Baterai padat natrium tanpa anoda pertama di dunia dikembangkan

 (pme.uchicago.edu)
1 poin oleh GN⁺ 2024-07-07 | 1 komentar | Bagikan ke WhatsApp
  • Tim peneliti kolaboratif dari laboratorium Y. Shirley Meng di UChicago PME dan UC San Diego mempercepat kemungkinan baterai berbiaya rendah, pengisian cepat, dan berkapasitas tinggi untuk kendaraan listrik serta penyimpanan jaringan listrik dengan menggabungkan struktur natrium·elektrolit padat·tanpa anoda
  • Dengan menggunakan natrium yang melimpah alih-alih litium dan menghilangkan anoda, mereka menurunkan biaya serta beban lingkungan, sekaligus menargetkan keamanan dan keluaran daya melalui desain padat
  • Makalah di Nature Energy menyatakan struktur baru ini menunjukkan siklus stabil selama ratusan kali, dan poin kuncinya adalah menyatukan tiga konsep baterai yang sebelumnya hanya diwujudkan secara terpisah ke dalam satu struktur
  • Kunci desainnya adalah membuat pengumpul arus serbuk aluminium mengelilingi elektrolit, bukan elektrolit yang membungkus pengumpul arus, sehingga tercipta kontak rapat seperti cairan meski tetap berbentuk padat
  • Tim peneliti menilai pendekatan ini sebagai langkah untuk mengurangi kesenjangan skala baterai yang dibutuhkan guna menggantikan bahan bakar fosil, dan telah menyelesaikan pengajuan paten melalui UC San Diego Office of Innovation and Commercialization

Menggabungkan natrium·padat·tanpa anoda dalam satu struktur

  • Laboratory for Energy Storage and Conversion di bawah laboratorium Y. Shirley Meng, UChicago Pritzker Molecular Engineering, telah menciptakan baterai padat natrium tanpa anoda pertama di dunia
  • LESC adalah organisasi kolaboratif antara UChicago Pritzker School of Molecular Engineering dan Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering di UC San Diego
  • Baterai natrium, baterai padat, dan baterai tanpa anoda masing-masing sudah ada, tetapi belum pernah ada contoh yang berhasil menggabungkan ketiga ide tersebut
  • Makalah Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery diterbitkan di Nature Energy, dan struktur baru ini menunjukkan siklus stabil selama ratusan kali

Alasan mengurangi ketergantungan pada litium

  • Litium hanya sekitar 20ppm di kerak bumi, sedangkan natrium sekitar 20,000ppm, sehingga jauh lebih melimpah
  • Seiring meningkatnya permintaan baterai lithium-ion untuk laptop, ponsel, dan kendaraan listrik, harga litium serta tekanan pasokannya meningkat, sehingga semakin sulit mengamankan volume baterai yang dibutuhkan
  • Cadangan litium terkonsentrasi di beberapa wilayah tertentu
    • Lithium Triangle di Chili, Argentina, dan Bolivia memiliki lebih dari 75% pasokan litium dunia
    • Cadangan lainnya berada di Australia, North Carolina, Nevada, dan wilayah lain
  • Ekstraksi litium dapat menimbulkan kerusakan lingkungan karena penggunaan asam industri untuk memecah bijih, atau metode ekstraksi air garam yang memompa air dalam jumlah besar ke permukaan lalu menguapkannya
  • Natrium umum ditemukan di air laut dan dari penambangan soda ash, sehingga dinilai sebagai pilihan bahan baterai yang lebih ramah lingkungan

Apa yang didapat dan hilang dari baterai tanpa anoda

  • Baterai tradisional memiliki anoda yang menyimpan ion selama pengisian, dan saat digunakan ion bergerak dari anoda melalui elektrolit ke katoda, yang berperan sebagai pengumpul arus, untuk memasok daya ke perangkat dan kendaraan
  • Baterai tanpa anoda menghilangkan anoda dan menyimpan ion langsung di atas pengumpul arus dalam bentuk deposisi elektrokimia logam alkali
  • Pendekatan ini memungkinkan tegangan sel lebih tinggi, biaya sel lebih rendah, dan kerapatan energi lebih tinggi, tetapi membuat kontak antara elektrolit dan pengumpul arus menjadi lebih sulit
  • Masalah kontak sangat berbeda tergantung pada jenis elektrolit
    • Elektrolit cair dapat membasahi permukaan dan mengalir ke mana saja sehingga mudah membentuk kontak
    • Elektrolit padat tidak dapat mengalir atau membasahi permukaan dengan cara yang sama
  • Elektrolit cair membentuk akumulasi lapisan antarmuka elektrolit padat dan terus mengonsumsi material aktif, sehingga kegunaan baterai menurun seiring waktu

Desain pengumpul arus dari serbuk aluminium

  • Tim peneliti memilih struktur di mana pengumpul arus mengelilingi elektrolit, bukan elektrolit yang mengelilingi pengumpul arus
  • Pengumpul arus dibuat dari serbuk aluminium, yaitu padatan yang dapat mengalir seperti cairan
  • Selama perakitan baterai, serbuk dipadatkan dengan tekanan tinggi untuk membentuk pengumpul arus padat sambil tetap mempertahankan kontak seperti cairan dengan elektrolit
  • Struktur ini memungkinkan siklus berbiaya rendah dan berefisiensi tinggi, sehingga dapat mendorong pengembangan baterai padat natrium ke depan
  • Baterai padat natrium biasanya dianggap teknologi masa depan yang masih jauh, tetapi hasil kali ini menunjukkan bahwa teknologi tersebut benar-benar dapat bekerja dengan baik dan dapat semakin memacu riset terkait

Memperbesar skala baterai dan arah komersialisasi

  • Menurut Meng, untuk menjalankan Amerika Serikat selama satu jam dibutuhkan produksi energi sebesar 1TWh, dan untuk mendekarbonisasi ekonomi diperlukan baterai dalam skala ratusan TWh
  • Riset ini dinilai sebagai kemajuan ilmiah untuk menutup kesenjangan penskalaan baterai yang dibutuhkan dalam transisi ekonomi global dari bahan bakar fosil
  • Meng membayangkan masa depan penyimpanan energi terbarukan dengan beragam opsi baterai bersih dan murah yang dapat diskalakan sesuai kebutuhan masyarakat
  • Meng dan Grayson Deysher telah menyelesaikan pengajuan paten untuk riset ini melalui UC San Diego Office of Innovation and Commercialization
  • Dukungan riset diberikan melalui Partnerships for Innovation grant no. 2044465 dari National Science Foundation

Bacaan terkait

1 komentar

 
GN⁺ 2024-07-07
Opini Hacker News

  • Harga litium sebenarnya turun 80% selama dua tahun terakhir, jadi bagian ini dalam artikel keliru menurut kondisi saat ini
    “Litium yang umum dipakai dalam baterai tidaklah begitu melimpah. Di kerak bumi terdapat sekitar 20 ppm, sementara natrium 20.000 ppm.
    Kelangkaan ini, ditambah lonjakan permintaan baterai ion litium untuk laptop, ponsel, dan kendaraan listrik, membuat harganya melonjak sehingga baterai yang dibutuhkan makin sulit didapat.”
    Sumber: https://tradingeconomics.com/commodity/lithium
    https://www.bradley.com/insights/publications/2024/02/lithiu...

    • Benar, dan mereka juga mencampuradukkan “jumlah total” dengan cadangan terbukti, sambil melewatkan fakta bahwa orang-orang tidak lagi mencari deposit baru seagresif dulu
      Tapi ini tulisan promosi universitas, jadi memang tipikal: masalah yang mereka hindari dan dampak yang mereka ciptakan sama-sama dibuat terlihat besar
      Pada intinya, baterai tanpa anoda punya banyak karakteristik yang diinginkan, jadi sebagai capaian rekayasa ini patut diperhatikan. Terutama karena materialnya mudah diakses sampai-sampai banyak negara bisa memperoleh bahan baku sendiri dan membuat baterai, dan meski integritas sel rusak, baterai ini tidak gagal secara termal, sehingga lebih cocok untuk mobil dibanding baterai litium saat ini
      Gerbang berikutnya adalah biaya produksi massal, titik di mana banyak inovasi baterai tersandung. Jika bisa diturunkan sampai $1/kWh seperti yang saya lihat kemarin, kita akan melihat banyak baterai seperti ini
    • Jika angka 20 ppm litium dan 20.000 ppm natrium di kerak bumi itu tidak salah, dalam jangka panjang pengadaan natrium jelas tampaknya akan lebih mudah
    • Artikelnya menarik dan desain baterainya juga menarik, tetapi memang benar tim humas universitas cukup melebih-lebihkan “masalah” litium. Itu juga bukan hal yang jarang
    • Ini hanya koreksi sederhana, dan harga litium masih lebih tinggi daripada sebelum COVID
    • Bloomberg NEF memang benar-benar mengatakan bahwa tahun depan kita menuju kelebihan pasokan baterai: https://about.bnef.com/blog/china-already-makes-as-many-batt...
      Mereka memperkirakan bukan sekadar sedikit berlebih, melainkan surplus besar, dan harga akan turun; khususnya baterai baru yang mahal akan sulit bersaing ketika produsen lama menurunkan harga
      Dalam beberapa tahun ke depan, kita akan membuat lebih banyak baterai daripada seluruh yang sudah dibuat sampai sekarang. Produksi meningkat dari sedikit di bawah 1 TWh per tahun menjadi beberapa TWh. Bloomberg NEF memperkirakan permintaan tahun depan sekitar 1,6 TWh/tahun, dan melacak investasi terkait pabrik baru sebesar 7,9 TWh/tahun. Tidak semuanya akan dibangun, tetapi itu kapasitas yang sangat besar dan permintaan litiumnya juga besar. Meski begitu, seperti yang ditunjukkan, harga sedang turun. Karena litium cukup tersedia dan tidak lagi langka
      Litium memang banyak di tempat seperti Chile dan Bolivia, tetapi produsen terbesar sebenarnya adalah Australia. Chile sebentar lagi akan menyerahkan posisi kedua kepada China: https://www.visualcapitalist.com/ranked-the-worlds-largest-l...
      Semua ini bahkan sebelum mempertimbangkan kimia baterai yang tidak memakai litium. Ion natrium saat ini terlihat cukup menjanjikan. Tidak memerlukan litium, kobalt, nikel, dan sebagainya, serta sudah digunakan pada mobil murah dan penyimpanan energi jaringan listrik. Khususnya untuk penyimpanan jaringan listrik, baterai berbasis litium belum tentu pilihan yang paling alami

  • Saya tidak begitu paham listrik, tetapi bukankah agar elektron bisa mengalir diperlukan anoda?
    Di Wikipedia tertulis, “Sebagai gantinya, anoda logam dibuat saat pengisian pertama.”
    Belum sepenuhnya jelas bagi saya, tetapi sepertinya cukup masuk akal

    • Benar, istilah “tanpa anoda” membingungkan karena terdengar seperti tidak ada anoda. Saya memahami bahwa baterai membutuhkan dua elektroda untuk membuat rangkaian tempat arus mengalir
      Kalimat lengkap di Wikipedia adalah “Baterai tanpa anoda (AFB) adalah baterai yang diproduksi tanpa anoda. Sebagai gantinya, anoda logam dibuat saat pengisian pertama”
      Rasanya agak seperti “serverless” ;)
    • Anoda adalah bagian yang dituju ion saat baterai diisi. Jika ingin mengurangi berat semaksimal mungkin, kita bisa membayangkan anoda hanya tersusun dari ion-ion yang benar-benar berpindah ke sisi itu. Itulah arti “tanpa anoda”
      Saat baterai memiliki muatan, sebagian logam natrium berperan sebagai anoda. Saat sepenuhnya habis, natrium sudah berpindah ke katoda sehingga tidak ada anoda
    • Saya juga penasaran mengapa itu menjadi keunggulan
      Saya tidak tahu mengapa kita harus antusias bahwa “anoda logam dibuat saat pengisian pertama”
      Bukan menyindir, ini pertanyaan karena ingin dijelaskan seperti kepada anak 5 tahun

  • Na4MnCr(PO4)3
    Kromium 5 kali lebih melimpah daripada litium di kerak bumi (0,01% vs 0,002%). Memang lebih baik, tetapi tampaknya bukan perbedaan yang luar biasa besar.
    Baterai ion natrium “biasa” yang memakai Prussian blue tampaknya punya keunggulan besar karena tidak menggunakan unsur langka. Akan bagus jika ada perbandingan antara komposisi kimia solid-state ini dan pendekatan biasa.

    • Karena perbedaan geokimia keduanya cukup besar, penambangan kromium jauh lebih mudah meski secara teknis kromium tidak jauh lebih melimpah.
      Energi bebas Gibbs pembentukan oksida kromium dan kromit jauh lebih negatif daripada mineral yang mengandung litium, sehingga senyawa Cr secara termodinamika mudah mengendap dari lelehan dan larutan, membentuk mineral berkonsentrasi tinggi, lalu terdorong naik oleh proses lain. Karena elektron valensi tunggalnya, Li+ relatif sulit membentuk ikatan kuat atau fase mineral yang sangat stabil.
      Selain itu, koefisien difusi spesies Cr dalam magma dan batuan umumnya beberapa orde magnitudo lebih rendah daripada Li. Cr sejak awal terperangkap dan bertahan dalam struktur kristal, sedangkan Li terus bergerak dan berdifusi dalam bentuk mineral yang larut air. Ada juga siklus biogeokimia tempat mikroorganisme dapat memekatkan Cr dalam sedimen.
    • Saya tidak tahu apakah ini bisa dibandingkan 1:1, tetapi situs ini[0] menyebut produksi kromium dunia sebesar 41 juta ton dan litium 180 ribu ton. Artinya rantai pasok sudah ada.
      [0] https://www.statista.com/statistics/598320/mine-production-o...
    • Saya tahu Prussian blue sebagai warna cat, tetapi tidak tahu bagian ini. Materinya menarik, dan lubang kelinci Wikipedia-nya cukup seru.
      https://wikipedia.org/wiki/Prussian_blue
    • Litium bernomor atom 3, dan bersama hidrogen serta helium sudah ada di alam semesta awal dalam kadar yang jauh lebih rendah. Di kerak bumi ada sekitar 20–70 ppm litium.
      Ekstraksinya mungkin merepotkan, tetapi ini bukan bahan yang akan habis.
    • Saya penasaran bagaimana proses pemulihan kromium saat baterai didaur ulang setelah dipakai ratusan siklus.
      Penting juga apakah itu kromium trivalen, kromium heksavalen, atau bentuk lain.
      Chromium > Precautions:
      https://en.wikipedia.org/wiki/Chromium#Precautions

  • Preprint makalahnya ada di sini: https://chemrxiv.org/engage/api-gateway/chemrxiv/assets/orp/...

  • Ungkapan seperti “ekstraksi litium juga merusak lingkungan. Ekstraksi dari air garam mengangkat air dalam jumlah sangat besar ke permukaan lalu mengeringkannya” terasa agak berlebihan.
    Mengangkat air dari dasar danau kering yang hampir tidak memiliki banyak kehidupan lalu menguapkannya termasuk dampak lingkungan yang cukup rendah dalam skala dampak pertambangan. Saya penasaran bagaimana ini dibandingkan dengan ekstraksi natrium.

    • Saya kira masalah utama proyek air garam berbasis evaporasi umumnya adalah penggunaan air yang besar di wilayah yang biasanya kekurangan air. Ada juga teknologi ekstraksi langsung yang lebih baik.
      Natrium bisa diperoleh dengan menguapkan air laut di kolam, tetapi cara ini merusak lahan basah. Di sekitar SF Bay juga ada banyak tempat seperti itu, dan sebagian sedang dipulihkan ke kondisi semula.
    • Ekstraksi air garam punya berbagai masalah, termasuk penggunaan air yang intensif dan polusi udara. Dalam proses ekstraksinya, misalnya, sulfur dioksida dilepaskan.
    • Ada ikhtisar yang merangkum sebagian dampak lingkungannya dengan baik.
      ‘Environmental impact of direct lithium extraction from brines’ (2023) di Nature Reviews Earth & Environment, PDF: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00387-5.pdf
    • Saya setuju ini agak berlebihan, tetapi bagaimanapun natrium dan kromium jauh lebih sederhana untuk digunakan.

  • Tidak ada informasi apa pun tentang densitas energi, volume, dan siklus pengisian.

    • Riset ini membahas teori. Tidak semua hal dalam riset harus langsung praktis. Agar menjadi produk yang masuk pasar, dibutuhkan banyak rekayasa, penyesuaian, dan pengujian.
      Pengumuman ini adalah pencapaian ilmiah, bukan produk jadi untuk konsumen.
    • Menurut artikel, pengujiannya hanya sampai 100 siklus.
      Jadi ini masih tahap eksperimen, dan versi produk kemungkinan besar tidak akan muncul dalam 1 tahun, atau mungkin butuh lebih lama. Produk secara alami akan dispesialisasikan ke berbagai kategori seperti umur pakai, berat, kapasitas, dan sebagainya, sehingga metrik-metrik itu baru bermakna saat itu. Sebelum itu, ini hanyalah hasil eksperimen dengan metrik yang bisa dibandingkan dengan hasil eksperimen sebelumnya.
    • Tertulis “mendemonstrasikan struktur baterai natrium baru yang menunjukkan siklus stabil selama ratusan siklus.” Jadi meski tergantung definisi “stabil”, untuk penyimpanan jaringan listrik ini masih jauh dari cukup.
      Grafiknya menunjukkan densitas sekitar 400 Wh/kg dan sekitar 800 Wh/L. Untuk penyimpanan jaringan listrik, itu angka yang lumayan.
      Makalah https://www.nature.com/articles/s41560-024-01569-9 sayangnya berada di balik paywall.
      Kita lihat saja nanti. Keberhasilan teknologi baterai bergantung pada apakah reaksi permukaan yang kotor dan kompleks selama siklus pengosongan benar-benar reversibel pada ukuran praktis.
    • Pengumuman terobosan baterai yang muncul tiap bulan mulai terasa menjengkelkan. Kali ini sepertinya “ratusan siklus” sudah cukup untuk dipublikasikan.

  • Saya berharap ini benar-benar terobosan, tetapi saya menduga komentar pertama akan menunjukkan hal penting yang tidak bisa dilakukan baterai ini di dunia nyata

    • Pada tingkat yang sangat tinggi, skeptisisme dasar yang perlu dimiliki saat mendengar teknologi baterai solid-state yang terdengar meyakinkan adalah bahwa membuat sel kecil yang bagus untuk ditunjukkan kepada investor tampaknya mudah
      Sebagian besar perusahaan baterai solid-state berbasis litium yang kita dengar selama siklus hype memiliki baterai solid-state dengan jumlah siklus dan densitas yang terlihat bagus, tetapi pada dasarnya ukurannya sebesar baterai jam tangan
      Namun mereka tidak bisa memperbesar skalanya. Artinya mereka tidak bisa membuat baterai besar yang digunakan mobil listrik modern, dan juga tidak bisa memproduksinya secara massal dalam form factor baterai yang dipakai di dunia nyata
      Meski begitu, ini terlihat sangat menjanjikan
    • Ini adalah publikasi makalah dari sebuah kelompok riset yang membahas pendekatan baru. Pertanyaan yang lebih menarik adalah apakah ada faktor yang membuat pemindahan ini ke dunia nyata ternyata lebih mudah dari perkiraan
      Abstraknya ditutup dengan “struktur sel ini menjadi arah masa depan bagi komposisi kimia baterai lain untuk memungkinkan baterai berbiaya rendah, berdensitas energi tinggi, dan berpengisian cepat”. Ini adalah riset dasar dan eksplorasi yang penting
      Suatu saat nanti, universitas benar-benar perlu memikirkan ulang cara mereka mempromosikan riset. Setidaknya, judul yang terbaca seolah berasal dari startup penipu, bukan dari laboratorium, perlu diperhalus

  • Yang penting dalam baterai adalah skala dan total biaya. Sekalipun unsurnya lebih murah, yang penting adalah apakah produk yang dihasilkan jauh lebih baik atau lebih murah daripada standar saat ini. Lihat saja kebangkitan LFP
    Apakah pabrik dan teknologi manufaktur yang sudah ada bisa digunakan, atau harus ditemukan atau dibangun dari awal, juga merupakan poin kunci. Kita sudah mendengar soal baterai solid-state sejak 15 tahun lalu, tetapi belum ada yang muncul dalam skala yang cukup besar
    Jika baterai solid-state lepas landas, kemungkinan pertama-tama akan muncul di penerbangan listrik dan supercar, yang bisa menyembunyikan biaya dalam harga produk yang lebih mahal dan membutuhkan densitas lebih tinggi

  • Jika “siklus stabil selama ratusan siklus”, itu masih kurang satu orde magnitudo dibanding baterai yang layak pakai

    • Apakah makalahnya mengatakan bahwa setelah ratusan siklus baterai ini tidak stabil, atau baru diuji sampai ratusan siklus dan tetap stabil dalam rentang itu? Perbedaan keduanya besar
    • Sel litium-ion biasa pun umumnya memiliki rating 500–1.000 siklus

  • Semoga ini sukses secara komersial sehingga proses kotor untuk membuat dan membangun baterai litium bisa benar-benar hilang
    Saya berharap kita menjadi kurang bergantung pada Tiongkok dan negara-negara dengan praktik ketenagakerjaan yang mencurigakan, seperti pekerja anak atau regulasi keselamatan yang hampir tidak ada

    • Saya sudah melihat terlalu banyak pengumuman akademis yang berlebihan dan tidak pernah sampai ke komersialisasi. Sering kali ada faktor kecil tetapi fatal dalam manufaktur yang terlewat. Ungkapan produksi itu sulit sangat tepat
      Penafian: saya benar-benar berharap baterai-baterai ini berhasil