Terobosan 4D STEM Mizzou: Meningkatkan Efisiensi Baterai Solid-State

Baterai solid-state sedang menjadi sorotan akhir-akhir ini. Baterai ini secara bertahap mendapatkan perhatian dalam elektronik konsumen dan kendaraan listrik, menyumbang pangsa terbesar pasar baterai solid-state global pada tahun 2022.

Para peneliti memperkirakan bahwa aplikasi baterai solid-state di sektor kendaraan listrik akan tumbuh secara eksponensial dalam dekade berikutnya, mencapai ukuran pasar sebesar US$4,3 miliar pada 2032. Ada alasan mengapa baterai solid-state siap untuk pertumbuhan eksponensial. Pada dasarnya, mereka merujuk pada teknologi baterai yang menggunakan elektrolit padat alih-alih elektrolit cair, seperti yang digunakan dalam teknologi lithium-ion. 

Sel solid-state terdiri dari katoda, pemisah, dan anoda. Katoda dapat dibuat dengan senyawa yang sama seperti baterai lithium-ion. Sebaliknya, pemisah umumnya terbuat dari keramik atau polimer padat, yang juga berfungsi sebagai elektrolit. Anoda terbuat dari logam litium. 

Saat diisi, partikel litium dalam baterai ini bergerak dari katoda melalui struktur atomik pemisah dan kontak listrik anoda, membentuk lapisan padat litium murni. Proses ini memastikan bahwa anoda hanya terdiri dari partikel litium dan memiliki volume lebih kecil dibandingkan anoda teknologi lithium-ion dengan struktur grafit. 

Meskipun baterai ini masih dalam fase pengembangan, mereka menjanjikan banyak perbaikan dibandingkan baterai saat ini, termasuk kepadatan energi yang lebih tinggi, umur yang lebih panjang, keamanan yang ditingkatkan, dan ukuran yang lebih kecil. Prospek menjanjikan yang ditawarkan baterai solid-state menjadikannya bidang yang menarik bagi para ilmuwan untuk dieksplorasi lebih lanjut dan melihat apa yang dapat dilakukan dengan teknologi ini.

Sebuah rilis berita terbaru tentang penelitian Universitas Minnesota mengklaim bahwa para peneliti sedang “memecahkan kode pada baterai solid-state.” Dalam segmen berikut, kami akan menelusuri alasan yang mendasari klaim besar ini. 

Apa yang Dicapai Peneliti Universitas Minnesota

Penelitian, yang berjudul Understanding Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM¹, menunjukkan alur kerja sederhana untuk mempelajari pembentukan antarmuka katoda–elektrolit (CEI) menggunakan mikroskop elektron transmisi pemindaian 4D (4D-STEM) yang tidak memerlukan perakitan SS-LIB.

Pada titik kontak antara elektrolit padat dan material aktif katoda dalam baterai lithium-ion solid-state, lapisan antarmuka terbentuk, meningkatkan impedansi sel. Para peneliti menghilangkan kebutuhan perakitan SS-LIB dan menunjukkan manfaat MoCl5:EtOH sebagai agen kimia de-lithiating, bersama dengan bubuk katoda LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) yang secara kimia telah dide-lithiate dan bersentuhan dengan bubuk SE Li10GeP2S12 (LGPS), sebagai pengganti CEI SS-LIB.

Para peneliti memetakan komposisi dan struktur lapisan CEI menggunakan 4D-STEM, spektroskopi energi-dispersif sinar-X (EDS), dan analisis fungsi distribusi pasangan elektron (ePDF). Temuan mereka menunjukkan bahwa lapisan pelindung yang menghalangi transportasi anion sambil memungkinkan transportasi ion litium dan elektron dapat mencegah pembentukan antarmuka dan mengurangi impedansi pada SS-LIBs. 

Saat menjelaskan sifat pelapis, Young berkata:

“Pelapis harus cukup tipis untuk mencegah reaksi tetapi tidak terlalu tebal sehingga menghalangi aliran ion litium. Kami berusaha mempertahankan karakteristik kinerja tinggi dari elektrolit padat dan material katoda. Tujuan kami adalah menggunakan material ini bersama-sama tanpa mengorbankan kinerjanya demi kompatibilitas.”

Semua ini mungkin terdengar terlalu teknis, tetapi ada perspektif yang lebih mudah untuk memahami pencapaian penelitian ini.

Klik di sini untuk mempelajari terobosan baterai yang membawa varian solid-state selangkah lebih dekat ke realitas.

Mengatasi Masalah Elektrolit Cair

Baterai lithium-ion bergantung pada elektrolit cair, yang dapat terbakar jika rusak atau terlalu panas. Peneliti Universitas Missouri mengatasi masalah ini dengan mengembangkan teknik efisien untuk menggantikan elektrolit cair atau gel dengan elektrolit padat.

Menjelaskan cara kerja solusi mereka, Asisten Profesor Matthias Young, yang memiliki jabatan bersama di College of Engineering dan College of Arts and Science Mizzou, mengatakan:

“Ketika elektrolit padat menyentuh katoda, ia bereaksi dan membentuk lapisan antarmuka setebal sekitar 100 nanometer — 1.000 kali lebih kecil daripada lebar satu helai rambut manusia. Lapisan ini menghalangi ion litium dan elektron bergerak dengan mudah, meningkatkan resistansi dan merusak kinerja baterai.”

Terobosan Paling Signifikan

Pencapaian paling signifikan tim penelitian, bagaimanapun, adalah penggunaan mikroskop elektron transmisi pemindaian empat dimensi (4D STEM). Yang membuatnya revolusioner adalah mereka dapat memeriksa struktur atomik baterai tanpa membongkarnya, memungkinkan mereka memperoleh pemahaman mendasar tentang reaksi kimia di dalamnya dan menentukan sejauh mana kerusakan yang disebabkan oleh lapisan antarmuka.

Dari perspektif calon pengguna baterai ini, penelitian dan implikasinya memiliki potensi besar. 

Manfaat Dunia Nyata yang Diharapkan

Produsen mobil global bersemangat tentang baterai solid-state karena mereka akan menawarkan keamanan dan stabilitas termal yang lebih tinggi. Penelitian yang baru saja kami bahas merupakan terobosan dalam arah tersebut—langkah maju yang sangat berarti. Lebih lagi, penelitian ini dapat menghasilkan perbaikan dalam keamanan, kinerja, umur baterai, biaya, dan dampak lingkungan mereka. 

Ilmuwan baterai di seluruh dunia optimis bahwa generasi baru baterai solid-state, yang akan muncul sebagai hasil penelitian seperti ini, pada akhirnya akan mengatasi dua kelemahan utama baterai lithium-ion konvensional. Katoda kaya nikel akan memungkinkan industri baterai menggunakan lebih sedikit kobalt dalam katoda. Kedua, kimia solid-state akan memungkinkan pembuat baterai menggunakan logam litium pada anoda.

Faktor pertama sangat penting bagi pertumbuhan sektor ini karena kobalt langka, mahal, dan sulit ditambang. Kobalt berasal dari negara-negara dengan regulasi pertambangan yang lemah. Para peneliti percaya bahwa penggunaan litium pada anoda memiliki potensi signifikan karena meningkatkan kepadatan energi dan meningkatkan keamanan.

Berbicara tentang penggunaan logam litium, Helena Braga, seorang profesor associate fisika teknik di Universitas Porto, Portugal dan peneliti terkenal yang bekerja denganHadiah Nobel pemenang John Goodenough pada baterai solid-state satu dekade yang lalu, berkata:

“Inilah mengapa kami memulai perjalanan (solid-state) ini sejak awal—agar kami dapat menggunakan logam litium.”

Secara keseluruhan, teknologi dan teknik berbasis penelitian ini dapat menghasilkan desain baterai yang lebih baik dengan kinerja dan keamanan yang ditingkatkan, berpotensi memengaruhi elektronik konsumen dan kendaraan listrik dalam 3-7 tahun.​

Namun, nilai nyata dari penelitian semacam ini akan bergantung pada seberapa berhasil perusahaan dan bisnis yang memproduksi baterai solid-state mengadopsinya dan memperbesarnya. Pada segmen berikut, kami membahas salah satu perusahaan tersebut, Solid Power, Inc. (SLDP ), yang berspesialisasi dalam teknologi baterai all-solid-state, berfokus pada solusi penyimpanan energi yang lebih aman dan efisien.​

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Solid Power memposisikan dirinya sebagai penyedia teknologi sel baterai all-solid-state yang menawarkan perbaikan utama dibandingkan teknologi lithium-ion berbasis cair konvensional saat ini dan sel hibrida generasi berikutnya, termasuk energi tinggi, keamanan yang ditingkatkan, umur lebih panjang, dan penghematan biaya. 

Baterai Solid Power memungkinkan penggunaan elektroda berkapasitas lebih tinggi seperti silikon berisi tinggi dan logam litium untuk mencapai kinerja energi tinggi. Baterai menjadi lebih aman dengan menghilangkan kebutuhan komponen cair dan gel yang reaktif serta volatil. Akibatnya, baterai dapat bertahan dan beroperasi pada suhu yang sangat panas. Perusahaan percaya baterainya dapat menawarkan keunggulan biaya sebesar 15-35% dibandingkan lithium-ion yang ada pada tingkat paket. 

Pada segmen berikut, kami membahas tiga varian baterai solid-state Solid Power. 

Silicon EV Cell 

Sel ini dilengkapi dengan anoda silikon berisi tinggi yang memberikan tingkat pengisian tinggi dan kemampuan suhu lebih rendah. Baterai ini ditenagai oleh elektrolit padat berbasis sulfida milik perusahaan. Akhirnya, katoda NMC-nya merupakan standar industri dan sudah matang secara komersial. 

Lithium Metal

Baterai Lithium Metal Solid Power dilengkapi dengan logam litium dan anoda berenergi tinggi. Kategori baterai ini juga ditenagai oleh elektrolit padat berbasis sulfida milik Solid Power serta katoda NMC standar industri yang sudah matang secara komersial. 

Conversion Reaction Cell 

Akhirnya, kami sampai pada kategori baterai sel reaksi konversi yang dilengkapi dengan logam litium, anoda berenergi tinggi, elektrolit padat berbasis sulfida dengan biaya sangat rendah, dan katoda tipe konversi dengan energi spesifik tinggi. 

Teknologi baterai Solid Power memiliki elektrolit padat berbasis sulfida sebagai salah satu fondasi terkuatnya. Teknologi ini memastikan penghilangan total elektrolit cair yang mudah terbakar dan lapisan pemisah polimer dalam baterai lithium-ion tradisional dan menggantinya dengan lapisan padat yang, meskipun tipis, berfungsi sebagai penghalang untuk mencegah anoda dan katoda bersentuhan, yang dapat menyebabkan hubung singkat pada baterai. Lapisan ini juga berfungsi sebagai elektrolit konduktif. Elektrolit padat berbasis sulfida Solid Power menawarkan kombinasi terbaik antara konduktivitas, kemampuan manufaktur, dan kinerja pada tingkat sel. 

Teknologi inti elektrolit padat berbasis sulfida Solid Power menggunakan material yang melimpah di bumi. Perusahaan memperkirakan akan meningkatkan produksi elektrolitnya untuk memberi daya pada 800.000 kendaraan listrik melalui sel baterai all-solid-state setiap tahun pada 2028.

SLDP: Latest Updates

Pada Desember 2024, Solid Power mengumumkan perpanjangan kemitraannya dengan Ford hingga 2025. Amandemen ketiga pada perjanjian pengembangan bersama mencerminkan komitmen berkelanjutan antara Solid Power dan Ford untuk mendorong batas kinerja baterai kendaraan listrik.

Laporan menyebut perpanjangan kemitraan sebagai langkah signifikan bagi upaya Solid Power dalam mengkomersialkan teknologi baterai solid-state-nya. Kemitraan yang diperpanjang dengan Ford, produsen mobil global terkemuka, menekankan potensi dampak teknologi Solid Power pada industri otomotif.

Pada Januari 2025, perusahaan menandatangani perjanjian keuangan signifikan dengan Departemen Energi AS (DOE). Perusahaan mengumumkan bahwa mereka telah mengamankan pendanaan hingga $50 juta untuk meningkatkan kemampuan produksi material elektrolit padat berbasis sulfida, yang penting untuk baterai generasi berikutnya.

Pendanaan tersebut merupakan bagian dari Perjanjian Bantuan dengan tanggal efektif 1 Januari 2025, yang menetapkan bahwa Solid Power akan menyumbangkan $60 juta dari dana mereka sebagai bagian dari pengaturan pembagian biaya. Investasi ini ditujukan untuk mendukung pemasangan peralatan yang diperlukan untuk produksi berkelanjutan, yang diperkirakan akan memperkuat skala manufaktur perusahaan.

Sebagai bagian dari perjanjian, Solid Power diwajibkan untuk mematuhi persyaratan pelaporan khusus dan kewajiban kepatuhan. Dukungan DOE menekankan pentingnya memajukan teknologi baterai untuk penyimpanan energi dan kendaraan listrik, sektor yang krusial bagi transisi ke ekonomi rendah karbon.

Kemitraan perusahaan dengan DOE merupakan langkah strategis dalam mempercepat komersialisasi baterai solid-state, yang menjanjikan kepadatan energi lebih tinggi, keamanan yang ditingkatkan, dan umur lebih panjang dibandingkan baterai lithium-ion konvensional.

Di sisi keuangan, Solid Power menghasilkan $20,1 juta dalam pendapatan selama 2024, meningkat $2,7 juta dibandingkan 2023. Beban operasional sebesar $125,5 juta pada 2024, naik dari $108,0 juta pada 2023, dipicu oleh peningkatan biaya riset dan pengembangan untuk meningkatkan kinerja elektrolit dan desain selnya, produksi elektrolit, pembelian peralatan yang mendukung perjanjian SK On, dan skala operasi, termasuk pendirian operasi di Korea. Kerugian operasional untuk 2024 adalah $105,3 juta, sementara kerugian bersih adalah $96,5 juta, atau $0,54 per saham.

“Pada 2025, Solid Power akan terus mendorong pengembangan teknologi ASSB ke depan dengan meningkatkan kinerja elektrolit melalui umpan balik dari tim pengembangan sel kami, melaksanakan kebutuhan mitra dan permintaan pelanggan, terus berinovasi pada teknologi elektrolit dan sel, serta menjaga disiplin keuangan sambil berinvestasi secara strategis dalam pengembangan dan kapabilitas.”

– John Van Scoter, Presiden dan Chief Executive Officer Solid Power

Solid-State Battery: Looking into the Future

Masa depan baterai solid-state tampak menarik, penuh dengan potensi inovasi. Pada 2024, misalnya, peneliti dari Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) mengembangkan baterai logam litium baru yang dapat diisi dan dikosongkan setidaknya 6.000 kali — lebih banyak daripada sel baterai pouch lainnya — dan dapat diisi ulang dalam hitungan menit.

Menurut Xin Li, Associate Professor of Materials Science at SEAS and senior author of the paper that detailed the research and was published in Nature Materials:

“Baterai anoda logam litium dianggap sebagai holy grail baterai karena mereka memiliki kapasitas sepuluh kali lipat dibandingkan anoda grafit komersial dan dapat secara drastis meningkatkan jarak tempuh kendaraan listrik.”

Dalam penelitian mereka, Li dan timnya menghentikan pembentukan dendrit dengan menggunakan partikel silikon berukuran mikron pada anoda untuk mempersempit reaksi litiasi dan memfasilitasi pelapisan homogen lapisan tebal logam litium. Ketika ion litium bergerak dari katoda ke anoda selama pengisian, reaksi litiasi dipersempit pada permukaan dangkal, dan ion-ion tersebut menempel pada permukaan partikel silikon tanpa menembus lebih jauh. 

“Dalam desain kami, logam litium melilit partikel silikon, seperti cangkang cokelat keras di sekitar inti hazelnut dalam truffle cokelat.”

– Li

Partikel yang dilapisi membentuk permukaan homogen, memastikan distribusi kerapatan arus yang merata dan mencegah pertumbuhan dendrit. Karena pelapisan dan penghilangan dapat terjadi cepat pada permukaan yang rata, baterai dapat diisi ulang dalam hanya sekitar 10 menit. 

Para peneliti mengembangkan versi sel pouch berukuran seperti perangko, 10 hingga 20 kali lebih besar daripada sel koin yang dibuat di sebagian besar laboratorium universitas. Baterai tersebut mempertahankan 80% kapasitasnya setelah 6.000 siklus, mengungguli baterai sel pouch lain dalam kelas yang sama. Dalam proses tersebut, peneliti mengungkap puluhan material lain yang dapat potensial menghasilkan kinerja serupa. Menurut Li:

“Penelitian sebelumnya menemukan bahwa material lain, termasuk perak, dapat berfungsi sebagai material yang baik pada anoda untuk baterai solid-state.”

Untuk membuat proses ini universal, tim peneliti menerbitkan makalah tentang benchmarking the reproducibility of all-solid-state battery cell performance.² Para peneliti mengamati bahwa perbandingan antar laboratorium dan reproduktibilitas kinerja siklus sel baterai all-solid-state kurang dipahami karena kurangnya standar pengaturan dan parameter perakitan.

Para peneliti menyarankan seperangkat parameter untuk melaporkan hasil siklus baterai all-solid-state dan menganjurkan pelaporan data secara tripel. Misalnya, tegangan sirkuit terbuka awal 2,5 dan 2,7 V vs. Li+/Li merupakan prediktor yang baik untuk siklus sukses pada sel yang menggunakan material elektroaktif ini.

Standarisasi manufaktur baterai solid-state sangat penting karena kegunaannya beragam. Sementara produsen EV termasuk yang paling tertarik mengembangkan baterai solid-state yang efisien, bahkan peneliti NASA melaporkan kemajuan dalam mengembangkan paket baterai inovatif yang lebih ringan, lebih aman, dan memiliki kinerja lebih baik dibandingkan baterai yang umum digunakan pada kendaraan dan elektronik besar saat ini. 

Peneliti NASA bereksperimen dengan material baru inovatif yang belum pernah digunakan dalam baterai. Tim tersebut cepat menyadari bahwa arsitektur solid-state memungkinkan mereka mengubah konstruksi dan pengemasan baterai, mengurangi berat sekaligus meningkatkan kapasitas penyimpanan energi. Mereka menunjukkan bahwa baterai solid-state dapat memberi daya pada objek dengan kapasitas besar 500 watt-jam per kilogram—dua kali lipat dibandingkan mobil listrik.

“Desain ini tidak hanya mengurangi 30 hingga 40 persen berat baterai, tetapi juga memungkinkan kami menggandakan atau bahkan melipatgandakan energi yang dapat disimpannya, jauh melampaui kemampuan baterai lithium-ion yang dianggap sebagai teknologi mutakhir.”

– Rocco Viggiano, peneliti utama SABERS

SABERS adalah akronim untuk kegiatan yang ditetapkan NASA, ‘Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety.’

Seperti namanya, masa depan baterai solid-state akan berkembang pada aspek pengisian cepat dan keamanan ini. Produsen akan semakin mencari pengembangan baterai yang dapat diisi ulang lebih cepat tanpa membuat prosesnya tidak aman.

Klik di sini untuk daftar 5 saham baterai solid-state terbaik.