Orang-orang biasanya terbiasa menyebut kemajuan teknologi yang lambat dan kecil sebagai "pasta gigi meremas". Intel dijuluki "pabrik pasta gigi" oleh para netizen karena kecepatan update produk dan peningkatan performa. Faktanya, produk yang memainkan peran penting dalam baterai lithium kehidupan sehari-hari masyarakat, kinerja teknisnya juga ditingkatkan dalam "pasta gigi".
"Bapak baterai litium" John B. Goodenough (John B. Goodenough), dengan penuh kasih disebut "orang tua yang cukup baik" oleh para pengikut Cina. Pada tahun 2019, ia memenangkan Hadiah Nobel Kimia pada usia 97 tahun atas prestasinya di bidang baterai lithium-ion.
Namun, Gudinaf sangat tidak puas dengan kenyataan bahwa kepadatan energi baterai lithium meningkat sekitar 7% -8% setiap tahun, Yang Anda butuhkan adalah langkah kecil, bukan peningkatan sedikit. Dan yang menurutnya paling banyak. Ini mungkin muncul dalam teknologi baterai semua-solid-state. Baru-baru ini, sebuah studi yang dipimpin oleh Massachusetts Institute of Technology (MIT) dan partisipasi Gudinaf dalam kerja sama akan membantu menyelesaikan "langkah kecil" ini dan mendorong lahirnya baterai dengan kapasitas yang lebih besar dan masa pakai baterai yang lebih lama. .
Penelitian ini didasarkan pada tujuan jangka panjang yang dikejar oleh bidang baterai yaitu menggunakan litium logam murni sebagai elektroda negatif baterai. Dibandingkan dengan baterai lithium-ion tradisional yang menggunakan elektrolit organik, baterai solid-state jauh lebih aman. Dengan menggunakan litium logam sebagai pengganti grafit sebagai elektroda negatif, kepadatan energi dapat ditingkatkan secara signifikan, yang membuat baterai solid-state terlihat sangat menjanjikan dalam banyak aplikasi. Seorang ilmuwan di bidang penelitian baterai berkata: "Ini adalah Cawan Suci. Kerapatan energi logam litium adalah yang tertinggi di antara semua bahan."
Konsep elektroda baru berasal dari laboratorium Li Ju, profesor sains dan teknik nuklir, sains dan teknik material di MIT Battelle Energy Alliance. Majalah "Nature" baru-baru ini menerbitkan artikel dengan rekan postdoctoral Li Ju, Chen Yuming dan Wang Ziqiang sebagai penulis pertama, bersama dengan yang lainnya di Massachusetts Institute of Technology, Fujian Normal University, Hong Kong Polytechnic University, University of Texas di Austin, dan Central Florida. Sebuah artikel yang diselesaikan bersama oleh para peneliti dari Universitas dan Universitas Sydney, Australia.
Desain yang diperkenalkan dalam artikel ini merupakan salah satu bagian penting dalam pengembangan konsep "baterai solid-state" yang aman dan andal, yang memungkinkan orang untuk membuang bahan elektrolit-cair atau gel polimer yang umum digunakan. Selain itu, semua elektrolit padat lebih aman daripada elektrolit cair: karena elektrolit cair memiliki volatilitas yang tinggi, ini juga menjadi sumber ledakan baterai lithium.
Gambar | Penelitian MIT akan meningkatkan kehidupan dan kepadatan energi baterai masa depan (Sumber: MIT News)
Elektroda sarang lebah secara cerdik mengatasi masalah stres
"Baterai semua-solid-state berarti tidak ada cairan ionik, koloid atau komponen cair di dalamnya." Li Ju mengatakan pada DeepTech. "Untuk penelitian baterai solid-state, seperti elektroda logam litium dan elektrolit padat, kami telah melakukan banyak hal. Bekerja. Tetapi upaya ini telah menghadapi banyak masalah. "
Salah satu masalah terbesar adalah ketika baterai terisi penuh, atom akan menumpuk di dalam logam litium, menyebabkannya mengembang. Kemudian, saat baterai digunakan, logam akan menyusut kembali selama proses pengosongan. Perubahan berulang dalam ukuran logam ini mirip dengan perubahan rongga dada saat seseorang bernafas, sehingga menyulitkan benda padat untuk mempertahankan kontak stabil jangka panjang, dan meningkatkan kemungkinan pecah atau pemisahan elektrolit padat.
Masalah lain yang mengganggu R&D adalah bahwa elektrolit padat yang diusulkan sebelumnya memiliki stabilitas kimia yang buruk saat bersentuhan dengan logam lithium yang sangat reaktif. Mereka biasanya menurun perlahan seiring waktu.
Dalam proses mencoba mengatasi masalah ini, para peneliti di masa lalu lebih fokus pada perancangan bahan elektrolit padat yang benar-benar stabil untuk logam litium, tetapi ini terbukti sangat sulit. Tidak seperti penelitian sebelumnya, tim peneliti Li Ju mengambil pendekatan berbeda dan mengadopsi metode desain yang tidak biasa. Mereka menggunakan dua jenis bahan yang benar-benar stabil secara kimiawi saat bersentuhan dengan litium- "Mixed Ion Electronic Conductor" (MIEC) dan "Electronic and Lithium Ion Insulator" (ELI).
Gambar | Konduktor elektronik ion campuran (MIEC) sebagai "inang" litium tiga dimensi (Sumber: Chen Yuming)
Padatan dapat dibedakan menjadi empat kategori dari sudut pandang ion konduksi dan elektron konduksi, yaitu logam (elektron konduksi, ion non konduktor), elektrolit padat (elektron non konduktor, ion konduksi), MIEC (elektron konduksi, ion konduksi), ELI ( Elektron non-konduktor, ion non-konduktor). Dari pertimbangan kestabilan elektrokimia dan kestabilan mekanik, kami menemukan bahwa semua solid-state battery harus menggunakan keempat tipe tersebut, tegas Li Ju. Selain itu, peran ELI adalah untuk mengisolasi jalur MIEC dari elektrolit padat, dan untuk memperbaiki jalur MIEC dalam elektrolit padat.
Para peneliti telah mengembangkan struktur nano tiga dimensi dari susunan sarang lebah heksagonal tabung MIEC, dan bagian dari struktur tersebut disuntikkan dengan logam litium padat untuk membentuk elektroda baterai, tetapi setiap tabung memiliki ruang ekstra. Saat lithium mengembang selama proses pengisian, ia akan tetap mempertahankan struktur kristal padatnya sambil tetap mengalir ke area kosong di dalam tabung seperti cairan. Aliran semacam ini benar-benar terbatas dalam struktur sarang lebah, yang dapat mengurangi tekanan saat pengisian menyebabkan ekspansi, dan tidak akan mengubah dimensi eksternal elektroda atau batas antara elektroda dan elektrolit. Seperti yang dijelaskan Profesor Li Ju, ELI adalah perekat mekanis utama antara dinding luar MIEC dan lapisan elektrolit padat.
Struktur yang kami rancang dapat menyediakan elektroda tiga dimensi seperti sarang lebah. Li Ju berkata, Kekosongan di setiap tabung struktur ini memungkinkan lithium untuk 'menyemprotkan' ke dalam tabung. Dengan cara ini, ia tidak akan Stres menumpuk dan elektrolit padat pecah. Litium dalam tabung ini mengembang dan berkontraksi, dan bergerak maju mundur, seperti piston dalam silinder di mesin mobil. Karena struktur ini dibangun dalam dimensi skala nano (diameter tabung) Itu antara 100 nanometer dan 300 nanometer, dan tingginya puluhan mikrometer), jadi hasilnya seperti mesin dengan 10 miliar piston, menggunakan litium logam sebagai fluida kerja. "
Gambar | Dalam pipa dengan diameter dalam sekitar 100 nanometer, litium mengembang dan menyusut (sumber: Chen Yuming)
Sasaran: lebih ringan, lebih murah, dan lebih aman
Faktanya, ada banyak arah berbeda di bidang penelitian baterai lithium. Sederhananya, ada yang bersikeras untuk mengoptimalkan berdasarkan baterai lithium saat ini, ada yang menggunakan elektrolit cair untuk mengembangkan baterai logam litium baru, dan ada juga yang penelitian "baterai semi padat" - biasanya mengacu pada penggunaan elektrolit padat di satu sisi elektroda, dan Elektroda lainnya masih menggunakan elektrolit cair. Namun, sebagian besar upaya pada baterai semi-padat didasarkan pada pertimbangan aplikasi komersial yang cepat. Sebagai contoh, Toyota telah menetapkan tujuannya untuk mengembangkan baterai semua-solid-state untuk mobil listrik, tetapi juga menyatakan bahwa ia akan memasuki pasar secara bertahap mulai dari "baterai semi-padat".
Orang dalam industri memperkirakan bahwa industrialisasi baterai solid-state akan sama dengan rute pengembangan teknis baterai lithium terner, yang akan dibagi menjadi beberapa tahap dan tidak akan selesai dalam semalam. Hal ini membutuhkan terobosan teknologi dan pengurangan biaya yang berkelanjutan sebelum akhirnya dapat keluar dari laboratorium dan digunakan secara luas. Setelah disadari, secara teori, baterai semua-solid-state dapat menggantikan hampir semua baterai lithium-ion saat ini, dari ponsel hingga laptop hingga kendaraan listrik. Sebagai perwakilan dari baterai generasi berikutnya, baterai all-solid-state diharapkan dapat meningkatkan jangkauan kendaraan listrik di masa depan, dan benar-benar mempromosikan popularisasi besar-besaran kendaraan listrik.
Mengenai perkembangan keseluruhan dari baterai solid-state, Li Ju berkata: Baterai solid-state "semi" yang menggunakan cairan ionik atau koloid sangat dekat dengan industrialisasi. Sedangkan untuk all-solid-state battery, jika ditujukan untuk aplikasi high-current seperti kendaraan, menurut saya pribadi masih jauh dari skala industri. Ada kebutuhan untuk lebih meningkatkan teknologi dan biaya pengendalian.
Meskipun banyak tim peneliti lain juga mengerjakan apa yang disebut baterai solid-state, sebagian besar sistem ini sebenarnya bekerja lebih baik dengan elektrolit cair tertentu yang dicampur dengan bahan elektrolit padat. "Tapi dalam penelitian kami, semuanya benar-benar padat, tidak ada cairan atau gel di dalamnya. Dan sejauh yang kami tahu, kinerja desain struktur luar biasa di semua baterai solid-state," kata Li Ju.
(Sumber: Pixabay)
Baik MIEC dan ELI yang dibutuhkan dalam desain benar-benar stabil secara termodinamika terhadap logam litium. Li Ju mengatakan bahwa bahan MIEC banyak pilihan, dan ada lebih dari 30 pilihan bahan ELI. Rel MIEC 100 nanometer berbentuk sarang lebah ini memastikan bahwa logam litium tidak akan terlepas dari kontak listrik dan kontak ionik, tidak akan membentuk "litium mati", dan tidak akan mengalami reaksi samping untuk membentuk film pasif. 'Akar' atau lapisan ELI memperbaiki jalur MIEC di lapisan elektrolit padat. "
Sebelumnya, tim peneliti juga menghadapi tantangan yang berat. "Jalur MIEC tidak dapat langsung bersentuhan dengan elektrolit padat, karena logam litium akan mengendap di antarmuka selama pengisian; dan logam litium sangat lunak, sehingga dengan sedikit tekanan, jalur MIEC akan ditarik keluar dari elektrolit padat." Li Ju berkata, "Untuk mengatasi masalah ini, kami telah melakukan banyak upaya."
Desain saat ini memungkinkan seluruh baterai solid-state menjaga stabilitas mekanis dan kimiawi selama siklus hidup. "Kami telah membuktikan ini melalui eksperimen. Kami membiarkan peralatan uji melewati 100 siklus pengisian dan pengosongan di tempat, di mana tidak ada pipa padat yang pecah ditemukan di bawah mikroskop elektron transmisi di tempat." Penulis pertama makalah ini, Chen Yuming dan Wang Ziqiang, menambahkan Tao.
Dengan kapasitas penyimpanan yang sama, desain baru tim Li Ju dapat menghasilkan baterai yang lebih aman, dan berat elektroda negatif hanya 1/4 dari baterai lithium-ion tradisional. Jika tipe baru dari struktur elektroda negatif ini digabungkan dengan konsep desain baru dari elektroda cahaya lain (elektroda positif), berat keseluruhan dari baterai lithium-ion bisa sangat berkurang. Tim berharap di masa depan, perangkat pintar dapat diisi dayanya setiap tiga hari tanpa membuatnya lebih besar.
Penelitian tentang anoda juga merupakan proyek yang sedang dilakukan oleh tim lain yang dipimpin oleh Li Ju.Tim sebelumnya menerbitkan makalah di jurnal Nature Energy, yang menjelaskan desain katoda baru dan lebih ringan. . Desain material katoda ini akan sangat mengurangi penggunaan logam transisi sebelumnya, seperti nikel dan kobalt (mahal dan beracun). Sebaliknya, ia lebih mengandalkan kapasitas redoks oksigen, karena oksigen jauh lebih ringan dan lebih melimpah.
Tetapi selama reaksi, ion oksigen menjadi lebih cair, yang dapat menyebabkannya lepas dari partikel elektroda positif. Para peneliti menggunakan garam cair untuk mengolah permukaan bersuhu tinggi, membentuk lapisan pelindung pada permukaan partikel oksida logam yang kaya akan mangan dan litium, sehingga sangat mengurangi hilangnya oksigen. Saat ini, peralatan yang diproduksi oleh tim masih dalam skala laboratorium kecil, tetapi Li Ju berkata: Saya berharap skalanya dapat diperluas dengan cepat. Bahan (kebanyakan mangan) yang dibutuhkan lebih murah daripada nikel atau kobalt yang digunakan di sistem lain. Oleh karena itu, biaya katoda ini bisa serendah 1/5 dari katoda tradisional. "
Gambar | Tangkapan layar makalah di Nature, "Cukup Baik" Ayah dan Profesor Li Ju berada di akhir nama banyak penulis (Sumber: Li Ju)
Di akhir wawancara, berbicara tentang kerja sama dengan orang tua yang "cukup baik", Li Ju berkata: "Tim eksperimen saya dan Tuan Goodenough telah menerbitkan dua artikel bersama. Merupakan kehormatan bagi kami untuk bekerja sama dengan orang tua itu."
Legenda dan warisan MIT
Li Ju adalah seorang sarjana terkenal di bidang material komputasi yang berkomitmen pada penelitian komputasi multi skala pada properti material, terutama dalam simulasi atom dari perilaku mekanik material dan telah membuat banyak terobosan penting.
Li Ju telah terpesona oleh teori fisika sejak dia masih kecil, dan dia telah menunjukkan antusiasme dan minat yang lebih besar dalam belajar. Dia menyelesaikan sekolah dasar dan menengah pertama selangkah demi selangkah. Setelah masuk sekolah menengah, gurunya mencoba membujuk Li Ju untuk mengikuti ujian kelas remaja setelah hanya satu tahun di sekolah menengah. Dari sudut pandang guru, cadangan pengetahuan Li Ju jauh di luar lingkup sekolah menengah, dan harganya dua tahun lagi. Masa sekolah menengah tahun 2015 tidak diragukan lagi adalah pemborosan bakat. Didorong oleh gurunya, Li Ju mengikuti ujian masuk Universitas Sains dan Teknologi China pada tahun 1990 dan berhasil masuk ke Kelas Junior Universitas Sains dan Teknologi China.
Gambar | Profesor Li Ju (Sumber: MIT News)
Pada tahun 1994, Li Ju memasuki jurusan teknik nuklir MIT dan menerima gelar doktor pada tahun 2000. Perlu disebutkan bahwa selama studinya di MIT, Li Ju secara sukarela mengambil beberapa kali lipat dari jumlah mata kuliah yang diperlukan untuk kelulusan doktor (setidaknya diperlukan 9 mata kuliah pada saat itu). Setelah lulus doktor, Li Juxiu menyelesaikan 40 program studi doktoral yang tersebar di 8 jurusan, yang lebih luar biasa adalah nilai-nilainya semuanya (IPK 5.0). Sebuah analogi sederhana setara dengan menyelesaikan empat gelar doktor, yang telah menjadi legenda MIT.
Setelah lulus dari Ph.D., ia melanjutkan penelitian pascadoktoral di MIT, dan kemudian menjabat sebagai asisten profesor di Ohio State University dari 2002 hingga 2007, dan profesor di University of Pennsylvania dari 2007 hingga 2011. Pada tahun 2011, Li Ju kembali ke MIT dan menjabat sebagai profesor penuh bersama di Departemen Ilmu dan Teknik Nuklir dan Departemen Ilmu dan Teknik Material.
Li Ju memenangkan Penghargaan Ilmuwan Muda Luar Biasa dari Masyarakat Material tahun 2006, Penghargaan "MIT Technology Review" tahun 2007 "global" 35 inovasi ilmiah dan teknologi di bawah 35 ", dan Penghargaan" Robert Lansing Hardy "dari Perkumpulan Logam, Mineral, dan Ilmu Material Amerika (TMS) tahun 2009 . Pada tahun 2014, ia terpilih sebagai anggota Thomson Reuters Global Highly Cited Scientists, serta rekan dari American Physical Society (APS), dan anggota Material Research Society (MRS) pada tahun 2017.
Gambar | Chen Yuming dan Goodenough (Sumber: Chen Yuming)
Salah satu penulis pertama makalah Nature, Chen Yuming, saat ini terlibat dalam penelitian post-doktoral di kelompok Li Ju. Arah penelitiannya adalah desain, persiapan, karakterisasi in-situ, dan penelitian teoritis bahan dan perangkat penyimpanan energi elektrokimia. Ia lulus dari Universitas Normal Fujian dengan gelar sarjana dan gelar master, di bawah asuhan Profesor Qinghua Chen, dan menerima gelar doktor dari Universitas Politeknik Hong Kong pada tahun 2014. Pembimbing doktoralnya adalah Profesor Mi Yaorong dan Profesor Zhou Limin.
Selama periode Ph.D., Chen Yuming adalah seorang profesor tamu dalam kelompok penelitian Profesor John Goodenough di University of Texas di Austin. Sejauh ini, ia telah menerbitkan 47 makalah akademis internasional, termasuk 29 makalah sebagai penulis pertama atau penulis koresponden, di antaranya Nature, Science Advances, Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed ., Lingkungan Energi. Sci. Dll.
Gambar | Wang Ziqiang (Sumber: I)
Penulis pertama lainnya, Wang Ziqiang, lulus dari Departemen Fisika Universitas Tsinghua dengan gelar sarjana, dan kemudian mempelajari mikroskop elektron di bawah bimbingan Profesor Zhu Jing dari Universitas Tsinghua. Setelah lulus master, ia melanjutkan ke MIT untuk belajar dan belajar di bawah Li Ju.Pada tahun 2019, ia memperoleh gelar Ph.D. Saat ini, ia melanjutkan penelitian pasca doktoralnya di laboratorium Li Ju, dengan arah penelitian utamanya adalah mikroskop elektron in-situ dan baterai litium.
- Lin Qingxuan, perusahaan kosmetik terkemuka: Uang tunai di pembukuan hanya dapat bertahan 67 hari, menunggu secara konservatif atau berisiko mengalami transformasi?
- Melihat tweet terbaru Trump untuk memberikan penghormatan kepada China, pejabat Kedutaan Besar AS di China diam-diam "berubah"?
- Jangan panik! Musim semi anti-epidemi membajak dengan kedua tangan, "kantong beras" kami stabil dengan harga penuh
- Rekor pembiayaan startup AI global tahun lalu: mencapai lebih dari 26,6 miliar dolar AS dan lebih dari 2.200 transaksi
- Pemburu virus terkenal di dunia dan lainnya membantah rumor bahwa "virus mahkota baru adalah buatan manusia", surat terbuka edisi teratas untuk mendukung China
- Analisis kasus COVID-19 terbesar sejauh ini yang dikeluarkan oleh Pusat Pengendalian dan Pencegahan Penyakit China: Deskripsi pertama dari kurva epidemi pneumonia
- Apakah obat potensial pneumonia koroner baru pertama disetujui untuk dipasarkan? Favipiravir hanyalah obat generik yang belum diverifikasi secara klinis
- Kaca membuat sensor optik "konyol", Google AI membantu robot mengenali objek transparan dengan lebih baik