Penelitian tersebut menyoroti penggunaan reduced graphene oxide (rGO) atau grafena oksida tereduksi sebagai material anoda pada baterai sodium-ion. Hasilnya menunjukkan bahwa pengurangan luas permukaan grafena mampu menekan kehilangan kapasitas baterai pada siklus awal sekaligus memperpanjang umur pakai baterai hingga ratusan kali pengisian ulang.
Temuan ini penting karena sodium-ion battery mulai dipandang sebagai solusi energi masa depan yang lebih murah dan berkelanjutan dibanding baterai lithium-ion. Natrium tersedia jauh lebih melimpah di alam dibanding lithium, sehingga biaya produksi baterai berpotensi lebih rendah dan rantai pasoknya lebih stabil.
Mengapa Baterai Natrium Sulit Dikembangkan?
Selama beberapa tahun terakhir, ilmuwan di berbagai negara berusaha mengembangkan baterai sodium-ion sebagai pengganti baterai lithium-ion. Masalah utamanya terletak pada ukuran ion natrium yang lebih besar dibanding ion lithium.
Ion natrium bergerak lebih lambat dan lebih sulit masuk ke struktur karbon konvensional seperti grafit. Akibatnya, performa baterai natrium masih kalah dalam hal kapasitas dan efisiensi pengisian.
Material berbasis karbon seperti hard carbon dan graphene kemudian menjadi kandidat utama untuk mengatasi masalah tersebut. Reduced graphene oxide dinilai menjanjikan karena memiliki kapasitas penyimpanan energi tinggi dan struktur yang dapat dimodifikasi.
Namun, ada tantangan besar. Struktur grafena yang terlalu “terbuka” menghasilkan luas permukaan sangat besar. Kondisi ini mempercepat pembentukan lapisan kimia yang disebut solid electrolyte interphase (SEI), yakni lapisan reaksi antara elektroda dan elektrolit.
Lapisan SEI memang diperlukan agar baterai bekerja stabil, tetapi pembentukan berlebihan justru menghabiskan ion natrium secara permanen. Dampaknya adalah kapasitas baterai turun drastis pada siklus awal.
Menurut Uqab Afridi, sebagian besar penelitian sebelumnya menghasilkan rGO dengan luas permukaan sangat tinggi, berkisar 500–1000 meter persegi per gram. Struktur seperti ini memang menyediakan banyak titik penyimpanan ion, tetapi juga memperbesar reaksi samping yang merusak baterai.
Strategi Baru: Mengurangi Luas Permukaan Grafena
Dalam penelitian ini, tim peneliti menggunakan pendekatan berbeda. Mereka mencoba mempertahankan struktur grafena tetap padat dan tidak terlalu mengembang saat proses reduksi termal berlangsung.
Metode yang digunakan mengombinasikan teknik spray drying dengan pemanasan bertahap bersuhu rendah hingga tinggi. Teknik ini bertujuan mencegah “ledakan” struktur grafena selama pemanasan yang biasanya menyebabkan material menjadi sangat berpori.
Peneliti memproduksi beberapa sampel rGO pada suhu reduksi berbeda, mulai dari 200°C hingga 1000°C. Semua sampel kemudian dibandingkan untuk melihat pengaruh luas permukaan dan kandungan oksigen terhadap performa baterai.
Hasilnya cukup mencolok.
Sampel terbaik diperoleh pada suhu reduksi 400°C. Material ini menghasilkan performa paling stabil dengan kombinasi kapasitas tinggi dan kehilangan energi rendah.
Beberapa hasil utama penelitian meliputi:
- Kapasitas reversibel mencapai 216 mAh g⁻¹ pada arus 100 mA g⁻¹
- Kapasitas baterai tetap bertahan 85 persen setelah 200 siklus pengisian
- Kehilangan kapasitas awal turun dua hingga tiga kali dibanding penelitian sebelumnya
- Struktur grafena padat menghasilkan pembentukan SEI lebih stabil
- Material lebih mudah diproses untuk produksi elektroda baterai
Peneliti menemukan bahwa struktur grafena yang tidak terlalu mengembang ternyata lebih efektif menjaga kestabilan baterai dibanding grafena dengan luas permukaan sangat besar.
Pengaruh Luas Permukaan terhadap Umur Baterai
Penelitian ini juga memperlihatkan hubungan langsung antara luas permukaan material dan efisiensi baterai.
Pada material dengan luas permukaan besar, ion natrium memang lebih mudah menempel. Namun di sisi lain, area reaktif yang terlalu luas menyebabkan lebih banyak elektrolit terurai dan membentuk lapisan SEI berlebihan.
Akibatnya, banyak ion natrium “terjebak” dan tidak bisa digunakan kembali saat proses pengisian berikutnya.
Sebaliknya, grafena dengan luas permukaan rendah menunjukkan pembentukan SEI yang lebih stabil dan seragam. Hal ini membantu mempertahankan kapasitas baterai dalam jangka panjang.
Peneliti juga menemukan bahwa suhu reduksi memegang peranan penting. Jika suhu terlalu tinggi, struktur grafena menjadi terlalu rapat sehingga ion natrium sulit masuk. Jika terlalu rendah, kandungan oksigen terlalu banyak dan konduktivitas listrik menurun.
Titik optimal ditemukan pada reduksi suhu 400°C, yang menghasilkan keseimbangan terbaik antara konduktivitas, ruang penyimpanan ion, dan kestabilan struktur.
Dampak bagi Industri Energi dan Kendaraan Listrik
Temuan ini dinilai penting bagi pengembangan baterai murah untuk kendaraan listrik, penyimpanan energi surya, dan sistem energi skala besar.
Selama ini, industri baterai sangat bergantung pada lithium yang pasokannya semakin mahal dan terkonsentrasi di beberapa negara tertentu. Sodium menjadi alternatif menarik karena tersedia melimpah di air laut dan kerak bumi.
Jika teknologi sodium-ion berhasil dikomersialkan secara luas, biaya penyimpanan energi dapat ditekan secara signifikan.
Selain performa elektrokimia, penelitian ini juga menunjukkan keuntungan manufaktur. Material rGO berpermukaan rendah lebih mudah diolah menjadi slurry atau pasta elektroda dengan konsentrasi padatan tinggi.
Hal ini penting dalam produksi massal karena dapat mengurangi penggunaan pelarut dan meningkatkan efisiensi proses fabrikasi baterai.
Menurut Afridi, pendekatan pengendalian morfologi material seperti ini membuka jalan baru bagi desain anoda sodium-ion yang lebih praktis dan ekonomis untuk industri.
Masih Membutuhkan Pengembangan Lanjutan
Meski hasil penelitian cukup menjanjikan, para peneliti mengakui teknologi ini masih memerlukan pengembangan lebih lanjut sebelum digunakan secara komersial.
Beberapa tantangan yang masih harus diselesaikan antara lain peningkatan efisiensi siklus awal, optimalisasi struktur SEI, serta pengujian dalam skala industri.
Penelitian lanjutan juga dibutuhkan untuk memahami lebih dalam mekanisme transport ion natrium di dalam struktur grafena menggunakan teknik karakterisasi tingkat lanjut seperti cryo-TEM dan electrochemical impedance spectroscopy.
Namun demikian, studi ini memberikan bukti kuat bahwa pengendalian luas permukaan grafena menjadi faktor kunci dalam meningkatkan performa baterai sodium-ion generasi berikutnya.
Profil Penulis
Uqab Afridi merupakan peneliti di College of Materials Science and Engineering, Hohai University. Bidang keahliannya meliputi material penyimpanan energi, graphene oxide, sodium-ion battery, dan rekayasa material karbon untuk aplikasi baterai generasi baru.
Sumber Penelitian
URL: https://dmimultitechpublisher.my.id/index.php/ijsr/index
0 Komentar