Kimiawan mengembangkan katalis baru yang memungkinkan baterai seng-udara beroperasi lebih dari 300 jam

Para kimiawan telah mengungkap rahasia yang berpotensi mengubah baterai seng-udara menjadi sumber daya daya tarik yang dapat diisi ulang secara penuh. Peneliti dari Technical University of Darmstadt mengembangkan bahan komposit multifungsi yang bertujuan mewujudkan teknologi baterai seng-udara yang dapat diisi ulang. Membuat baterai ini dapat diisi ulang selalu menjadi tugas yang sangat menantang, karena mengontrol reaksi kimia internal yang kompleks adalah hambatan teknis utama. Untuk memecahkan masalah ini, tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Jörg Schneider memperlihatkan bahan komposit baru yang terdiri dari besi, nikel, dan karbon, yang mampu menstabilkan proses-proses internal tersebut.

Menariknya, perkembangan ini memungkinkan baterai seng-udara yang dapat diisi ulang beroperasi terus-menerus hingga 300 jam. Tim menyatakan: "Baterai seng-udara sekunder yang dirakit dapat berputar lebih dari 300 jam dalam pengujian pengisian dan pengosongan arus konstan."

Pengembangan Katalis Baru

Baterai seng-udara dengan katalis campuran berkinerja tinggi selama ini beroperasi dengan profil rendah, terutama digunakan untuk produk sekali pakai seperti alat bantu dengar. Baterai-baterai ini memiliki kemampuan penyimpanan energi hingga lima kali lipat baterai lithium-ion, namun karena mengontrol reaksi kimia internal yang kompleks selama pengisian ulang hampir mustahil, baterai ini selalu bersifat sekali pakai. Tim peneliti memecahkan tantangan ini dengan menempelkan partikel spinel skala nano (terdiri dari besi, nikel, dan oksigen) secara kuat pada material karbon yang mengandung nitrogen dan fosfor. Spinel banyak digunakan dalam ilmu material dan teknik elektro karena sifat-sifat uniknya. Material baru ini memanfaatkan sifat-sifat elektrokimia khusus tersebut, berfungsi sebagai katalis internal yang tahan lama.

Pada awalnya, oksida nikel-besi menjadi bahan dasar katalis yang dirancang untuk menggerakkan reaksi oksigen internal baterai seng-udara yang dapat diisi ulang. Namun, katalis-katalis ini menghadapi tantangan aktivitas kimia rendah dan stabilitas buruk, yang membatasi aplikasinya dalam baterai seng-udara yang dapat diisi ulang. Untuk mengatasi ini, peneliti menciptakan katalis campuran yang membungkus kubus-kubus oksida nikel-besi yang sangat kecil di dalam sudut-sudut nano karbon yang didop nitrogen dan fosfor. Cangkang karbon ini menyediakan transport elektron dan massa yang cepat, sambil menciptakan banyak titik reaksi aktif. Struktur ini juga melindungi partikel oksida besi dari pengumpulan atau pelarutan, sehingga membuat katalis lebih tahan lama dan efektif.

Sebagai pengganti baterai lithium, katalis ini menunjukkan kinerja elektrokimia yang mengesankan, dengan potensial setengah gelombang hingga 0,79 V, kemiringan Tafel rendah sebesar 56,5 mV/dec, serta jalur reduksi oksigen empat elektron yang efisien. Saat diuji dalam sel baterai seng-udara utuh, kepadatan daya maksimumnya mencapai 54 mW/cm², hampir dua kali lipat standar 28 mW/cm² pada pengaturan katalis platinum dan platinum standar. Dalam pengujian laboratorium, katalis ini mampu mencapai operasi berkelanjutan hingga 300 jam dengan menstabilkan "titik pertemuan tiga fasa" — interaksi antara katalis padat, elektrolit cair, dan oksigen lingkungan.

Oleh karena itu, material ini mempertahankan kondisi kimia stabil yang diperlukan untuk operasi baterai jangka panjang yang andal.

Kelebihan Baterai Seng-Udara

Teknologi seng-udara memiliki keunggulan signifikan dalam hal biaya, keamanan, dan aplikasi yang dapat diskalakan dibandingkan sistem lithium-ion. Lithium, kobalt, dan nikel menghadapi masalah rantai pasokan yang serius, sedangkan material seperti seng, besi, dan karbon tersedia melimpah dan terjangkau secara global. Selain itu, baterai seng-udara menggunakan elektrolit berbasis air yang tidak mudah terbakar, menghilangkan risiko kebakaran thermal runaway berbahaya yang terkait dengan baterai lithium-ion. Meskipun kepadatan daya sedang membuatnya kurang cocok untuk elektronik konsumen dengan pengisian cepat, kepadatan energinya yang tinggi membuatnya sangat cocok untuk penyimpanan energi jaringan tetap yang mendukung tenaga surya dan angin. Pada akhirnya, baterai seng-udara berskala besar juga berpotensi menjadi sumber daya jarak jauh yang efisien untuk transportasi berat dan kendaraan listrik.