- Ilmuwan Tiongkok mengembangkan katalis fluorografi, meningkatkan efisiensi baterai zinc-air hingga sekitar 98%.
- Baterai ini tetap mempertahankan efisiensi 97,6% setelah 1.500 siklus pengisian dan pengosongan.
- Baterai zinc-air dianggap sebagai alternatif yang menjanjikan untuk baterai lithium-ion karena densitas energinya yang tinggi dan biaya yang rendah.
- Hasil penelitian ini dapat memberikan strategi baru untuk katalis karbon yang tidak bergantung pada logam.
Ilmuwan Tiongkok baru-baru ini mengembangkan sebuah katalis grafena yang dapat meningkatkan efisiensi baterai zinc-air hingga sekitar 98% dan membuatnya beroperasi lebih dari 820 jam. Katalis elektrokatalis fluorografi (FG-3) ini mengandung 3,1% fluor, dan dikembangkan oleh tim yang dipimpin oleh Dr. Wen Zhenhai dan Dr. Huang Junheng dari Institut Penelitian Struktur Materi Provinsi Fujian. Menurut para ilmuwan, katalis grafena ini dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi dan daya tahan baterai zinc-air. Dalam pengujian laboratorium, baterai ini mencapai efisiensi bolak-balik yang mengesankan sebesar 98% dan beroperasi stabil lebih dari 820 jam dalam udara pada suhu kamar.
Selain itu, setelah 1.500 siklus pengisian dan pengosongan, baterai ini tetap mempertahankan efisiensi 97,6%. Dr. Wen dan Dr. Huang percaya bahwa hasil penelitian ini dapat mengarah pada sistem penyimpanan energi generasi berikutnya yang lebih baik dan lebih efisien.
Keunggulan dan Tantangan Baterai Zinc-Air
Baterai zinc-air (ZABs) menghasilkan listrik dengan memanfaatkan logam zinc dan oksigen dari udara sekitar, di mana logam zinc berfungsi sebagai elektroda negatif dan oksigen bereaksi di elektroda positif. Karena kemampuannya untuk menyimpan lebih banyak energi, baterai zinc-air dianggap sebagai alternatif yang menjanjikan untuk baterai lithium-ion. Selain itu, sumber daya zinc melimpah, biaya relatif rendah, dan memiliki densitas energi yang tinggi. Namun, hingga saat ini, baterai zinc-air hampir tidak dapat diisi ulang. Hal ini terutama disebabkan oleh reaksi kimia kompleks yang terjadi selama proses pengisian dan pengosongan, yang memerlukan banyak energi, sehingga mengurangi efisiensi baterai zinc-air dan mempercepat keausan material.
Untuk mengatasi tantangan ini, peneliti Tiongkok beralih ke reaksi dua elektron yang melibatkan oksigen dan hidrogen peroksida, yang memiliki kecepatan lebih cepat dan reversibilitas yang lebih baik.
Pembuatan dan Kinerja Fluorografi
Tim menyatakan, “Jalur konversi O2-H2O2 dua elektron (2e-) semakin mendapat perhatian karena kinetika intrinsiknya yang lebih cepat dan reversibilitas yang lebih baik.” Untuk memproduksi fluorografi, mereka menerapkan proses pemanasan terkontrol yang secara bertahap menghilangkan fluor dari material sambil memulihkan struktur karbon konduktifnya. Proses pemanasan terkontrol ini membantu tim menciptakan beberapa sampel grafena dengan konsentrasi fluor yang berbeda. FG-3 menunjukkan kinerja terbaik karena dapat menghantarkan listrik lebih efektif dan mempercepat reaksi kimia. Material ini juga memiliki luas permukaan yang besar, distribusi fluor yang merata, dan interaksi elektrolit yang ditingkatkan.
Lebih banyak pengujian menunjukkan bahwa ikatan fluor-karbon mengubah sifat listrik atom karbon di sekitarnya.
Untuk lebih mengevaluasi kinerjanya, tim penelitian menguji katalis ini dalam baterai zinc. Hasil pengujian menunjukkan bahwa katalis grafena FG-3 berkinerja sangat baik, mencapai selektivitas hidrogen peroksida sebesar 97,4% dan efisiensi Faradaic sebesar 98%. Baterai zinc-air yang tidak dapat diisi ulang yang dibuat dengan katalis ini mencapai kepadatan daya puncak sebesar 569 miliwatt per sentimeter persegi (mW cm-2). Sementara itu, versi yang dapat diisi ulang mencapai efisiensi bolak-balik sebesar 98%. Setelah sekitar 1.500 siklus pengisian, baterai ini tetap mempertahankan efisiensi 97,6% dan beroperasi stabil lebih dari 820 jam dalam udara normal.
Arah Pengembangan Katalis di Masa Depan
Menurut para ilmuwan, temuan ini dapat memberikan strategi baru untuk pembuatan katalis karbon yang tidak bergantung pada logam. Tim merangkum dalam siaran pers, “Katalis ini memungkinkan konversi O2-H2O2 yang sangat reversibel, dan menunjukkan kinerja luar biasa dalam baterai berbasis zinc.” Penelitian ini telah diterbitkan di jurnal Angewandte Chemie International Edition.
Item Spesifikasi Konsentrasi Fluor 3,1% Efisiensi Bolak-Balik 98% Waktu Operasi Lebih dari 820 jam Siklus Pengisian dan Pengosongan 1.500 kali Selektivitas Hidrogen Peroksida 97,4% Kepadatan Daya Puncak 569 mW/cm²
Potensi dan Aplikasi Katalis Fluorografi
Pengembangan katalis fluorografi menandai terobosan besar dalam teknologi baterai zinc-air, karena dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi dan daya tahan baterai. Keunggulan baterai zinc-air terletak pada densitas energinya yang tinggi dan biaya yang rendah, menjadikannya pesaing kuat bagi baterai lithium-ion. Namun, efisiensi pengisian dan pengosongan baterai zinc-air tradisional yang rendah membatasi aplikasi praktisnya. Katalis yang baru dikembangkan ini tidak hanya meningkatkan kinerja baterai, tetapi juga memberikan ide baru untuk desain katalis di masa depan, terutama dalam konteks yang tidak bergantung pada logam, yang dapat mendorong solusi energi yang lebih ramah lingkungan.