Peningkatan Umur Baterai Ion Litium Melalui Aditif Elektrolit Baru dengan Retensi Kapasitas 95,6%

Sebuah aditif elektrolit baru telah membantu anoda grafit mempertahankan hingga 95,6% kapasitasnya setelah 1.000 siklus pengisian, menunjukkan kemungkinan untuk memperpanjang umur baterai ion litium tanpa mengubah grafit itu sendiri. Para peneliti dari Universitas Sains dan Teknologi Lanjutan Jepang (JAIST) telah merancang senyawa bernama pentafluorophenyl thiophene imine (FPTI) untuk meningkatkan lapisan pelindung yang terbentuk pada grafit selama beberapa siklus pengisian awal.

Lapisan ini, yang dikenal sebagai Antarmuka Elektrolit Padat (SEI), sangat penting untuk umur baterai. Ini memungkinkan ion litium bergerak antara elektrolit dan elektroda sambil membatasi reaksi kimia yang tidak diinginkan. Ketika SEI menjadi tidak stabil, dapat mengonsumsi litium aktif dan meningkatkan resistansi, mempercepat hilangnya kapasitas. Para peneliti menambahkan FPTI ke elektrolit baterai ion litium konvensional dengan konsentrasi 2 mg dan 4 mg per mililiter. Mereka menemukan bahwa aditif tersebut bereaksi secara preferensial selama siklus awal dan membantu membentuk SEI yang lebih konduktif dan stabil di permukaan grafit.

Pada konsentrasi yang lebih tinggi, resistansi SEI turun dari 7,6 ohm pada kelompok kontrol menjadi 2,2 ohm. Resistansi transfer muatan juga turun dari 41,8 ohm menjadi 19,8 ohm, sementara difusi ion litium meningkat. Para peneliti menemukan bahwa bagian berbeda dari molekul FPTI berkontribusi pada pembentukan lapisan pelindung. Senyawa dari sulfur dan imina dimasukkan ke dalam antarmuka, sementara komponen berfungsinya membantu membentuk lapisan kaya litium fluorida. Profesor Matsui menjelaskan, "Komponen-komponen ini bekerja sama tampaknya mengurangi reaksi parasit dan mendukung pergerakan ion litium yang lancar di antarmuka elektroda-elektrolit."

Dampak FPTI terhadap Kinerja Baterai

Dalam proses siklus yang lama, efek peningkatan menjadi lebih jelas. Baterai grafit dengan 2 mg/ml FPTI mempertahankan 89,4% dari kapasitas maksimumnya setelah 1.000 siklus, sementara yang menggunakan 4 mg/ml mempertahankan 95,6%. Kelompok kontrol tanpa aditif hanya mempertahankan 62,7% dari kapasitas dan mulai menunjukkan kehilangan kapasitas yang signifikan setelah sekitar 350 siklus.

Tim peneliti kemudian menguji apakah metode ini dapat diterapkan pada sel penuh yang menggunakan katoda NMC811 dan anoda grafit. Ini mengungkapkan batasan penting: menambahkan FPTI langsung ke elektrolit sel penuh meningkatkan resistansi katoda dan merusak kinerja. Oleh karena itu, para peneliti hanya menggunakan FPTI untuk pra-pemrosesan anoda grafit. Mereka membentuk SEI yang ditingkatkan selama pra-siklus, kemudian merakit sel penuh dengan elektrolit standar. Perlakuan kimia yang ditargetkan ini secara signifikan meningkatkan densitas energi sel penuh. Sel penuh grafit yang diberi pra-perlakuan dengan 4 mg/ml FPTI mencapai sekitar 233 Wh/kg, sementara yang diberi 2 mg/ml sekitar 192 Wh/kg, dibandingkan dengan hanya sekitar 130 Wh/kg pada kelompok kontrol.

Kegunaan Perlakuan yang Ditargetkan

Hasil ini menyoroti mengapa aditif baterai tidak dapat dievaluasi hanya berdasarkan pengaruhnya terhadap satu elektroda. Suatu zat kimia yang meningkatkan antarmuka grafit-elektrolit mungkin menimbulkan masalah pada katoda, sehingga perlakuan yang ditargetkan mungkin lebih praktis daripada menambahkan senyawa tersebut ke seluruh sel.

Profesor Matsui menyimpulkan, "Secara keseluruhan, pengenalan FPTI secara signifikan meningkatkan kinerja elektrokimia sel setengah grafit." Para peneliti menyatakan bahwa pengujian lebih lanjut pada sel berukuran komersial yang lebih besar dan kondisi operasi yang lebih luas diperlukan untuk menentukan apakah strategi ini dapat ditransfer ke aplikasi baterai praktis. Namun, penelitian ini menunjukkan bagaimana mengontrol permukaan grafit pada tingkat molekuler dapat memperpanjang umur baterai tanpa mengganti bahan anoda yang banyak digunakan. Penelitian ini telah diterbitkan dalam jurnal Energi dan Bahan Bakar.

Item	Spesifikasi
Resistansi SEI	2,2 ohm
Resistansi Transfer Muatan	19,8 ohm
Densitas Energi (4 mg/ml FPTI)	233 Wh/kg
Densitas Energi (2 mg/ml FPTI)	192 Wh/kg
Densitas Energi (Kelompok Kontrol)	130 Wh/kg

Cara Meningkatkan Umur Baterai Tanpa Mengganti Material

Penelitian ini menunjukkan bahwa dengan meningkatkan Antarmuka Elektrolit Padat (SEI) anoda grafit, umur baterai ion litium dapat diperpanjang secara efektif tanpa perlu mengganti bahan anoda yang ada. Pengenalan aditif FPTI tidak hanya meningkatkan retensi kapasitas baterai tetapi juga meningkatkan kinerja elektrokimia baterai. Ini menunjukkan bahwa perlakuan kimia yang ditargetkan dapat mengatasi beberapa batasan desain baterai tradisional, memberikan arah baru untuk pengembangan baterai ion litium di masa depan, terutama dalam konteks mengejar densitas energi yang lebih tinggi dan umur yang lebih panjang.