Lebih Aman, Lebih Murah, dan Lebih Kuat? Janji Baterai Aluminium

Baterai berkapasitas tinggi yang mengisi daya lebih cepat dan bertahan lebih lama merupakan kunci untuk mendukung masa depan elektronik portabel, kendaraan listrik, dan penyimpanan energi jangka panjang.

Selama beberapa dekade terakhir, baterai litium-ion telah memimpin bidang ini. Sebagai jenis baterai isi ulang, baterai litium-ion diisi dan dikosongkan melalui pergerakan ion-ion tersebut antara elektroda positif dan elektroda negatif, yaitu anoda dan katoda.

Logam litium yang digunakan dalam baterai ini bersifat lunak, berwarna perak, dan sangat reaktif. Litium memiliki densitas terendah di antara semua logam dan ditemukan dalam senyawa sebagai mineral, dengan Chili sebagai produsen terbesar. Chili juga memiliki cadangan litium terbesar, diikuti oleh Australia dan China; yang terakhir juga menjadi pemimpin dalam baterai litium-ion.

Baterai ini sebenarnya memerlukan sejumlah besar air dan energi untuk diproduksi. Mereka juga sangat sulit untuk didaur ulang.

Jadi, meskipun baterai litium-ion telah membuktikan kinerjanya dalam elektronik konsumen portabel seperti smartphone, laptop, dan perangkat genggam lainnya, serta kendaraan listrik dan sistem penyimpanan untuk cadangan tenaga surya, pasar kini mencari material yang dapat melampaui litium-ion dan memberi tenaga pada generasi perangkat berikutnya, kendaraan jarak jauh, pesawat listrik, serta penyimpanan tingkat jaringan.

Hal ini telah mendorong peneliti ke aluminium, yang menunjukkan kinerja menjanjikan untuk baterai yang lebih aman, lebih murah, dan lebih kuat.

Potensi Aluminium dalam Memajukan Baterai 

Upaya mengembangkan baterai aluminium isi ulang telah berlangsung selama beberapa dekade, namun mendapatkan dorongan signifikan dalam satu dekade terakhir. Peningkatan perhatian dan penelitian telah membantu baterai Al-ion mencapai tingkat pengisian dan pengosongan yang luar biasa. 

Semua perkembangan seputar baterai Al-ion signifikan karena manfaat superior yang dibawa logam elektropositif ini.

Sifat unik aluminium meliputi ringan, tahan korosi, dan memiliki konduktivitas termal tinggi. 

Keanekaragaman ini menjadikan logam ini sangat bermanfaat dalam berbagai aplikasi di berbagai industri, terutama transportasi. Logam ini banyak digunakan dalam pembuatan mobil, pesawat terbang, dan kereta karena ringan dan kuat, yang membantu meningkatkan efisiensi bahan bakar dan mengurangi emisi. 

Aplikasi utama lainnya dari aluminium adalah di industri konstruksi karena mudah dikerjakan dan memiliki kemampuan untuk menahan kondisi lingkungan yang keras. Aluminium juga banyak digunakan dalam kemasan, dirgantara, kimia, militer, dan industri listrik.

Memiliki densitas rendah dan menjadi konduktor listrik yang baik menjadikan aluminium ideal untuk pembuatan konduktor listrik, perangkat seperti komputer, smartphone, dan televisi, serta penggunaan pada saluran listrik udara.

Lebih penting lagi, aluminium adalah unsur logam paling melimpah yang ditemukan di kerak Bumi. Sebagai logam berbiaya rendah, penggunaannya dalam baterai isi ulang dapat secara signifikan mengurangi biaya baterai, terutama untuk sistem cadangan skala besar yang ekonomis bagi penyimpanan energi terbarukan.

Baterai litium-ion masih terlalu mahal untuk aplikasi ini. Selain mahal, baterai ini juga mengandung elektrolit yang mudah terbakar sehingga menimbulkan masalah keamanan. Logam paling melimpah di Bumi dan logam komersial terkeluar kedua (setelah besi) menjadi alternatif yang cocok di sini.

Selain murah, aluminium juga memiliki kapasitas volumetrik tinggi, yaitu empat kali lebih besar daripada litium dan tujuh kali lebih besar daripada natrium. Hal ini menunjukkan potensi aluminium untuk meningkatkan kepadatan energi baterai per satuan volume.

Selain itu, aluminium tidak mudah terbakar, yang semakin mendukung penggunaannya sebagai elektroda. Penggunaan logam ini juga menghilangkan kompleksitas lapisan interfase yang biasanya terlihat pada sistem litium-ion.

Namun bukan berarti aluminium tanpa kekurangan. Pasivasi, korosi, dan evolusi hidrogen pada sistem baterai ion aluminium telah membatasi aplikasinya. Tantangan lain bagi baterai ion aluminium adalah pemilihan material anoda karena kepadatan muatan tinggi ion Al3+, yang menghasilkan kinetika difusi lambat, sehingga membatasi kemampuan laju baterai.

Meskipun ada tantangan ini, baterai ion aluminium merupakan kandidat menjanjikan untuk penyimpanan energi skala besar karena kapasitas spesifik tinggi, biaya rendah, ringan, keamanan baik, dan kelimpahan alami aluminium.

Menjelajahi Baterai Aluminium-Ion untuk Penggunaan Dunia Nyata

Penelitian tentang penggunaan aluminium dalam baterai telah berlangsung cukup lama karena kebutuhan akan kimia baterai baru untuk memenuhi permintaan energi tinggi oleh pesawat yang harus terbang jarak jauh dan penyimpanan energi skala utilitas. Baterai konvensional sederhana tidak menyimpan cukup energi untuk menggerakkan sistem-sistem ini.

Sekitar satu dekade yang lalu, peneliti di Universitas Stanford mengungkapkan untuk pertama kalinya bahwa baterai aluminium-ion dapat stabil dan beroperasi dalam jangka panjang. Baterai Al-ion ini dapat terisi penuh dalam satu menit dan menjalani hingga 7.500 siklus pengisian/pengosongan dengan sedikit penurunan kapasitas.

Sebuah studi yang dilakukan oleh peneliti di University of Queensland, Australia, akhir tahun lalu sekaligus mengatasi hambatan teknis dengan komponen AIB¹ yang disebut interfase elektrolit padat.

Baterai Al-ion, mirip dengan baterai litium-ion, memiliki anoda, katoda, dan elektrolit, yang membawa ion aluminium yang mengalir antara elektroda bermuatan positif dan elektroda bermuatan negatif. 

Selama pengosongan, ion bergerak dari anoda ke katoda untuk menghasilkan energi, dan saat mengisi baterai, proses berbalik untuk menyimpan energi. Pada baterai Al-ion, mereka menghadapi ketidakstabilan saat siklus pengisian dan pengosongan karena pembentukan dendrit yang menyebabkan hubung singkat, yang mengakibatkan kegagalan baterai.

Jawaban atas hal ini, menurut penelitian, adalah bahwa baterai aluminium-ion memerlukan pra-siklus, mirip dengan baterai litium-ion, untuk memaksimalkan umur mereka. Memahami kebutuhan pra-siklus yang unik ini dapat menghasilkan desain yang lebih baik sehingga baterai dapat bertahan lebih lama dan beroperasi lebih andal, sehingga mendekatkan mereka ke aplikasi dunia nyata.

Dalam penelitian lain beberapa tahun lalu, peneliti dari Georgia Institute of Technology menggunakan foil aluminium untuk membuat baterai yang dapat memungkinkan kendaraan listrik menempuh jarak lebih jauh dengan satu kali pengisian.

Dalam studi ini, peneliti menambahkan sejumlah kecil lebih dari 100 material berbeda ke aluminium untuk menciptakan foil dengan “mikrostruktur” khusus. Anoda aluminium mampu menyimpan lebih banyak litium dibandingkan material anoda tradisional, yang berarti lebih banyak energi, sehingga menghasilkan baterai dengan kepadatan energi tinggi.

Penelitian-penelitian tentang baterai aluminium ini memiliki potensi besar untuk membuka pintu menuju teknologi baterai yang lebih kuat untuk mendukung masa depan.

Desain Baru untuk Memperpanjang Umur Baterai Aluminium

Mengingat banyak manfaat baterai aluminium-ion, baru-baru ini, sebuah studi baru yang dipublikasikan di ACS Central Science berfokus pada perancangan baterai Al-ion yang hemat biaya dan ramah lingkungan yang dapat membantu mendukung peralihan ke energi berkelanjutan dan bersih.

Dengan dorongan global menuju keberlanjutan, studi tersebut mencatat perlunya mengeksplorasi sumber daya yang melimpah dan terbarukan untuk kemajuan teknologi baterai penyimpanan energi guna mendorong pembangunan berkelanjutan.

Jadi, para peneliti beralih ke baterai aluminium-ion isi ulang (AIB) dengan elektrolit cairan ionik berbasis kloroaluminat pada suhu ruang yang tidak mudah terbakar. Adaptabilitas suhu yang luas, umur siklus panjang, dan keamanan luar biasa menjadikan AIB sangat cocok untuk sistem yang dapat menyimpan energi dalam skala besar.

Namun, tentu saja, elektrolit cairan ionik tradisional dalam AIB mengalami kerentanan signifikan. Dengan kerangka kerja baru mereka, peneliti berupaya mengatasi masalah korosi dari elektrolit paling umum yang digunakan dalam baterai Al-ion.

Elektrolit — cairan aluminium klorida — tidak hanya mengkorosi anoda aluminium tetapi memperburuk kondisi ini karena sensitivitasnya yang tinggi terhadap kelembaban. Hal ini berkontribusi pada stabilitas yang buruk, mengakibatkan penurunan kinerja listrik seiring waktu. 

Untuk menghilangkan keterbatasan ini, peneliti memperkenalkan garam aluminium fluorida inert ke dalam elektrolit yang mengandung ion Al, yang mengubahnya menjadi elektrolit padat. Struktur berpori 3D dari garam aluminium fluorida memungkinkan ion aluminium melompat dengan mudah melintasi elektrolit dan meningkatkan konduktivitas.

Peneliti juga menggunakan fluoroethylene carbonate sebagai aditif antarmuka. Lapisan padat tipis ini pada elektroda membantu mencegah pembentukan kristal aluminium dan, pada gilirannya, melindungi kesehatan baterai dari degradasi.

Dengan dua komponen ini, tim berhasil meningkatkan ketahanan kelembaban baterai mereka serta stabilitas termal dan fisiknya. Hal ini memungkinkan baterai Al-ion padat menahan suhu hingga 392 derajat Fahrenheit (atau 200 derajat Celsius). Baterai juga tetap kuat terhadap tusukan berulang dari objek tajam.

Mengenai umur baterai ini, studi menemukan bahwa ia sangat panjang. Baterai aluminium-ion padat bertahan hingga 10.000 siklus pengisian dan pengosongan dengan kehilangan kurang dari satu persen kapasitas aslinya.

Lebih lagi, sebagian besar aluminium fluorida yang digunakan dapat dipulihkan dengan pencucian sederhana. AlF3 kemudian dapat didaur ulang menjadi baterai lain dengan kinerja yang hanya sedikit menurun, sehingga lebih mengurangi biaya produksi baterai.

“Desain baterai Al-ion baru ini menunjukkan potensi untuk sistem penyimpanan energi yang tahan lama, hemat biaya, dan sangat aman. Kemampuan untuk memulihkan dan mendaur ulang material kunci membuat teknologi ini lebih berkelanjutan.”

– Wei Wang, Laboratorium Kunci Negara tentang Metalurgi Lanjutan, Universitas Sains dan Teknologi Beijing, China

Baterai baru meningkatkan kepraktisan baterai Al-ion dengan mengurangi biaya produksi dan memperpanjang umur mereka, namun perbaikan lebih lanjut masih diperlukan dalam kepadatan energi, stabilitas elektrolit, dan siklus hidup untuk komersialisasi baterai ini.

Klik di sini untuk mempelajari sebuah studi yang membantah mitos penuaan baterai.

Pemain Utama di Pasar Baterai

Munculnya teknologi baterai generasi berikutnya yang menjanjikan menawarkan peningkatan signifikan dalam kepadatan energi, keamanan, biaya, dan umur pakai dibandingkan baterai litium-ion saat ini. Dan mereka diperkirakan akan mengubah kebutuhan energi, didorong oleh inovasi yang mengatasi keterbatasan teknologi saat ini. 

Jadi, mari kita lihat perusahaan-perusahaan yang mendorong batas teknologi baterai dan dapat melihat pertumbuhan besar dalam beberapa tahun mendatang.

1. QuantumScape

Sementara dunia sedang menjelajahi alternatif, baterai berbasis litium tetap memimpin untuk saat ini. Dalam konteks tersebut, QuantumScape Corporation (QS ) termasuk di antara perusahaan baterai terkemuka yang mengembangkan teknologi baterai litium-logam padat untuk kendaraan listrik dan aplikasi lainnya. 

Dengan baterai litium-ion warisan mendekati batasnya, perusahaan telah mengembangkan apa yang mereka sebut desain sel bebas anoda pertama di industri untuk memberikan kepadatan energi tinggi, biaya material yang lebih rendah, dan produksi yang disederhanakan. 

Berbeda dengan baterai litium-ion konvensional yang memiliki pemisah polimer, QuantumScape menggunakan pemisah padat. Hal ini memungkinkan penggantian anoda karbon atau silikon dengan anoda litium-logam, yang lebih padat energi dan sehingga menyimpan lebih banyak energi dalam volume yang sama. Dalam desain QuantumScape, baterai diproduksi tanpa anoda dan dalam keadaan terdischarge.

Menurut QuantumScape, sel prototipe A0 berlapis 24 telah menyelesaikan lebih dari 1.000 setara siklus pengisian-pengosongan penuh dengan retensi energi lebih dari 95%. Pada bulan Oktober, perusahaan meluncurkan produk komersial pertama yang direncanakan, QSE-5, untuk aplikasi otomotif. Sel B-sample QSE-5, yang produksi volume rendahnya telah dimulai, memiliki energi sel terukur sebesar 21,6 Watt-jam (Wh). Sel QSE-5 dapat mengisi dari 10% ke 80% dalam waktu sekitar 12 menit.

Dengan kapitalisasi pasar sebesar 2,62 miliar, saham QuantumScape saat ini diperdagangkan pada $5,13, turun 1,16% tahun ini. EPS (TTM) nya adalah -0,95, dan rasio P/E (TTM) adalah -5,38.

Untuk hasil keuangan kuartal terakhir yang dilaporkan, yaitu Q3 2024, perusahaan mengeluarkan $17,9 juta untuk belanja modal sementara biaya operasional GAAP sebesar $130,2 juta dan kerugian bersih GAAP sebesar $119,7 juta. Likuiditas pada akhir kuartal sebesar $841 juta.

QuantumScape juga bermitra dengan produsen baterai Volkswagen, PowerCo, untuk membawa teknologi QSE-5 ke produksi massal.

Selama periode ini, perusahaan melaporkan berhasil menerapkan teknologi produksi pemisah baru yang disebut Raptor. Kemudian, pada bulan Desember, perusahaan mengumumkan peluncuran Cobra, yang menurut QuantumScape akan menempatkannya pada jalur untuk menyediakan sampel QSE-5 dengan volume lebih tinggi tahun ini. Cobra juga dianggap sebagai langkah penting menuju komersialisasi baterai padat mereka untuk kendaraan listrik.

2. Solid Power

Didirikan pada tahun 2011, Solid Power (SLDP ) dipisahkan dari University of Colorado Boulder dengan pendanaan dari DARPA. Selama bertahun-tahun, perusahaan memperoleh kontrak dari Angkatan Udara dan menandatangani perjanjian dengan Departemen Energi.

Pada tahun 2018, perusahaan melakukan putaran pembiayaan berbasis ekuitas pertama, dan pada tahun 2021, mereka mengumumkan putaran investasi sebesar $135 juta yang dipimpin oleh BMW Group, Ford Motor Company (F ), dan Volta Energy Technologies. 

Baik Ford maupun BMW Group sejak itu memperluas perjanjian pengembangan bersama mereka dengan Solid Power untuk mengamankan semua baterai padat untuk EV masa depan mereka. Pada tahun sebelumnya, Solid Power memproduksi sel logam litium 320 Wh/kg 20Ah yang dilaporkan melampaui energi spesifik litium-ion yang tersedia secara komersial.

Perusahaan terlibat dalam pengembangan teknologi baterai semua-padat generasi berikutnya, yang menurutnya berpotensi merevolusi pasar tenaga seluler masa depan. Fokusnya khususnya pada elektrolit padat berbasis sulfida untuk EV, dengan target biaya $85/kWh. Tujuannya adalah meningkatkan produksi elektrolit untuk menyalakan 800.000 EV menggunakan sel baterainya setiap tahun pada tahun 2028.

Dengan kapitalisasi pasar sebesar 268,77 juta, saham Solid Power saat ini diperdagangkan pada $1,50, turun 21,16% tahun ini. Perusahaan baru mulai diperdagangkan di Nasdaq pada akhir Desember 2021. EPS (TTM) nya adalah -0,47, dan rasio P/E (TTM) adalah -3,14.

Untuk hasil keuangan terbaru yang dilaporkan, Q3 2024, Solid Power menghasilkan pendapatan $4,7 juta, yang merupakan penurunan $1,7 juta dibandingkan kuartal yang sama tahun sebelumnya. Penurunan pendapatan ini terutama disebabkan oleh selesainya pencapaian milestone dengan BMW. Biaya operasional untuk periode tersebut meningkat karena biaya produksi yang lebih tinggi, biaya pengembangan sel dan elektrolit, skala operasi, dan pelaksanaan. Namun posisi likuiditasnya tetap kuat karena SolidPower menutup kuartal dengan total likuiditas $348,1 juta.

Selama periode ini, perusahaan mulai bekerja di pusat inovasi elektrolit (EIC) untuk meningkatkan proses manufaktur elektrolit pra-pilotnya.

Baru-baru ini, Solid Power mengumumkan bahwa mereka telah mengamankan pendanaan sebesar $50 juta dari Departemen Energi AS untuk produksi berkelanjutan material elektrolit padat berbasis sulfida. Sebagai bagian dari Perjanjian Bantuan, Solid Power akan menyumbangkan $60 juta dana mereka sendiri untuk mendukung pemasangan peralatan, yang diharapkan memperkuat skala manufaktur perusahaan.

Kesimpulan 

Baterai litium-ion terus mendominasi banyak elektronik konsumen umum, kendaraan listrik, dan sistem penyimpanan energi (ESS). Adopsi yang semakin luas terhadap baterai ini disebabkan oleh kepadatan energi tinggi dan sistem produksi industri yang matang, namun jika kita ingin mengintegrasikan sumber energi melimpah dan terbarukan ke dalam jaringan listrik, kita perlu menemukan solusi yang lebih baik.

Penyimpanan jangka panjang tenaga surya dan angin memerlukan baterai besar, namun baterai Li-ion terlalu mahal untuk tugas ini. Belum lagi, sifatnya yang mudah terbakar menimbulkan risiko keamanan yang signifikan. Pengganti potensial untuk sistem penyimpanan energi skala besar yang andal adalah baterai Al-ion isi ulang, yang menawarkan alternatif menjanjikan dengan biaya lebih rendah, keamanan yang lebih baik, dan kapasitas volumetrik tinggi. 

Dengan kemajuan dalam stabilitas elektrolit dan umur baterai, baterai aluminium-ion dapat memainkan peran kunci dalam penyimpanan energi skala besar, EV, dan seterusnya. Meskipun tantangan masih ada dalam kelayakan komersialnya, penelitian yang terus berlanjut membawa baterai ini lebih dekat ke aplikasi dunia nyata dan mungkin segera melayani kebutuhan masyarakat masa depan akan baterai dengan kepadatan energi tinggi dan terjangkau.

Klik di sini untuk daftar saham baterai teratas untuk diinvestasikan.