Hibrida COF-graphene Jepang mengembangkan baterai lithium-sulfur berkinerja tinggi
Seiring dengan meningkatnya permintaan akan kendaraan listrik, penyimpanan energi terbarukan, dan elektronik portabel, para peneliti mencari teknologi baterai yang dapat menyimpan lebih banyak energi, lebih murah, dan bertahan lebih lama dibandingkan baterai lithium-ion saat ini. Di antara kandidat yang paling menjanjikan adalah baterai litium–sulfur (Li–S), yang menawarkan kepadatan energi teoritis yang jauh lebih tinggi dan tetap mengandalkan belerang—bahan yang melimpah dan murah. Terlepas dari keunggulan ini, baterai Li–S mengalami kesulitan untuk melampaui batas laboratorium karena masalah terus-menerus yang dikenal sebagai “efek antar-jemput polisulfida”. Kini, tim peneliti dari Universitas Tohoku dan lembaga-lembaga yang berkolaborasi telah mengembangkan bahan rekayasa molekuler baru yang dapat membantu mengatasi tantangan lama ini, membawa baterai lithium-sulfur yang praktis selangkah lebih dekat ke komersialisasi. Baterai litium-belerang menghasilkan listrik melalui serangkaian reaksi kimia Baterai litium-belerang menghasilkan listrik melalui serangkaian reaksi kimia di mana belerang diubah menjadi polisulfida litium yang larut selama pengosongan dan diubah kembali selama pengisian. Reaksi multilangkah ini memungkinkan baterai Li–S menyimpan lebih banyak energi dibandingkan baterai litium-ion konvensional. Namun, polisulfida litium terlarut yang terbentuk selama pengoperasian dapat berpindah dari katoda belerang ke anoda litium. Pergerakan yang tidak diinginkan ini, yang dikenal sebagai efek antar-jemput polisulfida, menyebabkan hilangnya bahan aktif, reaksi samping, self-discharge, dan penurunan kapasitas yang cepat. Akibatnya, masa pakai dan efisiensi baterai berkurang secara signifikan. Selama bertahun-tahun, para peneliti telah berupaya untuk memblokir migrasi ini dengan menggunakan penghalang fisik, namun pendekatan ini sering kali membahayakan kinerja baterai. Namun bahan kimia yang membuat baterai Li-S memiliki potensi penyimpanan energi yang sangat besar juga menciptakan kelemahan terbesarnya. Polisulfida litium perantara yang terbentuk selama siklus berperilaku seperti pengembara: setelah larut dalam elektrolit, mereka dapat lepas dari katoda belerang, melayang melintasi pemisah, dan mencapai anoda logam litium. Migrasi yang tidak terkendali ini memicu serangkaian proses yang merugikan, termasuk reaksi samping parasit, penipisan sulfur aktif, pertumbuhan lapisan antarmuka yang tidak stabil, self-discharge, dan pengikisan kapasitas baterai secara terus-menerus jika digunakan berulang kali, menurut siaran pers. Namun, pencegahan tidak terletak pada pembangunan penghalang fisik. Sebaliknya, antarmuka pemisah harus berfungsi lebih seperti pos pemeriksaan cerdas. Ia harus mampu mengenali spesies polisulfida secara selektif, menangkapnya melalui interaksi kimia yang kuat, memindahkan elektron dengan cepat untuk mempertahankan aktivitas elektrokimia, dan secara aktif mengarahkan zat antara sulfur melalui tahap reduksi dan oksidasi berturut-turut. Menggabungkan beragam fungsi ini dalam satu platform material tetap menjadi salah satu tantangan utama dalam memajukan baterai Li-S yang praktis, sesuai rilisnya. Untuk mengatasi masalah ini, tim menciptakan COF eter mahkota tetrathiafulvalene baru, yang diberi nama TUS-44, dan mengintegrasikannya dengan graphene konduktif untuk membentuk lapisan fungsional TUS-44@G untuk baterai Li-S. Kerangka kerja tersebut mengandung nitrogen imina, oksigen mahkota-eter, dan situs tetrathiafulvalene yang kaya sulfur, yang bersama-sama memberikan hierarki situs interaksi untuk litium polisulfida sementara komponen graphene menyediakan jalur transpor elektron yang efisien. Dalam pengujian baterai, sel yang dilengkapi dengan lapisan TUS-44@G menghasilkan kapasitas reversibel tinggi sebesar 1455,7 mA hg⁻¹ pada 0,2 A g⁻¹, mempertahankan kemampuan laju yang sangat baik dengan 773 mA hg⁻¹ pada 10 A g⁻¹, dan menunjukkan daya tahan jangka panjang dengan hanya 0,034% kapasitas memudar per siklus selama 1000 siklus pada 5 A g⁻¹. Sel kantong Li-S yang menggabungkan interlayer yang sama mencapai kepadatan energi awal sekitar 674 Wh kg⁻¹ pada 0,05 A g⁻¹, menunjukkan potensi antarmuka yang direkayasa secara molekuler untuk baterai praktis berenergi tinggi. “Tujuan kami adalah merancang interlayer yang tidak hanya memblokir polisulfida, namun secara aktif mengatur jalur reaksinya,” jelas Saikat Das, Junior Associate Professor di Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku Universitas. “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.” COF menawarkan solusi yang menarik COF menawarkan solusi yang menarik karena dapat dibuat dengan presisi tingkat molekuler. Tidak seperti karbon berpori konvensional, yang hanya berinteraksi lemah dengan polisulfida, COF memiliki pori-pori yang tersusun secara berkala yang dimensi, lingkungan kimia, dan karakteristik elektroniknya dapat diprogram sesuai desain. Intinya, COF menyediakan platform rekayasa molekuler yang secara bersamaan menangkap, melakukan, dan mengkatalisis, menurut para peneliti, menawarkan strategi yang kuat untuk mengubah masalah antar-jemput polisulfida yang sudah lama ada dari hambatan besar menjadi aspek elektrokimia sulfur yang dapat dikontrol. “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.”
Diterbitkan : 2026-07-04 08:05:00
sumber : interestingengineering.com
