Terobosan Baterai Membawa Varian Solid-State Satu Langkah Lebih Dekat ke Kenyataan

Solid-State Batteries To Achieve EV Domination

Sementara baterai litium-ion telah menjadi solusi dominan untuk sistem baterai EV, mereka memiliki beberapa keterbatasan.

Salah satunya masih kepadatan energi yang tidak begitu tinggi, dan yang lainnya adalah masalah keamanan yang terkait dengan pertumbuhan dendrit yang menembus baterai serta elektrolit yang kadang terbakar.

Sumber: Nobel Prize

Kedua masalah tersebut diharapkan dapat diatasi dengan baterai solid-state, yang menghilangkan kebutuhan akan elektrolit dan risiko dendrit.

Toyota memperkirakan penggunaan baterai solid-state ini pada tahun 2027, dan secara keseluruhan, tampaknya menjadi kandidat kuat untuk masa depan mobilitas.

Namun, masih ada beberapa masalah, terutama dengan elektrolit solid tipe garnet, yang juga dikenal sebagai Li7La3Zr2O12 atau LLZO (lihat di bawah).

Jadi, kabar baik bahwa empat peneliti di Universitas McGill, Kanada, mengumumkan bahwa mereka menciptakan desain LLZO baru yang dapat memberikan jumlah energi yang lebih tinggi. Mereka mempublikasikan hasilnya di Cell Reports Physical Science dalam makalah berjudul “4.8-V all-solid-state garnet-based lithium-metal batteries with stable interface“.

Solid-State Electrolyte

LLZO

Biasanya dikatakan bahwa baterai solid-state tidak memerlukan elektrolit. Hal ini secara teknis benar ketika merujuk pada elektrolit cair yang umum digunakan dalam baterai litium-ion.

Namun tentu saja, setiap baterai tetap membutuhkan semacam jembatan antara anoda dan katoda untuk berfungsi. Ada tiga jenis elektrolit solid-state (SE): keramik, polimer, dan SE komposit (CSE).

Elektrolit solid-state komposit (CSE) mencampur SE polimer dengan pengisi anorganik konduktif ionik seperti Li7La3Zr2O12 (LLZO) untuk memfasilitasi transportasi litium-ion.

Meskipun metode ini ideal untuk operasi tegangan tinggi pada baterai padat, ia mengalami masalah kontak yang buruk dengan elektroda, mengurangi efisiensi keseluruhan.

Porous LLZO

Apa yang ditemukan peneliti, adalah bahwa LLZO dapat dibuat dari membran keramik berpori, bukan pelat padat biasa. Dalam istilah yang lebih teknis:

Di sini, kami merancang elektrolit solid komposit berbasis garnet yang sangat konduktif dan ramah antarmuka, yang terdiri dari kerangka berpori kubik Li6.1Al0.3La3Zr2O12 dan polyvinylidene difluoride (PVDF) dengan struktur kontinu tiga dimensi.

Secara visual, ini menjadi struktur 3D yang sangat kompleks penuh dengan lubang kecil pada skala mikroskopik:

Sumber: Cell

Ini menciptakan banyak kontak permukaan bagi litium-ion, sambil tetap menawarkan daya rekat yang kuat pada elektroda.

Sumber: Cell

More Stable & Durable Batteries

Baterai solid-state secara keseluruhan jauh lebih kuat dan memiliki kepadatan energi lebih tinggi dibandingkan baterai litium-ion. Namun, mereka sulit diproduksi secara massal sehingga dapat bertahan banyak siklus pengisian-pengosongan tanpa kehilangan kapasitas.

Jadi para peneliti melanjutkan dengan menguji baterai untuk melihat apakah antarmuka elektroda yang mereka buat sekuat yang diharapkan.

Setelah 200 siklus, mereka memeriksanya di bawah mikroskop dan tidak menemukan jejak degradasi, seperti retak, delaminasi, dll.

Sumber: Cell

Secara keseluruhan, prototipe baterai menunjukkan ketahanan yang luar biasa, terutama terhadap pembentukan dendrit.

Sel simetris Li-Li berbasis CSE keramik dapat beroperasi stabil selama 1.000 jam pada 0,1 dan 0,5 mA cm−2, menunjukkan stabilitas elektrokimia yang luar biasa terhadap logam Li dan bahkan deposisi Li+ (penekanan dendrit).

Better Safety Profile

Pengurangan pembentukan dendrit secara drastis, serta tidak adanya elektrolit yang mudah terbakar, seharusnya secara signifikan meningkatkan keamanan baterai litium.

Karena ketebalan CSE berbasis keramik hanya 125 μm, hal ini juga membuat teknologi ini sangat kompetitif untuk menciptakan baterai solid-state dengan kepadatan energi tinggi.

Perlu juga dicatat bahwa meskipun tidak sederhana, teknik yang digunakan untuk menciptakan LLZO yang ditingkatkan tidak memerlukan logam langka, mesin khusus, atau langkah kompleks yang tidak biasa dalam produksi baterai.

Sumber: Cell

Jadi secara keseluruhan, ini harus menjadi langkah penting dalam meningkatkan karakteristik baterai solid-state lebih lanjut dalam semua aspek penting: stabilitas, keamanan, kepadatan energi, dan kemudahan produksi.

Are Solid State Batteries Winning?

Tidak dapat dikatakan bahwa baterai solid-state pasti akan menjadi standar baru untuk baterai EV dalam beberapa tahun mendatang.

Baterai litium-ion mungkin juga dapat bersaing. Hal ini terutama terkait dengan perbaikan desain, dengan nanopori serupa yang membantu mengurangi pembentukan dendrit.

Yang paling menonjol, baterai honeycomb yang dikembangkan oleh pemimpin global manufaktur baterai CATL mungkin mencapai profil keamanan dan kepadatan energi yang mirip dengan beberapa baterai solid-state.

Secara keseluruhan, tampaknya pemahaman yang lebih mendalam tentang material baterai, terutama pada skala mikro- dan nano, serta penggunaan nanopori akan menjadi jalan ke depan untuk terus meningkatkan kinerja baterai dan menghilangkan risiko pembentukan dendrit secara permanen.

Investing Into Battery Tech

Baterai litium telah mengubah dunia berkali-kali, mulai dari memungkinkan orang membawa perangkat elektronik canggih ke mana saja hingga menggerakkan mobil hanya dengan listrik.

Mereka mungkin akan melakukannya lagi, atau jenis baterai lain, dengan memungkinkan jaringan listrik 100% terbarukan atau memungkinkan elektrifikasi pesawat terbang ketika mencapai kepadatan energi yang cukup tinggi.

Anda dapat berinvestasi di perusahaan terkait baterai melalui banyak broker, dan Anda dapat menemukan di sini, di securities.io, rekomendasi kami untuk broker terbaik di Amerika Serikat, Kanada, Australia, Inggris, serta banyak negara lainnya.

Jika Anda tidak tertarik memilih perusahaan baterai tertentu, Anda juga dapat melihat ETF bioteknologi seperti Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Lithium & Battery Tech ETF (LIT) dari Global X, atau WisdomTree (WT ) Battery Solutions UCITS ETF, yang akan memberikan paparan yang lebih terdiversifikasi untuk memanfaatkan pertumbuhan industri baterai.

Solid State Companies

Diharapkan lama menjadi salah satu perusahaan pertama yang membawa baterai solid-state ke pasar, QuantumScape (QS ) telah berada di garis depan pengembangan teknologi ini.

Baterai QuantumScape menggunakan logam litium, baterai anode-free.

Baterai anode-free menyimpan ion dalam deposit elektrokimia logam alkali langsung pada kolektor arus. Hal ini memungkinkan tegangan sel yang lebih tinggi, biaya sel yang lebih rendah, dan kepadatan energi yang meningkat.

Sumber: QuantumScape

(kami juga membahas konsep baterai anode-free dalam konteks baterai natrium di “Anode-Free Sodium Solid-State Batteries Could Reduce Reliance on the ‘Lithium Triangle’”).

Namun QuantumScape secara rutin menunda tanggal produksi massal yang diharapkan untuk baterainya, meredam antusiasme awal investor terhadap perusahaan.

Hal ini mungkin berubah dengan beberapa perkembangan kunci pada tahun 2023 & 2024:

• Peningkatan konsistensi dan kualitas produksi.
• Peningkatan desain kemasan, termasuk margin internal yang lebih ketat, kolektor arus yang lebih tipis, dan rangka yang lebih ramping.
• Mengirim sel unit dengan muatan katoda tinggi ke mitra OEM (Original Equipment Manufacturer) otomotif.
• Mengumumkan peluncuran QSE-5, produk komersial pertama perusahaan, dengan calon pelanggan peluncuran di sektor otomotif.

Secara keseluruhan, QuantumScape tampaknya menjadi perusahaan solid-state dengan teknologi paling matang, terutama dalam hal daya tahan baterai.

Sumber: QuantumScape

Deal With Volkswagen

Lebih penting lagi, perusahaan menunjukkan kemajuan nyata dalam menjalin kemitraan dengan Volkswagen, produsen mobil terbesar ke-2 di dunia.

Pada Juli 2024, QuantumScape menandatangani perjanjian dengan Volkswagen untuk berkolaborasi dalam memproduksi sel baterai berbasis desain QSE-5.

Lisensi tersebut akan memungkinkan PowerCo memproduksi dan menjual baterai otomotif hingga 40 GWh per tahun, dapat diperluas tambahan 40 GWh.

Ini adalah lisensi IP non-eksklusif dengan royalti, memungkinkan QuantumScape terus menjual ke klien potensial lainnya.

Mungkin lebih penting untuk meredakan kekhawatiran investor tentang perusahaan, ini juga akan memberikan biaya royalti awal sebesar $130M, dikreditkan terhadap royalti masa depan, dibayar oleh PowerCo, anak perusahaan baterai Volkswagen.

Hal ini memberi perusahaan tambahan runway kas selama 18 bulan dibandingkan panduan sebelumnya, meluas hingga tahun 2028.

Ini seharusnya cukup waktu untuk meningkatkan produksi dan mulai mencatat pendapatan yang solid.

Jadi selama baterai QuantumScape berperformasi memadai, mereka seharusnya dapat menemukan ceruk pasar mereka bersama baterai yang diproduksi oleh perusahaan besar seperti CATL, BYD, dan Panasonic.

Mengingat Volkswagen kemungkinan telah menguji secara ekstensif prototipe QuantumScape mereka sendiri dan mempelajari peningkatan produksi, kesepakatan terbaru tampaknya menjadi dukungan kuat terhadap teknologi perusahaan.

Sumber: QuantumScape

Selain itu, batas waktu paralel Toyota pada tahun 2027 untuk komersialisasi baterai solid-state tampaknya menunjukkan bahwa setelah banyak kegagalan awal, teknologi kini mencapai titik di mana sudah cukup matang.