Energi

Baterai Natrium Berelektrolit Padat Tanpa Anoda Dapat Mengurangi Ketergantungan pada ‘Segitiga Litium’

mm
Diterbitkan
Diperbarui
Tambahkan Securities.io ke sumber pilihan Anda di Google
Pengungkapan: Securities.io dapat menerima kompensasi saat Anda memakai tautan ke produk yang kami ulas. Hal ini tidak memengaruhi penilaian editorial kami. Kami bukan penasihat investasi terdaftar; ini bukan saran investasi. Baca pengungkapan afiliasi kami.

Berbagai Cara Membuat Baterai

Produsen baterai terus berinovasi untuk mengembangkan teknologi yang lebih baik. Dalam beberapa tahun terakhir, persaingan ini didorong oleh pertumbuhan pasar kendaraan listrik dan pasar baterai penyimpanan energi skala jaringan yang masih berkembang pesat.

Selain menyempurnakan baterai litium-ion, para peneliti mengembangkan desain lain untuk mengatasi keterbatasan seperti biaya, kebutuhan bahan tertentu, dan risiko kebakaran. Keterbatasan tersebut berbeda menurut kimia dan desain baterainya.

Salah satu alternatifnya adalah baterai natrium-ion, yang menggunakan natrium sebagai pengganti litium. Bahan bakunya melimpah, tetapi kepadatan energinya umumnya lebih rendah.

Alternatif lainnya adalah baterai elektrolit padat. Desain ini mengganti elektrolit cair dengan elektrolit padat, bukan menghilangkan elektrolit. Bergantung pada bahan dan arsitekturnya, desain tersebut berpotensi meningkatkan kepadatan energi dan kemampuan pengisian daya.

Pendekatan lain mengubah kimia sekaligus struktur baterai. Baterai tanpa anoda tidak memiliki bahan aktif anoda pada saat perakitan; lapisan logam terbentuk pada kolektor arus ketika baterai diisi.

Para peneliti kini menggabungkan beberapa pendekatan tersebut. Salah satu contohnya adalah publikasi tahun 2024 tentang prototipe baterai natrium berelektrolit padat tanpa anoda yang disebut sebagai yang pertama di dunia.

Baterai Natrium Berelektrolit Padat Tanpa Anoda

Dalam penelitian yang diterbitkan di Nature Energy dengan judul “Prinsip desain untuk mewujudkan baterai natrium berelektrolit padat tanpa anoda”, tim dari University of California San Diego dan University of Chicago mengembangkan baterai yang memadukan elektrolit padat, natrium sebagai pengganti litium, dan arsitektur tanpa bahan aktif anoda awal.

Baterai Natrium

Natrium sangat melimpah, termasuk dalam air laut. Menurut penjelasan tim peneliti, kelimpahannya di kerak bumi sekitar 20.000 bagian per juta, dibandingkan dengan sekitar 20 bagian per juta untuk litium, atau sekitar 1.000 kali lebih besar. Hal ini menjadikannya alternatif bahan baku yang menarik.

Alternatif tersebut penting karena pertumbuhan pasar kendaraan listrik menyoroti beberapa tantangan dalam rantai pasok litium:

  • Fluktuasi harga litium dapat meningkatkan biaya baterai dan kendaraan listrik.
  • Penambangan dan pengolahannya dapat menimbulkan dampak lingkungan.
  • Produksi dan pengolahan terkonsentrasi di sejumlah negara, dengan peran besar China dalam pengolahan, sehingga menimbulkan risiko rantai pasok dan geopolitik.

Kelimpahan natrium dapat mengurangi ketergantungan pada bahan baku yang langka. Namun, hal itu tidak membuat harga atau rantai pasok baterai natrium kebal terhadap fluktuasi dan kekurangan pasokan.

Tantangannya adalah kepadatan energi baterai natrium umumnya lebih rendah daripada baterai berbasis litium. Hal ini membatasi beberapa penggunaan yang sangat sensitif terhadap berat, meskipun baterai natrium tetap menarik untuk kendaraan berbiaya rendah dan penyimpanan energi stasioner.

Baterai Tanpa Anoda

Pada baterai konvensional, anoda menyimpan ion ketika baterai diisi. Saat baterai melepaskan energi, ion bergerak kembali menuju katoda melalui elektrolit, sementara elektron mengalir melalui rangkaian luar.

Pada baterai natrium tanpa anoda, natrium mengendap secara elektrokimia sebagai logam langsung pada kolektor arus saat pengisian, lalu dilepaskan kembali ketika baterai digunakan.

Dengan menghilangkan bahan aktif anoda awal, desain tersebut berpotensi menurunkan biaya dan meningkatkan kepadatan energi. Tegangan sel dan manfaat akhirnya bergantung pada bahan serta konfigurasi baterai.

Pada desain tanpa anoda yang menggunakan elektrolit cair, reaksi pada permukaan logam dapat membentuk lapisan antarmuka yang mengonsumsi natrium aktif. Endapan yang tidak merata dan natrium yang kehilangan kontak listrik juga dapat mengurangi kapasitas dan umur baterai.

Baterai Padat

Baterai berelektrolit padat telah lama dipandang sebagai salah satu arah pengembangan penyimpanan energi, khususnya untuk mobilitas yang memerlukan kepadatan energi tinggi. Namun, desain ini bukan bentuk akhir yang pasti untuk semua jenis baterai.

Penggantian elektrolit cair dengan elektrolit padat dapat membuka peluang untuk arsitektur yang lebih ringkas dan bahan elektroda berenergi tinggi. Pengurangan berat serta kemampuan pengisian dan pengosongannya tetap bergantung pada desain sel.

Salah satu tantangannya adalah mempertahankan kontak yang baik di antara komponen padat, terutama ketika pengendapan dan pelepasan logam mengubah bentuk atau volume antarmuka.

Pertumbuhan dendrit juga dapat menembus pemisah atau elektrolit dan menyebabkan hubung singkat. Bergantung pada bahan dan kondisi sel, hal ini dapat menimbulkan kegagalan dan risiko keselamatan; elektrolit padat tidak otomatis menghapus seluruh risiko tersebut.

Menggabungkan Natrium, Elektrolit Padat, dan Desain Tanpa Anoda

Dalam desain tanpa anoda, tantangan tambahannya adalah membentuk kontak yang merata antara elektrolit padat, kolektor arus, dan logam natrium yang terbentuk saat pengisian. Elektrolit padat tidak membasahi permukaan seperti cairan.

Tim mengatasi tantangan kontak tersebut dengan kolektor arus berupa serbuk aluminium. Serbuk dapat menyesuaikan bentuk saat perakitan, lalu dipadatkan dengan tekanan tinggi untuk menghasilkan kontak yang baik. Aluminium tetap merupakan bahan padat, bukan elektrolit cair.

Banyak Manfaat

Kolektor arus aluminium yang dipadatkan membantu membentuk antarmuka yang seragam dan mendukung pengendapan natrium yang lebih stabil dalam pengujian. Aluminium berfungsi sebagai kolektor arus, bukan elektrolit, dan hasil ini tidak membuktikan bahwa semua pertumbuhan dendrit telah dihilangkan pada setiap kondisi.

Kontak antarmuka yang stabil juga membantu mengurangi natrium yang kehilangan hubungan listrik dengan kolektor arus. Natrium yang tidak lagi dapat digunakan dalam siklus pengisian dan pengosongan akan mengurangi kapasitas baterai.

Perbandingan dalam penjelasan penelitian menunjukkan perkiraan kepadatan energi teoretis sekitar 200–400 Wh/kg untuk beberapa konfigurasi baterai natrium berelektrolit padat. Angka ini bukan hasil pengukuran paket baterai komersial yang telah diproduksi.

Walaupun perkiraan tersebut dapat berada di bawah beberapa desain baterai litium berelektrolit padat, kombinasi ini tetap menjanjikan. Natrium dan aluminium dapat membantu menekan biaya pada komponen terkait, tetapi tidak menggantikan litium, kobalt, dan nikel secara satu banding satu di seluruh baterai. Kinerja dan biaya akhir tetap bergantung pada seluruh bahan sel, termasuk katoda.

Kekuatan Kombinasi

Beberapa pendekatan baterai yang dahulu banyak dibahas sebagai konsep kini berkembang melalui tahapan yang berbeda. Pada 2024, baterai natrium-ion mulai memasuki aplikasi komersial, sedangkan banyak desain tanpa anoda dan berelektrolit padat masih memerlukan pengembangan dan peningkatan skala.

Perkembangan ini berjalan bersama berbagai kimia dan desain lain yang kami bahas dalam artikel “Masa Depan Penyimpanan Energi – Teknologi Baterai Skala Jaringan” dan “Masa Depan Mobilitas – Teknologi Baterai”.

Para peneliti tidak hanya mengembangkan setiap pendekatan secara terpisah, tetapi juga menggabungkan konsep yang telah diuji di laboratorium. Keberhasilan penggabungan tersebut belum sama dengan pembuktian kesiapan produksi komersial.

Penggabungan ini dapat membantu mengatasi sebagian keterbatasan masing-masing pendekatan.

Dalam penelitian ini, penggunaan serbuk aluminium sebagai kolektor arus membantu memperbaiki kontak antarmuka dan pengendapan natrium pada desain tanpa anoda berelektrolit padat. Hasilnya tidak berarti seluruh masalah dendrit telah teratasi secara universal.

Kepadatan energi tidak ditentukan oleh serbuk aluminium saja, melainkan oleh kombinasi katoda, elektrolit, kolektor arus, dan proporsi bahan di dalam sel.

Penggunaan natrium yang melimpah berpotensi melengkapi keuntungan biaya kolektor aluminium, meskipun biaya produksi keseluruhan masih perlu dinilai.

Baterai natrium memiliki keterbatasan kepadatan energi, tetapi hal itu tidak menutup semua penggunaan untuk mobilitas. Kesesuaiannya bergantung pada kebutuhan jarak tempuh, berat, dan harga kendaraan.

Dengan demikian, penggabungan beberapa unsur desain dapat menyatukan keunggulannya sekaligus mengurangi sebagian kelemahannya. Pendekatan ini memperluas pilihan untuk pengembangan kimia baterai, tetapi masih memerlukan pengujian umur pakai, keselamatan, biaya, dan produksi dalam skala besar.

Perusahaan Baterai Natrium

1. CATL

CATL merupakan salah satu produsen baterai terbesar di dunia. Menurut data yang dikutip perusahaan, pangsa pasar baterai kendaraan listrik globalnya pada 2023 mencapai 36,8%, bukan lebih dari separuh seluruh volume baterai dunia. Perusahaan ini terlibat di berbagai tahap rantai pasok dan pengembangan teknologi baterai.

Selain baterai litium-ion yang menjadi bisnis utamanya, CATL telah mengumumkan kemajuan dalam beberapa teknologi berikut:

Sumber: CATL

CATL juga mengembangkan sistem penyimpanan energi skala jaringan. Pada April 2024 di Beijing, perusahaan memperkenalkan TENER sebagai “sistem penyimpanan energi yang dapat diproduksi massal dengan klaim tanpa degradasi kapasitas dan daya selama lima tahun pertama”. Klaim desain ini bukan berarti sistem yang baru diluncurkan tersebut telah menjalani lima tahun operasi komersial.

Menurut CATL, TENER menyediakan kapasitas 6,25 MWh dalam kontainer berukuran 20 kaki.

Perusahaan menyatakan bahwa teknologi dan pengendalian proses produksinya mengatasi tantangan terkait aktivitas litium pada desain tersebut serta membantu mengurangi risiko pelarian termal akibat reaksi oksidasi. Pernyataan ini merupakan klaim produsen, bukan jaminan bahwa semua risiko kegagalan telah dihilangkan.

CATL juga mengumumkan rencana investasi sekitar €3,25 miliar untuk fasilitas daur ulang baterai di China pada 2023. Perusahaan melaporkan tingkat pemulihan bahan sebesar 99,6% untuk nikel, kobalt, dan mangan, serta 91% untuk litium.

Skala usaha serta investasi dalam penelitian dan pengembangan menempatkan CATL sebagai pelaku penting dalam inovasi, produksi, dan daur ulang baterai. Perusahaan bermitra dengan berbagai produsen kendaraan listrik, termasuk Tesla (TSLA ), NIO, Ford, dan Stellantis.

2. BYD

BYD, yang telah lama menantang Tesla di pasar kendaraan listrik, juga menjadi pesaing penting bagi banyak produsen mobil lainnya.

Perusahaan ini berkembang dari pemasok baterai ponsel menjadi salah satu produsen kendaraan listrik terbesar di China dan meraih posisi kuat di pasar seperti Thailand, Swedia, Australia, Selandia Baru, Singapura, Israel, dan Brasil. Peringkat penjualan bergantung pada periode, model, dan apakah perbandingan mencakup kendaraan hibrida plug-in atau hanya kendaraan listrik baterai.

Ekspansi BYD turut mendukung pertumbuhan ekspor otomotif China, yang melampaui Jepang sebagai pengekspor mobil terbesar pada 2023. Rencana ekspansi luar negerinya mencakup pembangunan pabrik baru, termasuk pabrik yang diumumkan di Hungaria, bukan berarti seluruh fasilitas tersebut telah beroperasi pada saat artikel ini diterbitkan.

Mobil berharga sekitar US$10.000–US$12.000 di pasar China, seperti Seagull, memperluas peluang BYD di segmen terjangkau. Seagull menggunakan baterai Blade berbasis LFP, bukan baterai natrium.

Sumber: Oleh User3204 – Karya sendiri, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

BYD tetap menjadi produsen baterai sekaligus pembuat mobil dan merupakan pesaing besar CATL di pasar LFP China. Angka pangsa 41,1% untuk BYD dan 33,9% untuk CATL yang dikutip dalam pembahasan ini merujuk pada perbandingan pasar LFP tertentu; tanpa periode dan cakupan yang jelas, angka tersebut tidak boleh dibaca sebagai pangsa seluruh pasar baterai global.

Ekspansi kendaraan listrik berbiaya rendah dari BYD dapat menghadapi kebijakan proteksionis dan tarif di Eropa maupun Amerika Serikat. Pada 2024, hambatan tersebut merupakan faktor penting bagi rencana pertumbuhan, bukan bukti bahwa BYD telah menjual mobil penumpang secara luas di pasar AS.

Pasar lain, termasuk Amerika Selatan, Rusia, Afrika, Timur Tengah, dan Asia Tenggara, menawarkan peluang yang berbeda. Namun, permintaan, keberadaan produsen lokal, peraturan, dan kebijakan perdagangan bervariasi menurut negara.

Populasi gabungan kawasan-kawasan tersebut mencapai miliaran orang, tetapi tidak semuanya merupakan calon pembeli kendaraan. Hubungan ekonomi dengan China dapat membantu ekspansi BYD, tanpa menjamin bahwa negara tujuan akan menghindari hambatan proteksionis.

Harga yang kompetitif dan produksi lokal dapat membantu BYD mengakses pasar luar negeri. Pada 2024, perusahaan mengumumkan pabrik di Hungaria dan kesepakatan investasi di Turki, sementara lokasi di Meksiko masih dipertimbangkan. Rencana tersebut tidak dengan sendirinya menjamin akses bebas hambatan ke Uni Eropa atau Amerika Serikat.

mm

Jonathan adalah mantan peneliti biokimia yang bekerja dalam analisis genetik dan uji klinis. Ia kini menjadi analis saham dan penulis keuangan dengan fokus pada inovasi, siklus pasar, dan geopolitik dalam publikasinya 'The Eurasian Century'.