Sebelum Anda mulai membaca, hitung berapa banyak perangkat dengan baterai di sebelah Anda dalam radius beberapa meter. Tentunya Anda akan melihat smartphone, tablet, jam tangan pintar, pelacak kebugaran, laptop, mouse nirkabel? Semua perangkat ini dilengkapi dengan baterai lithium-ion - penemuan mereka dapat dianggap sebagai salah satu peristiwa paling penting di bidang energi.
Baterai lithium-ion yang ringan, luas, dan kompak berkontribusi pada boom dalam elektronik portabel, keberadaannya yang sebelumnya tidak mungkin. Hanya gadget selama 30 tahun terakhir telah membuat lompatan teknologi yang fantastis, dan baterai lithium-ion modern hampir tidak berbeda dari model produksi pertama di awal 1990-an. Siapa dan bagaimana menemukan baterai isi ulang lithium-ion, komposisi apa yang digunakan di dalamnya, dan adakah konspirasi global terhadap baterai “abadi”? Kami memberi tahu.
Legenda baterai pertama
Antara upaya pertama untuk menghasilkan listrik secara kimiawi dan penciptaan baterai lithium-ion, mungkin dua milenium telah berlalu. Ada firasat yang belum dikonfirmasi bahwa elemen galvanis buatan manusia pertama dalam sejarah umat manusia adalah "baterai Baghdad", yang ditemukan pada 1936 di dekat Baghdad oleh arkeolog Wilhelm Koenig. Temuan itu, tertanggal abad II-IV SM. e., adalah bejana tanah liat di mana terdapat silinder tembaga dan batang besi, ruang di antaranya dapat diisi dengan "elektrolit" - asam atau alkali. Rekonstruksi modern penemuan telah menunjukkan bahwa ketika kapal diisi dengan jus lemon, adalah mungkin untuk mencapai tegangan hingga 0,4 volt.
Baterai Baghdad sangat mirip dengan baterai portabel. Atau kasus papirus? Sumber: Ironie / Wikimedia
Mengapa "baterai Baghdad" dapat digunakan jika beberapa ribu tahun tersisa sebelum ditemukannya listrik? Mungkin itu digunakan untuk deposisi emas yang akurat pada patung-patung oleh metode galvanisasi - arus dan tegangan dari "baterai" sudah cukup untuk ini. Namun, ini hanya teori, karena orang-orang kuno tidak mendapatkan bukti penggunaan listrik dan "baterai" yang sama ini: penyepuhan diterapkan secara amalgamasi pada waktu itu, dan kapal yang tidak biasa itu sendiri bisa juga menjadi wadah yang dilindungi untuk gulungan.
Teori Bang Kecil
Pepatah Rusia "Tidak akan ada kebahagiaan, tetapi kemalangan membantu" menggambarkan jalannya kerja pada baterai lithium-ion dengan cara terbaik. Tanpa satu kejadian yang tak terduga dan tidak menyenangkan, pembuatan baterai baru bisa ditunda selama beberapa tahun.
Kembali pada tahun 1970-an, warga negara Inggris Stanley Whittingham, yang bekerja di Exxon Energy Company, menggunakan anoda titanium sulfida dan katoda lithium untuk membuat baterai lithium yang dapat diisi ulang. Baterai lithium yang dapat diisi ulang pertama menunjukkan indikator arus dan tegangan yang dapat ditoleransi, hanya meledak secara berkala dan meracuni orang-orang di sekitarnya dengan gas: titanium disulfide melepaskan hidrogen sulfida pada saat kontak dengan udara, yang setidaknya tidak menyenangkan untuk bernapas, tetapi pada yang paling berbahaya. Selain itu, titanium selalu sangat mahal setiap saat, dan pada 1970-an harga titanium disulfide adalah sekitar $ 1.000 per kilogram (setara dengan $ 5.000 saat ini). Belum lagi fakta bahwa logam lithium terbakar di udara. Jadi Exxon mengubah proyek Whittingham dari dosa.
Pada tahun 1978, Koichi Mizushima, yang mempertahankan gelar doktor dalam bidang fisika, sedang melakukan penelitian di Universitas Tokyo ketika ia menerima undangan dari Oxford untuk bergabung dengan kelompok John Goodenough untuk mencari bahan baru untuk anoda baterai. Ini adalah proyek yang sangat menjanjikan, karena potensi sumber daya lithium sudah diketahui, tetapi mereka tidak dapat benar-benar berhasil menjinakkan logam yang berubah-ubah - eksperimen Whittingham baru-baru ini menunjukkan bahwa dimulainya produksi massal baterai lithium-ion yang didambakan masih jauh.
Baterai eksperimental menggunakan katoda litium dan anoda sulfida. Keunggulan sulfida dibandingkan bahan lain dalam anoda memberi Mizushima dan rekan-rekannya arahan untuk mencari. Para ilmuwan memerintahkan tungku sulfida di laboratorium mereka di lokasi untuk bereksperimen dengan berbagai senyawa lebih cepat. Bekerja dengan kompor tidak berakhir dengan baik: suatu hari meledak dan menyebabkan kebakaran. Peristiwa itu memaksa tim peneliti untuk mempertimbangkan kembali rencana mereka: mungkin sulfida, meskipun efektif, bukan pilihan terbaik. Para ilmuwan telah mengalihkan perhatian mereka ke oksida, yang jauh lebih aman untuk disintesis.
Setelah banyak pengujian dengan berbagai logam, termasuk besi dan mangan, Mizushima menemukan bahwa lithium cobalt oxide menunjukkan hasil terbaik. Gunakan saja tidak dengan cara yang sama seperti yang diduga oleh tim Gudenaf sebelumnya - untuk mencari bukan bahan yang menyerap ion lithium, tetapi bahan yang paling mudah menghasilkan ion lithium. Cobalt juga lebih baik daripada yang lain karena memenuhi semua persyaratan keselamatan dan juga meningkatkan tegangan sel hingga 4 volt, yaitu dua kali lipat dibandingkan dengan opsi baterai sebelumnya.
Penggunaan kobalt adalah yang paling penting, tetapi bukan langkah terakhir dalam menciptakan baterai lithium-ion. Setelah berurusan dengan satu masalah, para ilmuwan menghadapi masalah lain: kepadatan saat ini terlalu rendah untuk penggunaan sel lithium-ion yang layak secara ekonomi. Dan tim yang membuat satu terobosan membuat yang kedua: ketika mengurangi ketebalan elektroda menjadi 100 mikron, adalah mungkin untuk meningkatkan kekuatan saat ini ke level jenis baterai lainnya, dengan tegangan dan kapasitas ganda.
Langkah komersial pertama
Kisah penemuan baterai lithium-ion tidak berakhir di situ. Meskipun ditemukan Mizushima, tim Gudenaf belum memiliki sampel yang siap untuk produksi massal. Karena penggunaan logam lithium dalam katoda selama pengisian baterai, ion lithium kembali ke anoda bukan pada lapisan genap, tetapi oleh dendrit - rantai timbul, yang, berkembang, menyebabkan korsleting dan kembang api.
Pada tahun 1980, ilmuwan Maroko Rachid Yazami menemukan bahwa grafit mengatasi peran katoda, dan itu benar-benar tahan api. Elektrolit organik yang ada pada waktu itu cepat terurai pada kontak dengan grafit, jadi Yazami menggantinya dengan elektrolit padat. Katoda grafit Yazami diilhami oleh penemuan konduktivitas polimer oleh Profesor Hideki Shirakawa, yang darinya ia menerima Hadiah Nobel dalam Kimia. Dan katoda grafit Yazami masih digunakan di sebagian besar baterai lithium-ion.
Meluncurkan ke produksi? Dan lagi tidak! Lain 11 tahun berlalu, para peneliti meningkatkan keamanan baterai, meningkatkan tegangan, bereksperimen dengan bahan katoda yang berbeda sebelum baterai lithium-ion pertama mulai dijual.
Sampel komersial dikembangkan oleh Sony dan raksasa kimia Jepang Asahi Kasei. Ini menjadi baterai untuk camcorder amatir film Sony CCD-TR1. Itu bertahan 1000 siklus pengisian, dan kapasitas residu setelah memakai seperti itu empat kali lebih tinggi dari jenis yang sama dari baterai nikel-kadmium.
Cobalt Stumbling Block
Sebelum penemuan Koichi Mizushima lithium-cobalt oxide, kobalt bukanlah logam yang banyak dicari. Deposito utamanya ditemukan di wilayah Afrika di negara bagian yang sekarang dikenal sebagai Republik Demokratik Kongo. Kongo adalah pemasok kobalt terbesar - 54% dari logam ini ditambang di sini. Karena pergolakan politik di negara itu pada tahun 1970-an, harga kobalt melonjak sebesar 2000%, tetapi kemudian kembali ke nilai sebelumnya.
Permintaan tinggi menciptakan harga tinggi. Baik di tahun 1990-an, maupun di tahun 2000-an, kobalt adalah salah satu logam utama di planet ini. Tapi apa yang dimulai dengan mempopulerkan smartphone di tahun 2010-an! Pada tahun 2000, permintaan logam sekitar 2.700 ton per tahun. Pada 2010, ketika iPhone dan Android smartphone berbaris penuh kemenangan di seluruh planet ini, permintaan melonjak menjadi 25.000 ton dan terus tumbuh dari tahun ke tahun. Sekarang jumlah pesanan melebihi volume kobalt yang dijual sebanyak 5 kali. Untuk referensi: lebih dari setengah kobalt yang ditambang di dunia digunakan untuk produksi baterai.
Grafik harga Cobalt selama 4 tahun terakhir. Komentar berlebihan. Sumber: Elec.ru
Jika pada 2017 harga per ton kobalt rata-rata $ 24.000, maka sejak 2017 naik tajam, pada 2018 mencapai puncaknya di sekitar $ 95.500. Meskipun smartphone hanya menggunakan 5-10 gram kobalt, kenaikan harga logam telah memengaruhi biaya perangkat.
Dan ini adalah salah satu alasan mengapa produsen mobil listrik khawatir tentang penurunan pangsa kobalt pada baterai mobil. Sebagai contoh, Tesla mengurangi massa logam langka dari 11 menjadi 4,5 kg per mesin, dan di masa depan berencana untuk menemukan senyawa yang efektif tanpa kobalt sama sekali. Pada 2019, harga kobalt naik secara tidak normal dan jatuh ke nilai tahun 2015, tetapi pengembang baterai telah meningkatkan upaya untuk menolak atau mengurangi pangsa kobalt.
Dalam baterai lithium-ion tradisional, kobalt adalah sekitar 60% dari total massa. Komposisi lithium-nikel-mangan yang digunakan dalam mobil terdiri dari 10% sampai 30% kobalt, tergantung pada karakteristik baterai yang diinginkan. Komposisi litium-nikel-aluminium hanya 9%. Namun, campuran ini bukan pengganti lengkap untuk lithium cobalt oxide.
Masalah Li-ion
Hingga saat ini, berbagai jenis baterai lithium-ion adalah baterai terbaik bagi sebagian besar konsumen. Luas, kuat, ringkas dan murah, mereka masih memiliki kelemahan serius yang membatasi ruang lingkup penggunaan.
Bahaya kebakaran. Untuk operasi normal, baterai lithium-ion memerlukan pengontrol daya untuk mencegah pengisian berlebih dan panas berlebih. Jika tidak, baterai berubah menjadi benda yang sangat mudah terbakar, berusaha membengkak dan meledak dalam panas atau saat mengisi daya dari adaptor yang berkualitas buruk. Bahaya ledakan mungkin merupakan kelemahan utama baterai lithium-ion. Untuk meningkatkan kapasitas di dalam baterai, pengaturan ini dipadatkan, yang menyebabkan sedikit kerusakan pada shell langsung menyebabkan kebakaran. Semua orang ingat cerita sensasional dengan Samsung Galaxy Note 7, di mana, karena ketatnya di dalam casing, cangkang baterai menggosok dari waktu ke waktu, oksigen menembus ke dalam dan smartphone tiba-tiba menyala. Sejak itu, beberapa maskapai telah meminta agar baterai lithium-ion hanya dibawa dalam tas tangan, dan pada penerbangan kargo, stiker peringatan besar dibuat pada kemasan dengan baterai.
Depressurisasi adalah ledakan. Isi ulang adalah ledakan. Anda harus membayar potensi energi lithium dengan tindakan pencegahan.Penuaan Baterai lithium-ion rentan terhadap penuaan, bahkan jika tidak digunakan. Oleh karena itu, membeli sebagai kolektor membongkar smartphone 10 tahun yang lalu, misalnya, iPhone pertama, akan dikenakan biaya lebih sedikit karena penuaan baterai. By the way, rekomendasi untuk menjaga baterai terisi hingga setengah kapasitas dibenarkan - ketika terisi penuh selama penyimpanan lama, baterai kehilangan kapasitas maksimumnya lebih cepat.
Self-discharge. Mengumpulkan energi dalam baterai lithium-ion dan menyimpannya selama bertahun-tahun adalah ide yang buruk. Pada prinsipnya, semua baterai kehilangan dayanya, tetapi lithium-ion melakukan ini dengan cepat. Jika sel NiMH kehilangan 0,08-0,33% per bulan, maka sel Li-Ion kehilangan 2-3% per bulan. Dengan demikian, dalam setahun baterai lithium-ion akan kehilangan sepertiga dari biaya, dan setelah tiga tahun itu akan "duduk" ke nol. Dalam keadilan, katakanlah bahwa baterai nikel-kadmium masih lebih buruk - 10% per bulan. Tetapi ini adalah kisah yang sangat berbeda.
Sensitivitas terhadap suhu. Pendinginan dan panas berlebih sangat memengaruhi parameter baterai seperti itu: +20 ° C derajat dianggap suhu lingkungan ideal untuk baterai lithium-ion, jika dikurangi menjadi +5 ° C, baterai akan memberi perangkat energi 10% lebih sedikit. Pendinginan di bawah nol membutuhkan puluhan persen dari kapasitas dan juga memengaruhi kesehatan baterai: jika Anda mencoba mengisinya, misalnya, dari bank daya, "efek memori" akan muncul, dan baterai akan kehilangan kapasitas karena pembentukan logam lithium pada anoda. Pada suhu rata-rata musim dingin Rusia, sel lithium-ion tidak berfungsi - biarkan telepon pada bulan Januari di jalan selama setengah jam untuk memverifikasi ini.
Untuk mengatasi masalah yang dijelaskan, para ilmuwan sedang bereksperimen dengan bahan dari anoda dan katoda. Ketika mengganti komposisi elektroda, satu masalah besar diganti dengan masalah yang lebih kecil - keselamatan kebakaran menyebabkan penurunan siklus hidup, dan arus pelepasan yang tinggi mengurangi konsumsi energi spesifik. Oleh karena itu, komposisi untuk elektroda dipilih tergantung pada aplikasi baterai.
Siapa yang mencuri revolusi?
Setiap tahun di feed berita, ada laporan terobosan lain dalam menciptakan baterai yang sangat luas dan tahan lama - sepertinya smartphone akan bekerja selama setahun tanpa pengisian ulang, dan mengisi daya dalam sepuluh detik. Dan di mana revolusi baterai yang dijanjikan para ilmuwan kepada semua orang?
Seringkali dalam laporan semacam itu, wartawan memutarbalikkan fakta, menghilangkan detail yang sangat penting. Sebagai contoh, baterai dengan pengisian instan dapat memiliki kapasitas yang sangat rendah, hanya cocok untuk menyalakan jam alarm di samping tempat tidur. Atau tegangan tidak mencapai satu volt, meskipun smartphone membutuhkan 3,6 V. Dan untuk mendapatkan tiket hidup, baterai harus memiliki biaya rendah dan keamanan api yang tinggi. Sayangnya, sebagian besar perkembangan lebih rendah dalam setidaknya satu parameter, karena itu baterai "revolusioner" tidak pernah melampaui laboratorium.
Pada akhir tahun 00-an, Toshiba bereksperimen dengan sel bahan bakar metanol isi ulang (pengisian bahan bakar dengan metanol di foto), tetapi baterai lithium-ion masih lebih nyaman. Sumber: Toshiba
Dan, tentu saja, kita mengesampingkan teori konspirasi "baterai tanpa akhir tidak menguntungkan bagi produsen." Saat ini, baterai dalam perangkat konsumen tidak tergantikan (atau lebih tepatnya, mereka dapat diubah, tetapi sulit). 10-15 tahun yang lalu, mengganti baterai yang rusak di ponsel itu sederhana, tetapi kemudian sumber daya benar-benar kehilangan banyak kapasitas dalam satu atau dua tahun penggunaan aktif. Baterai lithium-ion modern bertahan lebih lama dari siklus hidup rata-rata perangkat. Di ponsel cerdas, Anda dapat berpikir untuk mengganti baterai tidak lebih awal dari setelah 500 siklus pengisian daya saat baterai kehilangan 10-15% dari kapasitasnya. Dan lebih tepatnya, ponsel itu sendiri akan kehilangan relevansi sebelum baterai akhirnya gagal. Artinya, produsen baterai tidak mendapatkan pada penggantian, tetapi pada penjualan baterai untuk perangkat baru. Jadi baterai "abadi" pada ponsel berusia sepuluh tahun tidak akan membahayakan bisnis.
Tim Goodenough kembali berbisnis
Tetapi apa yang terjadi pada para ilmuwan dari kelompok John Goodenough, yang menemukan lithium-cobalt oxide dan dengan demikian memberikan kehidupan pada baterai lithium-ion yang efisien?
Pada 2017, Goodenough yang berusia 94 tahun mengumumkan bahwa, bersama dengan para ilmuwan dari University of Texas, ia telah mengembangkan jenis baterai solid state baru yang dapat menyimpan energi 5-10 kali lebih banyak daripada baterai lithium-ion sebelumnya. Untuk ini, elektroda terbuat dari lithium dan natrium murni. Dijanjikan dan harga murah. Namun masih belum ada spesifikasi dan perkiraan tentang awal produksi massal. Mengingat jarak yang jauh antara pembukaan kelompok Gudenaf dan dimulainya produksi massal baterai lithium-ion, sampel nyata dapat diharapkan dalam 8-10 tahun.
Koichi Mizushima melanjutkan penelitian di Toshiba Research Consulting Corporation. “Melihat ke belakang, saya terkejut bahwa tidak ada seorang pun sebelum kita yang menebak untuk menggunakan bahan sederhana seperti lithium cobalt oxide pada anoda. Pada saat itu, banyak oksida lain telah dicoba, jadi mungkin jika itu bukan untuk kita, orang lain akan membuat penemuan ini dalam beberapa bulan, "katanya.
Koichi Mizushima dengan penghargaan dari Royal Chemical Society of Great Britain diterima karena berpartisipasi dalam pembuatan baterai lithium-ion. Sumber: Toshiba
Sejarah tidak mentolerir suasana subjungtif, terutama karena Mr. Mizushima sendiri mengakui bahwa terobosan dalam pembuatan baterai lithium-ion tidak bisa dihindari. Namun tetap menarik untuk membayangkan seperti apa dunia elektronik bergerak tanpa baterai yang padat dan luas: laptop dengan ketebalan beberapa sentimeter, smartphone besar yang perlu diisi ulang dua kali sehari, dan tidak ada jam tangan pintar, gelang kebugaran, kamera aksi, quadcopters dan bahkan kendaraan listrik. Setiap hari, para ilmuwan di seluruh dunia membawa revolusi energi baru lebih dekat, yang akan memberi kita baterai lebih kuat dan lebih kompak, dan dengan mereka elektronik yang luar biasa, yang hanya bisa kita impikan.