Abstrak Grafis
Tinjauan mengenai peran multifungsi h-BN, yang menyoroti kontribusinya dalam meningkatkan transportasi ionik, manajemen termal, dan stabilitas antarmuka, disajikan. Peran h-BN dalam meningkatkan stabilitas termal, mekanis, dan elektrokimia elektrolit cair, polimer gel, dan elektrolit padat dibahas secara komprehensif, bersama dengan tantangan utama dan perspektif untuk penelitian lebih lanjut tentang potensinya untuk merevolusi teknologi penyimpanan energi.
Abstrak
Boron nitrida heksagonal (h-BN), dengan sifat struktural dan termalnya yang unik, telah muncul sebagai material serbaguna yang mampu mengatasi tantangan seperti ketidakstabilan termal, pembentukan dendrit, dan konduktivitas ionik terbatas pada elektrolit cair, polimer gel, dan elektrolit padat (SSE) untuk baterai ion litium dan logam litium (LMB) berkinerja tinggi. Dalam elektrolit cair, h-BN meningkatkan mobilitas ionik dan menekan reaksi samping, sedangkan dalam elektrolit polimer gel (GPE), ia meningkatkan fleksibilitas mekanis dan stabilitas termal. SSE mendapat manfaat dari kemampuan h-BN untuk menekan dendrit, memperkuat kekuatan mekanis, dan mengoptimalkan kompatibilitas antarmuka, menjadikannya pendorong utama untuk teknologi baterai generasi berikutnya. Meskipun menjanjikan, tantangan seperti keseragaman dispersi, biaya, dan kompleksitas antarmuka harus diatasi. Arah masa depan, termasuk pengembangan arsitektur multifungsi, elektrolit dinamis, dan metode sintesis berkelanjutan, dibahas untuk memandu integrasi h-BN dalam sistem penyimpanan energi yang sedang berkembang. Artikel perspektif ini mengeksplorasi peran multifungsi h-BN, menyoroti kontribusinya dalam meningkatkan transportasi ionik, manajemen termal, dan stabilitas antarmuka. Dengan menyajikan tinjauan menyeluruh tentang peran h-BN dalam elektrolit, karya ini bertujuan untuk menginspirasi penelitian lebih lanjut tentang potensinya untuk merevolusi teknologi penyimpanan energi.
1 Pendahuluan
Elektrolit merupakan komponen dasar dalam baterai, yang berfungsi sebagai media untuk transportasi ion antara elektroda selama siklus. Performa, stabilitas, dan keamanan baterai sangat dipengaruhi oleh desain elektrolit. [ 1 ] Dengan semakin meningkatnya permintaan akan solusi penyimpanan energi yang efisien dan tahan lama untuk kendaraan listrik (EV), elektronik portabel, dan penyimpanan skala jaringan, para peneliti telah berfokus pada perumusan sistem elektrolit yang menawarkan konduktivitas ionik yang lebih baik, jendela stabilitas elektrokimia (ESW) yang lebih luas, manajemen termal yang canggih, aman berdasarkan desain, dan sifat mekanis yang ditingkatkan. [ 2 , 3 ]
Kemajuan dalam baterai Li-ion (LIB) mengharuskan penanganan beberapa tantangan kritis yang mencakup stabilitas termal yang buruk, ketidakcocokan antarmuka anoda/elektrolit, dan konduktivitas ionik yang rendah dalam elektrolit. Selain itu, ketahanan mekanis elektrolit diperlukan untuk mencegah pertumbuhan dendrit, yang dapat menyebabkan kegagalan baterai dan thermal runaway. [ 4 ] h-BN, material 2D, baru-baru ini menunjukkan potensi untuk mengatasi tantangan kritis ini untuk meningkatkan perilaku termal, mekanis, dan elektrokimia elektrolit. [ 5 ] Kemajuan h-BN dalam sistem penyimpanan energi juga telah mengalami perluasan yang signifikan, yang dikaitkan dengan sifat elektroniknya yang dapat disetel melalui fungsionalisasi permukaan, terutam
Gambar 1
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Keuntungan h-BN untuk elektrolit berbasis litium.
h-BN biasanya disintesis menggunakan beberapa metode seperti pengendapan uap kimia (CVD), pengelupasan h-BN massal, dan sintesis kimia bottom-up. [ 7 – 9 ] Di antara metode-metode ini, CVD khususnya terkenal karena kemampuannya untuk menghasilkan lapisan tunggal dengan kemurnian tinggi dan area yang luas, sementara teknik pengelupasan lebih disukai untuk memperoleh struktur berlapis-lapis dari kristal massal. Selain itu, kemajuan terkini dalam metode sintesis kimia telah memungkinkan produksi h-BN fungsional yang dapat ditingkatkan dengan sifat-sifat yang disesuaikan untuk aplikasi tertentu. [ 10 – 16 ]
Stabilitas elektrokimia h-BN menjadikannya kandidat ideal untuk mengurangi reaksi samping dan degradasi mekanis. [ 17 ] Misalnya, sebagai pelapis permukaan, h-BN secara efektif menekan pertumbuhan dendrit dengan mengatur fluks ion. [ 18 ] Khususnya, h-BN dapat menciptakan penghalang energi untuk menghambat penerowongan elektron, sehingga secara efektif mencegah dekomposisi elektrolit. [ 19 ] Lebih jauh lagi, morfologi 2D h-BN menyediakan platform untuk transpor ionik terkendali dengan mengurangi polarisasi konsentrasi, sementara kelembaman kimianya membantu mencegah reaksi samping dan meningkatkan stabilitas jangka panjang. [ 20 , 21 ]
Tinjauan ini bertujuan untuk mengisi kesenjangan kritis dalam literatur yang ada dengan menyediakan analisis komprehensif h-BN di seluruh sistem elektrolit utama, termasuk elektrolit cair, polimer gel, dan elektrolit keadaan padat. [ 5 , 22 , 23 ] Tidak seperti tinjauan sebelumnya yang sebagian besar berfokus pada peran h-BN dalam sistem keadaan padat atau sebagai aditif elektroda, karya ini menyajikan perspektif terpadu yang menyoroti aplikasi multifasetnya dalam LIB. Penekanan khusus ditempatkan pada mekanisme yang dengannya h-BN meningkatkan konduktivitas ionik, menekan pembentukan dendrit, dan meningkatkan stabilitas termal, memberikan perspektif untuk memajukan desain elektrolit. Lebih jauh, tinjauan ini mengeksplorasi potensi h-BN untuk mengatasi tantangan yang terkait dengan operasi tegangan tinggi, seperti stabilitas oksidatif dan degradasi antarmuka—area yang sering diabaikan dalam literatur yang ada. Akhirnya, kami menguraikan peluang masa depan untuk h-BN dalam kimia baterai yang sedang berkembang dan membahas tantangan praktis, termasuk skalabilitas dan pemrosesan material, untuk memandu langkah selanjutnya di bidang ini.
2 Boron Nitrida Heksagonal: Sifat Struktural dan Kimia
Bulk h-BN terdiri dari lembaran berlapis yang tersusun secara heksagonal dan terikat melalui hibridisasi sp 2 , di mana atom B dan N memiliki konfigurasi bidang trigonal. [ 22 , 24 ] Ia terdiri dari dua atom dengan elektronegativitas yang berbeda (boron = 2,04, nitrogen = 3,04), yang memberikan karakter ionik pada material, sehingga menghasilkan sifat-sifat isolasi elektron. [ 18 , 25 ] Konduktivitas termal h-BN yang tinggi (2000 W m −1 K −1 ) dapat dikaitkan dengan celah pita yang lebar (5–6 eV) dan kristalinitas yang stabil, yang dapat bertahan pada suhu hingga 1000 °C di udara. [ 26 , 27 ] h-BN nanosheets (h-BNNSs) menunjukkan sifat mekanik yang luar biasa, ditandai dengan modulus Young sebesar 0,8 TPa dan modulus elastisitas sebesar 510 N m −1 , memberikan fleksibilitas dan kemampuan meregang yang tinggi. [ 28 – 30 ]
Penambahan h-BN nanosheets (h-BNNSs) ke elektrolit solid-state (SSEs) berpotensi meningkatkan konduktivitas ionik, menghambat pembentukan dendrit litium, dan mengurangi risiko yang terkait dengan thermal runaway. Konduktivitas listrik h-BN yang rendah memainkan peran penting dalam memfasilitasi peningkatan ini, menjadikannya sebagai aditif penting dalam teknologi baterai. [ 31 ]
Kimia permukaan inert dari h-BN berkontribusi pada stabilitas kimianya di lingkungan yang keras, seperti yang ditemui dalam sistem elektrokimia. Sementara inertness ini merupakan kekuatan, ia juga dapat membatasi interaksi dengan komponen elektrolit. [ 18 ] Untuk mengatasi hal ini, fungsionalisasi permukaan h-BNNS dapat meningkatkan kompatibilitas dengan berbagai matriks elektrolit ( Gambar 2a ). [ 28 ] Sebagai contoh pemanfaatan h-BNNS yang difungsikan secara kovalen, gugus hidroksil [ 32 ] atau amina [ 33 , 34 ] dapat diperkenalkan ke permukaan h-BNNS untuk meningkatkan interaksi dengan matriks polimer dalam elektrolit polimer gel (GPE) dan untuk mempromosikan konduktivitas ionik dalam sistem keadaan padat (Gambar 2b ). h-BNNS yang difungsikan juga dapat berfungsi sebagai inang bagi cairan ionik atau garam, menciptakan bahan hibrida dengan sifat elektrokimia yang ditingkatkan (Gambar 2c–e ). [ 28 – 30 , 32 ] Selain itu, seperti grafen, BNNS memiliki konjugasi π, yang memungkinkan interaksi penumpukan π–π dengan molekul lain yang memiliki cincin benzena atau unit terkonjugasi serupa. Berbeda dengan alotrop karbon, ikatan boron–nitrida menunjukkan sifat yang mirip dengan ikatan ionik, sehingga menghasilkan polaritas elektronik alami. Dengan demikian, prinsip asam–basa Lewis dapat diterapkan untuk meningkatkan elektronegativitas melalui tarikan muatan positif dan negatif, yang memfasilitasi interaksi nonkovalen. Lebih jauh lagi, interaksi nonkovalen lainnya, termasuk ikatan hidrogen, interaksi elektrostatik, dan pengenalan cacat, juga dapat digunakan untuk mengubah karakteristik permukaan BNNS, meningkatkan kelarutan dan kompatibilitasnya. Di antara strategi ini, penumpukan π–π, terutama dengan molekul yang memiliki afinitas cincin benzena, adalah pendekatan yang paling umum untuk fungsionalisasi BNNS. [ 35 – 37 ]
Gambar 2
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
a) Fungsionalisasi kovalen dan nonkovalen h-BNNS dengan berbagai gugus fungsional. Diadaptasi dengan izin. [ 28 ] Hak cipta 2021, dari Nature Publishing Group. b) Interaksi antara PEO/LiTFSI dan lembaran nano BN. c) Struktur CPE. Diadaptasi dengan izin. [ 32 ] Hak cipta 2024, Elsevier BV d) PVCA-BNNF QSSE yang dipelintir, diregangkan, dan dilipat. Diadaptasi dengan izin. [ 30 ] Hak cipta 2023, American Chemical Society. e) Hasil uji tegangan–regangan CPE dan CPE-BN. Diadaptasi dengan izin. [ 29 ] Hak cipta 2022, American Chemical Society.
3 Status Saat Ini h-BN dalam Elektrolit Berbasis Li
Penyertaan h-BN dalam elektrolit menawarkan beberapa manfaat kinerja. Tabel perbandingan yang menunjukkan efek penyertaan h-BN pada sifat elektrokimia disediakan dalam Tabel 1. Misalnya, penyertaan h-BNNS secara signifikan meningkatkan sifat mekanis GPE. Peningkatan ini terjadi sambil mempertahankan konduktivitas ionik yang tinggi pada suhu kamar yang kontras dengan mikropartikel h-BN massal tradisional. [ 18 , 38 ] h-BNNS menunjukkan kompatibilitas dengan katode tegangan tinggi (lebih besar dari 5 V versus Li/Li + ) dan memberikan stabilitas termal yang luar biasa, yang memungkinkan pengoperasian LIB solid-state pada suhu tinggi, mencapai hingga 175 °C ( Gambar 3e,f ). [ 38 ] Selain itu, banyak penelitian telah menekankan bahwa atom B dalam BN, yang memiliki keasaman Lewis, menahan anion dalam elektrolit, yang menghasilkan pergerakan Li + yang cepat karena interaksi antara ion Li + dan nanoflake h-BN. [ 30 , 39 , 40 ] Misalnya, Zhao et al. melaporkan bahwa anion TFSI − terperangkap oleh atom B dalam h-BN, dan transportasi ion Li-selektif ditingkatkan dalam elektrolit polimer padat (SPE). [ 39 ]
Tabel 1. Perbandingan kinerja elektrolit yang mengandung h-BN untuk baterai berbasis Li.
Gambar 3
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
a) Penyusutan termal separator, b) Hasil TGA separator, c) gambar digital separator sebelum dan setelah pemanasan (pada 140 °C selama 1 jam), dan d) gambar FLIR separator. Diadaptasi dengan izin. [ 44 ] Hak cipta 2019, Wiley-VCH. e) Diagram skema persiapan elektrolit gel h-BN. f) Profil tegangan polarisasi sel simetris (Li|elektrolit gel|Li) dengan elektrolit gel. Diadaptasi dengan izin. [ 38 ] Hak cipta 2019, American Chemical Society.
Konduktivitas termal dan stabilitas h-BN yang tinggi menjadikannya pilihan yang sangat baik untuk meningkatkan toleransi panas elektrolit, persyaratan penting dalam aplikasi daya tinggi seperti kendaraan listrik. [ 41 – 43 ] Misalnya, dalam pemisah dwi lapis komposit, penambahan partikel h-BN ke matriks polietilena (PE) secara signifikan meningkatkan interaksi antarmuka antara lapisan PE dan poli(vinilidena fluorida-heksafluoropropilena) (PVDF-HFP), sehingga mencegah pemisahan lapisan dan mengurangi pertumbuhan dendrit dibandingkan dengan Celgard 2325. Pemisah dwi lapis ini mencapai penyerapan elektrolit yang mengesankan sebesar 348% dan menunjukkan penyusutan termal sebesar 6,6% setelah anil pada 140 °C selama 1 jam (Gambar 3a–d ). [ 44 ] Ketika diintegrasikan ke dalam GPE dan SPE, h-BN meningkatkan integritas mekanis, mengurangi risiko pembentukan dendrit dan kerusakan elektrolit. memperkenalkan 2D h-BN nanoflakes ke dalam elektrolit polimer campuran polietilen oksida (PEO)-PVDF untuk membentuk elektrolit komposit keadaan padat, meningkatkan sifat ionik dan mekanis serta meningkatkan ketahanan termal elektrolit. [ 45 ]
Kompatibilitas antarmuka antara h-BNNS dan matriks polimer sangat penting untuk mentransfer tekanan mekanis, energi termal, dan karakteristik listrik lintas fase yang berbeda. Ini dapat dicapai dengan memfungsikan h-BNNS untuk membangun interaksi kovalen dan nonkovalen, termasuk ikatan hidrogen, gaya van der Waals, dan penumpukan π–π antara BNNS dan polimer. [ 46 , 47 ] Mengoptimalkan distribusi h-BN dalam elektrolit memberikan solusi inovatif untuk mengatasi masalah kinerja yang terkait dengan titik panas lokal dan masalah keamanan. Sebagai contoh kompatibilitas antarmuka, elektrolit polimer komposit konduktif termal (CPE) yang dapat dicetak, diformulasikan dari PEO dan menampilkan h-BN fungsionalisasi silana (S-hBN) yang selaras dengan baik, menunjukkan peningkatan 1,7 kali lipat dalam konduktivitas termal dan modulus penyimpanan sebesar 3–4 kali lipat dibandingkan dengan CPE yang menggabungkan nanoplat Sh-BN yang didistribusikan secara acak. [ 43 ]
Fitur-fitur ini menjadikan h-BN serbaguna untuk meningkatkan kinerja elektrolit di berbagai teknologi penyimpanan energi. Kemampuannya untuk meningkatkan sifat ionik, termal, dan mekanis secara sinergis memberikan dasar bagi inovasi dalam desain elektrolit generasi berikutnya.
3.1 Elektrolit Cair
Elektrolit cair digunakan secara luas dalam sistem baterai karena konduktivitas ioniknya yang tinggi dan kemudahan pemrosesannya. Namun, tantangan seperti mudah terbakar dan kerentanan terhadap reaksi samping tetap ada. Penggabungan h-BN ke dalam elektrolit cair menawarkan solusi yang menjanjikan untuk masalah ini dengan memanfaatkan sifat struktural dan kimianya yang unik. h-BN biasanya berfungsi sebagai aditif untuk meningkatkan stabilitas dan kinerja. [ 17 , 41 ] Struktur berlapis 2D-nya menyediakan penghalang fisik yang menghambat pertumbuhan dendrit. Selain itu, konduktivitas termal h-BN membantu menghilangkan panas yang dihasilkan selama siklus kecepatan tinggi, mengurangi risiko pelarian termal. [ 17 , 41 ]
ESW yang sempit dari elektrolit cair juga membatasi penggunaannya dalam sistem tegangan tinggi, dan integrasi h-BN dapat memperluas ESW, membuat elektrolit yang ditingkatkan dengan h-BN cocok untuk baterai generasi berikutnya, seperti litium–sulfur (Li–S) dan LMB, yang beroperasi pada tegangan yang lebih tinggi. [ 21 ] Rodrigues dkk. merumuskan elektrolit komposit dari h-BN dan larutan LiTFSI 1 M dalam cairan ionik suhu ruangan berbasis piperidinium, mencapai ESW hingga 5 V dan rentang suhu operasional yang diperluas hingga 150 °C. [ 41 ] Dalam baterai Li-S, menggabungkan h-BNNS sebagai agen perataan ke dalam elektrolit 1,2-dimetoksietana/1,3-dioksolana (DOL/DME) tradisional mencegah pembentukan dendrit selama siklus. Kehadiran h-BNNS dalam elektrolit secara signifikan meningkatkan pengangkutan ion litium (t Li + ) relatif terhadap elektrolit kosong, yang ditunjukkan pada nilai Li + sebesar 0,47. Untuk elektrolit yang mengandung 7 mg mL −1 h-BNNS, nilai t Li + tercatat sebesar 0,55. [ 17 ] Aplikasi ini menyoroti fleksibilitas h-BN dalam mengatasi keterbatasan elektrolit cair di berbagai sistem penyimpanan energi.
3.2 Elektrolit Polimer Gel
GPE menggabungkan keunggulan elektrolit cair dan padat dengan menawarkan konduktivitas ionik dan fleksibilitas yang tinggi. [ 6 ] Namun, tantangan seperti stabilitas termal yang terbatas, integritas mekanis, dan daya tahan jangka panjang tetap menjadi hambatan untuk komersialisasi mereka. [ 5 ] Menggabungkan h-BN ke dalam GPE membentuk jaringan antarmuka yang memperkuat struktur gel, mencegah deformasi atau keruntuhan selama operasi. [ 20 ] Lebih jauh lagi, rasio aspek tinggi h-BNNS memfasilitasi jalur konduksi ion terus menerus, mempertahankan mobilitas ionik bahkan di bawah tekanan mekanis, membuat GPE yang ditingkatkan h-BN cocok untuk perangkat penyimpanan energi yang fleksibel dan dapat dikenakan. [ 4 ] Sebagai agen disipasi panas, h-BN mencegah elektrolit dari panas berlebih selama siklus tingkat tinggi. [ 18 , 25 ] Selain itu, kelembaman kimia h-BN mengurangi kemungkinan reaksi samping antara matriks polimer dan garam elektrolit, memperpanjang jendela stabilitas elektrokimia GPE. Hal ini membuat GPE yang ditingkatkan h-BN lebih kompatibel dengan LMB tegangan tinggi. [ 47 ]
Studi terkini telah menunjukkan bahwa GPE yang mengandung h-BN menunjukkan konduktivitas ionik yang ditingkatkan dan menekan pertumbuhan dendrit litium, yang menghasilkan siklus hidup yang lebih panjang. [ 39 ] Kim et al. baru-baru ini merancang elektrolit hibrid gel anorganik (IGHE) yang terdiri dari Li 1,5 Al 0,5 Ti 1,5 (PO 4 ) 3 anorganik (LATP), h-BNNS, N-propil-N-metilpirolidinium bis(trifluorometanasulfonil)imida, dan PVDF-HFP. LATP dan h-BNNS secara sinergis memberikan konduksi ion Li + yang tinggi di IGHE. [ 48 ] h-BNNS yang diproduksi melalui teknik pengelupasan berbantuan polimer memungkinkan formulasi tinta yang dapat dicetak dengan viskositas yang dapat disesuaikan, dan GPE yang dibuat menunjukkan kemampuan laju yang unggul pada semua laju arus dari 0,2C hingga 15C dibandingkan dengan pemisah Celgard komersial ( Gambar 4d ). [ 49 ] Temuan ini menggarisbawahi peran multifungsi h-BN dalam meningkatkan sifat struktural dan elektrokimia GPE.
Gambar 4
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
a) Kinerja siklus panjang sel simetris Li|Li dengan elektrolit yang berbeda. b) Ilustrasi skema mekanisme pertumbuhan dendrit. Diadaptasi dengan izin. [ 61 ] Hak cipta 2021, Elsevier BV c) Kinerja laju sel Li–S dengan elektrolit BN-PEO-PVDF dan PEO-PVDF. Diadaptasi dengan izin. [ 45 ] Hak cipta 2020, Wiley-VCH. d) Pengukuran kemampuan laju menggunakan perangkat lengkap. Diadaptasi dengan izin. [ 49 ] Hak cipta 2019, Wiley-VCH.
3.3 Elektrolit Padat
SSE dianggap sebagai landasan bagi teknologi penyimpanan energi generasi berikutnya karena potensinya untuk mengatasi keterbatasan keamanan dan stabilitas yang terkait dengan elektrolit cair. [ 50 , 51 ] h-BN telah muncul sebagai aditif multifungsi dan pengubah struktural yang mampu mengatasi keterbatasan ini. [ 47 ] Selain keamanan, minat penelitian telah meningkat secara signifikan, berkonsentrasi pada dua aspek penting: kepadatan energi tinggi dan kemampuan laju. Pergeseran ini telah mengarah pada eksplorasi SPE tingkat lanjut. [ 52 ] Matriks polimer yang umum digunakan dalam SPE meliputi PEO, PVDF, dan PVDF-HFP. [ 40 ] Dengan menggunakan strategi seperti memfungsikan rantai polimer dengan akseptor anion dan menggabungkan pengisi anorganik, difusi Li + yang tinggi dicapai oleh pasangan asam-basa Lewis. [ 53 ] Namun, tantangan seperti konduktivitas ionik rendah, kompatibilitas antarmuka yang buruk, dan kerapuhan mekanis tetap ada. [ 50 ] Kompatibilitas antarmuka yang buruk sering kali menyebabkan resistansi tinggi dan efisiensi yang berkurang. Sebagai material antarmuka yang efektif, h-BN membentuk penghalang fisik yang menghambat penetrasi dendrit ke dalam elektrolit. Kelembaman kimianya juga mengurangi reaksi samping pada antarmuka, yang selanjutnya menstabilkan sistem. Ketika dimasukkan ke dalam SSE, h-BN meningkatkan dispersi spesies ionik dan mengurangi agregasi ion, sehingga meningkatkan konduktivitas ionik secara keseluruhan. [ 54 ] Selain itu, h-BN membantu mendistribusikan tegangan mekanis secara merata di seluruh antarmuka, mencegah kegagalan lokal. Zhao et al. melaporkan SSE berbasis PVDF dengan h-BNNS, yang menunjukkan kinerja elektrokimia yang luar biasa terkait dengan transpor ion cepat dan penghambatan pertumbuhan dendrit. SSE yang dioptimalkan (PVDF-L70-B5) memberikan Li + sebesar 0,62, konduktivitas ionik tinggi sebesar 2,98 × 10 −4 S cm −1 , ESW substansial sebesar 5,24 V, dan kekuatan mekanis yang luar biasa sebesar 3,45 MPa. [ 39 ] Kompatibilitas h-BN dengan berbagai matriks padat, termasuk SSE berbasis keramik dan polimer, memungkinkan terciptanya arsitektur komposit yang mengoptimalkan jalur ionik. [ 45 ] Zhang et al. melaporkan bahwa elektrolit komposit PEO/LiTFSI/SiO 2 @BNNS (PLSB) dalam baterai Li/LiFePO 4 berputar pada suhu ≈150 °C dan menunjukkan kinerja yang stabil selama lebih dari 1000 siklus pada suhu 2C. [ 55 ]Memanfaatkan h-BNNS sebagai pengisi dalam matriks polimer memberikan kontrol yang lebih baik atas lapisan permukaan dan antarmuka dengan mengurangi resistansi antarmuka. Rasul et al. menunjukkan bahwa BN-embedded PVdF SPE (CPE-BN) melakukan lebih dari 2000 siklus tanpa hubungan arus pendek, menghasilkan LMB dengan siklus C-rate yang tinggi sebagai hasil dari peningkatan kekuatan mekanis. [ 29 ] Selain itu, Zhang et. al menunjukkan SPE yang dioptimalkan dengan komposisi h-BN/PVDF-HFP/LiTFSI/[EMIM][TFSI] berstruktur nano yang memiliki konduktivitas ionik yang mengesankan pada 0,916 mS cm −1 pada suhu 25 °C, bersama dengan peningkatan jumlah perpindahan ion Li sebesar 0,641, stabilitas elektrokimia yang luas (>5 V versus Li/Li + ), dan stabilitas antarmuka Li yang luar biasa selama 700 jam, dengan overpotensial rendah sebesar 20 mV pada 0,1 mA cm −2 , yang mencerminkan kemampuannya yang sangat baik untuk menghambat pembentukan dendrit Li. [ 56 ]
Rasio aspek tinggi h-BNNS memperkuat matriks padat, mencegah retak dan delaminasi selama siklus pengisian/pengosongan berulang. [ 57 , 58 ] Ma et al. menunjukkan bahwa 5 wt% h-BN dalam elektrolit berbasis PEO meningkatkan konduktivitas ionik dan kekuatan mekanis. Elektrolit yang digunakan menyediakan 300 jam siklus stabil dalam sel Li//Li simetris pada 0,1 mA cm −2 dan memiliki retensi kapasitas 89% (138,9 mAh g −1 pada 1,0 C) setelah 100 siklus dengan katode LFP. [ 59 ] Dalam studi lain, Meng et al. melaporkan bahwa BN/PEO-LiTFSI CPE meningkatkan konduktivitas ionik dan t Li + , 4 dan 2 kali lebih tinggi daripada elektrolit murni. [ 32 ] Lebih jauh, Li et al. membuat SPE yang terdiri dari PEO dan h-BN, menghasilkan kekuatan mekanis yang cukup besar. Penggabungan h-BN menghasilkan perbaikan dalam ESW dan t Li + ; namun, secara bersamaan mengurangi konduktivitas ionik dalam elektrolit komposit h-BN. [ 60 ] Karena fungsi reseptor anion h-BN, SPE yang tertanam dalam h-BN menunjukkan konduktivitas Li + yang lebih unggul tetapi difusivitas anion yang berkurang dibandingkan dengan SPE tanpa h-BN. [ 60 ] Sebagai contoh elektrolit nanohibrid terpolimerisasi in situ, An et al. mensintesis elektrolit jaringan polimer interpenetrasi melalui pencangkokan kimia h-BNNS dengan poli(etilen glikol) diakrilat (PEGDA) menggunakan agen penggandeng silana. Polimerisasi in situ dari h-BNNS yang difungsionalkan permukaan sebagai monomer aktif secara nyata meningkatkan karakteristik mekanis elektrolit pada tingkat molekuler, mencapai kekuatan tarik yang nyata di atas 25 MPa dan modulus elastisitas >6,5 GPa, yang secara efektif mengurangi pembentukan dendrit. Selain itu, SPE komposit menunjukkan konduktivitas ionik yang lebih baik (0,1 mS cm −1 ) dan t Li + (0,49). Selain itu, sel simetris dengan SPE menunjukkan stabilitas yang luar biasa selama 2000 jam, sementara sel penuh mempertahankan retensi berkapasitas tinggi (Gambar 4a,b ). [ 61 ] Penambahan BN juga meningkatkan sifat ionik dan mekanis dari SSE berbasis PEO yang digunakan dalam baterai Li-S. Sel BN-PEO-PVDF menunjukkan kinerja yang unggul, menunjukkan kapasitas yang mengesankan sebesar 750 mAh g −1 pada laju 0,2 C dan 400 mAh g −1 pada 0,5 C, sedangkan sel PEO-PVDF hanya menghasilkan 300 mAh g −1 pada 0,2 C dan menunjukkan kapasitas yang tidak signifikan pada 0,5 C (Gambar 4c ). [ 45 ]
4 Tantangan
Meskipun ada kemajuan signifikan dalam penerapan h-BN di berbagai sistem elektrolit, beberapa tantangan tetap ada, seperti dispersibilitas, biaya, dan kompleksitas antarmuka. [ 18 ] Mengatasi tantangan ini akan membuka potensi penuh elektrolit yang ditingkatkan h-BN dalam teknologi penyimpanan energi komersial. Kecenderungan lembaran nano h-BN untuk beragregasi dapat membahayakan keseragaman jalur ionik dan penguatan mekanis. Strategi fungsionalisasi, seperti memperkenalkan gugus polar atau memanfaatkan pelapis permukaan, dapat meningkatkan kompatibilitas dengan matriks polimer. Mengembangkan teknik dispersi yang dapat diskalakan dan menggunakan strategi fungsionalisasi permukaan sangat penting untuk mengatasi keterbatasan ini. [ 57 ] Selain itu, dengan memanfaatkan stabilitas termal h-BN yang tinggi, teknik pemrosesan bebas pelarut satu pot seperti ekstrusi leleh panas dapat digunakan untuk membuat SSE berkinerja tinggi. Akibatnya, inovasi lebih lanjut dalam nanokomposit polimer h-BN sangat penting untuk secara efektif memanfaatkan karakteristik material BNNS yang unggul dalam aplikasi polimer. [ 28 , 46 ]
Pemanfaatan jaringan kovalen dinamis dalam daur ulang juga menghadirkan keuntungan yang cukup besar, seperti kemampuan penyembuhan diri. Meskipun demikian, hal ini juga menimbulkan tantangan teknis terkait dengan permintaan energi, waktu pemrosesan, keterbatasan material, dan potensi dampak lingkungan. Sangat penting untuk menilai dan mengelola kerugian ini secara hati-hati guna mengoptimalkan metodologi daur ulang. [ 62 ]
Dalam elektrolit padat dan gel, memastikan kontak antarmuka yang kuat dan stabil sambil mempertahankan resistansi rendah dan mobilitas ionik tinggi memerlukan penyempurnaan dan inovasi lebih lanjut. Menyeimbangkan tradeoff antara interaksi yang ditingkatkan dan sifat yang dipertahankan adalah tugas kompleks yang memerlukan penyelidikan lebih lanjut. Selain itu, biaya sintesis dan fungsionalisasi h-BN tetap menjadi penghalang untuk adopsi skala besar. Hanya ada beberapa studi tentang sintesis h-BN berbasis biomassa. Wang et al. mengembangkan metode yang kuat dan efisien untuk sintesis nanosheets BN di tempat dengan kualitas kristal tinggi, memanfaatkan biomassa sebagai prekursor. [ 63 ] Deshmukh et al. melaporkan teknik inovatif dan ramah lingkungan untuk memproduksi nanosheets boron nitrida heksagonal (h-BNN) melalui pengelupasan h-BN yang dibantu ultrasonik dengan menggunakan ekstrak tanaman yang berbeda. [ 64 ] Namun, penggunaan prekursor yang berasal dari biomassa untuk sintesis h-BN menimbulkan banyak tantangan karena sifat bahan biomassa yang kompleks dan kondisi yang ketat yang diperlukan untuk pembentukan h-BN. [ 65 ] Oleh karena itu, pengembangan metode sintesis yang dapat ditingkatkan skalanya dan hemat biaya, seperti prekursor yang berasal dari biomassa atau rute kimia yang disederhanakan, sangat penting untuk komersialisasi. [ 50 ] Penerapan bahan dan proses yang lebih berkelanjutan merupakan langkah maju yang signifikan, karena hal ini membangun strategi daur ulang yang lebih baik dan meningkatkan siklus hidup baterai yang sejalan dengan prinsip ekonomi sirkular.
5 Ringkasan dan Prospek
h-BN telah muncul sebagai material transformatif dalam bidang penyimpanan energi, yang menawarkan keunggulan unik pada elektrolit cair, gel, dan padat. Stabilitas termalnya yang luar biasa, kelembaman kimia, dan struktur 2D memungkinkan peningkatan signifikan dalam konduktivitas ionik, manajemen termal, dan stabilitas antarmuka. Dengan mengurangi tantangan seperti pembentukan dendrit, reaksi samping, dan integritas mekanis yang buruk, h-BN memiliki harapan besar untuk mengatasi hambatan kritis dalam teknologi baterai saat ini.
Integrasi h-BN ke dalam sistem elektrolit masih dalam tahap awal, tetapi potensinya untuk merevolusi teknologi penyimpanan energi tidak dapat disangkal. Mengatasi tantangan saat ini dan memanfaatkan peluang yang muncul dapat memungkinkan h-BN untuk memainkan peran penting dalam mengembangkan LIB yang lebih aman, lebih efisien, dan lebih tahan lama. Menjelajahi arsitektur hibrida yang menggabungkan h-BN dengan nanomaterial lain dapat menghasilkan elektrolit multifungsi dengan sifat yang ditingkatkan. Nanokomposit tersebut dapat menawarkan efek sinergis, meningkatkan konduktivitas ionik, manajemen termal, dan stabilitas mekanis. Selain itu, mengembangkan teknik karakterisasi in-operando yang canggih akan sangat penting untuk memahami interaksi antara h-BN dan matriks elektrolit pada tingkat molekuler. Wawasan tersebut dapat memandu desain rasional elektrolit yang ditingkatkan h-BN generasi berikutnya. Berfokus pada dampak lingkungan dan daur ulang material h-BN juga penting untuk solusi penyimpanan energi berkelanjutan. Menjelajahi rute sintesis yang lebih ramah lingkungan dan mengembangkan protokol daur ulang untuk elektrolit yang ditingkatkan h-BN akan sejalan dengan dorongan global menuju keberlanjutan.
Kesimpulannya, h-BN menawarkan peluang unik untuk meningkatkan kinerja, keamanan, dan ketahanan sistem baterai generasi berikutnya. Terlepas dari semua kemajuan tersebut, tantangan seperti mencapai dispersi yang seragam, mengoptimalkan fungsionalisasi, dan mengatasi kendala biaya tetap ada. Mengeksplorasi potensi h-BN dalam kimia baterai yang sedang berkembang, elektrolit yang responsif terhadap rangsangan, dan aplikasi yang berkelanjutan dapat membuka peluang baru dalam penyimpanan energi.
Tinggalkan Balasan