Para peneliti di Harvard telah membuat baterai solid-state yang dapat diisi dalam sepuluh menit dan tahan selama 30 tahun, namun teknologi yang banyak digemari ini tetap menjadi solusi jangka panjang untuk transisi energi.
Masyarakat secara perlahan namun pasti mulai beralih ke kendaraan listrik (EV), namun laju transisi tersebut masih perlu dipercepat agar dunia dapat mencapai target emisi nol bersih pada tahun 2050. Meskipun terdapat peningkatan eksponensial pada kendaraan listrik, masih banyak pengemudi yang enggan untuk meninggalkan kendaraan listrik. di balik kenyamanan mobil bertenaga bensin mereka. Selain biaya, kekhawatiran atas kurangnya stasiun pengisian daya dan masa pakai baterai disebut-sebut sebagai hambatan utama bagi konsumen AS untuk membeli kendaraan listrik dalam survei Ipsos Mori tahun lalu. Bagi produsen mobil, hal ini sebagian besar disebabkan oleh pembatasan jangkauan dan umur panjang baterai lithium-ion (Li-ion) yang ada di dalam kap mesin kendaraan listrik.
Namun, tim ilmuwan di Universitas Harvard yakin mereka telah mengambil langkah penting untuk memecahkan masalah ini. Para peneliti di School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) telah mengembangkan hal baru "keadaan padat" baterai yang dapat mengisi daya dalam waktu yang diperlukan untuk mengisi tangki bensin, dan bertahan dalam siklus pengisian daya 3–6 kali lebih banyak dibandingkan baterai EV pada umumnya.
Baterai solid-state telah lama dianggap sebagai alat utama dalam peralihan luas ke transportasi listrik, dan perlombaan untuk mengkomersialkannya semakin pesat dalam beberapa tahun terakhir. Perusahaan-perusahaan seperti Toyota dan Volkswagen sedang mengembangkan versi mereka sendiri, yang mereka harapkan dapat digunakan pada kendaraan pada akhir dekade ini. Dengan dorongan inovasi terbaru dari Harvard ini, apakah baterai solid-state akhirnya siap memenuhi kebutuhannya?
Keunggulan elektrolit padat dibandingkan cairan
Saat ini, baterai Li-ion mendominasi; mereka digunakan dalam segala hal mulai dari ponsel dan laptop hingga kendaraan listrik dan sistem penyimpanan energi. Para peneliti dan produsen telah menurunkan harga baterai Li-ion sebesar 90% selama dekade terakhir dan yakin mereka masih bisa membuatnya lebih murah. Mereka juga percaya bahwa mereka dapat membuat baterai litium yang lebih baik lagi.
Baterai ini menggunakan elektrolit cair untuk memindahkan ion antara katoda dan anoda saat pemakaian dan pengisian. Namun, cairan tersebut mudah terbakar dan mencegah penambahan bahan yang memperpanjang umur baterai. Para peneliti percaya salah satu solusinya adalah dengan menggunakan elektrolit padat daripada cairan.
Baterai solid-state ini menjanjikan beragam keunggulan dibandingkan baterai berbasis cairan. Yang terpenting, mereka menawarkan kepadatan energi yang lebih tinggi; artinya baterai dapat menyimpan lebih banyak energi per satuan volume atau berat, sehingga menghasilkan masa pakai baterai yang lebih lama atau kemasan baterai yang lebih kecil dan lebih ringan. Mereka juga menjanjikan siklus hidup yang lebih lama; menahan lebih banyak siklus pengisian-pengosongan tanpa menurunkan kualitasnya, sehingga meningkatkan masa pakai baterai. Penggunaan elektrolit padat juga memungkinkan pengisian daya lebih cepat tanpa risiko kerusakan baterai karena pengangkutan ion yang lebih efisien.
Baterai solid-state dapat beroperasi pada rentang suhu yang lebih luas dibandingkan baterai berbahan cair, sehingga memungkinkan penggunaan yang lebih baik dalam cuaca ekstrem. Umumnya dianggap lebih aman karena elektrolit padat mengurangi risiko korsleting dan panas berlebih, yang dapat menyebabkan kebakaran atau ledakan pada baterai berbahan cair. Terakhir, elektrolit padat dapat dibuat dari bahan yang lebih murah dan lebih ramah lingkungan.
Secara keseluruhan, baterai solid-state berpotensi merevolusi industri baterai dengan menawarkan peningkatan kinerja, keamanan, dan umur panjang dibandingkan dengan baterai lithium-ion tradisional. “Karena kepadatan energinya yang tinggi, baterai solid-state akan lebih cocok untuk kendaraan listrik dibandingkan sistem penyimpanan energi [stasioner], dan benar-benar dapat menjadi kontributor utama elektrifikasi transportasi berat,” kata Teo Lombard, pemodel energi untuk transportasi di Badan Energi Internasional (IEA).
“Sebuah lompatan ke depan” dalam desain baterai solid-state
Para peneliti SEAS mengembangkan baterai seukuran perangko dengan menggunakan desain “sel kantong”, bukan varian “sel koin” pada umumnya. Baterai mempertahankan kapasitas 80% setelah 6,000 siklus pengisian daya dan bekerja dengan baik pada suhu rendah. Baterai ini mengungguli baterai solid-state lainnya karena para peneliti menemukan cara untuk membuatnya dengan anoda logam litium, yang memiliki kapasitas sepuluh kali lipat dari anoda grafit pada umumnya.
Desain multi-lapisan dan multi-material yang baru mampu mengatasi masalah “dendrit” – struktur seperti akar yang tumbuh dari permukaan anoda ke dalam elektrolit. Ini dapat menembus penghalang yang memisahkan katoda lawan, menyebabkan baterai mengalami arus pendek dan, terkadang, terbakar.
Masa pakai baterai yang lebih lama – setara dengan sekitar 30 tahun – dapat mengurangi biaya kendaraan listrik secara signifikan, sementara kemampuan untuk mengisi daya baterai dalam hitungan menit memberikan kepadatan daya luar biasa yang dapat digunakan untuk aplikasi lain.
“Kami dapat mengisi daya baterai dalam 5–10 menit untuk 6,000 siklus; biasanya baterai EV memerlukan waktu beberapa jam untuk diisi dan memiliki antara 1,000 hingga 2,000 siklus,” kata Xin Li, profesor ilmu material di SEAS, dan peneliti utama proyek tersebut. “Penelitian kami juga menunjukkan bahwa bahan lain dapat digunakan sebagai anoda, seperti perak, magnesium, atau silikon. Ini jelas merupakan lompatan maju menuju skala produksi massal baterai solid-state.”
“Dari laboratorium ke dunia nyata”
Namun tidak semua orang yakin. “Tantangan baterai solid-state saat ini adalah implementasi dan peningkatan, bukannya mendapatkan sesuatu yang lebih baik di tingkat sel,” kata Lombard.
Dari sudut pandang teknik, tantangan yang belum diatasi oleh industri ini adalah pembuatan paket baterai solid-state yang mampu menahan tekanan sangat tinggi sekaligus mampu “bernafas” – mengembang dan berkontraksi. “Solusi terhadap masalah ini dapat meniadakan peningkatan kepadatan energi yang dihasilkan oleh baterai solid-state, sehingga hal ini merupakan pertanyaan yang perlu dijawab oleh industri di tahun-tahun mendatang melalui proses peningkatan,” kata Lombard.
Dari sudut pandang keselamatan, masalah lain yang perlu diatasi oleh produsen solid-state adalah meskipun baterai solid-state tidak terbakar saat terjadi hubungan pendek, material lain di dalam mesin mungkin saja terbakar. “Sekali lagi, ini merupakan tantangan teknis yang perlu diuji dan diverifikasi di tingkat industri,” kata Lombard.
Terakhir, terdapat hambatan besar dalam membangun rantai pasokan baterai solid-state. Menurut Lombard, rantai pasokan baterai memerlukan bahan berkualitas tinggi dalam volume yang sangat tinggi, karena baterai gagal berfungsi bahkan dengan jumlah kontaminan yang sangat kecil sekalipun. “Pembangunannya membutuhkan waktu lama,” katanya. “Hal ini juga disebabkan oleh pertumbuhan sektor baterai yang lebih luas secara eksponensial, sehingga solid-state tidak memasuki pasar yang tetap, melainkan pasar di mana setiap teknologi – termasuk baterai lithium-ion tradisional – berkembang sangat cepat dan Anda perlu memanfaatkannya. ruang di dalamnya.”
Bagi Lombard, keberhasilan baterai solid-state tidak akan dicapai melalui terobosan akademis baru – “walaupun penelitian ini penting”, tegasnya – melainkan bagaimana industri akan memecahkan tantangan teknis yang ada dan mengembangkan rantai pasokan terkait.
“Baterai solid-state memiliki banyak potensi, namun cara industri mengatasi tantangan [rekayasa] ini akan menentukan apakah baterai tersebut mengambil alih pasar baterai kendaraan listrik atau apakah baterai tersebut tetap menjadi aplikasi khusus untuk mobil dan truk jarak jauh,” katanya.
Menurut penelitian terbaru dari Focus, sebuah platform analisis AI yang memprediksi terobosan teknologi berdasarkan data paten global, teknologi baterai solid-state meningkat sebesar 31% dari tahun ke tahun. Meskipun mengesankan, kecepatan tersebut saat ini belum cukup untuk mengganggu pemain lama – dengan baterai Li-ion yang mengalami peningkatan sebesar 30.5%.
IEA memperkirakan baterai solid-state akan memainkan peran penting dalam transisi net-zero, khususnya untuk mendekarbonisasi transportasi berat melalui aplikasi seperti truk listrik. “Tetapi penting bagi kita untuk tidak melebih-lebihkan atau meremehkan industri ini,” kata Lombard. Jika baterai solid-state berhasil memenuhi potensinya, hal itu akan terjadi pada tahun 2030an, prediksinya. “Saat ini, mereka benar-benar perlu dipindahkan dari laboratorium ke dunia nyata.”
Sementara itu, Li percaya bahwa solid-state akan menjadi mainstream pada sekitar tahun 2030. “Sebelumnya, masih banyak hambatan teknis yang harus diatasi,” katanya. “Terobosan-terobosan [baru-baru ini] tidak serta-merta mempercepat tanggal 2030, namun membuat tanggal tersebut menjadi mungkin.”
Sumber dari Hanya Otomatis
Penafian: Informasi yang diuraikan di atas disediakan oleh just-auto.com secara independen dari Alibaba.com. Alibaba.com tidak membuat pernyataan dan jaminan mengenai kualitas dan keandalan penjual dan produk.
