Ponsel pintar, kendaraan listrik, dan perangkat elektronik portabel yang tak terhitung jumlahnya semuanya bergantung pada baterai. Seiring dengan meningkatnya permintaan akan penyimpanan energi yang lebih baik, peningkatan kapasitas, masa pakai, dan keamanan baterai akan memainkan peran penting dalam masa depan elektrifikasi. Salah satu teknologi yang paling menjanjikan adalah baterai solid-state (solid-state battery), yang memungkinkan ponsel pintar bertahan selama beberapa hari dengan sekali pengisian daya dan memberi kendaraan listrik jangkauan hingga tiga kali lipat dibandingkan model-model yang ada saat ini.
Tidak seperti baterai lithium-ion konvensional, yang menggunakan elektrolit cair di antara dua elektroda padat, baterai solid-state menggantikan cairan dengan elektrolit padat. Desain ini menawarkan beberapa manfaat potensial, termasuk kepadatan energi yang lebih tinggi, keamanan yang lebih baik, dan masa pakai baterai yang lebih lama. Namun permasalahan yang terus terjadi telah memperlambat adopsi komersial. Selama pengisian daya, struktur pohon kecil yang disebut dendrit dapat tumbuh dari anoda litium, menembus elektrolit padat dan menimbulkan arus pendek internal.
Kini, tim interdisipliner dari Max Planck Institute for Sustainable Materials (MPI-SusMat) telah mengidentifikasi dengan tepat bagaimana dendrit ini memicu keretakan yang pada akhirnya menyebabkan kegagalan baterai. Temuan mereka dipublikasikan di jurnal Alam.
Bagaimana dendrit merusak baterai solid-state
Bagaimana tepatnya dendrit litium lunak berhasil menembus elektrolit keramik keras telah lama membuat penasaran para peneliti.
“Meskipun elektroda dan dendrit pembentuknya terbuat dari litium metalik, selembut permen karet, dendrit mampu menembus elektrolit keramik dan menyebabkan korsleting,” jelas Dr. Yuwei Zhang, penulis pertama publikasi baru dan kepala kelompok “Mekanik-Kemo Bahan Baterai” di MPI-SusMat. “Bagaimana dendrit lunak bisa mematahkan keramik padat dan keramik kaku? Ada dua hipotesis: apakah ada tegangan internal yang terbentuk di dalam dendrit dan menyebabkan patah mekanis pada elektrolit padat. Atau, elektron bocor di sepanjang batas butir elektrolit padat, mendorong pembentukan inti litium yang kemudian saling berhubungan.”
Untuk menentukan penjelasan mana yang benar, para peneliti menggunakan kombinasi lanjutan antara teknik persiapan sampel dan karakterisasi bahan. Setiap langkah dilakukan dalam kondisi vakum dan suhu kriogenik untuk menghilangkan gangguan dari oksigen, air atau bahkan berkas elektron dari mikroskop.
Tim tersebut memeriksa tekanan internal dan deformasi plastis dari dendrit litium yang terperangkap di celah tersebut. Analisis mereka menunjukkan tidak adanya akumulasi litium di depan ujung dendrit, sehingga mengesampingkan mekanisme yang diusulkan.
“Logam litium lunak mampu menembus elektrolit keramik yang kaku, seperti pancaran air yang terus menerus menembus batu. Kami menghitung bahwa tekanan hidrostatis pada dendrit pada akhirnya menyebabkan patah getas pada elektrolit padat,” jelas Zhang.
Para peneliti juga mengkonfirmasi temuan mereka menggunakan simulasi medan fase dan pengukuran difraksi hamburan balik elektron.
Strategi baru untuk mencegah kegagalan baterai
Dengan pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana dendrit memecah elektrolit padat, tim kini menyelidiki cara untuk menghentikan atau menunda proses tersebut.
Solusi potensial termasuk membuat elektrolit padat lebih kuat sehingga tahan retak lebih lama, memperkenalkan rongga mikroskopis yang mengarahkan pertumbuhan dendrit dan mengarahkan retakan menjauh dari area yang rentan, atau menambahkan lapisan pelindung pada elektroda litium untuk mengurangi pembentukan dendrit.
Para peneliti mengatakan pekerjaan mereka menunjukkan pentingnya memahami perilaku material pada tingkat mikroskopis. Pengetahuan ini dapat membantu mengubah baterai solid-state dari konsep yang menjanjikan menjadi teknologi praktis untuk ponsel pintar, kendaraan listrik, dan perangkat elektronik lainnya di masa depan.
