Para ilmuwan mencari cara untuk melacak apa yang terjadi di dalam baterai

Para ilmuwan mencari cara untuk melacak apa yang terjadi di dalam baterai


Tes baterai: Para ilmuwan mencari cara untuk melacak apa yang terjadi di dalam baterai

  • Kredit: Departemen Energi

    Ilustrasi yang dibuat oleh DOE ini menunjukkan ion dalam baterai lithium-ion yang terisi penuh. Sebuah tim peneliti yang menggunakan APS telah menemukan metode baru untuk secara tepat mengukur pergerakan ion-ion ini melalui baterai.


Masa depan mobilitas adalah mobil listrik, truk, dan pesawat terbang. Tetapi tidak mungkin satu desain baterai dapat memberi daya pada masa depan itu. Bahkan baterai ponsel dan laptop Anda memiliki persyaratan dan desain yang berbeda. Baterai yang kami perlukan selama beberapa dekade mendatang harus disesuaikan dengan penggunaan spesifiknya.

Dan itu berarti memahami dengan tepat apa yang terjadi, seakurat mungkin, di dalam setiap jenis baterai. Setiap baterai bekerja dengan prinsip yang sama: ion, yaitu atom atau molekul dengan muatan listrik, membawa arus dari anoda ke katoda melalui bahan yang disebut elektrolit, dan kemudian kembali lagi. Tetapi pergerakan mereka yang tepat melalui bahan itu, baik cair atau padat, telah membingungkan para ilmuwan selama beberapa dekade. Mengetahui dengan tepat bagaimana berbagai jenis ion bergerak melalui berbagai jenis elektrolit akan membantu para peneliti mencari tahu bagaimana memengaruhi pergerakan itu, untuk membuat baterai yang mengisi dan melepaskan dengan cara yang paling sesuai dengan penggunaan spesifiknya.

“Kami harus menghubungkan titik-titik tersebut sebelumnya, dan sekarang kami dapat mendeteksi ion secara langsung. Tidak ada ambiguitas. ” – Venkat Srinivasan, wakil direktur, Pusat Gabungan Penelitian Penyimpanan Energi, Laboratorium Nasional Argonne

Dalam penemuan terobosan, tim ilmuwan telah mendemonstrasikan kombinasi teknik yang memungkinkan pengukuran ion yang bergerak secara tepat melalui baterai. Menggunakan Advanced Photon Source (APS), Fasilitas Pengguna Sains Kantor Departemen Energi AS (DOE) di DOE’s Argonne National Laboratory, para peneliti ini tidak hanya mengintip ke dalam baterai saat beroperasi, mengukur reaksi secara real time, tetapi juga membuka pintu untuk eksperimen serupa dengan berbagai jenis baterai.

Para peneliti berkolaborasi dalam hasil ini dengan Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), DOE Energy Innovation Hub yang dipimpin oleh Argonne. Makalah tim, yang merinci kecepatan ion litium yang bergerak melalui elektrolit polimer, diterbitkan dalam Ilmu Energi dan Lingkungan.

“Ini adalah kombinasi dari metode eksperimental yang berbeda untuk mengukur kecepatan dan konsentrasi, dan kemudian membandingkan keduanya dengan teori,” kata Hans-Georg Steinrück, profesor di Universitas Paderborn di Jerman dan penulis pertama makalah tersebut. “Kami menunjukkan bahwa ini mungkin, dan sekarang kami akan melakukannya di sistem lain yang sifatnya berbeda.”

Metode tersebut, dilakukan pada beamline 8-ID-I di APS, termasuk menggunakan sinar-X ultra-terang untuk mengukur kecepatan ion yang bergerak melalui baterai, dan sekaligus mengukur konsentrasi ion dalam elektrolit, sementara model baterai habis. Tim peneliti kemudian membandingkan hasilnya dengan model matematika. Hasilnya adalah angka yang sangat akurat yang mewakili arus yang dibawa oleh ion – yang disebut bilangan transpor.

Jumlah transpor pada dasarnya adalah jumlah arus yang dibawa oleh ion bermuatan positif dalam kaitannya dengan arus listrik secara keseluruhan, dan perhitungan tim menyebutkan jumlah itu sekitar 0,2. Kesimpulan ini berbeda dari yang diperoleh dengan metode lain, kata para peneliti, karena sensitivitas cara baru mengukur pergerakan ion ini.

Jumlah transportasi nilai sebenarnya telah menjadi bahan perdebatan di antara para ilmuwan selama bertahun-tahun, menurut Michael Toney, profesor di University of Colorado Boulder dan penulis makalah. Toney dan Steinrück adalah staf ilmuwan di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC DOE ketika penelitian ini dilakukan.

“Cara tradisional untuk mengukur nomor transportasi adalah dengan menganalisis arus,” kata Toney. “Tapi tidak diketahui berapa banyak arus itu yang disebabkan oleh ion lithium dan berapa banyak yang disebabkan oleh hal-hal lain yang tidak Anda inginkan dalam analisis Anda. Prinsipnya mudah, tapi kami harus mengukur dengan akurat. Ini jelas merupakan bukti konsep. “

Untuk percobaan ini, tim peneliti menggunakan elektrolit polimer padat, bukan cairan yang banyak digunakan untuk baterai lithium ion. Seperti dicatat Toney, polimer lebih aman, karena menghindari masalah kemudahbakaran pada beberapa elektrolit cair.

Venkat Srinivasan dari Argonne, wakil direktur JCESR dan penulis makalah, memiliki pengalaman luas dalam memodelkan reaksi di dalam baterai, tetapi ini adalah pertama kalinya dia dapat membandingkan model-model tersebut dengan data waktu nyata tentang pergerakan ion melalui elektrolit. .

“Selama bertahun-tahun kami menulis makalah tentang apa yang terjadi di dalam baterai, karena kami tidak dapat melihat hal-hal di dalamnya,” katanya. “Saya selalu bercanda bahwa apapun yang saya katakan pasti benar, karena kami tidak bisa memastikannya. Jadi selama beberapa dekade kami telah mencari informasi seperti ini, dan ini menantang orang-orang seperti saya yang telah membuat prediksi. ”

Di masa lalu, kata Srinivasan, cara terbaik untuk meneliti cara kerja bagian dalam baterai adalah dengan mengirimkan arus melaluinya dan kemudian menganalisis apa yang terjadi setelahnya. Kemampuan untuk melacak ion yang bergerak secara real time, katanya, menawarkan para ilmuwan kesempatan untuk mengubah gerakan itu agar sesuai dengan kebutuhan desain baterai mereka.

“Kami harus menghubungkan titik-titik tersebut sebelumnya, dan sekarang kami dapat langsung mendeteksi ion-ion tersebut,” katanya. Tidak ada ambiguitas.

Eric Dufresne, fisikawan Argonne’s X-ray Science Division, adalah salah satu ilmuwan APS yang mengerjakan proyek ini. Seorang penulis di atas kertas, Dufresne mengatakan eksperimen tersebut memanfaatkan koherensi yang tersedia di APS, memungkinkan tim peneliti untuk menangkap efek yang mereka cari hingga kecepatan hanya nanometer per detik.

“Ini adalah studi yang sangat teliti dan kompleks,” katanya. “Ini adalah contoh yang bagus dalam menggabungkan teknik sinar-X dengan cara baru, dan langkah yang baik untuk mengembangkan aplikasi di masa mendatang.”

Dufresne dan rekan-rekannya juga mencatat bahwa eksperimen ini hanya akan meningkat setelah APS mengalami pemutakhiran cincin penyimpan elektron yang sedang berlangsung, yang akan meningkatkan kecerahan sinar-X yang dihasilkannya hingga 500 kali lipat.

“Peningkatan APS akan memungkinkan kami untuk mendorong studi dinamis ini menjadi lebih baik daripada mikrodetik,” kata Dufresne. “Kami akan dapat memfokuskan sinar untuk pengukuran yang lebih kecil dan melewati material yang lebih tebal. Peningkatan ini akan memberi kami kemampuan unik, dan kami akan dapat melakukan lebih banyak eksperimen jenis ini. ”

Itu adalah prospek yang menggairahkan tim peneliti. Steinrück mengatakan langkah selanjutnya adalah menganalisis polimer yang lebih kompleks dan bahan lain, dan akhirnya menjadi elektrolit cair. Toney mengatakan dia ingin memeriksa ion dari jenis material lain, seperti kalsium dan seng.

Memeriksa keragaman bahan, kata Srinivasan, akan menjadi penting untuk tujuan akhirnya: baterai yang dirancang secara tepat untuk penggunaan masing-masing.

“Jika kita ingin membuat baterai berenergi tinggi, cepat, aman, dan tahan lama, kita perlu tahu lebih banyak tentang gerakan ion,” katanya. “Kami perlu memahami lebih banyak tentang apa yang terjadi di dalam baterai, dan menggunakan pengetahuan itu untuk merancang material baru dari bawah ke atas.”

Pekerjaan ini didukung sebagai bagian dari Pusat Bersama untuk Penelitian Penyimpanan Energi, Pusat Inovasi Energi yang didanai oleh Kantor Ilmu Energi Departemen Energi AS, Ilmu Energi Dasar.

Baca siaran pers University of Colorado.
Baca siaran pers Universitat Paderborn (dalam bahasa Jerman).

Pusat Bersama untuk Penelitian Penyimpanan Energi (JCESR), Pusat Inovasi Energi DOE, adalah kemitraan besar yang mengintegrasikan para peneliti dari berbagai disiplin ilmu untuk mengatasi hambatan ilmiah dan teknis kritis dan menciptakan terobosan baru teknologi penyimpanan energi. Dipimpin oleh Argonne National Laboratory dari Departemen Energi AS, mitra termasuk para pemimpin nasional dalam sains dan teknik dari akademisi, sektor swasta, dan laboratorium nasional. Keahlian gabungan mereka mencakup seluruh alur pengembangan teknologi dari penelitian dasar hingga pengembangan prototipe hingga rekayasa produk hingga pengiriman pasar.

Tentang Sumber Foton Tingkat Lanjut
Advanced Photon Source (APS) Departemen Energi AS di Laboratorium Nasional Argonne adalah salah satu fasilitas sumber cahaya sinar-X paling produktif di dunia. APS memberikan sinar X-ray kecerahan tinggi kepada komunitas peneliti yang beragam dalam ilmu material, kimia, fisika benda terkondensasi, ilmu kehidupan dan lingkungan, dan penelitian terapan. Sinar-X ini cocok untuk eksplorasi material dan struktur biologis; distribusi unsur; kimia, magnet, keadaan elektronik; dan berbagai macam sistem rekayasa yang penting secara teknologi mulai dari baterai hingga semprotan injektor bahan bakar, yang semuanya merupakan dasar dari kesejahteraan ekonomi, teknologi, dan fisik bangsa kita. Setiap tahun, lebih dari 5.000 peneliti menggunakan APS untuk menghasilkan lebih dari 2.000 publikasi yang merinci penemuan yang berdampak, dan memecahkan struktur protein biologis yang lebih penting daripada pengguna fasilitas penelitian sumber cahaya sinar-X lainnya. Ilmuwan dan insinyur APS berinovasi teknologi yang menjadi jantung dari kemajuan akselerator dan operasi sumber cahaya. Ini termasuk perangkat penyisipan yang menghasilkan sinar-X kecerahan ekstrem yang dihargai oleh para peneliti, lensa yang memfokuskan sinar-X ke beberapa nanometer, instrumentasi yang memaksimalkan cara sinar-X berinteraksi dengan sampel yang sedang dipelajari, dan perangkat lunak yang mengumpulkan dan mengelola sejumlah besar data yang dihasilkan dari penelitian penemuan di APS.

Penelitian ini menggunakan sumber daya dari Advanced Photon Source, US DOE Office of Science User Facility yang dioperasikan untuk DOE Office of Science oleh Argonne National Laboratory di bawah Kontrak No. DE-AC02-06CH11357.

Laboratorium Nasional Argonne mencari solusi untuk menekan masalah nasional dalam ilmu pengetahuan dan teknologi. Laboratorium nasional pertama di negara itu, Argonne, melakukan penelitian ilmiah dasar dan terapan terdepan di hampir setiap disiplin ilmu. Peneliti Argonne bekerja erat dengan para peneliti dari ratusan perusahaan, universitas, dan lembaga federal, negara bagian, dan kota untuk membantu mereka memecahkan masalah spesifik mereka, memajukan kepemimpinan ilmiah Amerika, dan mempersiapkan bangsa untuk masa depan yang lebih baik. Dengan karyawan dari lebih dari 60 negara, Argonne dikelola oleh UChicago Argonne, LLC untuk Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS.

Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS adalah pendukung terbesar penelitian dasar dalam ilmu fisika di Amerika Serikat dan sedang berupaya untuk mengatasi beberapa tantangan paling mendesak di zaman kita. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi https://energy.gov/science.

Diposting Oleh : https://singaporeprize.co/

About the author