Antarmuka graphene baru membuat baterai lithium-sulfur tetap beroperasi selama 1.000 siklus
Para peneliti telah mengembangkan interlayer yang direkayasa secara molekuler yang mengatasi salah satu hambatan terbesar pada baterai lithium-sulfur komersial, memungkinkan sel untuk mempertahankan kapasitas lebih dari 1.000 siklus pengisian-pengosongan sambil menghasilkan kepadatan energi yang tinggi. Tim tersebut, dipimpin oleh para peneliti di Universitas Tohoku dan lembaga yang berkolaborasi, menciptakan antarmuka kerangka organik kovalen (COF)-graphene yang mencegah pergerakan litium polisulfida di dalam baterai. Migrasi yang tidak diinginkan, yang dikenal sebagai efek antar-jemput polisulfida, telah lama mengurangi umur dan efisiensi baterai lithium-sulfur. Baterai lithium-sulfur dianggap sebagai alternatif yang menjanjikan terhadap teknologi lithium-ion saat ini karena sulfur melimpah, murah, dan mampu menyimpan lebih banyak energi. Namun, polisulfida litium terlarut yang terbentuk selama pengisian dan pengosongan dapat berpindah antar elektroda baterai, memicu reaksi samping dan menyebabkan hilangnya kapasitas dengan cepat. Daripada mengandalkan penghalang fisik, para peneliti merancang sebuah interlayer yang secara kimia menangkap polisulfida sekaligus membantu mereka terus berpartisipasi dalam reaksi elektrokimia baterai. Memecahkan tantangan pesawat ulang-alik Bahan baru, yang disebut TUS-44, adalah kerangka organik kovalen eter mahkota tetrathiafulvalene yang dikombinasikan dengan graphene konduktif. Bersama-sama, mereka membentuk lapisan fungsional ringan yang memerangkap polisulfida litium dan mempercepat transpor elektron. COF mengandung nitrogen imina, oksigen mahkota-eter, dan situs tetrathiafulvalene kaya sulfur yang berinteraksi dengan litium polisulfida. Graphene menyediakan jalur konduktif yang meningkatkan transfer muatan dan mendukung konversi sulfur selama pengoperasian baterai. Dalam uji laboratorium, sel litium-sulfur yang dilengkapi dengan interlayer TUS-44@G menghasilkan kapasitas reversibel sebesar 1.455,7 mAh g⁻¹ pada 0,2 A g⁻¹ dan mempertahankan 773 mAh g⁻¹ bahkan pada kerapatan arus tinggi 10 A g⁻¹. Baterai juga mencatat penurunan kapasitas hanya 0,034% per siklus selama 1.000 siklus pada 5 A g⁻¹. Para peneliti juga membangun sel kantong lithium-sulfur menggunakan interlayer yang sama. Bahan ini mencapai kepadatan energi awal sekitar 674 Wh·kg⁻¹, sehingga menyoroti potensi material tersebut untuk aplikasi baterai berenergi tinggi yang praktis. “Tujuan kami adalah merancang interlayer yang tidak hanya memblokir polisulfida, namun secara aktif mengatur jalur reaksinya,” jelas Saikat Das, profesor junior di Institut Penelitian Multidisiplin untuk Material Lanjutan, Universitas Tohoku. “Dengan mengintegrasikan kimia mahkota eter dan tetrathiafulvalene ke dalam COF yang teratur dan menggabungkannya dengan graphene, kami menciptakan antarmuka kooperatif yang dapat mengikat, mendistribusikan ulang, dan mengubah spesies belerang dengan lebih efisien.” Desain molekul penting Tidak seperti bahan karbon berpori konvensional yang berinteraksi lemah dengan polisulfida, kerangka organik kovalen dapat direkayasa dengan struktur pori dan fungsi kimia yang tepat. Hal ini memungkinkan mereka menangkap litium polisulfida sekaligus mendorong transpor elektron dan konversi belerang pada saat yang bersamaan. Para peneliti mensintesis TUS-44 menggunakan kimia basa Schiff untuk membuat kerangka berpori dua dimensi dengan mikropori seragam dan luas permukaan yang tinggi. Ketika dilapisi ke pemisah polipropilen dengan graphene, bahan tersebut membentuk lapisan antarmuka tipis yang mudah menyerap elektrolit sekaligus menekan migrasi polisulfida. “Studi ini menunjukkan bahwa kimia retikuler dapat digunakan untuk memprogram antarmuka baterai pada tingkat molekuler,” kata Profesor Yuichi Negishi dari Universitas Tohoku. “Desain TUS-44@G menawarkan jalan menuju baterai Li-S yang ringan, tahan lama, dan berkecepatan tinggi dengan menyatukan imobilisasi polisulfida dengan konversi sulfur katalitik.” Studi ini dipublikasikan di jurnal Kecil.
Diterbitkan : 2026-07-03 22:55:00
sumber : interestingengineering.com
