Para Ilmuwan Membuat Baterai Mikro Ukuran Butir Beras Untuk Jaringan 'Smart Dust'

Kelasteknisi.com - Sebuah tim peneliti di Universitas Teknologi Chemnitz di Jerman telah mengembangkan baterai mikro dengan ukuruan butir beras untuk jaringan Smart Dust yang dapat digunakan di masa depan untuk memberi daya pada aplikasi IoT (Internet of things) canggih seperti mikrosensor pintar dan perangkat komputasi skala milimeter. Baterai mikro semacam itu akan digunakan untuk memberi daya pada mikrobot, chip elektronik, sensor mikro, dan debu pintar. Smart Dusk atau dalam bahasa Indonesia disebut debu pintar adalah aplikasi IoT futuristik yang akan menggabungkan jaringan jutaan mikrosistem otonom.

Gelang kebugaran dan jam tangan pintar yang kita gunakan saat ini adalah beberapa aplikasi awal IoT (sistem komputer dan sensor yang terhubung satu sama lain melalui internet). Para peneliti percaya bahwa di masa depan, kita dapat melihat versi IoT yang sangat canggih yang disebut “debu pintar.” Teknologi ini mungkin akan ada dalam bentuk jaringan besar yang terdiri dari miliaran mikrosensor otonom dan perangkat mikrokomputer.

Perangkat skala mikro dan nano tersebut akan didistribusikan di mana-mana, termasuk kota, pabrik, dan hutan kita (seperti debu dan udara), dan memantau berbagai perubahan yang terjadi di sekitar kita. Misalnya, jaringan debu pintar di hutan akan dapat memprediksi insiden kebakaran jauh sebelum terjadi dengan terus mengawasi tingkat kelembaban dan panas. Teknologi ini mungkin juga dapat mendeteksi keberadaan virus baru di lingkungan kita dan memberi tahu kita tentang hal yang sama sebelum menyebar.

Para peneliti menyarankan bahwa seperti perangkat rumah pintar kontemporer, semua komponen jaringan debu pintar akan menggunakan internet untuk terhubung dan bertukar informasi satu sama lain. Namun, tantangan besar dengan smart dust dan perangkat skala mikro dan nano lainnya adalah menyediakan sumber daya yang sangat efisien dan kecil. Di sinilah baterai mikro yang ditunjukkan oleh para peneliti Universitas Chemnitz dapat memainkan peran penting.

Ilmu di balik baterai mikro debu pintar

Struktur internal dari baterai mikro gulungan Swiss yang diusulkan. Sumber : Zhe Qu dkk. 2022/Material Energi Tingkat Lanjut

Baterai mikro yang dibuat oleh para peneliti dapat dianggap agak mirip dengan baterai roll Swiss yang digunakan pada mobil listrik yang diproduksi oleh Tesla. Salah satu penulis studi dan ilmuwan di Pusat Bahan, Arsitektur, dan Integrasi Nanomembran (MAIN) Universitas Chemnitz, Dr. Minshen Zhu mengatakan kepada Nanowerk , “desain paling sukses di dunia baterai besar adalah terdiri dari banyak lapisan bahan elektroda ke dalam volume terbatas. Misalnya, Tesla menggunakan apa yang disebut baterai silinder roll Swiss untuk mobil listriknya."

Namun, baterai gulungan Swiss silinder Tesla tidak dapat digunakan secara langsung untuk menyalakan sistem debu pintar karena masing-masing berdiameter 1,8 cm. Sedangkan para peneliti membutuhkan baterai dengan diameter dalam mikrometer karena, tidak seperti mobil, jaringan debu pintar terdiri dari perangkat skala mikro. Komponen tersebut membutuhkan sumber daya dengan kepadatan energi yang besar dan tapak yang kecil.

Baca juga: 7 Penemu Indonesia Yang Namanya Diakui Dunia

Jadi para peneliti memutuskan untuk membuat baterai peran Swiss on-chip yang dimodifikasi sendiri. Mereka menggunakan origami mikro, teknik perakitan mandiri yang melibatkan penggunaan lapisan logam tipis (yang mengumpulkan arus) yang dikelilingi oleh tumpukan lapisan aktuator datar (mengatur pergerakan arus) dan lapisan hidrogen yang dapat mengembang. Metode kompleks ini menghasilkan pembentukan beberapa gulungan baterai, masing-masing berukuran kurang dari sebutir beras.

Diameter masing-masing baterai mikro adalah 178 m (178 x 10-6 meter), dan oleh karena itu mereka dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam sistem berbasis chip apa pun yang berfungsi sebagai mikrokomputer atau chip sensor kecil.

Bukan sumber daya biasa

Baterai mikro dilengkapi dengan bubur elektroda (campuran partikel konduktif dan pelarut yang menentukan kinerja baterai) memiliki periode pengeringan satu jam. Ini merupakan pencapaian yang signifikan karena bubur elektroda tradisional memiliki periode pengeringan sekitar 10 jam. Periode pengeringan yang lebih lama merusak struktur mikro-lapisan baterai mikro dan berdampak buruk pada kepadatan energinya.

Para peneliti juga menghubungkan kawat seng sepanjang 250 mikrometer dengan baterai mikro untuk mencapai jejak elektroda yang diinginkan dalam kisaran sub-milimeter. "Pekerjaan kami menawarkan teknologi baru untuk membuat baterai mikro on-chip dan kompatibel dengan proses on-chip (litografi, etsa, dll) dan protokol fabrikasi baterai (sintesis bahan elektroda berkinerja tinggi, membuat bubur elektroda dan pelapisan seragam pada kolektor saat ini),” kata Dr. Zhu.

Baca juga: NASA Akan Melakukan Peluncuran Misi Artemis 1 ke Bulan Pada Akhir Agustus

Meskipun teknologi ini terlihat seperti solusi energi yang hebat untuk debu pintar dan perangkat skala mikro lainnya, ini bukan baterai mikro gulungan Swiss pertama yang dikembangkan oleh Dr. Zhu dan timnya. Mereka sebelumnya mengembangkan baterai mikro seukuran sebutir garam , dan sekarang mereka berharap dapat membuat baterai mikro gulungan Swiss tersedia secara komersial untuk digunakan dalam aplikasi IoT dunia nyata.

Studi ini dipublikasikan dalam jurnal Advanced Energy Materials.