Pada 21 Agustus, Prof. MA Cheng dari Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok (USTC) dan rekan-rekannya mengusulkan strategi efektif untuk mengatasi masalah kontak elektroda-elektrolit yang menghambat pengembangan baterai Li solid-state generasi mendatang. Elektroda komposit solid-state yang dihasilkan dengan cara ini menunjukkan kapasitas dan kinerja laju yang luar biasa.
Mengganti elektrolit cair organik pada baterai Li-ion konvensional dengan elektrolit padat dapat sangat mengurangi masalah keamanan, dan berpotensi memecahkan "batas kaca" untuk peningkatan kepadatan energi. Namun, material elektroda yang umum digunakan juga berupa padatan. Karena kontak antara dua padatan hampir mustahil sedekat kontak antara padat dan cair, saat ini baterai berbasis elektrolit padat biasanya menunjukkan kontak elektroda-elektrolit yang buruk dan kinerja sel penuh yang kurang memuaskan.
"Masalah kontak elektroda-elektrolit pada baterai solid-state agak mirip dengan tongkat terpendek pada tong kayu," ujar Prof. MA Cheng dari USTC, penulis utama studi ini. "Sebenarnya, selama bertahun-tahun ini para peneliti telah mengembangkan banyak elektroda dan elektrolit padat yang unggul, tetapi kontak yang buruk di antara keduanya masih membatasi efisiensi transportasi ion Li."
Untungnya, strategi MA dapat mengatasi tantangan berat ini. Penelitian dimulai dengan pemeriksaan atom demi atom terhadap fase pengotor dalam prototipe elektrolit padat berstruktur perovskit. Meskipun struktur kristal antara pengotor dan elektrolit padat sangat berbeda, keduanya teramati membentuk antarmuka epitaksial. Setelah serangkaian analisis struktural dan kimia yang terperinci, para peneliti menemukan bahwa fase pengotor bersifat isostruktural dengan elektroda berlapis kaya Li berkapasitas tinggi. Artinya, prototipe elektrolit padat dapat mengkristal pada "templat" yang dibentuk oleh kerangka atom elektroda berkinerja tinggi, sehingga menghasilkan antarmuka yang sangat mirip secara atom.
"Ini sungguh mengejutkan," ujar penulis pertama LI Fuzhen, yang saat ini merupakan mahasiswa pascasarjana USTC. "Keberadaan pengotor dalam material sebenarnya merupakan fenomena yang sangat umum, begitu umum sehingga seringkali diabaikan. Namun, setelah mengamatinya lebih dekat, kami menemukan perilaku epitaksial yang tak terduga ini, dan hal ini secara langsung menginspirasi strategi kami untuk meningkatkan kontak antara benda padat."
Dibandingkan dengan pendekatan pengepresan dingin yang umum diadopsi, strategi yang diusulkan oleh para peneliti dapat mewujudkan kontak yang menyeluruh dan mulus antara elektrolit padat dan elektroda pada skala atom, seperti yang tercermin dalam gambar mikroskop elektron resolusi atom. (Disediakan oleh tim MA.)
Memanfaatkan fenomena yang diamati, para peneliti sengaja mengkristalkan bubuk amorf dengan komposisi yang sama dengan elektrolit padat berstruktur perovskit pada permukaan senyawa berlapis kaya Li, dan berhasil mewujudkan kontak yang menyeluruh dan mulus antara kedua material padat ini dalam sebuah elektroda komposit. Dengan diatasinya masalah kontak elektroda-elektrolit, elektroda komposit padat-padat tersebut menghasilkan kemampuan laju yang bahkan sebanding dengan elektroda komposit padat-cair. Lebih penting lagi, para peneliti juga menemukan bahwa jenis kontak padat-padat epitaksial ini dapat menoleransi ketidaksesuaian kisi yang besar, sehingga strategi yang mereka usulkan juga dapat diterapkan pada banyak elektrolit padat perovskit dan elektroda berlapis lainnya.
"Penelitian ini menunjukkan arah yang layak untuk ditindaklanjuti," ujar MA. "Menerapkan prinsip yang diangkat di sini pada material penting lainnya dapat menghasilkan kinerja sel yang lebih baik dan sains yang lebih menarik. Kami menantikannya."
Para peneliti bermaksud melanjutkan eksplorasi mereka dalam arah ini, dan menerapkan strategi yang diusulkan ke katoda berkapasitas tinggi dan berpotensi tinggi lainnya.
Penelitian ini dipublikasikan di Matter, jurnal unggulan Cell Press, dengan judul "Kontak Atom yang Intim antara Elektrolit Padat dan Elektroda untuk Baterai Li". Penulis pertama adalah LI Fuzhen, mahasiswa pascasarjana USTC. Kolaborator Prof. MA Cheng antara lain Prof. NAN Ce-Wen dari Universitas Tsinghua dan Dr. ZHOU Lin dari Laboratorium Ames.
(Sekolah Kimia dan Ilmu Material)
Tautan makalah: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Waktu posting: 03-Jun-2019