Serat Karbon Baru Mendekatkan Hadirnya Kendaraan Listrik Yang Terintegrasi Dengan Baterai
KALBARNEWS.CO.ID (AUSTRALIA) - Para peneliti di Deakin Institute for Frontier Materials, Australia, dan Chalmers University of Technology, Swedia, telah mengembangkan jenis serat karbon baru yang mampu berfungsi secara bersamaan sebagai material struktural yang kuat dan elektroda yang efektif untuk baterai lithium-ion.
Biasanya, para insinyur harus memilih antara kekuatan material dan kemampuannya untuk menyimpan energi. Namun, serat karbon yang sebagian dikarbonisasi ini telah menunjukkan kombinasi sifat yang langka: seiring dengan peningkatan suhu pemrosesan, kekuatan mekanik dan kemampuannya untuk menyimpan listrik meningkat secara bersamaan.
Hal ini membuka jalan bagi terciptanya apa yang disebut baterai struktural, di mana komponen struktural (seperti bodi kendaraan listrik atau sayap pesawat terbang) mampu menyimpan energi sendiri, mengurangi ukuran dan berat baterai utama.
Gagasan untuk menggunakan serat karbon sebagai elektroda bukanlah hal baru. Material semacam itu telah lama digunakan dalam komposit kedirgantaraan dan peralatan olahraga di mana kekuatan dan bobot ringan sangat penting.
Selain itu, karbon mampu menggabungkan ion litium ke dalam strukturnya, sehingga dapat berfungsi sebagai anoda baterai. Namun selalu ada kompromi di sini. Serat berkekuatan tinggi tradisional, yang dioptimalkan untuk beban mekanis, tidak menyimpan energi dengan baik. Sebaliknya, serat dengan struktur yang lebih longgar dan tidak teratur menyerap litium dengan baik tetapi terbukti terlalu rapuh untuk aplikasi praktis.
Para peneliti memutuskan untuk mengubah pendekatan produksi material itu sendiri. Mereka mengambil serat poliakrilonitril standar (dasar dari sebagian besar serat karbon modern) dan melakukan karbonisasi parsial. Material tersebut dipanaskan hingga suhu antara 800 hingga 1100 °C, tetapi tidak pernah sampai pada karbonisasi lengkap seperti yang biasanya dilakukan dalam produksi serat karbon industri.
Hal ini menghasilkan empat jenis material – PC800, PC900, PC1000, dan PC1100 – di mana angka tersebut menunjukkan suhu pemrosesan maksimum. Kemudian serat-serat tersebut diperiksa dengan mikroskop elektron, spektroskopi, analisis difraksi sinar-X, pengujian mekanik, dan pengujian dalam rangkaian eksperimental.
Hasilnya di luar dugaan. Biasanya, seiring peningkatan suhu pemrosesan, struktur karbon menjadi lebih teratur dengan terbentuknya daerah karbon yang lebih padat dan kuat di dalam material. Namun, pada saat yang sama, jumlah cacat dan pori-pori yang mampu menjebak ion litium berkurang, menyebabkan kapasitas baterai menurun. Pada serat baru dengan karbonisasi yang tidak sempurna, kontradiksi ini hampir tidak ada.
Sebagai contoh, material PC1100 yang diproses pada suhu 1100 °C memiliki kekakuan sekitar 2,5 kali lebih tinggi daripada serat PC800 dan menghantarkan listrik jauh lebih baik. Pada saat yang sama, kemampuannya untuk menyimpan dan melepaskan litium sekitar 40% lebih tinggi daripada serat karbon T800 komersial, yang saat ini dianggap sebagai patokan untuk baterai struktural.
Para peneliti mengaitkan efek ini dengan "rasio emas" yang unik dalam struktur material. Selama karbonisasi parsial, serat-serat tersebut belum sepenuhnya berubah menjadi grafit yang teratur, yang kurang cocok untuk penyimpanan litium, tetapi juga tidak tetap menjadi massa amorf yang kacau.
Struktur kompleks yang terbentuk di dalamnya terdiri dari daerah grafit kecil yang dikelilingi oleh karbon yang kurang teratur dengan sejumlah besar cacat dan nanopori. Daerah yang teratur memberikan konduktivitas listrik dan kekuatan mekanik yang baik, sementara area yang cacat dan pori-pori menciptakan tempat tambahan untuk penyimpanan ion litium.
Yang menjadi sangat penting adalah para peneliti tidak mendeteksi adanya pertukaran (trade-off) yang biasa terjadi antara sifat mekanik dan elektrokimia. Di seluruh rentang suhu, peningkatan derajat karbonisasi secara bersamaan meningkatkan kekuatan dan kinerja baterai. Serat PC1100 yang sama secara konsisten mampu bertahan lebih dari 125 siklus pengisian dan pengosongan tanpa kehilangan energi sama sekali, sekaligus tetap menjadi material yang sangat kaku dan kuat.
Pada saat yang sama, serat PC800 yang diproses pada suhu terendah ternyata memiliki konduktivitas yang sangat buruk sehingga tidak dapat digunakan sama sekali dalam baterai. Hal ini menunjukkan adanya ambang batas karbonisasi minimum di bawahnya material tersebut kehilangan nilai praktisnya.
Dengan demikian, para peneliti telah menunjukkan bahwa karbonisasi parsial serat karbon membuka kemungkinan baru untuk mendesain baterai struktural: tergantung pada suhu pemrosesan, kita dapat memilih kombinasi kekuatan dan kepadatan energi yang diinginkan untuk aplikasi tertentu.
Para peneliti juga percaya bahwa struktur material seperti itu dapat terbukti menjanjikan tidak hanya untuk baterai ion litium tetapi juga untuk baterai ion natrium atau ion kalium, yang dianggap sebagai alternatif yang lebih murah. (Tim Liputan)
Editor : Aan
