Bagaimana Teknologi Baterai Solid-State Princeton Dapat Mengubah Penyimpanan Energi

Peneliti dari Princeton, Purdue, University of Michigan, dan Brookhaven menyelidiki penyebab baterai solid-state tanpa anoda gagal ketika diisi dan dikosongkan. Pekerjaan mereka menyoroti dua masalah yang saling berkaitan: retak mekanis akibat tekanan dan pengendapan litium yang tidak merata pada antarmuka padat.

Hasil ini membantu merancang antarmuka dan proses produksi, tetapi belum menjadi baterai komersial siap pakai. Umur siklus, hasil produksi, biaya, suhu operasi, keselamatan, dan kinerja dalam paket kendaraan penuh masih perlu dibuktikan pada skala besar.

Mengapa baterai solid-state menarik?

Baterai litium-ion biasa memakai elektrolit organik cair di antara katoda dan anoda. Desain ini sudah mencapai kepadatan energi tinggi, tetapi peningkatan berikutnya makin sulit. Pelarut yang mudah terbakar juga dapat memperparah kebakaran yang jarang terjadi namun serius.

Elektrolit padat dapat menghantarkan ion tanpa banyak cairan volatil. Secara teori, hal itu memungkinkan anoda logam litium dan peningkatan kepadatan energi, keselamatan, atau umur. Dalam praktiknya, material padat rapuh, antarmukanya sulit dipertahankan, dan toleransi produksi sangat ketat.

Source: S&P Global

Apa arti “tanpa anoda”?

Sel tanpa anoda dibuat tanpa lapisan logam litium terpisah di sisi negatif. Pada pengisian pertama, ion litium meninggalkan katoda dan mengendap pada pengumpul arus. Saat dikosongkan, litium terlarut kembali dan ion kembali ke katoda.

Source: University Of Chicago

Tanpa anoda yang sudah dipasang, sel dapat lebih ringan dan sederhana. Namun, tidak ada cadangan litium besar untuk menutup kehilangan. Litium yang terjebak sebagai endapan mati, produk samping, atau di dalam retakan akan cepat mengurangi kapasitas.

Masalah elektrokimia dan mekanika

Kinerja ditentukan oleh kimia, arus listrik, dan tegangan mekanis pada antarmuka padat. Kontak buruk membentuk rongga, sedangkan area kontak baik dapat membawa rapat arus sangat tinggi. Keduanya mendorong pengendapan tidak merata dan pembentukan filamen.

Source: Princeton University

Tekanan terlalu rendah

Tekanan tumpukan menjaga elektrolit, lapisan antara, dan pengumpul arus tetap bersentuhan. Pada tekanan rendah, kontak dapat hilang ketika litium berulang kali diendapkan dan dilepas. Area yang masih bersentuhan lalu menanggung arus lebih besar dan memperparah ketidakseragaman.

Sasarannya adalah kontak stabil pada tekanan rendah, yang penting untuk paket kendaraan ringan dan produksi sederhana. Membuat elektrolit padat yang sepenuhnya bebas cacat dalam produksi massal tidak realistis.

Source: ACS Publication

Tekanan terlalu tinggi

Menambah tekanan tanpa batas bukan solusi. Dalam pengujian dari 2 hingga 10 MPa, volume retakan meningkat. Ketidakteraturan permukaan menjadi titik konsentrasi tegangan dan patahan dapat tumbuh melalui elektrolit.

Source: ACS Publication

Tomografi sinar-X memetakan retakan dan filamen menuju elektroda lawan. Satu jalur litium konduktif yang mencapai sisi lain dapat menimbulkan korsleting internal. Tekanan optimum harus menjaga kontak tanpa merusak keramik.

Lapisan antara yang lebih baik

Lapisan tipis berpori antara pengumpul arus dan elektrolit padat dapat membuat litium bernukleasi lebih merata. Peneliti menguji campuran karbon dan nanopartikel perak. Perak dapat membentuk paduan sementara dengan litium saat pengisian dan membantu meratakan pengendapan serta pelepasan.

Source: ACS Publication

Ukuran partikel berpengaruh. Partikel sekitar 200 nanometer menghasilkan struktur lebih berserabut dan tidak merata, disertai penurunan kapasitas dan kegagalan setelah siklus berulang. Partikel sekitar 50 nanometer membentuk endapan lebih rapat dan seragam serta lebih stabil.

Source: Advanced Energy Materials

Hasil tersebut berlaku untuk material, geometri, dan kondisi uji yang diteliti. Sel laboratorium dengan pengendapan lebih baik belum membuktikan umur panjang pada sel multilapis besar atau proses produksi yang murah.

Syarat menuju komersialisasi

Sel kendaraan harus bertahan ribuan siklus, pengisian cepat, perubahan suhu, getaran, dan kerusakan. Produsen harus membuat elektrolit tipis tanpa cacat kritis, menjaga tekanan seragam, dan mengintegrasikan sel ke dalam paket yang aman.

Source: QuantumScape

Perusahaan di China, Jepang, Korea Selatan, Eropa, dan Amerika Serikat telah menyebut target produksi. Tanggal tersebut adalah rencana dan definisinya berbeda: prototipe, produksi premium terbatas, dan jutaan sel kendaraan bukan tonggak yang setara.

Berinvestasi pada teknologi baterai

Eksposur investasi dapat diperoleh melalui produsen sel, pembuat kendaraan, perusahaan material, atau ETF baterai. Setiap jalur memiliki risiko berbeda. ETF menyebarkan risiko perusahaan, tetapi dapat mencakup pertambangan, litium-ion konvensional, dan perusahaan tanpa pendapatan solid-state.

Rekor teknis harus dikaitkan dengan hasil produksi, belanja modal, validasi pelanggan, syarat kontrak, dan konsumsi kas. Kepadatan energi atau kecepatan pengisian sebuah sel kecil tidak dapat langsung diterjemahkan menjadi biaya dan kinerja paket kendaraan.

QuantumScape

QuantumScape (QS ) mengembangkan desain logam litium tanpa anoda dengan separator keramik. Perusahaan melaporkan pengisian cepat dan separator tidak mudah terbakar pada sel uji. Hasil bergantung pada format sel, suhu, tekanan, protokol pengisian, dan jumlah lapisan.

Source: QuantumScape

Tantangan terbesar adalah produksi berkecepatan tinggi dengan hasil yang memadai. Pengembangan bertahun-tahun menghabiskan kas dan mencairkan kepemilikan pemegang saham. Data laboratorium yang positif tidak menghapus risiko pembiayaan dan peningkatan skala.

Source: QuantumScape

Lisensi 2024 dengan PowerCo milik Volkswagen memberi PowerCo hak, setelah tonggak teknis dipenuhi, untuk memproduksi hingga 40 GWh per tahun dengan opsi 80 GWh. Itu adalah batas kapasitas yang diizinkan dan bersyarat, bukan pabrik yang sudah ada, pembelian terjamin, atau pendapatan yang telah dicatat.

Cobra, peralatan separator keramik generasi berikutnya milik QuantumScape, dimaksudkan mendukung proses yang lebih cepat. Integrasi pada 2025 dan target kendaraan sekitar 2026 adalah rencana perusahaan. Investor perlu memantau pemasangan nyata, hasil produksi, kualifikasi sel, dan jadwal pelanggan.

Source: QuantumScape

Risiko utama QuantumScape

• kinerja menurun pada sel lebih besar atau tekanan lebih rendah;
• hasil produksi rendah, material mahal, dan kebutuhan modal tinggi;
• keterlambatan kualifikasi, validasi kendaraan, atau tonggak lisensi;
• persaingan dari baterai sulfida, polimer, dan litium-ion cair yang terus membaik;
• konsumsi kas, penerbitan saham baru, dan ketergantungan pada mitra;
• masalah keselamatan atau daya tahan yang muncul setelah lebih banyak siklus.

Kesimpulan

Riset Princeton menjelaskan mengapa tekanan saja tidak menstabilkan sel solid-state tanpa anoda dan bagaimana lapisan antara perak-karbon berpartikel halus dapat memperbaiki pengendapan litium. Nilainya adalah jendela desain yang lebih baik untuk kontak, tekanan, dan mikrostruktur.

Jarak menuju baterai kendaraan yang terjangkau masih jauh. Sel multilapis yang dapat direproduksi, umur panjang, hasil pabrik tinggi, validasi independen, dan biaya paket yang layak lebih penting bagi investasi daripada satu rekor laboratorium atau tahun peluncuran yang diumumkan.

Berita terbaru QuantumScape