Pengenalan Singkat Baterai-udara Aluminium
Tinggalkan pesan
Baterai aluminium-udara(Baterai Al-air) menghasilkan listrik dari reaksi oksigen di udara dengan aluminium. Baterai ini merupakan salah satu baterai dengan kepadatan energi tertinggi di antara semua baterai, namun tidak banyak digunakan karena masalah dengan biaya anoda yang tinggi dan penghilangan produk sampingan saat menggunakan elektrolit tradisional. Hal ini membatasi penggunaannya terutama pada aplikasi militer. Namun, kendaraan listrik dengan baterai aluminium memiliki potensi hingga delapan kali lebih besar dibandingkan baterai litium-ion dengan bobot total yang jauh lebih rendah.
Baterai aluminium–udara adalah sel primer, yaitu tidak-dapat diisi ulang. Setelah anoda aluminium dikonsumsi oleh reaksinya dengan oksigen atmosfer pada katoda yang direndam dalam elektrolit berbasis air untuk membentuk aluminium oksida terhidrasi, baterai tidak akan lagi menghasilkan listrik. Namun, baterai dapat diisi ulang secara mekanis dengan anoda aluminium baru yang terbuat dari daur ulang aluminium oksida terhidrasi. Daur ulang seperti ini penting agar baterai aluminium-udara dapat digunakan secara luas.
Kendaraan bertenaga aluminium-telah menjadi bahan diskusi selama beberapa dekade. Hibridisasi mengurangi biaya, dan pada tahun 1989 dilaporkan uji jalan terhadap baterai aluminium-udara/timbal-asam hibridisasi dalam kendaraan listrik. Minivan hibrida-bertenaga plug-bertenaga aluminium didemonstrasikan di Ontario pada tahun 1990.
Pada bulan Maret 2013, Phinergy merilis video demonstrasi mobil listrik menggunakan sel aluminium-udara yang dikendarai sejauh 330 km menggunakan katoda khusus dan kalium hidroksida. Pada tanggal 27 Mei 2013, siaran berita malam saluran 10 Israel menunjukkan sebuah mobil dengan baterai Phinergy di belakang, mengklaim jangkauan 2.000 kilometer (1.200 mil) sebelum penggantian anoda aluminium diperlukan.
Elektrokimia
Setengah reaksi oksidasi anoda-adalah Al + 3OH− → Al(OH)3 + 3e− -2.31 V.
Setengah reaksi-reduksi katoda adalah O2 + 2H2O + 4e−→ 4OH−
+0.40 V.
Reaksi totalnya adalah 4Al + 3O2 + 6H2HAI → 4Al(OH)3 +2.71 V.
Beda potensial sekitar 1,2 volt dihasilkan oleh reaksi-reaksi ini dan dapat dicapai dalam praktiknya bila kalium hidroksida digunakan sebagai elektrolit. Elektrolit air asin mencapai sekitar 0,7 volt per sel.
Tegangan spesifik sel dapat bervariasi tergantung pada komposisi elektrolit serta struktur dan bahan katoda.
Logam lain dapat digunakan dengan cara serupa, seperti litium-udara, seng-udara, mangan-udara, dan natrium-udara, beberapa di antaranya memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi. Namun, aluminium menarik sebagai logam paling stabil.
| Energi spesifik | 1300 (praktis), 6000/8000 (teoretis) W·h/kg |
|---|---|
| Kepadatan energi | N/A |
| Kekuatan spesifik | 200 W/kg |
| Tegangan sel nominal | 1.2 V |
Anoda
Aluminium (Al) telah banyak digunakan sebagai bahan anoda pada baterai logam-udara karena kepadatan energinya yang tinggi, kemampuan daur ulang, dan kelimpahannya. Namun, tantangan dengan anoda Al termasuk korosi dan pasivasi. Kotoran pada aluminium yang tersedia secara komersial menyebabkan terbentuknya lapisan yang mengganggu kinerja. Reaksi korosi menghasilkan hidrogen dan membentuk aluminium hidroksida, sedangkan pembentukan lapisan oksida saat terkena udara atau air semakin membatasi fungsinya.
Peningkatan kinerja anoda Al melibatkan optimalisasi ukuran butir dan orientasi kristal, karena struktur butir yang lebih halus meningkatkan ketahanan terhadap korosi dan aktivitas elektrokimia. Studi yang dilakukan oleh Fan dan Lu meneliti hubungan antara ukuran butir dan kinerja anoda. Dalam penelitian ini, anoda aluminium dengan ukuran butiran lebih halus dibuat menggunakan metode yang disebut Equal Channel Angular Pressing (ECAP). Ketika jumlah lintasan ekstrusi meningkat, butiran menjadi lebih kecil dan seragam. Namun, proses tersebut memiliki keterbatasan karena panas dari deformasi yang menyebabkan pertumbuhan butiran. Hasilnya menunjukkan bahwa menyempurnakan ukuran butir meningkatkan aktivitas elektrokimia anoda, mengurangi korosi, dan meningkatkan ketahanan polarisasi dan transfer muatan-. Pengujian mengkonfirmasi bahwa anoda dengan butiran halus memiliki kinerja lebih baik daripada anoda dengan butiran lebih besar. Struktur-butir halus juga memberikan sifat anti-korosi yang lebih baik dan meningkatkan kinerja baterai dalam larutan NaOH 4 mol/L. Pada rapat arus 10 mA/cm2, anoda-butir halus menunjukkan peningkatan kepadatan kapasitas sebesar 41,5% dan peningkatan kepadatan energi sebesar 55,5% dibandingkan dengan anoda-butir kasar. Selain optimalisasi struktur mikro, pengolahan anoda juga dapat mempengaruhi kinerja. Anoda yang dibuat menggunakan sintering laser menunjukkan peningkatan kapasitas dibandingkan dengan sampel non-sinter, yang menyoroti pentingnya pemrosesan anoda dalam hal kinerja anoda.
Selain menyempurnakan struktur mikro dan mengembangkan metode pemrosesan yang lebih baik, paduan Al dengan unsur-unsur seperti Ga, Zn, dan Sn membantu mengurangi korosi dan evolusi hidrogen. Seng, khususnya, dikenal luas sebagai elemen paduan yang bermanfaat dalam anoda baterai Al-air karena membantu mengurangi laju korosi diri dan meningkatkan tegangan sel nominal. Namun, penelitian yang dilakukan oleh Park, Choi, dan Kim menyoroti kelemahannya: penambahan Zn sebenarnya dapat menurunkan kinerja pelepasan anoda dalam larutan basa karena efek pasivasi selama polarisasi anodik. Secara khusus, Zn mendorong pembentukan dua jenis film oksidasi. Yang pertama, film Tipe 1, adalah lapisan berpori yang terdiri dari Zn(OH)2dan ZnO cacat, yang terbentuk ketika Zn(OH) terlarut42-endapan dari elektrolit curah. Yang kedua, film Tipe 2, merupakan lapisan pelindung ZnO yang kompak dan terbentuk langsung dari oksidasi permukaan logam dan lebih stabil. Film Tipe 2 ini menciptakan lapisan pasivasi yang mengganggu kinerja pengosongan baterai Al-air. Namun penambahan indium (In) membantu memecah dan menggoyahkan lapisan pasif Zn ini. Ion In berulang kali menciptakan cacat dalam film Tipe 2 melalui siklus penguraian dan pasivasi ulang, yang secara efektif melemahkan penghalang pelindung dan meningkatkan efisiensi pengosongan baterai. Hasilnya, penggunaan anoda paduan terner Al-Zn-In, yang diproduksi dari aluminium yang tersedia secara komersial dan bukan aluminium dengan kemurnian-tinggi yang mahal, menghadirkan solusi-hemat biaya dengan peningkatan kinerja.
Campuran tembaga-Al yang diendapkan juga menjanjikan sebagai bahan anoda, membentuk lapisan pelindung yang mengurangi evolusi hidrogen dan meningkatkan kinerja pelepasan. Sebuah studi yang dilakukan oleh Mutlu dan Yazıcı menunjukkan bahwa elektrodeposisi tembaga membantu menurunkan resistensi transfer muatan-anoda aluminium. Hal ini karena senyawa tertentu (seperti Al(OH)2+, Al7(OH)174+, Al2(OH)24+, dan Al13(OH)345+) menumpuk di permukaan dan menciptakan resistensi. Sebaliknya, Al(OH)3larut dalam larutan basa, membentuk Al(OH)4-, yang memiliki laju disolusi lebih rendah dan menjaga keseimbangan antara Al(OH) dan Al(OH)4-. Tembaga membantu menghilangkan senyawa ini dari permukaan, mengurangi resistensi dan meningkatkan kinerja pelepasan. Selain itu, ketahanan aluminium oksida lebih tinggi dibandingkan ketahanan kombinasi tembaga-aluminium, sehingga tembaga mengurangi ketahanan film dan membuatnya lebih tahan lama. Secara keseluruhan, kemajuan dalam komposisi paduan dan metode fabrikasi sangat penting untuk memaksimalkan efisiensi dan efektivitas biaya-anoda Al.
Komersialisasi
Aluminium sebagai “bahan bakar” kendaraan telah dipelajari oleh Yang dan Knickle. Pada tahun 2002, mereka menyimpulkan:
Sistem baterai Al/air dapat menghasilkan energi dan tenaga yang cukup untuk jarak berkendara dan akselerasi serupa dengan mobil bertenaga bensin...biaya aluminium sebagai anoda bisa serendah US$ 1,1/kg selama produk reaksi didaur ulang. Efisiensi bahan bakar total selama proses siklus pada kendaraan listrik (EV) Al/air dapat mencapai 15% (tahap saat ini) atau 20% (proyeksi), sebanding dengan kendaraan bermesin pembakaran internal (ICE) (13%). Kepadatan energi baterai desain adalah 1300 Wh/kg (saat ini) atau 2000 Wh/kg (diproyeksikan). Biaya sistem baterai yang dipilih untuk dievaluasi adalah US$ 30/kW (saat ini) atau US$ 29/kW (proyeksi). Analisis siklus hidup kendaraan listrik Al/air dilakukan dan dibandingkan dengan kendaraan listrik timbal/asam dan nikel metal hidrida (NiMH). Hanya kendaraan listrik Al/air yang dapat diproyeksikan memiliki jangkauan perjalanan yang sebanding dengan ICE. Dari analisis ini, kendaraan listrik Al/air adalah kandidat yang paling menjanjikan dibandingkan ICE dalam hal jangkauan perjalanan, harga pembelian, biaya bahan bakar, dan biaya{16}}siklus masa pakai.
Masalah teknis masih harus dipecahkan agar baterai Al-air cocok untuk kendaraan listrik. Anoda yang terbuat dari aluminium murni terkorosi oleh elektrolit, sehingga aluminium biasanya dicampur dengan timah atau unsur lainnya. Alumina terhidrasi yang dihasilkan oleh reaksi sel membentuk zat seperti gel di anoda dan mengurangi keluaran listrik. Ini adalah masalah yang sedang ditangani dalam pekerjaan pengembangan sel Al-air. Misalnya, bahan tambahan yang membentuk alumina sebagai bubuk dan bukan gel telah dikembangkan.
Katoda udara modern terdiri dari lapisan karbon reaktif dengan pengumpul arus jaringan nikel, katalis (misalnya kobalt), dan lapisan polytetrafluoroethylene hidrofobik berpori yang mencegah kebocoran elektrolit. Oksigen di udara melewati polytetrafluoroethylene kemudian bereaksi dengan air untuk menghasilkan ion hidroksida. Katoda ini berfungsi dengan baik, tetapi harganya mahal.
Baterai Al-air tradisional memiliki umur simpan yang terbatas, karena aluminium bereaksi dengan elektrolit dan menghasilkan hidrogen saat baterai tidak digunakan; hal ini tidak lagi terjadi pada desain modern. Masalah ini dapat dihindari dengan menyimpan elektrolit dalam tangki di luar baterai dan memindahkannya ke baterai bila diperlukan untuk digunakan.
Baterai ini dapat digunakan sebagai baterai cadangan di sentral telepon dan sebagai sumber daya cadangan.
Masalah lainnya adalah biaya bahan yang perlu ditambahkan ke baterai untuk menghindari penurunan daya. Aluminium masih sangat murah dibandingkan elemen lain yang digunakan untuk membuat baterai. Aluminium berharga $2,51 per kilogram sedangkan litium dan nikel masing-masing berharga $12,59 dan $17,12 per kilogram. Namun, satu unsur lain yang biasanya digunakan dalam udara aluminium sebagai katalis di katoda adalah perak, yang harganya sekitar $922 per kilogram (harga tahun 2024).
Baterai aluminium-udara dapat menjadi solusi efektif untuk aplikasi kelautan karena kepadatan energinya yang tinggi, biaya rendah, dan banyaknya aluminium, tanpa emisi saat digunakan di kapal dan kapal laut. Kekuatan Aluma, Phinergi Kelautan, Log 9 Bahan, RiAlAiR dan beberapa perusahaan komersial lainnya sedang mengerjakan aplikasi komersial dan militer di lingkungan laut.
Penelitian dan pengembangan sedang dilakukan pada elektrolit alternatif, lebih aman, dan berkinerja lebih tinggi seperti pelarut organik dan cairan ionik. Perusahaan lain seperti AlumaPower berfokus pada metode mekanis untuk mengurangi banyak masalah historis pada baterai Al-air. Paten AlumaPower (US US10978758B2) menggambarkan metode memutar anoda yang menghilangkan pola keausan dan korosi pada anoda. Paten tersebut selanjutnya mengklaim bahwa desain tersebut dapat menggunakan sisa aluminium apa pun, termasuk kaleng soda yang dilebur kembali dan blok mesin.
