Pemenang Nobel Dalam Bidang Kimia 2019: Perkembangan Baterai Lithium-Ion dan Divais Penyimpanan Energi



Tiga peneliti merasa terhormat dengan Hadiah Nobel dalam bidang Kimia yang telah dimenangkan untuk peran mereka dalam pengembangan baterai lithium-ion, sebuah teknologi yang memungkinkan peradaban elektronik seluler kita untuk telepon seluler dan mobil listrik. Tiga peneliti pemenang nobel tersebut adalah John Goodenough  dari University of Texas, Austin,  M. Stanley Whittingham  dari Binghamton University dan Akira Yoshino dari Meijo University.

“Kita harus mengakui bahwa peranan baterai lithium-ion memperngaruhi perkembangan teknologi di dunia,” kata Clare Gray , seorang profesor kimia di Universitas Cambridge yang telah bekerja dengan Goodenough dan Whittingham. "Baterai lithium-ion ini benar-benar mendukung seluruh perkembangan dan revolusi elektronik portabel dan membuat memungkinkan mereduksi terbentuknya CO2" tambahnya.

"Lebih dari dua pertiga populasi dunia memiliki perangkat mobile, baik itu smartphone, laptop atau tablet, dan hampir semua didukung oleh baterai lithium-ion yang dapat diisi ulang sebagai sumber energi yang tahan lama" Paul Coxon, seorang profesor ilmu material dan metalurgi di Cambridge University, menulis dalam email. “Mereka adalah para pekerja tersembunyi dari era seluler, yang muncul berkat penelitian fundamental yang dimulai lebih dari 40 tahun yang lalu.” Hadiah nobel hari ini menghormati peran yang dikerjakan oleh Goodenough, Whittingham dan Yoshino dalam pekerjaan transformasi itu.

Ketika para peneliti memulai pekerjaan mereka lebih dari empat dekade lalu, dunia pada saat itu dihadapkan pada kasus krisis energi dan krisis lingkungan, yang keduanya telah berlangsung selama beberapa dekade. Pada awal era kelistrikan yaitu pada akhir abad ke-19, baterai adalah perlengkapan umum dari automobiles dan perangkat lainnya. Tetapi baterai tersebut masih berat dan memiliki efesiensi yang masih kurng, dan penelitian untuk memperbaiki kekurangan yang dimilikinya mengalami stagnasi. Bahan bakar minyak bumi dengan cepat mengambil alih sebagai sumber energi utama untuk menggerakkan mobil dan sistem lainnya yang membutuhkan bahan bakar yang serupa.

Tetapi pada tahun 1960-an, bahaya ketergantungan yang begitu besar pada minyak bumi menjadi jelas. Di Amerika Serikat, kekurangan minyak ditambah dengan udara yang dipenuhi asap industri di kota-kota dan bahaya lingkungan lainnya, memperjelas bahwa diperlukan penelitian untuk menemukan cara yang lebih berkelanjutan dalam menyimpan dan menggunakan energi.

Maka dari masalah tersebut baterai kembali menjadi perhatian para peneliti. Secara khusus, para ilmuwan memanfaatkan lithium, logam paling ringan dalam tabel periodik dan merupakan bahan yang secara khusus cenderung membentuk ion dengan melepaskan elektron. Tetapi "untuk menggunakan lithium dalam baterai, Anda benar-benar harus mampu mengontrol reaktivitasnya," kata Olof Ramström, seorang profesor kimia di University of Massachusetts di Lowell dan anggota komite Hadiah Nobel, pada saat pemenang nobel diumumkan. "Dan pekerjaan itulah pencapaian besar yang telah diterima oleh para pemenang nobel" lanjutnya.

Baterai pada dasarnya menyimpan dan melepaskan energi melalui proses reaksi kimia yang terjadi pada dua elektroda, katoda bermuatan positif dan anoda bermuatan negatif. Ion positif bergerak dari anoda ke katoda melalui sel elektrolit di antara keduanya, yang secara bergiliran mendorong elektron untuk mengalir ke arah tertentu melalui rangkaian yang diatur untuk menyalakan perangkat yang terhubung. Jika proses ini dibalik, maka baterai dapat diisi ulang.
John Goodenough
M. Stanley Whittingham
Akira Yoshino
“Mungkin terlihat relatif mudah untuk membuat baterai,” kata Ramström. “Namun, itu tidak benar. Sangat sangat, sangat sulit untuk memproduksi, mendesain, dan mengembangkan baterai yang berfungsi dengan baik dan efisien. "

Tetapi Whittingham, Goodenough, dan Yoshino menemukan cara untuk memproduksi baterai yang berfungsi dengan baik dan efisien.

Pada tahun 1970-an, Whittingham melakukan penelitian tentang bahan superkonduktor, dengan berfokus pada padatan berlapis yang dapat dengan mudah mengambil ion ke dalam matriks bahan superkonduktor tersebut. Relevansi pekerjaan yang dilakukannya ini berkaitan pengembangan baterai menjadi sangat jelas. Hal ini membuat Whittingham mengembangkan bahan katoda baru, yaitu titanium disulfida yang memungkinkan ion lithium bergerak bebas di dalamnya. “Dia menggunakan prinsip-prinsip kimia solid-state bersifat sangat klasik yang dia buat dengan sebelumnya di Universitas Oxford dan Universitas Stanford", kata Gray. "Penelitian katoda miliknya membentuk dasar untuk menemukan seluruh kelas material dan ide-ide yang telah kami bangun selama bertahun-tahun" lanjut Gray.

Goodenough kemudian meningkatkan desain baterai berdasarkan karya yang dihasilkan oleh Whittingham. Dari pemahamannya tentang prinsip-prinsip kimia yang berkaitan, ia menyadari bahwa bahan oksida logam dapat menyimpan lebih banyak energi di katoda daripada logam sulfida. Akhirnya, ia menemukan bahwa jika ia mengganti katoda titanium disulfida dengan bahan yang terbuat dari oksida kobalt, ia hampir dapat menggandakan tegangan baterai, selain itu dapat meningkatkan kapasitas energi, memungkinkan baterai memiliki tegangan lebih tinggi dengan masa pakai yang lebih lama per pengisian daya.
Vanessa Wood , seorang profesor di departemen teknologi informasi dan teknik listrik di ETH Zürich, mencatat bahwa desain katoda berlapis milik Goodenough masih digunakan sampai sekarang. “Jika Anda melihat evolusi baterai dari komersialisasi pertama Sony pada tahun '91 ke apa yang kita miliki di mobil Tesla hari ini, atau laptop dan ponsel kita, bahan katoda tersebut telah menjadi salah satu sumber utama meningkatnya teknologi dan inovasi."

Di sisi lain, berbagai perbaikan dan optimasi terakhir datang dari Yoshino yang berfokus pada anoda. Anoda logam lithium selalu bermasalah, paling tidak karena ketidakstabilannya kadang-kadang dapat menyebabkan baterai mengalami korsleting dan meledak. "Tahap awal penelitian saya bukan untuk baterai sekunder," kata Yoshino saat wawancara telepon dengan Komite Nobel pada upacara pengumuman. "Langkah pertama adalah bahan baru yang berasal dari polimer elektrokonduktif." Namun demikian, penelitian itu menunjukkan kepada Yoshino cara mengganti anoda logam lithium murni dengan yang terbuat dari minyak bumi yaitu matriks karbon. Ketika anoda milik Yoshino tersebut dipadukan dengan katoda baru Goodenough, hal itu menciptakan baterai yang aman, ringan dan sangat efisien.

Desain tersebut ada di mana-mana saat ini, meningkatkan perkembangan elektronik portabel dan membantu menggeser infrastruktur energi dunia ke arah yang lebih berkelanjutan karena memungkinkan listrik dapat dihasilkan dari sumber-sumber terbarukan, seperti matahari dan anginn yang dapat disimpan dan digunakan secara efisien.

"Baterai ini telah membantu dalam perkembangan revolusi elektronik portabel dan sekarang memiliki peran penting dalam kendaraan listrik untuk menurunkan emisi dan meningkatkan kualitas udara," kata  Saiful Islam , seorang profesor kimia dalam kelompok riset bahan energi di University of Bath. “Faktanya, kebanyakan orang mungkin melihat berita Hadiah Nobel ini pada perangkat yang ditenagai oleh baterai lithium-ion. Dalam pandangan saya, penghargaan ini sudah lama tertunda dan telah memperlihatkan kita bahwa bidang kimia bahan yang sangat penting ini telah diakui oleh dunia."

Sumber berita: https://www.quantamagazine.org/chemistry-nobel-goes-to-lithium-battery-innovators-20191009/