Lebih Banyak Energi, Lebih Sedikit Karbon Dioksida – Pendekatan Multi‑Dimensi Teknologi Baterai Baru terhadap Keberlanjutan

Baterai atau Penangkapan Karbon? Mengapa Tidak Keduanya?

Dorongan menuju energi hijau dan elektrifikasi sebagian besar dipicu oleh kebutuhan untuk mengurangi emisi karbon dalam konteks perubahan iklim. Namun, tenaga surya dan angin secara inheren bersifat tidak menentu.

Jadi, semakin banyak energi hijau yang mengaliri jaringan, semakin banyak baterai skala utilitas yang dibutuhkan untuk menyimpan energi selama produksi puncak dan mendistribusikannya kembali ke jaringan di kemudian hari. Baterai skala utilitas kemungkinan akan menggunakan kimia yang sangat berbeda dari kendaraan listrik, karena mereka tidak beroperasi di bawah batasan yang sama:

• Tidak memerlukan kepadatan tinggi atau ringan, baterai utilitas dapat disimpan di tanah pada pembangkit listrik atau lokasi khusus.
• Sensitivitas ekstrem terhadap total biaya (konstruksi + operasional).
• Perlu menggunakan bahan yang murah dan melimpah untuk diterapkan secara skala besar, menghindari logam seperti kobalt, platina, palladium, dll, (atau idealnya bahkan litium).
• Diperlukan umur pakai yang sangat panjang tanpa degradasi kapasitas, idealnya dalam rentang beberapa dekade.

Ini adalah hal yang sebelumnya kami jelajahi secara mendalam dalam artikel kami “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”, di mana kami mencantumkan sebagian besar kimia yang mungkin sedang dikembangkan untuk aplikasi ini.

Semua baterai ini beroperasi untuk membuat energi hijau lebih layak secara ekonomi dan lebih luas diadopsi, yang akan mengurangi emisi karbon. Namun, tidak ada yang secara langsung berkontribusi pada pengurangan emisi atau penangkapan karbon.

Bahkan baterai yang disebut CO2 sekalipun akan memancarkan kembali CO2 setelah listrik dilepaskan.

Hal ini dapat berubah, berkat desain baterai baru yang revolusioner, yang tidak hanya menyimpan energi tetapi juga menghasilkan hidrogen dan secara tahan lama menangkap karbon.

Baterai Penangkap Karbon

Penangkapan karbon adalah gagasan mengambil CO2 yang biasanya dilepaskan dan mengubahnya kembali menjadi produk yang berguna. Anda dapat membaca lebih lanjut tentang berbagai teknologi penangkapan karbon dalam artikel ini oleh Energy Tracker.

Sumber: EnergyTracker

Sampai saat ini, proses semacam itu merupakan tambahan di atas proses industri dan menimbulkan biaya ekstra tanpa produk praktis selain penangkapan karbon. Proses itu sendiri tidak berguna.

Kami membahas keadaan terkini penangkapan karbon secara lebih detail dalam artikel kami “Top 5 Carbon Capture Stocks To Invest In”.

Peneliti di Oak Ridge National Laboratory mungkin telah menemukan cara menjadikan penangkapan karbon bagian integral dari jaringan listrik energi hijau dan baterai terkait. Mereka menerbitkan temuan mereka di Journal of Power Sources, dengan judul “Origin of deactivation of aqueous Na–CO2 battery and mitigation for long-duration energy storage”.

Konsep Sebelumnya Ditingkatkan

Baterai penangkap karbon merupakan peningkatan dari baterai logam-CO2 konvensional yang siklusnya masuk dan keluar CO2 sambil mengoksidasi logam (M), yang dapat berupa natrium (Na), litium (Li), atau magnesium (Mg): CO2 ↔ MxCO3.

Masalah berulang pada baterai logam-CO2 adalah pengendapan produk discharge padat seperti M2CO3(s) (M = Li atau Na), Al2(C2O4)3(s), atau MgCO3(s) pada permukaan elektroda yang sering menyebabkan penyumbatan struktur elektroda berpori.

Penyumbatan ini berdampak negatif pada baterai, dengan cepat mengurangi kapasitasnya.

Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti mengembangkan dua baterai potensial, satu mengandalkan natrium dan yang lainnya aluminium, keduanya merupakan bahan yang melimpah dan murah.

Baterai Na-CO2 mengandalkan katalis besi-nikel, yang jauh lebih murah dibandingkan kebanyakan katalis di industri.

Berbeda dengan desain sebelumnya, baterai CO2 baru tidak melepaskan CO2 dalam bentuk gas, melainkan produk sampingan karbonat larut dalam elektrolit cair.

Karbonat ini kemudian dapat disimpan dalam baterai atau dikumpulkan ketika terakumulasi dan mengendap dalam bentuk padat. Industri farmasi atau semen kemudian dapat menggunakannya.

Satu-satunya gas yang dilepaskan adalah oksigen dan hidrogen, yang tidak berkontribusi pada perubahan iklim dan bahkan dapat ditangkap untuk menghasilkan energi atau bahan bakar.

Sumber: Oak Ridge National Laboratory

Mengatasi Tantangan Teknik

Ide ini tampak begitu mengesankan sehingga mungkin mengejutkan bahwa hal ini belum pernah dilakukan sebelumnya.

Alasannya adalah bahwa mewujudkannya dalam praktik harus mengatasi beberapa masalah teknis.

Pertama, elektroda harus dipisahkan dalam ruang basah dan kering dengan konduktor ion padat di antara keduanya. Konduktor tersebut memperlambat pergerakan elektron, mengurangi efisiensi baterai.

Kedua, tipe baterai Na-CO2 ini tidak kebal terhadap masalah baterai CO2 berupa film yang mengendap pada elektroda. Namun, para peneliti menemukan, dengan menggunakan mikroskop sangat canggih dan mesin sinar‑X, bahwa pulsa pengisian dan pengosongan yang tidak merata mencegah penumpukan film pada elektroda.

“Kami melaporkan untuk pertama kalinya bahwa sel yang dinonaktifkan dapat diaktifkan kembali.

Dan kami menemukan asal mula deaktivasi dan aktivasi. Jika Anda mengisi‑disisipkan baterai secara simetris terlalu lama, sel akan mati pada satu tahap. Jika Anda menggunakan protokol yang kami tetapkan untuk sel kami, kemungkinan kegagalan sangat kecil.

Ruhul Amin – peneliti utama proyek ini

Mungkin lebih mengesankan lagi, baterai ini dapat menangkap CO2 menggunakan energi yang tersimpan, sehingga tidak hanya saat produksi energi terbarukan sedang memuncak, memberikan fleksibilitas lebih. Hal ini juga dapat menjadikannya pasangan yang sempurna untuk menangkap karbon dari pembangkit listrik puncak yang bergantung pada bahan bakar fosil untuk menghasilkan listrik ketika angin lemah atau matahari tidak bersinar.

Bergerak ke Desain Komersial

Dengan bukti konsep baterai CO2 yang dapat diaktifkan kembali, tim melanjutkan untuk meningkatkan kinerja agar memenuhi persyaratan baterai skala utilitas yang layak.

Untuk ini, mereka mengembangkan baterai Al-CO2 dengan prinsip yang sama seperti prototipe Na-CO2.

Prototipe mencapai hasil luar biasa, terutama:

• 600 jam (25 hari) operasi tanpa kehilangan kapasitas.
• Penyimpanan cukup untuk lebih dari 10 jam listrik yang dapat digunakan kemudian.

Apa Selanjutnya?

Menggunakan air laut sebagai medium berair dapat secara signifikan meningkatkan kecepatan baterai dan produksi hidrogen+oksigen dengan menciptakan pemutih dari atom klorin dalam air. Jadi, baterai ini mungkin menghasilkan lebih banyak produk sampingan yang berguna daripada yang diperkirakan awalnya.

Tantangan lain adalah membawa desain baterai aluminium‑CO2 ke skala yang lebih besar agar cocok untuk penerapan skala utilitas yang sesungguhnya.

Pekerjaan lain yang sedang berlangsung adalah kembali ke baterai Natrium‑CO2 dan mengembangkan membran keramik yang sangat halus, padat, dan stabil secara mekanik untuk memisahkan ruang baterai agar baterai tersebut kompetitif secara komersial.

Perusahaan Baterai

Karena keterbatasan sebelumnya, terdapat sedikit perusahaan baterai CO2. Namun, perusahaan baterai inovatif dengan sejarah cepat mengadopsi teknologi baru akan dapat memanfaatkan kemajuan di bidang ini untuk mengembangkan kimia baru bila diperlukan.

1. BYD Company Limited (BYDDF)

BYD adalah perusahaan EV terkemuka di China, dengan 1.860.000 kendaraan terjual pada tahun 2022, pendapatan €20 miliar pada tahun 2022, dan salah satu perusahaan swasta terbesar di negara tersebut.

Perusahaan ini memulai sebagai pemasok pertama baterai litium‑ion untuk Motorola pada tahun 2000 dan memasuki bisnis otomotif sejak 2003. Saat ini, perusahaan juga aktif di bidang bus, kereta, semikonduktor, dan penyimpanan energi baterai.

Sumber: Byd Company

Berkat ukurannya yang besar, “BYD Mengalahkan LG Menjadi Pemasok Baterai EV Terbesar Kedua di Dunia”

Di luar pasar EV, BYD, seperti Tesla, berusaha memanfaatkan pasokan baterai besar mereka untuk pasar lain. Mereka secara khusus meluncurkan Battery-Box untuk penggunaan rumah tangga, menggunakan kimia Lithium Iron Phosphate tanpa kobalt. Mereka juga menawarkan paket New Energy, yang menggabungkan solusi surya dan penyimpanan.

Menggabungkan Battery-Box dan New Energy, Sistem Penyimpanan Energi (ESS) BYD telah mengirim lebih dari 14 GWh kapasitas penyimpanan.

BYD memiliki seluruh rantai pasokan mulai dari sel baterai mineral hingga paket baterai. Hal ini membantu mereka membangun solusi daur ulang proprietari mereka sendiri, menggunakan baterai mobil lama sebagai penyimpanan tetap atau daur ulang penuh baterai melalui subdivisi baru pada tahun 2022.

BYD kini memperluas ke luar negeri, khususnya di Eropa, dengan rencana untuk melipatgandakan pangsa pasar yang masih kecil, serta produksi lokal di Hungaria, dengan kapasitas 150.000 kendaraan per tahun yang dapat digandakan menjadi 300.000. Hal ini dapat memberi tekanan pada produsen lokal dan Tesla, dengan harga yang kini berada pada kisaran mobil berbahan bakar fosil.

Ekspansi di AS lebih berhati‑hati karena persaingan AS‑China terus meningkat, dengan tarif 100% dikenakan pada mobil China pada Musim Semi 2024.

Sumber: BYD

Dengan prospek pertumbuhan yang kuat di Amerika Selatan, Asia, dan Eropa, serta posisi dominan di China, pasar utama untuk EV, saham BYD merupakan alternatif yang kurang terkenal dan memiliki kelipatan valuasi lebih rendah dibandingkan Tesla.

2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)

CATL China jelas merupakan perusahaan baterai terbesar di dunia jika diukur dari volume baterai. Pada tahun 2022, perusahaan ini memproduksi hampir setengah dari total baterai dunia berdasarkan GWh.

Selain itu, CATL memiliki beberapa baterai lithium iron phosphate paling canggih, yang mungkin menjadi solusi untuk menciptakan baterai yang lebih murah dan “cukup padat” untuk EV berbiaya rendah.

Keahlian CATL dalam kimia baterai juga meluas ke opsi lain. Secara khusus, baterai natrium‑ion 160 Wh/kg yang mengesankan diumumkan pada tahun 2021. Mengganti litium dengan natrium yang melimpah dan murah menawarkan alternatif bagi litium, yang harganya sangat volatil dan tinggi dalam beberapa tahun terakhir. Dan untuk aplikasi yang masih memerlukan litium, CATL juga menginvestasikan $1,4 miliar untuk mengembangkan produksi litium di Bolivia.

Namun dalam hal kinerja baterai, CATL berada di garis depan kemajuan. Pertama, mereka mengumumkan baterai “juta mil” ultra‑tahan 330 Wh/kg yang dapat diisi hingga 80% dalam 5 menit dan siap untuk komersialisasi. Baterai ini diharapkan akan digunakan oleh Tesla di masa depan dan akan menjadi standar baru untuk EV berperforma tinggi.

Baru‑baru ini mereka juga mengumumkan baterai “kondensasi” 500 Wh/kg yang memecahkan rekor, yang cukup padat untuk menggerakkan EV jarak jauh dan pesawat. Mereka juga mengklaim telah menemukan cara agar baterai dapat menangani cuaca dingin dengan lebih baik, namun ini masih menjadi kelemahan teknologi dan masalah bagi EV di negara bersuhu dingin.

Pemimpin EV seperti Tesla dan BYD, atau pendatang baru ambisius seperti Toyota, mungkin akan mengembangkan teknologi baterai mereka sendiri sebagai keunggulan unik. Namun sisanya industri otomotif, termasuk produsen Jerman, Amerika, dan Jepang, mencari mitra untuk tetap bersaing dalam perlombaan baterai canggih. Ini secara khusus mencakup Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda, dan Mercedes Benz.

CATL memiliki volume produksi yang memungkinkan mereka memanfaatkan skala ekonomi dalam manufaktur baterai. Volume penjualan yang besar juga langsung berkontribusi pada keahlian ilmiah dan anggaran R&D yang besar, memungkinkan lebih banyak terobosan. Karena bukan produsen mobil, mereka juga menjadi mitra yang lebih baik bagi sebagian besar industri dibandingkan pesaing langsung seperti BYD dan Tesla.

Untuk saat ini, perusahaan sebagian besar fokus pada EV. Mereka mungkin beralih ke baterai skala utilitas seiring produksi energi terbarukan China meningkat dan teknologi matang.

Secara keseluruhan, hal ini menjadi argumen kuat bagi CATL untuk tetap menjadi pemimpin dunia dalam produksi baterai. Namun, ketegangan yang meningkat antara AS dan China tidak boleh sepenuhnya dilupakan, dan sahamnya mungkin terjebak di tengah persaingan kekuasaan antara dua ekonomi terbesar di dunia.