Penyesuaian Kecil untuk Perubahan Besar – Apakah Tekstur Logam Lunak Merupakan Terobosan Baterai?

Baterai ada di mana-mana. Zaman teknologi modern kita tidak dapat maju atau berkembang tanpa baterai yang dibuat secara efektif dan efisien. Baterai hadir dalam Kendaraan Listrik, perangkat seluler, penyimpanan energi terbarukan, dan masih banyak lagi. 

Jika kita melihat angka pertumbuhan, potensinya eksponensial. Antara 2022 dan 2030, permintaan global untuk baterai litium‑ion, misalnya, diperkirakan akan meningkat hampir tujuh kali lipat, mencapai 4,7 terawatt‑jam pada 2030. Pakar pasar mengaitkan sebagian besar pertumbuhan ini dengan popularitas yang melambung tinggi dari Kendaraan Listrik, yang sangat bergantung pada baterai litium‑ion. Pada 2024, EV menyumbang lebih dari 80 persen permintaan baterai litium‑ion di seluruh dunia. 

Mendukung pertumbuhan luar biasa ini memerlukan produksi baterai yang ditingkatkan secara skala. Dan peningkatan skala produksi tersebut hanya dapat didukung oleh inovasi. Kabar baiknya, peneliti di seluruh dunia sedang melakukannya. Mereka secara konsisten mengeksplorasi material baru, desain, konfigurasi, dan kimia. 

Namun, penting juga untuk terus memeriksa apakah eksplorasi ini mengoptimalkan sumber daya yang tersedia. Dalam pemeriksaan tersebut, peneliti menemukan bahwa tekstur logam adalah hal yang secara historis terabaikan. 

Sambil menjelaskan sifat tepat dari pengabaian ini, UChicago PME Prof. Shirley Meng, Profesor Keluarga Liew dalam Rekayasa Molekuler, berkata:

“Ada kesenjangan dalam pemahaman orientasi butir, yang juga dikenal sebagai tekstur, bagaimana faktor tersebut memengaruhi kinerja baterai logam yang dapat diisi ulang.”

Solusinya datang dari Laboratorium Penyimpanan Energi dan Konversi Meng serta mitra industrinya, Thermo Fisher Scientific (TMO ). Lebih khusus, solusi tersebut muncul melalui makalah yang ditulis oleh Meng dan rekan‑penelitinya. Makalah itu berjudul ‘Grain Selection Growth of Soft Metal in Electrochemical Processes.‘

Menguji Menuju Tekstur yang Lebih Baik untuk Baterai yang Lebih Baik

Dengan istilah ‘tekstur,’ peneliti merujuk pada orientasi butir yang terarah ke arah tertentu alih‑alih distribusi acak. Difraksi balik elektron berkas ion berfokus plasma (PFIB‑EBSD) membantu mengkarakterisasi tekstur logam di bawah berbagai kondisi pelapisan dan pengelupasan elektrokimia. 

Dalam studi¹, peneliti menyoroti kompetisi antara energi permukaan dan energi regangan untuk pembentukan tekstur logam alkali. Lebih khusus, mereka berusaha memahami bagaimana dominasi difusi atomik dan energi permukaan logam alkali atas pertumbuhan seleksi butir selama proses elektrokimia berperan sebagai kunci menjelaskan batasan kinetik baterai solid‑state yang menggunakan anoda logam, terutama pada suhu ruang. Tujuan utama penelitian ini dan wawasan yang dihasilkan adalah mencapai tekstur yang diinginkan melalui rekayasa antarmuka untuk meningkatkan efisiensi pelapisan/pengelupasan pada kerapatan arus tinggi.

Peneliti melakukan serangkaian langkah dalam upaya memahami tekstur sempurna untuk baterai logam. Mereka mengkarakterisasi tekstur logam lunak di bawah berbagai kondisi, mengembangkan teori termodinamika dan model fase‑bidang untuk pembentukan tekstur, mengidentifikasi tekstur yang diinginkan untuk meningkatkan efisiensi pelapisan/pengelupasan, dan—akhirnya—merancang lapisan antarmuka untuk pertumbuhan butir yang diinginkan. 

Apa yang Dicapai Penelitian Ini?

Dalam kata‑kata UChicago PME Peneliti Asosiasi Prof. Minghao Zhang, penulis pertama karya baru ini, peneliti “menemukan bahwa menambahkan lapisan tipis silikon di antara logam litium dan kolektor arus membantu menciptakan tekstur yang diinginkan.”

Peneliti menyimpulkan bahwa “perubahan tersebut meningkatkan kemampuan laju baterai hampir sepuluh kali lipat pada semua baterai solid‑state yang menggunakan logam litium.”

Tetapi apa yang membuat peneliti menemukan apa yang tepat dan optimal? 

Peneliti memulai dengan premis bahwa tekstur ideal untuk anoda baterai adalah yang memungkinkan atom bergerak cepat sepanjang bidang permukaan karena pergerakan yang lebih cepat membantu baterai mengisi dan mengosongkan daya lebih cepat. Untuk mengubah cara teksturnya, yang penting adalah perbedaan energi permukaan logam lunak.

Menurut Profesor Minghao Zheng:

“Karena baterai dengan logam litium atau natrium bergantung pada tekstur ini untuk kemampuan laju yang unggul, tim bertanya-tanya apakah mengubah tekstur logam lunak dapat meningkatkan densitas daya.”

Pencapaian tujuan sangat bergantung pada penggunaan teknologi mikroskopik yang efektif, yang melibatkan penggilingan dalam mikroskop pemindai elektron berkas ion berfokus plasma (PFIB‑SEM) dengan pemetaan difraksi balik elektron (EBSD). Kombinasi efisien dari dua metode ini dapat membantu mempelajari tekstur dengan cara baru. 

Saat menjelaskan kegunaan teknologi mikroskop yang digunakan untuk penelitian, co‑author studi Zhao Liu, Senior Market Development Manager dari Thermo Fisher Scientific, berkata:

“Kombinasi PFIB‑EBSD sangat cocok untuk studi ini, karena PFIB dapat secara efektif mengakses area yang diminati dalam tumpukan sel, menghasilkan permukaan berkualitas tinggi dengan cacat minimal, sementara EBSD memberikan informasi tekstur terperinci pada logam lunak.”

Selain mitra industrinya, peneliti juga bekerja sama dengan Laboratorium Riset Frontier LG Energy Solution, dengan tujuan mengkomersialkan teknologi tersebut. 

Menurut Peneliti Senior LG Energy Solution, Jeong Beom Lee, penelitian ini akan membantu mengembangkan baterai generasi berikutnya untuk kendaraan listrik dan aplikasi penyimpanan energi. 

Apa yang Akan Dituju Peneliti Selanjutnya?

Ke depan, peneliti memiliki dua tujuan jelas. Pertama, mereka ingin menurunkan tekanan yang digunakan selama pengujian dari 5 megapascal (MPa) menjadi 1 MPa, standar industri saat ini untuk baterai yang tersedia secara komersial. Kedua, mereka ingin meneliti dampak tekstur pada natrium, yang menurut temuan Meng berpotensi menjadi alternatif murah dan mudah didapat dibandingkan litium. 

Penelitian Lain tentang Material Baterai Li‑ion

Meskipun penelitian saat ini menghadirkan terobosan, upaya penelitian serupa tidaklah langka. Sebuah tinjauan penelitian yang dilakukan pada baterai semacam itu—dipublikasikan di Materials Today—menyoroti fakta bahwa meskipun baterai Li‑ion memiliki keunggulan jelas sebagai baterai dengan kepadatan energi tinggi, siklus hidup panjang, dan efisiensi tinggi seperti saat ini, penelitian terus berlanjut pada material elektroda baru untuk mendorong batas biaya, kepadatan energi, kepadatan daya, siklus hidup, dan keamanan.

Saat peneliti menelusuri opsi material anoda dan katoda yang menjanjikan di sekitar mereka, mereka menemukan banyak yang mengalami masalah konduktivitas listrik terbatas, transportasi Li yang lambat, pelarutan atau interaksi tidak menguntungkan lain dengan elektrolit, stabilitas termal rendah, ekspansi volume tinggi, dan kerapuhan mekanik. Solusi yang tersedia untuk masalah‑masalah ini melibatkan katoda interkalasi yang dibawa ke pasar. Namun, kecepatan komersialisasi teknologi material konversi masih lambat. 

Berbicara tentang komersialisasi dan skala produksi, kini kita harus beralih ke perusahaan yang dapat mencapai banyak hal melalui penelitian teknologi tingkat tinggi semacam itu. 

1. Samsung

Pada Agustus 2024, Samsung SDI Korea Selatan menandatangani kesepakatan dengan General Motors (GM ) untuk membangun pabrik baterai kendaraan listrik bersama di negara bagian Indiana, AS. Melalui kesepakatan ini, kedua perusahaan memutuskan untuk bersama‑sama membangun pabrik manufaktur sel baterai dengan kapasitas produksi tahunan 27 gigawatt‑jam. 

Sebelumnya, pada 2022, Samsung SDI Co., produsen baterai terbesar keenam di dunia, dan produsen mobil multinasional berbasis Belanda, Stellantis N.V (STLA )., memilih negara bagian Indiana sebagai lokasi pabrik baterai kendaraan listrik bersama di AS. 

Produsen tersebut menargetkan produksi 23 gigawatt‑jam (GWh) sel dan modul baterai prisma per tahun, sesuai rencana semester pertama 2025 untuk pabrik mobil Stellantis di Amerika Utara. 

Dalam hal produksi baterai, Samsung SDI melayani berbagai solusi, termasuk Kendaraan Listrik, Sistem Penyimpanan Energi, Mikro Mobilitas, Perangkat Daya, dan Perangkat TI. 

Untuk EV dan PHEV, perusahaan memproduksi baterai berkapasitas tinggi, berenergi tinggi, dan pengisian cepat dengan kepemimpinan dalam produksi massal baterai solid‑state. Untuk solusi penyimpanan energi, Samsung SDI menawarkan produk baterai mulai dari solusi rumah tangga hingga utilitas, komersial, dan industri yang terintegrasi dengan sumber energi terbarukan hingga solusi UPS (Uninterruptible Power Supply).

Dalam Mikro‑Mobilitas, Samsung SDI memproduksi baterai untuk transportasi jarak pendek yang ringan, berupa e‑kickboard, e‑bike, dan e‑scooter. Di segmen ini, perusahaan memanfaatkan material dan teknologi komponen tingkat tinggi untuk membuat baterai terbaik yang tersedia. 

Untuk e‑bike, Samsung SDI memproduksi baterai dengan kepadatan energi tinggi dan keamanan. Baterai ini lebih ramping dan lebih ringan. 

Untuk kendaraan dua roda listrik—seperti e‑scooter dan e‑motorcycle—Samsung SDI mengembangkan baterai silinder. Baterai ini dibangun dengan material berkapasitas tinggi, desain struktural unik, dan kualitas konsisten, menjadikannya aman dan cocok untuk kinerja puncak, umur baterai panjang, serta keamanan. 

Untuk perangkat daya, Samsung SDI memiliki baterai berdaya tinggi dan berkapasitas tinggi. Ia juga menyediakan solusi baterai OPE optimal dengan kepadatan energi tinggi, output daya stabil, dan umur baterai panjang. Ia juga memproduksi baterai dengan kapasitas dan output yang berbeda. Akhirnya, Samsung SDI juga memproduksi baterai berfungsi tinggi dan berumur panjang untuk perangkat TI, termasuk smartphone dan wearable. 

Pada akhir Januari 2025, Samsung mengumumkan hasil kuartal keempat dan tahun penuh 2024 dengan pendapatan tahunan sebesar KRW 16,59 triliun ($11,55 miliar) dan laba operasi tahunan KRW 363,3 miliar di tengah perlambatan pasar. Pada kuartal keempat, pendapatan perusahaan mencapai KRW 3,75 triliun, mencatat pendapatan tertinggi dalam bisnis baterai ESS.

2. LG Energy Solutions

Pada Desember 2024, LG Energy Solutions melakukan pembicaraan dengan JSW Energy (JSWENERGY.BO ) India untuk memproduksi baterai kendaraan listrik dan penyimpanan energi terbarukan dalam usaha patungan yang memerlukan investasi lebih dari $1,5 miliar. Menurut laporan publik, kedua perusahaan menandatangani perjanjian awal untuk membentuk kemitraan setara di mana LGES akan menyumbangkan teknologi dan peralatan pembuatan baterai, dan JSW akan menyediakan dana, kata salah satu sumber.

Secara keseluruhan, perusahaan ini dikenal dengan baterai Solusi Penyimpanan Energi (ESS) dan baterai otomotif canggih. Divisi ESS menawarkan produk berenergi tinggi dan output tinggi untuk jaringan listrik dan produk rumah tangga beragam. Baterai ini diproduksi dengan teknologi sel baterai kelas satu yang dihasilkan melalui penerapan proses laminasi dan penumpukan tingkat lanjut, teknologi proprietari LG.

Baterai ini memiliki output energi seragam, umur baterai panjang, dan struktur stabil. Baterai ESS LG juga memiliki efisiensi ruang yang ditingkatkan melalui ukuran kompak. Dengan menerapkan sel baterai polimer ultra‑slim berkapasitas tinggi dalam pengembangan ESS jaringan dan residensial, perusahaan menghasilkan produk tipis yang memaksimalkan pemanfaatan ruang dan memerlukan area instalasi minimal. 

LG Energy Solutions juga merupakan penyedia terdepan sel, modul, BMS (Battery Management System), dan produk paket untuk baterai kendaraan listrik. Solusinya mencakup baterai kepadatan energi tinggi yang ringan dan cepat mengisi daya.

Berbagai dimensi yang dimiliki baterai ini memastikan pemaksimalan ruang dengan menyelesaikan masalah keterbatasan ruang pada kendaraan komersial. Sel baterai tipe pouch dapat diproduksi dalam berbagai panjang dan lebar serta mendukung peningkatan kapasitas baterai dan memungkinkan optimasi. 

Pada minggu terakhir Januari 2025, LG Energy Solution mengumumkan laba kuartal keempat dan tahun penuh. Untuk tahun penuh, perusahaan melaporkan pendapatan konsolidasi KRW 25,6 triliun dan laba operasi KRW 575,4 miliar, penurunan tahunan masing‑masing 24,1 % dan 73,4 %,. Margin laba operasi adalah 2,2 % termasuk efek kredit pajak IRA.

Masa Depan Baterai

Masa depan teknologi baterai dan manajemen baterai akan berupaya meningkatkan beberapa bidang. Ia akan mencari peningkatan energi spesifik dan kepadatan energi (lebih banyak energi tersimpan per volume/berat), umur yang lebih panjang, kurang mudah terbakar, waktu pengisian penuh yang lebih singkat, dan penurunan biaya energi terlevelisasi (LOCE). 

Peneliti telah meneliti lintasan teknologi baterai Li‑ion untuk periode 2019‑2030. Mereka menyebutkan empat jenis konfigurasi teknologi yang mungkin: Li‑ion konvensional, Anoda Gr‑Si atau Katoda Hi‑Ni, baterai solid‑state, dan litium‑sulfur/udara. Angka‑angka menunjukkan bahwa teknologi baterai baru semua siap melampaui Li‑ion konvensional dalam dekade berikutnya. 

Munculnya teknologi baterai baru akan mempertimbangkan kembali pilihan material katoda dan anoda. Misalnya, baterai dengan katoda LFP memiliki kepadatan energi lebih rendah dibandingkan yang menggunakan NMC. Pemilihan material katoda penting karena secara signifikan memengaruhi energi spesifik pada tingkat sel penuh.

Pemilihan material Anoda juga penting. Material anoda, biasanya grafit, menyediakan ruang bagi ion litium untuk berada ketika baterai diisi. Jumlah ion litium yang disimpan secara langsung terkait dengan berapa banyak energi listrik yang tersimpan.

Peneliti melihat transisi bertahap dalam Teknologi Katoda, bergerak dari persentase Ni tipikal 50 % menuju 80 % dan 90 % masing‑masing, untuk baterai NMC dan NCA. Untuk memenuhi kebutuhan kapasitas yang diberikan oleh katoda persentase hi‑Ni, penambahan sejumlah kecil oksida silikon atau silikon murni ke dalam anoda grafit semakin disukai oleh produsen sel, menurut laporan.

Lima teknologi baterai baru yang diperkirakan akan mendefinisikan ulang masa depan meliputi baterai NanoBolt litium‑tungsten, baterai Zinc‑manganese oxide, baterai elektrolit organosilikon, baterai elektrolit gel nanowire emas, dan baterai TankTwo String Cell™. 

Baterai NanoBolt litium‑tungsten, misalnya, mengisi lebih cepat dan menyimpan lebih banyak energi. Baterai Zinc‑Manganese oxide dapat berfungsi secara efektif sebagai alternatif baterai litium‑ion dan timbal‑asam, terutama untuk penyimpanan energi skala besar guna mendukung jaringan listrik nasional. 

Profesor kimia Universitas Wisconsin‑Madison, Robert Hamers dan Robert West, telah mengembangkan pelarut cair berbasis organosilikon (OS) yang dapat direkayasa pada tingkat molekuler untuk pasar baterai Li‑ion industri, militer, dan konsumen.

Saat bereksperimen dengan gel, yang tidak se‑kombustibel cairan, peneliti di University of California, Irvine, mencoba melapisi nanowire emas dengan mangan dioksida lalu menutupnya dengan gel elektrolit.

Meskipun nanowire biasanya terlalu rapuh untuk digunakan dalam baterai, solusi ini menjadi tahan banting, dan elektroda yang dihasilkan, menurut peneliti, berhasil melewati 200.000 siklus tanpa kehilangan kemampuan menahan muatan. Itu dibandingkan dengan 6.000 siklus pada baterai konvensional.

Baterai String Cell™ berisi kumpulan sel kecil independen yang mengatur diri sendiri. Setiap string cell terdiri dari selubung plastik yang dilapisi material konduktif yang memungkinkan kontak cepat dan mudah dengan sel lain. Unit pemrosesan internal mengontrol sambungan dalam sel elektrokimia.

Untuk memfasilitasi pengisian cepat EV, bola‑bola kecil yang terdapat dalam baterai disedot keluar dan ditukar dengan sel terisi ulang di stasiun layanan. Di stasiun, sel dapat diisi ulang pada jam‑jam beban rendah.

Dengan semua solusi ini di tangan, beberapa terobosan baterai menanti kita di masa depan.