Lonjakan penggunaan energi terbarukan, ditambah dengan pesatnya pertumbuhan pasar kendaraan listrik dalam beberapa tahun terakhir telah meningkatkan permintaan baterai solid-state berperforma tinggi secara signifikan. Dibandingkan dengan baterai berbasis elektrolit cair konvensional, baterai solid-state menawarkan kepadatan energi yang lebih tinggi, keamanan yang lebih baik, masa pakai yang lebih lama, dan pengoperasian yang andal pada rentang suhu yang luas. Namun, masih ada tantangan dalam penerapannya secara luas, termasuk konduktivitas ionik yang rendah, resistansi antar muka yang tinggi, dan adanya antarmuka partikel-partikel dalam elektrolit, yang menyebabkan peningkatan resistansi dan kepadatan energi yang lebih rendah.
Khususnya, penelitian tentang elektrolit padat kinerja tinggi terutama berfokus pada elektrolit padat anorganik dan organik. Sementara elektrolit padat anorganik hanya mengangkut ion litium, elektrolit padat organik memungkinkan migrasi anion dan spesies lainnya. Namun, hal ini menyebabkan reaksi samping pada elektroda, yang mengakibatkan berkurangnya kapasitas dan efek buruk, seperti penurunan kinerja dan masa pakai baterai.
Sebaliknya, elektrolit anorganik tidak terlalu rentan terhadap reaksi samping, sehingga menawarkan masa pakai baterai lebih lama dan kinerja lebih tinggi. Meski demikian, mereka mempunyai tantangan tersendiri. Misalnya, elektrolit padat anorganik tipe oksida mengalami penurunan stabilitas dan memerlukan sintering suhu tinggi, sedangkan elektrolit tipe sulfida bereaksi dengan kelembapan atmosfer, menghasilkan gas hidrogen sulfida beracun.
Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti dari Jepang melakukan studi baru dengan mengalihkan fokus mereka ke kristal plastik ionik organik (OIPCs). OIPC terdiri dari kation organik dan anion anorganik yang sesuai bersama dengan garam litium dari anion yang sama. Karena seluruhnya terdiri dari ion, bahan-bahan ini menawarkan konduktivitas ionik yang tinggi, stabilitas tinggi, dan sifat mudah terbakar yang dapat diabaikan, sehingga sangat cocok sebagai elektrolit padat untuk baterai. Fitur penting dari OIPC adalah transisi fase antara fase kristal padat dan fase cair, yang disebut fase kristal plastik. Terlepas dari kelebihan ini, untuk aplikasi praktis, OIPC masih memerlukan konduktivitas ionik yang lebih tinggi.
Dalam penelitian tersebut, tim peneliti dipimpin oleh Profesor Masahiro Yoshizawa-Fujita dari Department of Materials and Life Sciences di Sophia University, bersama dengan Takuto Ootahara dan Morgan L. Thomas, juga dari Sophia University, dan Kan Hatakeyama-Sato dari Tokyo Institute Teknologi, memanfaatkan Material Informatics (MI) untuk mengeksplorasi OIPC yang sangat konduktif. “MI memanfaatkan ilmu informasi, seperti ilmu statistik dan pembelajaran mesin, untuk pengembangan materi yang efisien. Dalam studi ini, kami mengeksplorasi OIPC dengan menggabungkan aturan empiris dan model MI berbasis pembelajaran mesin,” jelas Prof. Yoshizawa-Fujita. Temuan mereka tersedia secara online, dan diterbitkan dalam Volume 6, Edisi 8 Materi Elektronik Terapan ACS.
Pertama, para peneliti membuat kumpulan data pelatihan menggunakan struktur kimia dan data konduktivitas dari literatur terkait OIPC dan memverifikasi keakuratan prediksi model MI pada dua senyawa uji. Hasil validasi menunjukkan bahwa akurasi prediksi meningkat ketika data pelatihan menyertakan struktur kimia yang serupa. Oleh karena itu, para peneliti memilih kation pirolidinium, yang terwakili dengan baik dalam data pelatihan, sebagai kandidat zat. Selain itu, berdasarkan aturan empiris dari penelitian sebelumnya tentang peningkatan konduktivitas ionik dalam OIPC berbasis kation pirrolidinium, mereka menggunakan MI untuk lebih mempersempit kandidat zat.
Hasilnya, tim berhasil mensintesis delapan senyawa baru, termasuk enam OIPC dan dua cairan ionik. Diantaranya, satu senyawa menunjukkan konduktivitas ionik yang sangat baik yaitu 1,75 × 10-4 S cm-1 pada suhu 25°C, yang merupakan salah satu nilai tertinggi yang dilaporkan hingga saat ini. Khususnya, hasil MI juga mengungkapkan wawasan baru mengenai hubungan antara jari-jari ionik dan konduktivitas ionik OIPCs. Aturan empiris konvensional menyarankan radius ionik yang lebih rendah terhadap rasio konduktivitas ionik. Namun, senyawa yang baru disintesis menunjukkan adanya nilai optimal. Selain itu, model MI memperkirakan perubahan yang terputus-putus dalam struktur OIPC, menunjukkan bahwa peningkatan lebih lanjut dalam akurasi prediksi juga dapat memungkinkan prediksi transisi fase.
Menjelaskan potensi manfaat OIPC baru, Prof. Yoshizawa-Fujita mengatakan, “Pengembangan elektrolit padat berkinerja tinggi akan meningkatkan keamanan baterai yang dapat diisi ulang, karena tidak ada lagi kekhawatiran tentang kebocoran cairan. Selain itu, hal ini akan meningkatkan kepadatan energi baterai, membuat perangkat yang dilengkapi baterai lebih ringan dan kompak. Misalnya, baterai isi ulang berbasis OIPC dapat meningkatkan jangkauan kendaraan listrik dan mendorong penerapannya secara luas.”
Secara keseluruhan, temuan ini menunjukkan potensi MI untuk meningkatkan pemahaman kita tentang OIPC, membuka jalan bagi pengembangan baterai isi ulang yang lebih aman, berkinerja tinggi, dan generasi mendatang.