Ketergantungan dunia terhadap bahan bakar fosil selama lebih dari satu abad kini telah menjadi ancaman bagi planet Bumi, sehingga memerlukan perubahan mendesak di dalam sistem energi kita.

Para peneliti di seluruh dunia berfokus untuk mengatasi berbagai tantangan yang muncul selama masa transisi energi. Salah satu dari sekian banyak peneliti yang berupaya mengatasi masalah ini adalah Sili Deng, asisten profesor di Departemen Teknik Mesin di Massachusetts Institute of Technology (MIT); ia mengeksplorasi cara-cara untuk membuat bahan untuk transisi energi dengan menggunakan proses pembakaran.

Deng memimpin tim peneliti yang mengembangkan model teoretis untuk lebih memahami dan mengontrol sistem pembakaran agar lebih efisien dan mengurangi pembentukan emisi, termasuk partikel jelaga. Menurut Deng, pembakaran mengacu pada proses reaksi kimia bersuhu tinggi yang melibatkan oksigen yang biasanya mengeluarkan cahaya dan panas dalam jumlah besar, dan tidak mengacu secara khusus pada bahan bakar fosil.

Permintaan baterai lithium-ion diperkirakan akan meningkat secara drastis dalam beberapa dekade mendatang seiring dengan pergerakan dunia menuju sumber energi terbarukan. Namun, sebagian besar biaya pembuatan baterai lithium-ion dapat ditelusuri pada pembuatan bahan yang digunakan untuk membuat katoda.

Guna mengatasi masalah itu, Deng dan timnya mengeksplorasi penggunaan pembakaran untuk membuat bahan katoda yang sangat penting untuk transisi energi.

Selama dua tahun terakhir, mereka telah bekerja untuk mengembangkan pengaturan skala laboratorium menggunakan jenis sintesis api yang disebut flame-assisted spray pyrolysis (FASP) untuk menghasilkan serbuk katoda untuk baterai lithium-ion berkinerja tinggi.

FASP adalah proses yang banyak digunakan dalam industri kimia dan industri lainnya untuk membuat nanopartikel. Bahan-bahan prekursor, termasuk garam logam seperti litium, dicampur dengan air dan disemprotkan sebagai tetesan halus ke dalam ruang pembakaran, di mana nyala api metana yang terbakar memanaskan campuran tersebut.

Air menguap, meninggalkan bahan prekursor untuk terurai, teroksidasi, dan mengeras membentuk produk bubuk. Berbeda dengan proses kopresipitasi, yang memakan waktu dan energi, proses FASP lebih cepat dan lebih efisien. Para peneliti menemukan bahwa nebulizer dalam FASP memecah larutan cair menjadi tetesan halus, memastikan pencampuran tingkat atom.

Dengan memasukkan lithium sejak awal, tidak perlu lagi mencampur padatan dengan padatan, yang tidak efisien dan efektif. Mereka bahkan dapat mengontrol struktur, atau "morfologi," dari partikel yang terbentuk. Mereka dapat mencapai morfologi partikel yang akan mengoptimalkan kinerja material mereka dengan menyesuaikan suhu pemanasan awal.

Partikel-partikel itu terbentuk dalam hitungan detik saja. Dengan asumsi waktu yang dibutuhkan untuk anil (annealing) dan deaglomerasi konvensional, pengaturan baru ini dapat mensintesis bahan katoda yang sudah jadi dalam setengah dari total waktu yang dibutuhkan untuk kopresipitasi.

Selain itu, tahap pertama dari sistem kopresipitasi digantikan oleh pengaturan yang jauh lebih sederhana dan hemat biaya. Para peneliti kemudian bekerja untuk meningkatkan tahap kedua dari proses tersebut, yang memakan waktu dan energi.

Kunci dari tahap kedua adalah anil, yang melibatkan pemanasan bahan katoda untuk mencapai struktur kristal yang ditargetkan. Dalam proses kopresipitasi saat ini, strateginya adalah menganil pada suhu rendah untuk waktu yang lama, memberikan waktu bagi operator untuk memanipulasi dan mengontrol proses.

Namun, menjalankan tungku selama sekitar 20 jam--bahkan pada suhu rendah--menghabiskan banyak energi. Deng dan timnya menambahkan sejumlah kecil senyawa murah yang disebut urea ke dalam campuran mereka untuk mengatasi masalah distribusi lithium. Ketika urea hadir, mereka dapat meningkatkan suhu, mempersingkat waktu anil, dan menghilangkan proses peningkatan dan pendinginan secara bertahap.

Studi pencitraan lebih lanjut menegaskan bahwa pendekatan mereka menghasilkan struktur kristal yang diinginkan dan distribusi unsur yang homogen dari kobalt, nikel, mangan, dan litium di dalam partikel. Selain itu, dalam pengujian berbagai ukuran kinerja, material mereka juga melakukan hal yang sama seperti material