Para ilmuwan telah menemukan penyebab seringnya ledakan pada baterai lithium-ion!

Dengan pesatnya perkembangan perangkat elektronik portabel dan kendaraan listrik, masyarakat tidak hanya mengejar kapasitas yang lebih besar serta kecepatan pengisian dan pengosongan baterai litium yang lebih cepat, namun juga lebih memperhatikan cara memastikan keamanan penggunaan baterai litium. Akibat kejadian yang sesekali terjadi seperti ledakan baterai litium, mau tidak mau saraf seseorang menjadi tegang. Prasyarat untuk memecahkan masalah keamanan baterai litium adalah agar para ilmuwan memiliki pemahaman yang menyeluruh dan komprehensif tentang penyebab ledakan baterai litium.

Penjelasan ilmiah saat ini adalah pengendapan litium pada permukaan elektroda akan membentuk dendrit, yang akan terus bertambah sehingga menyebabkan korsleting internal pada baterai, yang mengakibatkan kegagalan baterai atau potensi bahaya kebakaran. Namun di masa lalu, sarana teknis yang efektif untuk memahami dan mempelajari dari sudut pandang struktur atom masih kurang, dan kemudian menemukan solusi atas permasalahan tersebut.
Teknologi cryo EM, yang memenangkan Hadiah Nobel Kimia 2017 bulan ini, memberikan dukungan teknis yang kuat untuk hal ini. Tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Cui Yi dari Universitas Stanford dan Laboratorium Akselerator Nasional SLAC langsung di bawah Departemen Energi AS, serta peraih Nobel Steven Chu pada tahun 1997, menangkap gambar pertama dendrit logam litium tingkat atom menggunakan mikroskop cryo-elektron ( cryo EM). Temuan penelitian tersebut dipublikasikan di jurnal akademik internasional Science pada 27 Oktober waktu setempat.
Setiap dendrit logam litium adalah kristal heksagonal yang panjang dan terbentuk sempurna. Sebelumnya, hanya kristal berbentuk tidak beraturan yang diamati melalui mikroskop elektron. Cui Yi berkata, "Hasil penelitiannya sangat menarik dan membuka era baru bagi penelitian terkait!"

Mikroskop krioelektron, seperti namanya, merupakan teknik mikroskopis yang menggunakan kriofiksasi untuk mengamati sampel pada suhu rendah menggunakan Mikroskop Elektron Transmisi (TEM). Mikroskop krioelektron adalah metode penelitian biologi struktural yang penting dan sarana penting untuk memperoleh struktur biomolekul.

Karena gambar adalah kunci untuk memahami mekanisme, terobosan ilmiah sering kali mengandalkan penggunaan mata telanjang untuk berhasil mendapatkan gambar visual dari targetnya. Sejak lama, TEM diyakini tidak cocok untuk mengamati biomolekul karena berkas elektron yang kuat dapat merusak bahan biologis. Namun, kemunculan mikroskop elektron krio telah memungkinkan para peneliti untuk "membekukan" biomolekul dan mengamati serta menganalisis proses geraknya dengan cara yang belum pernah terjadi sebelumnya. Karakterisasi ini mempunyai dampak yang menentukan terhadap pemahaman biokimia dan perkembangan farmakologi. Oleh karena itu, mikroskop cryo elektron juga akan dimasukkan dalam Hadiah Nobel Kimia tahun ini.
Untuk bahan seperti litium, juga tidak mungkin menggunakan mikroskop elektron proyeksi untuk melihat hasil pada tingkat atom dendrit. Mirip dengan biomaterial, jika TEM digunakan pada suhu kamar, tepi dendrit akan melengkung atau bahkan meleleh akibat tumbukan berkas elektron. Yanbin Li, seorang mahasiswa doktoral dari Universitas Stanford yang berpartisipasi dalam penelitian ini, mengatakan, "Persiapan sampel mikroskop elektron transmisi dilakukan di udara, tetapi logam litium akan cepat terkorosi di udara." “Setiap kali kita mencoba mengamati logam litium di bawah mikroskop elektron berkekuatan tinggi, elektron akan 'mengebor lubang' di dendrit dan bahkan melelehkannya sepenuhnya.”
Yanbin Li, seorang mahasiswa PhD dari Universitas Stanford yang berpartisipasi dalam penelitian ini, mengatakan, "Ini seperti menyinari kaca pembesar pada daun di bawah sinar matahari. Namun, jika Anda dapat mendinginkan daun tersebut, masalah ini akan teratasi dengan mudah: jika Anda memfokuskan cahaya pada daun, panas juga akan hilang, dan daun tidak akan rusak. Inilah yang dapat kita capai dengan mikroskop krioelektron, dan perbedaan pencitraan saat menggunakan bahan baterai sangat jelas."

Jadi, mikroskop cryo-elektron tidak hanya mengantarkan era baru dalam biokimia, tetapi juga memungkinkan para ilmuwan untuk melihat struktur lengkap dendrit litium pada tingkat atom untuk pertama kalinya. Para peneliti juga menemukan bahwa dendrit dalam elektrolit berbasis karbonat tumbuh dalam arah tertentu menjadi kawat nano kristal tunggal. Beberapa di antaranya mungkin mengalami simpul selama proses pertumbuhan, namun struktur kristalnya tetap utuh.

Yuzhhangli, mahasiswa doktoral Universitas Stanford lainnya yang berpartisipasi dalam penelitian ini, mengatakan bahwa masker wajah antarmuka elektrolit padat (SEI) juga dapat dilihat, dan juga mengungkapkan struktur nano SEI berbeda yang terbentuk dalam elektrolit berbeda. Karena lapisan yang sama juga terbentuk pada elektroda logam saat baterai diisi dan dikosongkan, pengendalian pembangkitan dan stabilitasnya sangat penting untuk efisiensi penggunaan baterai.
Dengan menggunakan cryo EM, para ilmuwan dapat mengamati bagaimana elektron dikeluarkan dari atom di dendrit, sehingga dapat mengungkap posisi masing-masing atom. Para ilmuwan bahkan dapat mengukur jarak antar atom, dan jarak atom secara tepat menunjukkan bahwa mereka adalah atom litium.
Siaran pers yang dirilis oleh SLAC menunjukkan bahwa di bawah mikroskop, para peneliti menggunakan teknik berbeda untuk mengamati cara elektron dikeluarkan dari atom dendrit, sehingga mengungkap posisi atom tunggal dalam lapisan masker wajah kristal dan antarmuka elektrolit padatnya. . Ketika mereka menambahkan bahan kimia yang biasa digunakan untuk meningkatkan kinerja baterai, struktur atom lapisan masker wajah antarmuka elektrolit padat menjadi lebih teratur, yang akan membantu menjelaskan mengapa bahan tambahan berperan.
"Kami sangat gembira. Ini adalah pertama kalinya kami dapat memperoleh gambar dendrit sedetail itu, dan juga pertama kalinya kami dapat melihat struktur nano lapisan masker wajah antarmuka elektrolit padat." YanbinLi berkata, "Alat ini dapat membantu kita memahami peran berbagai elektrolit, dan mengapa beberapa elektrolit memiliki efek lebih baik dibandingkan yang lain."
Data relevan yang diamati dari eksperimen ini dapat memberikan pemahaman lebih lanjut tentang mekanisme kegagalan baterai. Meskipun penelitian ini menggunakan logam litium sebagai contoh untuk menunjukkan kepraktisan cryo EM, metode ini juga dapat diperluas ke penelitian lain yang melibatkan bahan sensitif sinar seperti silikon litium atau belerang. Tim peneliti juga mengatakan bahwa mereka berencana untuk lebih fokus pada pemahaman tentang sifat kimia dan struktur lapisan masker wajah elektrolit padat.