Para peneliti dari University of Texas di Dallas (UTD) berhasil mengidentifikasi penyebab utama degradasi baterai lithium nickel oxide (LiNiO2), sebuah material yang menjanjikan untuk generasi baru baterai lithium-ion yang lebih tahan lama. Penemuan ini menjadi langkah penting dalam menghilangkan hambatan utama dalam komersialisasi material tersebut.
Mengapa Lithium Nickel Oxide (LiNiO2) Menarik?
Lithium nickel oxide (LiNiO2) adalah salah satu bahan yang dianggap memiliki potensi besar dalam dunia baterai lithium-ion, terutama karena kemampuannya dalam menyimpan energi dalam jumlah besar dan meningkatkan masa pakai baterai. Namun, penggunaannya dalam skala komersial masih terhambat karena material ini cenderung mengalami degradasi setelah mengalami siklus pengisian daya berulang kali.
Tim peneliti UTD menerbitkan hasil penelitian mereka secara online pada 10 Desember 2024 di jurnal Advanced Energy Materials. Mereka kini sedang menguji solusi yang berpotensi mengatasi masalah ini, dengan harapan dapat membawa teknologi baterai LiNiO2 ke pasar.
Penelitian yang Menguak Akar Masalah
Penelitian ini merupakan bagian dari inisiatif Batteries and Energy to Advance Commercialization and National Security (BEACONS), sebuah proyek yang diluncurkan UTD pada tahun 2023 dengan pendanaan sebesar $30 juta dari Departemen Pertahanan Amerika Serikat. BEACONS bertujuan untuk:
- Mengembangkan dan mengkomersialkan teknologi baterai terbaru
- Meningkatkan ketersediaan bahan baku penting dalam negeri
- Melatih tenaga kerja berkualitas di industri penyimpanan energi baterai
Bagaimana Baterai LiNiO2 Mengalami Degradasi?
Dalam penelitian ini, para ilmuwan menggunakan pemodelan komputasi untuk memahami proses kimia yang terjadi selama siklus pengisian daya. Mereka meneliti bagaimana reaksi kimia dan pergerakan elektron mempengaruhi struktur material pada tingkat atomik.
Secara sederhana, baterai lithium-ion bekerja dengan aliran arus listrik dari katoda (elektroda positif) ke anoda (elektroda negatif). Pada saat pengisian daya, ion lithium bergerak ke anoda yang biasanya terbuat dari karbon grafit. Saat baterai digunakan, ion lithium kembali ke katoda melalui elektrolit, menciptakan reaksi elektrokimia yang menghasilkan listrik.
Sebagian besar katoda dalam baterai lithium-ion yang ada saat ini mengandung kobalt, bahan yang mahal dan langka. Oleh karena itu, para ilmuwan mencari alternatif, termasuk menggunakan LiNiO2 sebagai bahan katoda yang lebih ekonomis dan efisien.
Namun, tim peneliti menemukan bahwa LiNiO2 mengalami degradasi karena adanya reaksi kimia yang melibatkan atom oksigen, yang menyebabkan material menjadi tidak stabil dan mengalami retakan.
Solusi: Menguatkan Struktur Material
Setelah memahami penyebab degradasi, tim peneliti mengembangkan solusi teoretis yang dapat memperkuat material LiNiO2. Mereka menyarankan untuk menambahkan ion bermuatan positif (kation) ke dalam struktur material guna membentuk pilar penyangga yang memperkuat katoda dan mencegah kerusakan.
Salah satu peneliti utama dalam studi ini, Matthew Bergschneider, seorang mahasiswa doktoral bidang teknik material, sedang membangun laboratorium berbasis robotika untuk mengembangkan prototipe baterai berbasis konsep ini. Fitur robotik di laboratorium ini memungkinkan sintesis, evaluasi, dan karakterisasi material dilakukan dengan lebih efisien.
Tim akan memproduksi dalam jumlah kecil terlebih dahulu dan menyempurnakan prosesnya, kemudian akan meningkatkan produksi sintesis material dan membuat ratusan baterai per minggu di fasilitas BEACONS.
Masa Depan Baterai Lithium Nickel Oxide
Jika pendekatan ini terbukti efektif, maka LiNiO2 dapat menjadi material utama dalam industri baterai masa depan, terutama dalam aplikasi seperti:
- Smartphone dan perangkat elektronik: Masa pakai baterai lebih lama berarti pengguna tidak perlu sering mengisi daya perangkat mereka.
- Kendaraan listrik (EVs): Dengan baterai yang lebih tahan lama, jarak tempuh kendaraan listrik dapat meningkat dan frekuensi penggantian baterai dapat berkurang.
- Penyimpanan energi terbarukan: Sistem penyimpanan energi berbasis baterai dapat lebih efisien dan ekonomis untuk mendukung infrastruktur energi hijau.
Selain itu, penerapan teknologi ini di sektor industri dan rumah tangga dapat mengurangi ketergantungan terhadap bahan baku yang langka dan mahal, sekaligus mengurangi limbah elektronik yang dihasilkan dari baterai yang cepat rusak. Dengan semakin banyak penelitian yang dilakukan, bukan tidak mungkin kita akan melihat evolusi baru dalam dunia baterai dalam waktu dekat.
Penelitian ini melibatkan beberapa peneliti lainnya, termasuk Fantai Kong PhD’17, Patrick Conlin PhD’22, Dr. Taesoon Hwang, dan Dr. Seok-Gwang Doo dari Korea Institute of Energy Technology.
Tantangan dan Langkah Selanjutnya
Meskipun hasil penelitian ini sangat menjanjikan, masih ada beberapa tantangan yang harus diatasi sebelum teknologi ini bisa diproduksi secara massal. Beberapa di antaranya adalah:
- Skalabilitas produksi: Produksi baterai berbasis LiNiO2 dalam jumlah besar harus dikembangkan secara efisien agar bisa bersaing dengan teknologi yang sudah ada.
- Biaya produksi: Penggunaan material baru dan proses manufaktur yang lebih kompleks bisa meningkatkan biaya produksi, sehingga dibutuhkan inovasi dalam pengurangan biaya.
- Keamanan: Stabilitas baterai sangat penting dalam memastikan penggunaannya aman di berbagai aplikasi, termasuk kendaraan listrik dan perangkat elektronik portabel.
Untuk mengatasi tantangan ini, tim peneliti di UTD berencana untuk bekerja sama dengan industri dalam tahap pengembangan berikutnya. Dengan dukungan dari sektor industri dan pemerintah, mereka optimis bahwa teknologi ini akan segera memasuki pasar dan menjadi solusi untuk kebutuhan energi yang lebih efisien dan ramah lingkungan.
Kesimpulan
Penemuan ini membuka peluang baru bagi pengembangan baterai yang lebih tahan lama dan efisien. Dengan pemahaman yang lebih baik tentang penyebab degradasi LiNiO2 serta solusi inovatif untuk mengatasinya, masa depan baterai lithium-ion tampak semakin cerah.
Jika penelitian ini berhasil dikomersialkan, kita mungkin akan melihat era baru baterai yang lebih kuat, lebih efisien, dan lebih ramah lingkungan. Langkah selanjutnya adalah menguji konsep ini dalam skala industri dan bekerja sama dengan mitra bisnis untuk membawa teknologi ini ke pasar global.
Melalui inovasi seperti ini, kita semakin mendekati masa depan di mana baterai tidak hanya lebih tahan lama, tetapi juga lebih berkelanjutan. Ini bukan hanya tentang meningkatkan teknologi, tetapi juga tentang membangun dunia yang lebih hijau dan efisien dalam penggunaan energi.
Referensi:
[1] https://news.utdallas.edu/science-technology/cho-longer-lasting-batteries-barrier-2024/, diakses pada 19 Februari 2025.
[2] Matthew Bergschneider, Fantai Kong, Patrick Conlin, Taesoon Hwang, Seok‐Gwang Doo, Kyeongjae Cho. Mechanical Degradation by Anion Redox in LiNiO2 Countered via Pillaring. Advanced Energy Materials, 2024; DOI: 10.1002/aenm.202403837
