Panduan GlobalData untuk bersaing dalam teknologi powertrain EV
Baterai adalah barel minyak di abad kedua puluh satu
Selama dekade terakhir, industri baterai telah mengalami kemajuan yang cukup untuk memungkinkan perangkat elektronik konsumen portabel, internet seluler, mobil listrik pertama, dan penerapan awal penyimpanan dan pembangkitan energi terbarukan secara berkala. Mengingat percepatan dan perluasan peran energi yang tersimpan dalam mengatasi perubahan iklim, energi yang tersimpan akan menjadi salah satu industri paling signifikan di dunia dalam sepuluh tahun ke depan.
Apakah baterainya cukup?
Ketika pemerintah di seluruh dunia mulai serius dalam melakukan dekarbonisasi perekonomian mereka, permintaan akan baterai yang murah, aman, berkinerja tinggi, tahan lama, dan rendah karbon akan melonjak, terutama dari industri otomotif.
Akibatnya, kemacetan rantai pasokan akan terjadi pada dekade mendatang. Kurangnya bahan baku berbiaya rendah dan mudah dimurnikan untuk memenuhi kebutuhan gigafactories baterai yang ada dan yang sedang direncanakan di dunia merupakan ancaman terbesar terhadap keamanan pasokan. Selain itu, penurunan investasi pada pertambangan mineral penting – ditambah dengan semakin pentingnya faktor lingkungan, sosial, dan tata kelola (ESG) – akan membatasi pengembangan kapasitas baru.
Kemungkinan akan terjadi kekurangan baterai global yang parah namun bersifat sementara pada tahun 2025 karena peningkatan tajam dalam permintaan kendaraan listrik (EV) dan kekurangan logam baterai yang ditambang dan dimurnikan. Namun, industri ini melakukan investasi besar-besaran untuk mencegah hal ini menjadi ancaman berkelanjutan dengan mengurangi penggunaan bahan-bahan yang langka, mengembangkan bahan-bahan baru dan teknologi baterai, dan, yang paling penting, menciptakan industri daur ulang baterai global.
Sementara itu, kendali Tiongkok atas seluruh rantai pasokan global, mulai dari pertambangan dan penyulingan hingga penanda komponen dan produsen sel, merupakan masalah geopolitik yang semakin meningkat. Amerika Serikat dan Eropa mengambil langkah-langkah signifikan untuk mengurangi ketergantungan pada Tiongkok dalam rantai pasokan baterai mereka pada tahun 2030. Daur ulang baterai berkaitan dengan geopolitik dan juga kelestarian lingkungan. Ekonomi sirkular baterai akan sangat penting bagi transisi energi, dan negara-negara (dan perusahaan) harus mengembangkan daur ulang domestik karena volume kendaraan listrik dan volume di akhir masa pakainya meningkat tajam.
Kimia – beberapa prinsip dasar
Teknologi baterai mencakup banyak kimia, jenis sel yang berbeda, dan teknologi alternatif.
Baterai adalah wadah yang terdiri dari satu atau lebih sel elektrokimia tempat energi kimia diubah menjadi listrik. Mereka digunakan sebagai sumber kekuatan. Baterai adalah fasilitator penting dari banyak teknologi lainnya. Mereka merupakan bagian integral dari gaya hidup mobile modern dan produksi massal kendaraan listrik (EV). Teknologi baterai dan penyimpanan energi akan menjadi landasan dalam transisi menuju energi terbarukan.
Ada dua jenis sel baterai: sel primer dan sel sekunder.
- Sel primer menghasilkan arus listrik melalui reaksi kimia yang tidak dapat diubah dan disebut sebagai baterai sekali pakai.
- Sel sekunder menghasilkan arus listrik ini melalui reaksi kimia yang dapat dibalik. Ini sering disebut sebagai baterai isi ulang atau sel penyimpanan.
Sel bahan bakar adalah sumber energi lain, tapi bukan baterai. Baterai menghasilkan energi menggunakan bahan kimia yang ada di dalamnya. Sebaliknya, sel bahan bakar menggunakan pasokan bahan bakar eksternal yang terus menerus mengalir melaluinya sebagai sumber bahan kimia untuk menghasilkan listrik. Sel bahan bakar telah digunakan dalam pesawat luar angkasa tak berawak, mobil, dan untuk cadangan daya darurat. Namun, bahan bakar yang digunakan – biasanya hidrogen – dianggap terlalu berbahaya untuk penggunaan sehari-hari.
Baterai mengubah energi kimia menjadi energi listrik
Baterai menyimpan energi kimia dan mengubahnya menjadi energi listrik melalui reaksi elektrokimia. Mereka terdiri dari tiga komponen utama: elektroda positif (katoda), elektroda negatif (anoda), dan elektrolit. Kedua elektroda tersebut terbuat dari bahan yang berbeda. Elektroda dipisahkan satu sama lain dengan pemisah, yang bersifat semipermeabel terhadap spesies kimia tertentu, dan baterai ditempatkan dalam wadah.
Ketika baterai dihubungkan ke rangkaian listrik, terjadi reaksi elektrokimia. Elektron mengalir dari anoda, melalui kabel untuk memberi daya pada perangkat yang terhubung, dan ke katoda.
Setiap sel baterai mengandung bahan reaktif dalam jumlah terbatas. Pada akhirnya, proses elektrokimia di dalam baterai akan berhenti menyuplai elektron ke elektroda negatif, dan listrik akan berhenti mengalir. Oleh karena itu, daya yang tersedia dalam baterai terbatas.
Isi ulang
Baterai sekunder dapat diisi ulang menggunakan sumber eksternal, seperti panel surya, turbin angin, rem mobil, atau listrik utama. Selama pengisian ulang, reaksi elektrokimia terjadi secara terbalik, mengembalikan sel dan komponennya mendekati keadaan semula. Namun, fenomena seperti pengerasan baterai dan pembentukan dendrit membuat baterai tidak dapat diisi ulang berkali-kali. Dendrit dapat menyebabkan hubungan arus pendek yang berbahaya, meskipun pemisah keramik sedang dikembangkan untuk membantu mengatasi masalah ini.
Lithium-ion (Li-ion) adalah teknologi baterai yang dominan untuk perangkat yang terhubung (misalnya laptop dan ponsel pintar), kendaraan listrik (EV), dan penyimpanan energi terbarukan di rumah. Dalam semua kasus penggunaan ini, keselamatan adalah hal yang terpenting. Li-ion unggul dalam bidang ini karena keamanannya. Seiring dengan meningkatnya permintaan akan baterai yang lebih kecil, lebih bertenaga, dan memiliki masa pakai yang lebih lama, para peneliti secara aktif mencoba memecahkan masalah arus pendek dan panas berlebih, yang dapat menyebabkan kebakaran dan ledakan berbahaya.
Sel Li-ion menyimpan lebih banyak energi untuk berat tertentu (kepadatan energi)
Sel Li-ion dapat menyimpan lebih banyak energi untuk berat dan volume tertentu dibandingkan baterai berbasis timbal-asam atau NiMH dan memungkinkan pengisian dan pengosongan lebih cepat. Sifat-sifat ini menjadikannya ideal untuk penyimpanan energi pada kendaraan listrik, dimana kepadatan energi yang tinggi dalam kemasan yang ringan sangatlah penting.
Baterai lithium iron phosphate (LFP) adalah jenis baterai lain yang digunakan dalam elektronik portabel saat ini. LFP memiliki kepadatan energi yang lebih rendah dibandingkan baterai Li-ion, sehingga baterai Li-ion merupakan pilihan umum bagi perangkat elektronik yang haus daya dan menguras baterai dengan kecepatan tinggi. Namun, LFP dapat menahan suhu tinggi dengan degradasi minimal dan cocok untuk objek yang perlu dijalankan dalam waktu lama sebelum diisi dayanya. Selain itu, baterai LFP biasanya memiliki siklus hidup lebih lama dibandingkan baterai Li-ion. Artinya, baterai dapat diisi dan dikosongkan lebih banyak kali. Bisa dibilang, salah satu keunggulan terbesar LFP dibandingkan baterai Li-ion adalah keamanannya. Stabilitas termal dan kimia yang lebih baik berarti LFP tetap dingin pada suhu panas dan tidak mudah terbakar (tidak terbakar) jika salah penanganan saat pengisian atau pengosongan daya secara cepat, atau saat terjadi hubungan arus pendek.
Kimia baterai tingkat lanjut juga sedang dikembangkan yang mungkin menawarkan keunggulan dibandingkan baterai yang tersedia secara komersial.
Keunggulan kinerjanya mencakup bobot yang lebih ringan, kepadatan energi yang lebih tinggi, toleransi suhu yang lebih luas, siklus hidup yang lebih panjang, dan peningkatan keselamatan. Misalnya, cairan elektrolit dalam baterai Li-ion dapat menjadi sangat mudah menguap jika terkena udara luar, seperti saat terjadi kecelakaan atau kegagalan struktur sel. Kebakaran baterai litium sangat hebat dan sulit dipadamkan, sering kali perlu direndam seluruhnya dalam air selama beberapa hari agar tidak terbakar sepenuhnya. Tidak ada bukti yang menunjukkan bahwa kebakaran kendaraan listrik terjadi dengan frekuensi yang lebih besar dibandingkan kebakaran kendaraan – bahkan secara statistik kemungkinannya lebih kecil.
Meski demikian, pembuat kendaraan listrik tetap harus meyakinkan masyarakat bahwa kendaraannya aman. Peluncuran Galaxy Note 7 yang membawa bencana dari Samsung, ponsel pintar yang dilanda kebakaran baterai Li-ion, menunjukkan potensi bahaya bahan kimia baterai ini ke mata publik – sebuah kesalahan yang tidak ingin diulangi oleh para pembuat kendaraan listrik.
Baterai solid-state adalah pilihan paling layak berikutnya
Sel solid-state umumnya menggunakan reaksi kimia berbasis lithium-ion yang sama untuk menyimpan dan melepaskan energi seperti sel konvensional. Perbedaannya terletak pada elektrolit yang digunakan untuk memisahkan anoda dan katoda. Sel konvensional menggunakan elektrolit berbasis cairan – umumnya garam litium yang tersuspensi dalam pelarut organik – sedangkan sel padat menukarnya dengan elektrolit padat setipis wafer, biasanya terbuat dari keramik, polimer, atau kaca.
Menghilangkan cairan elektrolit membawa banyak manfaat potensial. Sel-sel solid-state lebih ringan dan kompak dibandingkan sel-sel berbasis cairan, yang berarti berat paket dapat dikurangi, atau kapasitas energi ditingkatkan. Baterai tersebut harus lebih tahan terhadap pembentukan litium dendrit, yang akan meningkatkan kinerja pelepasan daya dan meningkatkan potensi kecepatan pengisian daya, serta memperpanjang masa pakai baterai. Selain itu, setelah produksi massal tercapai, pembuatannya akan lebih mudah dan cepat dibandingkan sel Li-ion konvensional berkat penghilangan pelarut industri.
Ada manfaat lebih nyata yang ditawarkan oleh sel solid-state dalam bidang keamanan baterai. Kebakaran yang disebabkan oleh sel lithium-ion yang cacat atau rusak telah dipublikasikan secara luas (misalnya Chevrolet Bolt dan baterainya yang bersumber dari LG). Dalam banyak kasus, kebakaran ini terjadi karena kegagalan internal atau kerusakan eksternal yang menyebabkan elektrolit litium yang mudah menguap terpapar ke udara luar, sehingga menyebabkan kebakaran dan memicu reaksi berantai yang dapat menghancurkan seluruh unit baterai. Elektrolit padat sepenuhnya menghindari masalah ini dan sangat tahan terhadap api dan ledakan – bahkan jika tertusuk atau terbentur.
Meskipun teknologi ini menawarkan banyak manfaat teoritis, belum ada perusahaan yang menunjukkan kemampuan memproduksi sel solid-state secara massal untuk kendaraan ringan, dan sebagian besar masih dalam tahap uji coba. Masih ada beberapa masalah yang harus diselesaikan termasuk merancang elektrolit padat dan elektroda sedemikian rupa sehingga saling berinteraksi secara merata di seluruh permukaannya, karena lengkungan apa pun dapat menciptakan celah yang membatasi efisiensi sel. Selain itu, stabilitas material telah terbukti menjadi masalah, dengan kerapuhan elektrolit yang menyebabkan keretakan mikroskopis yang membatasi kinerja sel.
Blue Solutions, anak perusahaan Bolloré dari Perancis, telah memenangkan kontrak untuk memasok sel solid-state untuk bus kota artikulasi eCitaro G milik Daimler – perjanjian pasokan komersial pertama yang tercatat untuk teknologi tersebut. Namun, paket solid-state opsional harus sengaja dipanaskan hingga suhu pengoperasian yang relatif tinggi antara 50C dan 80C – sehingga mengurangi rentang proses dan menjadikannya tidak sesuai untuk digunakan pada kendaraan ringan dengan pola penggunaan yang tidak dapat diprediksi.
Sel bahan bakar (hidrogen) – taruhan jangka panjang
Kendaraan listrik sel bahan bakar (FCEV) menghasilkan tenaga dengan mengoksidasi bahan bakar – biasanya hidrogen – melalui membran sel bahan bakar, dengan emisi satu-satunya adalah air. Tenaga ini dapat disalurkan langsung ke motor listrik atau disimpan dalam baterai terpisah untuk digunakan nanti. FCEV dapat dengan cepat 'mengisi bahan bakar' seperti halnya kendaraan pembakaran dengan mengisi ulang tangki dengan hidrogen, sehingga menghilangkan periode pengisian ulang yang lama yang diperlukan oleh BEV. Dorongan terhadap hidrogen juga sebagian didorong oleh potensi perannya sebagai bagian dari ekonomi energi sirkular. Di sini, energi angin terbarukan atau pembangkit listrik tenaga air digunakan untuk memecahkan hidrogen dari air laut. Hidrogen kemudian bertindak sebagai penyimpan energi di luar jam sibuk yang dihasilkan oleh sumber-sumber tersebut.
Meskipun FCEV memiliki banyak manfaat potensial, teknologinya memerlukan penyempurnaan sebelum dapat bersaing dengan BEV. Biaya produksi hidrogen saat ini lebih tinggi dibandingkan biaya produksi bensin, sehingga biaya isi ulang menjadi mahal. Ditambah lagi, infrastruktur untuk mendukung FCEV belum dibangun, sementara jaringan pengisian ulang EV sudah berkembang pesat.
FCEV mungkin memiliki nilai terbesar untuk kendaraan tugas berat dan komersial. Baterai bersifat berat sehingga tidak cocok untuk truk jarak jauh karena beratnya baterai yang dibutuhkan akan menghabiskan terlalu banyak potensi daya angkut. Rute yang dapat diprediksi yang dilalui truk jarak jauh juga memerlukan lebih sedikit stasiun pengisian bahan bakar hidrogen agar dapat melayani secara efektif.
Intinya, FCEV dipandang dalam industri sebagai kemungkinan arah perjalanan transportasi dalam jangka panjang – dengan penerapannya kemungkinan besar pada awalnya pada kendaraan komersial tugas berat bersama dengan jaringan stasiun pengisian loop tertutup.
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.
