Meningkatkan Baterai Lithium-Ion: Teknologi Graphene Baru Mengklaim Konduktivitas Termal 10x Lebih Tinggi daripada Solusi Saat Ini

Graphene & Batteries

Battery technology is quickly evolving, with dozens of competing alternative chemistries challenging the dominance of lithium-ion batteries, whose penemuan tersebut dianugerahi Penghargaan Nobel Kimia pada tahun 2019.

Salah satu alternatif tersebut adalah baterai yang menggunakan graphene.

Hal ini karena graphene adalah “bahan ajaib”, terbuat dari satu lapisan atom karbon. Ini memberikannya sifat listrik yang luar biasa. Kami menjelaskan lebih lanjut tentang graphene, serta “material 2D” lainnya seperti borofena dan goldene dalam “Material 2D, Seperti Graphene, Membuka Frontir Baru dalam Ilmu Material”.

Sifat listrik bukan satu‑satunya karakteristik yang membuat graphene istimewa. Ia juga luar biasa dalam konduktivitas termalnya, memungkinkan transfer panas yang sangat cepat.

Sumber: GMG

Properti termal ini dapat menjadi transformasional bagi teknologi baterai dan, secara paradoks, graphene dapat membantu menjaga baterai lithium-ion tetap menjadi teknologi baterai dominan dibandingkan kimia alternatif, termasuk baterai berbasis graphene.

Hal ini dapat terjadi berkat penemuan oleh peneliti di Swansea University (UK), bekerja sama dengan Wuhan University of Technology dan Shenzhen University (China). Mereka mengungkapkan hasilnya dalam makalah ilmiah yang dipublikasikan di Nature Chemical Engineering dengan judul “Pengumpul arus skala besar untuk mengatur transfer panas dan meningkatkan keamanan baterai“.

Graphene Limitations

Secara teori, graphene adalah bahan ajaib yang seharusnya merevolusi banyak industri, mulai dari pembuatan baterai hingga segala sesuatu yang menggunakan listrik, termasuk komputer dan panel surya, bahkan beton dan nanorobot dalam aliran darah kita.

Namun dalam praktik, graphene mengalami beberapa keterbatasan:

• Manufaktur pada skala: Selotip Scotch yang ditempelkan pada sepotong grafit cukup untuk menemukan graphene. Namun metode yang jauh lebih kompleks seperti Chemical Vapor Deposition (CVD) diperlukan untuk produksi massal.
• Biaya: Sebagian besar metode produksi dan penerapan pada perangkat yang ada masih berskala kecil atau khusus, dan material 2D tetap cukup mahal. Harga sebenarnya dapat sangat bervariasi tergantung pada kemurnian, misalnya graphene berkisar antara $20-2.000/kg.

Tentu saja, kedua masalah tersebut saling terkait, karena skala produksi yang kecil meningkatkan biaya. Sejauh ini, hal ini sangat menghambat adopsi massal graphene, membuat sebagian besar janji material ini belum terpenuhi, meskipun penemuannya 20 tahun yang lalu pada tahun 2004.

Kemampuan untuk memproduksi material berbasis graphene dalam volume besar merupakan kunci untuk mengurangi biaya dan memungkinkan aplikasi skala industri.

Ini murni merupakan masalah manufaktur dan teknologi, karena graphene terbuat dari karbon, material yang melimpah dan murah. Jadi ia tidak mengalami masalah material langka seperti misalnya katalis produksi hidrogen yang menggunakan logam langka seperti platinum atau palladium.

Dengan demikian, graphene memiliki potensi untuk benar‑benar merevolusi sistem energi kita, tanpa menghadapi batasan akibat penipisan sumber daya ketika diterapkan secara massal.

Making Kilometers Of Graphene

Masalah produksi skala besar inilah yang diklaim peneliti dalam makalah tersebut telah sebagian terpecahkan.

The researchers’ publication “menjelaskan protokol pertama yang berhasil untuk memproduksi foil graphene bebas cacat pada skala komersial”.

Metode yang dijelaskan dalam makalah ilmiah tersebut dapat digunakan untuk membuat foil graphene dengan panjang mulai dari meter hingga kilometer.

Bahkan dalam lingkungan laboratorium yang tidak dirancang untuk produksi massal, mereka berhasil membuat foil graphene sepanjang 200 meter dengan ketebalan 17 mikrometer.

Foil ini juga sangat tahan lama dan terbukti mempertahankan konduktivitas listrik tinggi bahkan setelah dibengkokkan lebih dari 100.000 kali.

Sehingga dapat diasumsikan dengan aman bahwa foil ini akan dapat diterapkan dalam elektronik fleksibel, manufaktur industri, dan aplikasi lain di mana graphene digunakan untuk mengalirkan arus kuat.

What Can Graphene Foils Do?

Baterai lithium-ion rentan terhadap risiko utama, yang disebut thermal runaway. Hal ini terjadi ketika panas berlebih menumpuk di bagian baterai, sering kali menyebabkan kegagalan baterai dengan kebakaran atau ledakan berbahaya.

Masalah ini merupakan salah satu alasan utama mengapa banyak peneliti dan perusahaan baterai mencari alternatif selain lithium-ion dengan kimia lain seperti sodium-ion. Banyak solusi alternatif sedang dieksplorasi, misalnya elektrolit gel.

Thermal runaway biasanya terjadi pada kolektor arus baterai, tempat konsentrasi daya tertinggi. Pada baterai lithium-ion saat ini, kolektor arus biasanya terbuat dari aluminium atau tembaga.

Kolektor arus graphene yang dikembangkan oleh peneliti dengan foil graphene mereka dapat menampilkan konduktivitas termal hingga 1.400,8 W m⁻¹ K⁻¹. Sebagai perbandingan, ini hampir 10 kali lebih tinggi daripada kolektor arus berbasis tembaga dan aluminium.

Sumber: Nature Chemical Engineering

 Implikasi untuk Baterai Lithium-Ion

Karena foil graphene menunjukkan disipasi panas yang sangat cepat, ia menghilangkan risiko konsentrasi panas lokal saat arus mengalir.

Sebagai konsekuensinya, hal ini menghilangkan risiko reaksi aluminotermik dan evolusi hidrogen yang merupakan langkah kritis yang menyebabkan penyebaran kegagalan baterai dan bahaya kebakaran.

“Struktur graphene kami yang padat dan teratur menyediakan penghalang kuat terhadap pembentukan gas mudah terbakar dan mencegah oksigen merembes ke sel baterai, yang penting untuk menghindari kegagalan katastrofik,”

Dr Jinlong Yang, co‑lead author

Mungkin yang lebih penting, metode ini sudah terbukti dapat diterapkan dengan produksi massal foil graphene. Jadi dapat dengan cepat diintegrasikan ke dalam proses manufaktur baterai yang ada.

“Ini adalah langkah signifikan ke depan untuk teknologi baterai. Metode kami memungkinkan produksi kolektor arus graphene pada skala dan kualitas yang dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam manufaktur baterai komersial. Ini tidak hanya meningkatkan keamanan baterai dengan mengelola panas secara efisien tetapi juga meningkatkan kepadatan energi dan umur panjang.”

Dr Rui Tan, co‑lead author

Future of Graphene Foil Applications

Para peneliti sudah mencari cara untuk mengurangi ketebalan foil graphene dan lebih meningkatkan sifat mekaniknya.

Mereka juga meneliti bagaimana foil graphene dapat membantu merancang baterai aliran dan baterai sodium‑ion yang lebih baik, bekerja sama dengan tim riset lain di Swansea University, di bawah kepemimpinan Prof. Serena Margodonna.

Kami sebelumnya membahas baterai lithium-ion honeycomb yang menghilangkan risiko kegagalan baterai akibat pertumbuhan dendrit. Jika thermal runaway juga dapat ditekan berkat foil graphene, hal ini dapat membuat baterai lithium-ion jauh lebih aman dan tahan lama dibandingkan versi saat ini.

Sumber: Chemistry Europe

Secara keseluruhan, ini mengikuti pola kebanyakan inovasi dalam satu niche teknologi baterai yang dapat digunakan dalam desain lain, membantu mempercepat kemajuan industri.

(Anda juga dapat mempelajari lebih lanjut tentang teknologi baterai dalam artikel kami “Masa Depan Mobilitas – Teknologi Baterai” dan “Masa Depan Penyimpanan Energi – Baterai Skala Utilitas”.)

Investing Into Battery Tech

Baterai lithium-ion 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 tipe baterai lain, dengan memungkinkan jaringan listrik 100% terbarukan atau mengaliri pesawat listrik ketika mencapai kepadatan energi yang cukup tinggi.

Anda dapat berinvestasi pada perusahaan terkait baterai melalui banyak broker, dan di sini, di securities.io, kami menyediakan rekomendasi broker terbaik di the USA, Canada, Australia, the UK, as well as many other countries.

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

Atau Anda dapat melihat artikel kami “10 Saham Baterai Teratas untuk Diinvestasikan” dan “10 Logam Baterai & Saham Pertambangan Energi Terbarukan Teratas”.

Battery Companies

1. Veeco

Veeco telah menjadi pemasok utama peralatan untuk industri manufaktur semikonduktor sejak didirikan pada tahun 1945. Mesinnya digunakan dalam produksi chip EUV canggih, antena 5G, hard drive, LIDAR, LED, elektronik daya untuk kendaraan listrik, dll.

Sumber: Veeco

Fokus teknologi utama perusahaan adalah proses CVD yang sama digunakan untuk produksi borofena dan sebagian graphene, atau lebih tepatnya, MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition).

Sumber: Veeco

Sebagai pemimpin dalam segmen niche industri semikonduktor ini, Veeco dapat menjadi kandidat yang baik untuk bertaruh pada peningkatan aplikasi CVD.

Pertumbuhan tersebut dapat berasal dari peningkatan penggunaan graphene, tungsten, dan borofena, seiring kami semakin mahir memanipulasi materi pada tingkat atom. Ini mencakup film tipis graphene, tetapi juga potensi semikonduktor graphene, superkonduktor, dll.

Hal ini juga kemungkinan akan mendapat manfaat dari tren besar digitalisasi, AI, dan elektrifikasi, baik dengan penggunaan material 2D secara masif maupun tidak.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG adalah produsen graphene yang memfokuskan penawaran produknya pada produk berbasis graphene yang sudah terbukti seperti pelapisan panas dan pelumas.

Hal ini menjadikan GMG pilihan yang baik bagi investor yang mencari paparan langsung ke pasar graphene dan perusahaan yang sudah aktif memproduksi graphene secara massal serta meningkatkan metode produksi saat ini.

Sumber: GMG

Beberapa aplikasi lebih lanjut dapat berupa pembuatan semikonduktor graphene (lihat “Semikonduktor Graphene – Akankah Mereka Akhirnya Hadir?”), atau bahkan superkonduktor pada suhu kamar. Pelapisan graphene juga dapat digunakan dalam baterai dan teknologi bejana tekanan hidrogen.

Sumber: GMG

GMG memproduksi graphene-nya dari metana + hidrogen, yang berbeda dari kebanyakan pesaingnya, yang memproduksinya dari deposit grafit alami. Hal ini memungkinkan kemurnian lebih tinggi, skalabilitas lebih besar, dan produksi berbiaya rendah.

Perusahaan meluncurkan fasilitas produksi pertamanya di Australia pada tahun 2023, dengan kapasitas produksi pelapisan penukar panas hingga 1 juta liter per tahun.

Langkah selanjutnya bagi perusahaan adalah teknologi baterainya berbasis ion aluminium graphene, dengan densitas 290 Wh/kg, pengisian 60 kali lebih cepat dibandingkan baterai lithium-ion, umur baterai 3 kali lebih lama, dan profil bahaya kebakaran yang lebih baik.

Sumber: GMG

Masuknya GMG ke pasar baterai mungkin merupakan taruhan besar, namun juga memberikannya perspektif unik tentang pasar masa depan yang dapat terbuka untuk graphene, termasuk pada kendaraan listrik dan aplikasi terkait daya lainnya.