Disordered Rock Salt: Bagaimana Mengatasi Mobilitas Oksigen Membawa Terobosan dalam Teknologi Baterai

Permintaan baterai meningkat di seluruh dunia, dipicu oleh peningkatan penggunaannya di industri otomotif, popularitas perangkat elektronik konsumen yang dapat dibawa, dan regulasi lingkungan yang ketat. Akibatnya, pasar baterai global diproyeksikan untuk mencapai $800 miliar pada 2036, naik dari sekitar $120 miliar pada 2023.

Mengingat pertumbuhan yang diperkirakan ini, peneliti terus mengembangkan dan menguji bahan serta kimia baru untuk meningkatkan komponen penting baterai, yang memengaruhi sifat seperti output energi, penyimpanan energi, kapasitas daya, dan kapasitas siklus.

Komponen-komponen ini meliputi katoda (elektroda positif), anoda (elektroda negatif), elektrolit (untuk transportasi ion antara elektroda), dan separator.

Sebagian besar perangkat yang menggunakan baterai saat ini, seperti kendaraan listrik, smartphone, dan sistem penyimpanan energi, mengandalkan teknologi baterai litium-ion. Baterai litium-ion dapat menyimpan sejumlah besar energi dalam ukuran kompak, mengisi daya dengan cepat, dan memiliki umur panjang.

Namun, dengan meningkatnya permintaan baterai dengan kemampuan lebih tinggi, teknologi baru sedang diteliti dan dikembangkan untuk meningkatkan efisiensi, mengurangi biaya, meningkatkan keamanan, dan mendorong keberlanjutan.

Selama bertahun-tahun, penelitian berkelanjutan telah menghasilkan kemajuan yang menawarkan alternatif menjanjikan bagi baterai litium-ion dan timbal-asam.

Baterai natrium-ion menawarkan opsi yang lebih terjangkau dan aman serta berperforma lebih baik pada suhu rendah. Baterai ini mirip dengan baterai litium-ion tetapi menggunakan air garam sebagai elektrolit, menjadikannya lebih cocok untuk penyimpanan energi, meskipun belum dioptimalkan. Peneliti bahkan menggunakan gel elektrolit untuk membuat nanowire lebih tahan lama dan cocok untuk penggunaan baterai.

Solid-state batteries, di sisi lain, menggunakan elektrolit padat seperti kaca, keramik, atau polimer alih-alih gel atau elektrolit cair. Baterai ini jauh lebih efisien, lebih ringan, mengisi daya lebih cepat, dan sudah digunakan dalam smartphone dan alat pacu jantung. Toyota dan BMW saat ini sedang bekerja untuk meluncurkan mobil yang menggunakan baterai solid-state, meskipun masih akan memakan beberapa tahun.

Teknologi baterai baru lainnya meliputi baterai litium-sulfur, yang hemat biaya tetapi memiliki keterbatasan daya tahan, dan baterai litium-ion bebas kobalt, yang dapat membantu mengatasi masalah hak asasi manusia dalam penambangan kobalt. Namun, alternatif seperti TAQ masih baru dan memerlukan lebih banyak pengujian.

Baterai berbasis seng juga sedang dieksplorasi, dengan teknologi termasuk seng-mangan dioksida, seng-udara, seng-bromin, dan baterai seng-ion. Namun, mereka tidak efisien, terkadang melibatkan reaksi konversi kimia yang tidak terduga, dan mahal untuk diproduksi, sehingga memerlukan lebih banyak penelitian.

Seiring dunia semakin bergantung pada baterai, ilmuwan di seluruh dunia fokus pada pencapaian terobosan dalam waktu penyimpanan, output daya, biaya produksi, dan kesiapan instan.

Terobosan Baterai Terbaru: Katoda Garam Batu-Polianion 

Penelitian baru telah membuat kemajuan dalam meningkatkan kepadatan energi praktis baterai. Dipublikasikan di Nature Energy akhir bulan lalu, studi berjudul “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling,” dilakukan oleh Departemen Ilmu dan Teknik Nuklir MIT.

Studi ini berfokus pada bahan katoda baru yang ditemukan dalam garam batu tidak teratur, yang telah dipelajari sebagai bahan katoda canggih untuk digunakan dalam baterai litium-ion selama lebih dari satu dekade. 

Peneliti MIT memastikan bahwa bahan tersebut dapat menciptakan penyimpanan berenergi tinggi dan biaya rendah untuk kendaraan listrik, ponsel, dan penyimpanan energi terbarukan.

Dipimpin oleh Ju Li, Profesor Teknik Nuklir di Tokyo Electric Power Company, tim menemukan DRXPS, atau spinel garam batu tidak teratur-polianion, sebagai bahan baru.

Kategori baru katoda garam batu sebagian tidak teratur ini, yang terintegrasi dengan polianion, terbukti memberikan kepadatan energi tinggi pada tegangan tinggi dengan stabilitas siklus yang ditingkatkan. Hal ini merupakan pencapaian besar, mengingat biasanya ada pertukaran antara kepadatan energi dan stabilitas siklus pada bahan katoda.

“Dengan pekerjaan ini, kami bertujuan untuk mendorong batas dengan merancang kimia katoda baru.”

– Yimeng Huang, penulis pertama makalah, postdoktor di NSE

Sekarang, bagaimana keluarga bahan baru ini dapat mencapai kepadatan energi tinggi dan stabilitas siklus yang baik? Jawabannya terletak pada integrasi dua bahan katoda utama — garam batu dan olivin polianion. Dengan menggabungkannya, dapat memperoleh manfaat keduanya.

Hal lain yang berperan di sini adalah mangan (Mn), logam keras berwarna perak yang melimpah di Bumi dan jauh lebih murah dibandingkan elemen lain yang saat ini digunakan dalam katoda hari ini. 

Sebagai contoh, Mangan sekitar tiga puluh kali lebih murah daripada Kobalt (Co) dan lima kali lebih murah daripada Nikel (Ni), keduanya umumnya digunakan dalam baterai. Selain itu, Mangan memainkan peran penting dalam mencapai kepadatan energi yang lebih tinggi. 

“(Memiliki bahan seperti itu yang jauh lebih melimpah di bumi adalah keuntungan luar biasa.”

– Li, profesor ilmu dan teknik material

Keuntungan ini, menurut peneliti, sangat berharga bagi masa depan nol karbon yang memerlukan infrastruktur energi terbarukan.

Baterai dapat memainkan peran penting dalam transisi ini, dengan potensi mendekarbonisasi transportasi melalui kendaraan listrik dan mengatasi intermitensi tenaga surya dan angin. Karena sumber energi terbarukan ini tidak tersedia 24/7, penyimpanan energi sangat penting untuk menyediakan listrik pada saat sumber tersebut tidak tersedia, seperti pada malam hari atau pada hari berawan dan tenang.

Para peneliti juga menunjukkan bahwa bahan seperti kobalt dan nikel relatif langka dan mahal. Menggunakan mereka untuk secara cepat meningkatkan kapasitas penyimpanan listrik dapat menyebabkan lonjakan biaya yang besar dan kemungkinan kekurangan bahan yang signifikan. Menurut Li:

“Jika kita ingin memiliki elektrifikasi sejati dalam pembangkitan energi, transportasi, dan lainnya, kita membutuhkan baterai yang melimpah di bumi untuk menyimpan tenaga fotovoltaik dan angin yang intermiten. Saya pikir ini adalah salah satu langkah menuju impian itu.”

Mengatasi Hambatan Mobilitas Oksigen pada Material Saat Ini

Didanai oleh Honda Research Institute USA Inc. dan Molecular Foundry di Lawrence Berkeley National Laboratory, studi ini menangani salah satu tantangan utama yang dihadapi katoda garam batu tidak teratur.

Seperti yang dicatat sebelumnya, material ini telah dipelajari untuk kapasitasnya yang sangat tinggi. Dibandingkan dengan material katoda tradisional, yang memiliki kapasitas antara 190 hingga 200 miliampere-jam per gram, material ini memiliki hingga 350 miliampere-jam per gram.

Namun, meskipun menawarkan kapasitas sangat tinggi, material ini tidak terlalu stabil. Hal ini adalah sebagian karena redoks oksigen, proses memanfaatkan kepadatan elektron di sekitar atom oksigen dalam material katoda. 

Redoks oksigen diaktifkan ketika katoda diisi pada tegangan tinggi, membuat oksigen menjadi bergerak, yang kemudian menyebabkan reaksi dengan elektrolit dan degradasi material. Hal ini membuat material menjadi tidak berguna setelah siklus yang panjang.

Untuk mengatasi tantangan ini, para peneliti memperkenalkan elemen lain ke dalam material: fosfor (P), padatan lunak berwarna lilin yang berfungsi seperti lem, menahan oksigen di tempatnya dan mengurangi degradasi material. 

Namun hanya menambahkan fosfor saja tidak cukup. Jumlah fosfor yang tepat adalah inovasi paling penting di sini. Menambahkan jumlah P yang sesuai “membentuk apa yang disebut polianion dengan atom oksigen tetangganya ke dalam struktur garam batu yang kekurangan kation yang dapat menahannya,” kata Li.

Ikatan kovalen kuat antara oksigen dan fosfor memungkinkan peneliti untuk menghentikan transportasi oksigen. Dengan cara ini, mereka dapat memanfaatkan kapasitas yang diberikan oleh oksigen dan pada saat yang sama, mencapai stabilitas yang baik.

Memiliki kemampuan ini untuk mengisi baterai pada tegangan yang lebih tinggi penting karena memungkinkan sistem yang lebih sederhana mengelola energi yang disimpan.

“Anda dapat mengatakan kualitas energi lebih tinggi. Semakin tinggi tegangan per sel, semakin sedikit Anda perlu menghubungkan mereka secara seri dalam paket baterai, dan semakin sederhana sistem manajemen baterai.”

– Li

Studi ini baru permulaan, karena tim kini akan mengeksplorasi rasio berbeda antara mangan, litium, oksigen, dan fosfor, serta berbagai kombinasi elemen pembentuk polianion lainnya seperti silikon, sulfur, dan boron.

Ke depan, para peneliti juga akan menyelidiki cara baru untuk memproduksi material, dengan fokus khusus pada skalabilitas dan morfologi. Studi saat ini menggunakan penggilingan bola berenergi tinggi untuk sintesis mekanokimia, yang menghasilkan morfologi tidak seragam dan partikel berukuran sekitar 150 nanometer, rata-rata kecil. Selain itu, metode mereka saat ini tidak benar-benar dapat diskalakan. 

Jadi, para peneliti kini mencoba metode sintesis alternatif untuk mencapai morfologi yang lebih seragam dan partikel dengan ukuran lebih besar. Hal ini akan membantu meningkatkan kepadatan energi volumetrik material dan bahkan dapat memungkinkan mereka mencoba beberapa metode pelapisan yang dapat meningkatkan kinerja baterai. Metode di masa depan juga harus dapat diskalakan secara industri.

Masalah lain adalah konduktivitas, yang ditingkatkan dengan menambahkan sejumlah besar karbon ke material garam batu tidak teratur. Faktanya, karbon menyumbang 20 persen dari berat pasta katoda, karena material tersebut sebenarnya bukan konduktor yang baik. 

Jadi, tentu saja, peneliti akan lebih lanjut meneliti pengurangan kandungan karbon dalam elektroda. Jika mereka dapat mencapai ini tanpa mengorbankan kinerja baterai, mereka dapat meningkatkan kepadatan energi praktis dengan memasukkan kandungan bahan aktif yang lebih tinggi ke dalam baterai.

Untuk tujuan ini, mereka mempertimbangkan penggunaan nanotube karbon, yang dapat mengurangi kandungan karbon menjadi hanya satu atau dua persen berat, memungkinkan peningkatan signifikan pada bahan katoda aktif. Namun, studi saat ini menggunakan Super P, karbon konduktif yang terdiri dari nanospheres, yang kurang efisien.

Peningkatan lain melibatkan penggunaan elektroda tebal, yang akan lebih meningkatkan kepadatan energi praktis baterai.

Setelah tim mengoptimalkan komposisi material, mengembangkan elektroda yang lebih tebal, mencapai morfologi yang lebih baik untuk lapisan seragam, menurunkan kandungan karbon, dan mengadopsi metode sintesis yang dapat diskalakan, mereka melihat keluarga katoda DRXPS sangat menjanjikan untuk aplikasi pada kendaraan listrik, penyimpanan jaringan, dan elektronik konsumen.

Perusahaan yang Maju dalam Bidang Baterai

Banyak perusahaan membantu memajukan bidang ini, dan bahkan lebih banyak akan mendapatkan manfaat dari perkembangan ini. 

Umicore (UMICY) adalah salah satu perusahaan yang terlibat dalam material baterai, khususnya dalam teknologi katoda, dengan fokus pada material berkelanjutan dan canggih. Sementara itu, Lithium Americas Corp. (LAC ) (LAC) adalah pemasok litium, dan Vale (VALE) adalah produsen global terkemuka untuk besi dan mangan. Sekarang, mari kita lihat beberapa nama terkemuka lainnya:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

Sebuah produsen litium utama, Albemarle, telah mengembangkan teknologi baterai dengan kepadatan energi yang meningkat untuk mengurangi berat dan memperpanjang jangkauan. Ini adalah salah satu produsen litium terbesar di dunia untuk baterai kendaraan listrik. Penawaran perusahaan untuk memenuhi permintaan energi bersih meliputi solusi katoda, solusi anoda, solusi elektrolit, dan casing baterai.

Dengan kapitalisasi pasar $9,84 miliar, saham Albemarle saat ini diperdagangkan pada $83,66, turun 41,6% YTD. Memiliki EPS (TTM) -4,73, P/E (TTM) -17,67, dan dividen 1,94%. Pada kuartal 2 2024, perusahaan melaporkan penjualan bersih sebesar $1,4 miliar dan EBITDA yang disesuaikan sebesar $386 juta. Kas dari operasi, sementara itu, sebesar $363 juta, naik dari $289 juta YoY. Albemarle juga memberikan lebih dari $150 juta dalam manfaat produktivitas.

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape (QS ) adalah pengembang baterai litium-logam solid-state baterai, yang bertujuan mengubah penyimpanan energi. Perusahaan telah mengembangkan desain sel tanpa anoda pertama di industri, yang menurunkan biaya material dan memberikan kepadatan energi tinggi. Tahun ini, QuantumScape bermitra dengan perusahaan baterai Volkswagen, PowerCo, memberikan mereka lisensi untuk memproduksi massal sel baterai berdasarkan platform teknologi QuantumScape.

Dengan kapitalisasi pasar $2,75 miliar, saham QuantumScape saat ini diperdagangkan pada $5,51, turun 19,78% YTD. Memiliki EPS (TTM) -0,95 dan P/E (TTM) -5,78. Pada kuartal 2 2024, perusahaan melaporkan belanja modal sebesar $18,9 juta, sementara beban operasional GAAP sebesar $134,5 juta. Likuiditas berada pada $938 juta pada akhir kuartal.

Kesimpulan

Mengingat penggunaan yang luas dan ukuran pasar baterai, teknologi baterai baru dan canggih sedang diteliti dan dikembangkan secara intensif. Seperti yang kita lihat dalam studi terbaru, material katoda baru menunjukkan “kepadatan energi gravimetri tinggi di atas 1.100 Wh kg⁻¹ dan >70% retensi selama 100 siklus,” membuka pintu bagi katoda baterai yang terbuat dari elemen melimpah di bumi seperti Mn dan Fe.

Karena baterai litium-ion dianggap sebagai bagian penting dari transisi energi bersih, studi seperti ini memastikan pertumbuhan berkelanjutan dan penurunan harga mereka dengan mengembangkan “material katoda yang murah dan berperforma tinggi.” 

Hal ini menunjukkan masa depan yang menjanjikan untuk penyimpanan energi, dengan potensi memenuhi permintaan global yang meningkat sambil meminimalkan dampak lingkungan.

Klik di sini untuk daftar sepuluh saham baterai teratas untuk diinvestasikan.