Hadiah Nobel

Berinvestasi dalam Pencapaian Hadiah Nobel: Baterai Lithium-Ion untuk Menyalakan Dunia

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.

Sejarah Hadiah Nobel

Hadiah Nobel merupakan salah satu penghargaan paling bergengsi dalam dunia ilmu pengetahuan. Penghargaan ini didirikan berdasarkan wasiat Alfred Nobel untuk mereka yang “pada tahun sebelumnya memberikan manfaat terbesar bagi umat manusia” dalam bidang fisika, kimia, fisiologi atau kedokteran, sastra, dan perdamaian. Bank sentral Swedia kemudian mendirikan penghargaan ilmu ekonomi untuk mengenang Nobel. Pemenang bidang ilmu pengetahuan, sastra, dan ekonomi dipilih lembaga terkait di Swedia; Hadiah Perdamaian diputuskan Komite Nobel Norwegia.

Kekhawatiran Warisan

Menurut kisah yang sering diceritakan, Nobel memikirkan warisannya setelah membaca berita kematiannya sendiri yang keliru terbit ketika saudaranya meninggal. Namun, kisah tulisan yang menyebutnya “pedagang kematian” itu tidak boleh disajikan sebagai penyebab yang sudah pasti terbukti. Nobel mengembangkan dinamit dan bahan peledak lain; dinamit bukan bubuk mesiu tanpa asap. Ia juga berinvestasi dalam industri persenjataan, lalu melalui wasiatnya mengalokasikan kekayaan untuk menghargai pencapaian yang bermanfaat bagi manusia.

Hadiah Nobel

Kekayaan yang diwariskan Nobel diinvestasikan untuk membiayai Yayasan Nobel dan penghargaan. Pemenang menerima medali, diploma, dan hadiah uang. Pada 2024, nilai setiap hadiah penuh adalah 11 juta krona Swedia; padanan dolarnya bergantung pada kurs.

Sumber: Britannica

Hadiah dapat dibagi di antara dua atau tiga penerima, khususnya ketika beberapa peneliti berkontribusi pada penemuan yang sama. Besarnya bagian tidak selalu sama.

Penghargaan ini mengakui pencapaian teoretis dan praktis. Contohnya mencakup radioaktivitas, antibiotik, sinar-X dan PCR; dalam ilmu dasar, misalnya sumber energi Matahari, muatan elektron, struktur atom dan superfluiditas.

Baterai untuk Mendukung Elektrifikasi

Elektrifikasi berkembang dalam transportasi, pemanasan, dan sistem energi. Baterai yang lebih ringan dan berenergi tinggi mendukung banyak perubahan tersebut. Namun, pompa panas atau semua bentuk elektrifikasi tidak bergantung mutlak pada baterai litium-ion.

Baterai menyimpan energi kimia dan mengubahnya menjadi energi listrik melalui reaksi elektrokimia. Ada baterai sekali pakai dan baterai isi ulang. Baterai timbal-asam, yang dikembangkan pada abad ke-19, lama digunakan karena biaya dan ketahanannya.

Saat baterai timbal-asam melepaskan energi, timbal dan timbal dioksida bereaksi dengan elektrolit asam sulfat sehingga terbentuk timbal sulfat dan air. Pengisian membalikkan reaksi ini. Ini bukan sekadar perpindahan ion sulfur ke atom timbal saat pengisian.

Sumber: PV Education

Baterai timbal-asam memiliki beberapa keterbatasan:

  • Bobot tinggi untuk energi yang disimpan.
  • Bahan korosif.
  • Umur siklus bergantung pada rancangan dan kedalaman pengosongan; pengosongan dalam yang berulang dapat memperpendeknya.
  • Pengosongan sendiri selama penyimpanan.
  • Energi spesifik dan kepadatan energi relatif rendah.

Meski demikian, baterai timbal-asam mampu memberikan arus besar untuk menyalakan mesin kendaraan dan juga digunakan pada daya cadangan serta aplikasi industri. Bobotnya membuatnya kurang cocok untuk banyak perangkat portabel dan kendaraan listrik modern, bukan berarti hanya dapat melayani beban berdaya kecil.

Perkembangan berikutnya melibatkan kontribusi John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham dan Akira Yoshino. Ketiganya menerima Hadiah Nobel Kimia 2019 atas pengembangan baterai litium-ion.

Sumber: Hadiah Nobel

Baterai litium-ion kini digunakan dalam komputer, telepon pintar, kendaraan listrik, dan penyimpanan energi jaringan. Penggunaan dalam penerbangan terus diteliti dan masih menghadapi batas berat, keselamatan, serta sertifikasi.

Sifat Elektrokimia Litium

Litium diidentifikasi pada 1817. Unsur bernomor atom tiga ini merupakan logam paling ringan dan memiliki tiga proton dalam inti atomnya.

Sumber: Medium

Litium memiliki satu elektron valensi yang mudah dilepaskan. Potensial elektrokimia dan massa atomnya yang rendah membuatnya menarik untuk baterai dengan energi spesifik tinggi.

Logam litium sangat reaktif, terutama terhadap air dan kelembapan. Risiko kebakaran bergantung pada kondisi dan bentuk material; sifat ini tidak boleh disamakan begitu saja dengan seluruh baterai litium-ion, yang umumnya tidak memiliki anoda logam litium.

Baterai memiliki dua elektroda dan elektrolit yang menghantarkan ion, sementara elektron mengalir melalui rangkaian luar. Istilah anoda dan katoda bergantung pada arah reaksi; dalam uraian baterai biasanya digunakan menurut kondisi pelepasan energi. Elektrolit tidak selalu cair.

Sumber: Hadiah Nobel

Untuk sel litium bertegangan tinggi, air biasanya tidak sesuai karena batas kestabilan elektrokimianya dan reaktivitas litium. Peneliti mengembangkan elektrolit nonair dengan mempertimbangkan kestabilan, kelarutan garam, penghantaran ion, viskositas, dan keselamatan. Elektrolit ideal menghantarkan ion, bukan elektron.

Sumber: Hadiah Nobel

Baterai litium isi ulang awal menggunakan anoda logam litium dan elektrolit nonair. Ini harus dibedakan dari baterai litium-ion komersial berikutnya yang memakai material penyimpan ion pada kedua elektroda. Pemilihan katoda menjadi tantangan penting.

Kontribusi Riset Exxon pada Baterai Litium

Sebagian penelitian awal baterai litium isi ulang dilakukan di Exxon Research and Engineering, meskipun perusahaan itu terutama dikenal melalui industri minyak.

Pada 1970-an, kekhawatiran tentang pasokan minyak mendorong penelitian berbagai teknologi energi. Exxon merekrut ilmuwan dan mendanai riset dasar, termasuk penelitian elektrokimia.

Salah satu penelitinya adalah Stanley Whittingham, yang meneliti interkalasi: penyisipan ion ke dalam struktur suatu material tanpa menghancurkan kerangka utamanya.

Material interkalasi dapat berfungsi sebagai katoda yang menerima dan melepaskan ion litium secara berulang.

Material tersebut harus memenuhi berbagai persyaratan:

  • Tidak larut dalam elektrolit.
  • Tidak terjadi interkalasi elektrolit.
  • Interkalasi harus dapat dibalik.
  • Perubahan struktural minimal saat pengisian dan pengosongan.
  • Dapat beroperasi pada suhu dan tekanan lingkungan.

Whittingham memilih titanium disulfida (TiS2) setelah meneliti bahan seperti tantalum disulfida. Bobot titanium yang lebih rendah memberikan keuntungan.

Sumber: Hadiah Nobel

Salah satu rancangan elektrodanya memakai serbuk TiS2 dengan pengikat berbasis Teflon pada penyangga logam, dipisahkan dari elektroda litium oleh pemisah polimer dan elektrolit.

Masalah Dendrit

Pengisian berulang dapat menyebabkan pertumbuhan logam litium yang tidak merata, termasuk struktur menyerupai cabang yang disebut dendrit.

Sumber: Hadiah Nobel

Jika dendrit menembus pemisah dan menghubungkan kedua elektroda, dapat terjadi hubung singkat dan kegagalan berbahaya. Risiko ini menjadi hambatan bagi baterai litium-logam isi ulang awal.

Hubung singkat dapat menghasilkan panas dan memicu kebakaran atau ledakan. Pengendalian keselamatan menjadi bagian penting dalam pengembangan baterai tersebut.

Penambahan aluminium pada anoda litium membantu mengurangi sebagian masalah. Exxon mematenkan teknologi terkait pada 1976. Namun, ini bukan baterai litium-ion komersial pertama untuk jam tangan; baterai litium-ion komersial diperkenalkan Sony pada 1991. Perubahan pasar minyak juga memengaruhi pendanaan riset energi Exxon.

Material Katoda yang Lebih Baik

Setelah kontribusi Whittingham pada katoda sulfida, John Goodenough mengembangkan katoda dengan tegangan lebih tinggi.

Goodenough sebelumnya meneliti material magnetik dan berkontribusi pada teknologi memori di MIT. Di Oxford, ia meneliti material untuk sistem energi, termasuk baterai.

Timnya menemukan bahwa oksida logam dapat memberikan tegangan lebih tinggi daripada sulfida. Katoda litium-kobalt oksida yang dilaporkan pada 1980 mencapai sekitar empat volt, kira-kira dua kali tegangan rancangan awal Whittingham.

Sumber: Hadiah Nobel

Katoda berbasis kobalt kemudian banyak digunakan dalam perangkat portabel. Namun, kimia tanpa kobalt seperti litium-besi-fosfat telah diteliti dan dikomersialkan jauh sebelum dekade terakhir. Alternatif baru dibahas dalam ”Merancang baterai yang lebih baik: mengganti kobalt dengan TAQ?”.

Rumah Baru untuk Penelitian Lithium

Pada 1980-an, pertumbuhan elektronik portabel di Jepang menciptakan kebutuhan akan baterai isi ulang yang kecil, ringan, dan tahan lama untuk kamera, pemutar musik, komputer, serta telepon tanpa kabel.

Akira Yoshino di Asahi Kasei melihat peluang untuk baterai yang memenuhi kebutuhan tersebut.

Katoda litium-kobalt oksida telah memberikan kemajuan, tetapi anoda logam litium tetap membawa risiko keselamatan.

Pengujian benturan pada sel dengan logam litium menunjukkan potensi kegagalan berbahaya. Untuk penggunaan konsumen, rancangan yang lebih aman dan pengujian ketat diperlukan.

Mengganti Logam Litium pada Anoda

Karbon merupakan kandidat pengganti logam litium karena dapat menyimpan ion litium. Namun, kecocokan antara material karbon dan elektrolit menentukan kestabilan serta ketahanan sel.

Yoshino menggunakan kokas minyak bumi, suatu material karbon hasil industri minyak. Jenis dengan struktur yang sesuai dapat menyimpan ion litium tanpa memerlukan lapisan logam litium sebagai anoda awal.

Material tersebut mampu menerima dan melepaskan ion litium secara berulang. Rancangan ini meningkatkan keselamatan relatif terhadap anoda logam litium, meskipun tidak menghapus seluruh risiko baterai.

Yoshino menggabungkan anoda berbasis kokas dengan katoda litium-kobalt oksida.

Sony mulai menjual baterai litium-ion komersial pada 1991. Asahi Kasei memainkan peran penting dalam pengembangan dan pelisensian teknologi, tetapi kedua perusahaan tidak boleh disamakan sebagai satu peluncuran produk.

Sumber: Hadiah Nobel

Warisan Lithium-Ion dan Relevansi yang Berkelanjutan

Baterai litium-ion mendukung perkembangan komputer jinjing, pemutar musik, telepon pintar, konsol genggam, dan tablet. Material serta desainnya terus berubah; tidak semua perangkat modern memakai formulasi kokas/kobalt awal.

Kendaraan listrik kemudian memperluas pasar baterai litium-ion. Produsen seperti Tesla (TSLA ) dan BYD turut mendorong permintaan. Peringkat produsen harus membedakan kendaraan listrik baterai dari gabungan kendaraan tersebut dan hibrida isi ulang.

Baterai satu mobil menyimpan jauh lebih banyak energi daripada baterai telepon atau komputer. Karena itu, pertumbuhan kendaraan listrik meningkatkan kebutuhan produksi sel secara besar-besaran.

Sumber: Statista

Transisi ini tetap menghadapi tantangan. Produsen lama dan perusahaan rintisan dapat mengalami kesulitan dalam meningkatkan skala, menekan biaya, dan bersaing; hasilnya berbeda menurut perusahaan dan pasar.

Baterai litium-ion juga digunakan untuk penyimpanan energi jaringan. Untuk penyimpanan berdurasi panjang, kimia lain dapat lebih sesuai dalam keadaan tertentu. Perbandingannya dibahas dalam ”Masa depan penyimpanan energi: teknologi baterai skala jaringan”.

Arah Perkembangan Teknologi Baterai

Pertumbuhan kendaraan listrik meningkatkan permintaan terhadap litium dan material baterai lainnya.

Harga litium dapat berfluktuasi tajam ketika perubahan pasokan dan permintaan menghasilkan kekurangan atau kelebihan kapasitas.

Rantai pasok kobalt juga menghadapi masalah hak asasi manusia, termasuk pekerja anak pada sebagian pertambangan artisanal. Hal ini tidak berarti setiap sumber kobalt menggunakan praktik tersebut.

Penelitian Goodenough dan rekan-rekannya pada 1990-an mengembangkan litium-besi-fosfat sebagai katoda tanpa kobalt. Makalah LiFePO4: A Novel Cathode Material for Rechargeable Batteries diterbitkan pada 1997.

LFP merupakan bagian dari keluarga baterai litium-ion, bukan teknologi yang terpisah darinya. Materialnya dapat lebih murah dan stabil secara termal, dengan energi spesifik yang biasanya lebih rendah daripada kimia berbasis nikel tertentu. Menurut data yang dikutip, LFP mencakup sekitar 31 persen pasar baterai kendaraan listrik pada 2022. Angka itu bergantung pada cakupan dan metode penghitungan. LFP juga digunakan dalam penyimpanan energi rumah tangga.

Alternatif lain mencakup natrium-ion, yang mengganti litium dengan natrium, dan berbagai rancangan elektrolit padat. Natrium-ion tidak dibuat hanya dengan memasukkan garam dapur, dan tingkat kesiapan komersial setiap teknologi berbeda.

Sumber: Nature

Gambaran teknologi untuk transportasi tersedia dalam ”Masa depan mobilitas: teknologi baterai”.

Goodenough juga terlibat dalam penelitian elektrolit kaca sebelum wafat pada 2023. Artikel dan pengumuman terkait memuat klaim tentang energi lebih tinggi, pengisian cepat, dan umur siklus panjang. Klaim angka seperti energi dua kali lipat atau 23.000 siklus tidak boleh dianggap sebagai spesifikasi baterai komersial yang sudah diverifikasi secara luas.

Berinvestasi dalam Teknologi Baterai

Baterai litium-ion telah mendukung perangkat portabel dan kendaraan listrik. Perkembangan selanjutnya dapat membantu integrasi energi terbarukan dan sebagian penerbangan, tetapi baterai saja tidak menjamin jaringan seratus persen terbarukan atau elektrifikasi semua pesawat.

Securities.io menyediakan penilaian broker di Amerika Serikat, Kanada, Australia, Inggris, dan berbagai negara lain untuk membantu meneliti akses ke perusahaan terkait baterai.

Investor juga dapat meneliti ETF bertema litium dan baterai seperti Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X Lithium & Battery Tech ETF (LIT) atau WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF . Ini bukan ETF bioteknologi. Diversifikasi tematik tidak menghilangkan risiko pasar, konsentrasi sektor, atau kerugian.

Perusahaan Baterai

1. CATL (300750.SZ)

CATL merupakan salah satu produsen baterai terbesar. Pangsa pemasangan baterai kendaraan listrik globalnya sekitar 36,8 persen pada 2023, bukan lebih dari separuh seluruh baterai yang diproduksi dunia.

Perusahaan bergerak dalam beberapa bagian rantai pasok dan mengembangkan berbagai teknologi sel serta sistem baterai.

CATL memiliki posisi besar dalam baterai litium-ion, tetapi kepemimpinan teknis dan pangsa pasar dapat berubah.

Perusahaan juga mengumumkan pengembangan berikut:

Sumber: CATL

Berbagai penelitian struktur tiga dimensi bertujuan mengurangi pertumbuhan dendrit. Tanpa rujukan yang tepat, tidak boleh disimpulkan bahwa CATL telah menyelesaikan seluruh masalah anoda logam litium.

CATL memperkenalkan TENER di Beijing pada April 2024 dan menyebutnya ”sistem penyimpanan energi yang dapat diproduksi massal tanpa penurunan kapasitas selama lima tahun pertama”. Ini klaim pabrikan dalam kondisi tertentu, bukan riwayat lima tahun penggunaan komersial yang sudah selesai saat peluncuran.

CATL menyatakan kapasitas TENER sebesar 6,25 MWh dalam kontainer 20 kaki. Perusahaan menyebut pengembangan material dan manufaktur untuk mengendalikan penuaan serta meningkatkan keselamatan. Risiko pelarian termal tidak otomatis hilang sepenuhnya.

Pada 2023 CATL mengumumkan rencana investasi sekitar 3,25 miliar euro dalam kapasitas daur ulang di Tiongkok. Perusahaan melaporkan tingkat pemulihan 99,6 persen untuk nikel, kobalt, dan mangan serta 91 persen untuk litium. Hasil tersebut merupakan klaim perusahaan untuk proses tertentu. CATL memasok sejumlah produsen kendaraan, termasuk Tesla, NIO, Ford, dan Stellantis; skala dan risetnya tidak menjamin keberhasilan masa depan.

2. BYD (BYDDY)

BYD merupakan produsen besar kendaraan listrik dan pesaing Tesla serta produsen mobil lain.

Berawal dari usaha baterai, perusahaan memperluas bisnisnya ke mobil listrik baterai dan hibrida isi ulang. Perbandingan dengan Tesla serta peringkat di masing-masing negara harus menyebut kategori dan periode penjualan; tidak semua klaim peringkat berlaku secara universal.

Tiongkok menjadi eksportir mobil terbesar pada 2023. BYD merupakan bagian dari perkembangan itu dan mengumumkan ekspansi produksi luar negeri, termasuk proyek di Hungaria. Pengumuman proyek tidak sama dengan pabrik yang sudah beroperasi penuh.

BYD Seagull ditawarkan dengan harga rendah di Tiongkok, sekitar 10.000–12.000 dolar tergantung versi, waktu, dan kurs. Model ini memakai baterai Blade berkimia LFP, bukan natrium-ion.

BYD juga bersaing dengan CATL dalam baterai LFP. Angka pangsa 41,1 dan 33,9 persen yang dikutip berasal dari segmen dan periode tertentu di Tiongkok; bukan pangsa global seluruh baterai.

Tarif dan kebijakan perdagangan di Uni Eropa maupun Amerika Serikat dapat membatasi ekspansi kendaraan listrik Tiongkok dan memengaruhi biaya BYD.

Pasar lain juga memiliki aturan dan industri berbeda. Amerika Selatan, Rusia, Afrika, Timur Tengah, dan Asia Tenggara tidak dapat dianggap satu pasar tanpa hambatan atau tanpa produsen domestik.

Populasi besar bukan berarti setiap penduduk merupakan calon pembeli mobil. Pendapatan, infrastruktur pengisian, persaingan, dan kebijakan setempat menentukan peluang sebenarnya.

Produksi lokal dapat memengaruhi biaya dan hambatan perdagangan. Pada 2024 terdapat proyek Hungaria dan kesepakatan investasi di Turki, sedangkan Meksiko masih dipertimbangkan; tidak semua lokasi tersebut memiliki pabrik mobil BYD yang sudah beroperasi.

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'.