Sel Bahan Bakar Sodium-Udara Membawa Penerbangan Bertenaga Baterai Lebih Dekat ke Realitas

Peneliti dari MIT dan lembaga pemberi pinjaman lainnya memperkenalkan desain sel bahan bakar sodium-udara yang mampu memberi tenaga pada pesawat terbang. Konsep revolusioner ini memberikan kepadatan energi yang lebih tinggi sekaligus secara alami menangkap karbon dioksida atmosfer. Berikut cara sel bahan bakar sodium-udara dapat merevolusi perjalanan udara dalam beberapa tahun mendatang.

Tantangan Baterai dalam Penerbangan

Sementara kendaraan listrik terus menjadi standar, sektor penerbangan belum mengalami pertumbuhan serupa. Ada beberapa opsi, namun mereka berupa pesawat pribadi, terbatas hanya untuk beberapa penumpang. Alasan utama kurangnya pertumbuhan ini adalah teknologi baterai belum memenuhi kriteria yang diperlukan untuk memberi tenaga pada pesawat komersial. Baterai lithium-ion saat ini berat, dan jumlah yang dibutuhkan untuk memberi tenaga pada pesawat komersial memerlukan terlalu banyak sel untuk berfungsi.

Kesenjangan Daya dalam Penerbangan Listrik

Untuk mencapai penerbangan berbasis baterai, insinyur perlu meningkatkan baterai lithium-ion kendaraan listrik saat ini dari 300 watt-jam per kilogram hingga 1.000 watt-jam per kilogram. Meningkatkan tiga kali lipat kepadatan daya baterai lithium-ion tidak memungkinkan, namun opsi lain mulai muncul.

Baterai Logam-Udara: Energi Tinggi, Pengisian Ulang Rendah

Baterai logam-udara seperti lithium-udara atau sodium-udara telah diteliti secara mendalam selama beberapa dekade terakhir. Mereka memang memiliki kepadatan yang lebih tinggi, tetapi juga memiliki masalah serius terkait pengisian ulang. Reaksi kimia baterai alkali logam-udara menghasilkan produk discharge padat, yang sulit dihilangkan, membuat unit menjadi usang setelah hanya beberapa siklus. Untungnya, skenario ini dapat berubah.

Terobosan Sel Bahan Bakar Sodium-Udara

Peneliti MIT, bersama ilmuwan dari berbagai institusi, telah memperkenalkan teknologi sel bahan bakar natrium-logam yang dapat membantu mengatasi masalah sebelumnya dan membuka era baru dalam energi bersih portabel.
Studi Sodium-air fuel cell for high energy density and low-cost electric power yang dipublikasikan dalam jurnal Joule, membahas sel bahan bakar cair natrium-logam-udara yang dirancang khusus. Sel bahan bakar ini mengintegrasikan membran elektrolit padat yang memungkinkan baterai menyesuaikan kelembaban dan aliran udara untuk meningkatkan kinerja.

Bagaimana Sel Bahan Bakar Sodium-Udara Berbeda dari Baterai Tradisional

Sel bahan bakar beroperasi seperti baterai, dengan perbedaan utama bahwa bahan yang menghasilkan energi diganti. Desain ini ideal untuk perjalanan karena menghilangkan kebutuhan pengisian ulang. Sebagai gantinya, baterai diisi ulang dengan bahan bakar.
Elektroda lama kemudian dikirim ke pabrik untuk diproses, diisi kembali, dan dikirim kembali untuk digunakan ulang. Dalam hal ini, natrium digunakan. Natrium memiliki titik leleh rendah sebesar 98 derajat Celsius, menjadikannya ideal untuk pengisian ulang berbiaya rendah.

Di Dalam Desain Sel Bahan Bakar Sodium-Udara

Sel bahan bakar sodium-udara menggunakan logam natrium cair yang umum dan murah yang terletak di satu sisi unit. Di sisi lain terdapat ruang berisi udara terbuka. Di antara kedua lapisan terdapat elektrolit. Elektrolit memiliki struktur berpori pada sisi yang menghadap udara, yang memungkinkan ion natrium mengalir bebas dan bereaksi dengan O2, menghasilkan listrik.

Prototipe dan Desain Kartrid Sel Bahan Bakar

Para insinyur membuat dua prototipe yang dapat diuji. Kedua versi menggunakan pendekatan yang sama untuk menghasilkan energi. Namun, satu dirancang untuk ditempatkan secara horizontal. Kedua prototipe menggunakan kartrid yang dapat diisi ulang yang diisi dengan logam natrium cair dan kemudian disegel.

Sumber – Joule

Desain H-Cell: Cara Kerjanya

Prototipe H-cell menyerupai huruf H dengan dua tabung kaca vertikal yang dihubungkan oleh tabung berisi elektrolit padat di tengah. Tabung tengah menggunakan bahan elektrolit keramik dan elektroda udara berpori untuk menciptakan reaksi elektrokimia antara logam natrium cair dan oksigen, mengonsumsi bahan bakar natrium. Desain kedua mirip dengan H, tetapi dasarannya diubah. Pengaturan ini menggunakan nampan berisi bahan elektrolit yang diletakkan di atas elektroda udara berpori.

Menariknya, produk sampingan dari reaksi ini bergabung dengan udara sekitar untuk membentuk natrium karbonat. Melalui beberapa reaksi kimia alami lainnya, emisi tersebut menjadi natrium bikarbonat, yang juga dikenal sebagai soda kue.

Natrium bikarbonat ini bermanfaat bagi lingkungan. Ketika ditambahkan ke laut, ia dapat membantu menetralkan keasaman air. Menambahkan lapisan pembersihan tambahan ke desain sel bahan bakar.

Peran Kelembaban dalam Efisiensi Sel Bahan Bakar

Satu penemuan penting yang mengejutkan peneliti adalah efek keseluruhan kelembaban dalam proses tersebut. Para insinyur mengamati bahwa tingkat kelembaban udara memiliki dampak besar pada reaksi elektrokimia.
Mereka mencatat bahwa kelembaban membantu dengan menghasilkan discharge natrium dalam bentuk cair. Penemuan ini memungkinkan mereka menghilangkan limbah baterai padat, yang jauh lebih sulit dihilangkan untuk tujuan pengisian ulang. Sisa cair dapat dengan mudah dikeluarkan menggunakan udara bertekanan, menurunkan biaya.

Pengujian Sel Bahan Bakar Sodium-Udara

Para insinyur melakukan beberapa pengujian untuk memeriksa teori mereka. Mereka menggunakan aliran udara yang tepat dan kelembaban terkontrol untuk melihat pendekatan berbeda dan mengoptimalkan kinerja. Hasil pengujian mereka sangat mengesankan, dengan desain sel bahan bakar baru mengungguli semua desain baterai sebelumnya.

Hasil: 3X Kepadatan Energi Lebih Tinggi daripada Lithium-Ion

Para insinyur sangat senang melihat kreasi mereka mengungguli baterai tradisional lebih dari 3 kali. Mereka mencatat kepadatan energi tingkat tumpukan sebesar 1.200 Wh/kg pada 80 mA/cm2. Kinerja ini hanya memerlukan ketebalan logam natrium sebesar 2,3 cm untuk mempertahankan operasi berkelanjutan.

Manfaat Sel Bahan Bakar Sodium-Udara

Berbagai manfaat menjadikan baterai sodium-udara kandidat kuat untuk aplikasi masa depan. Pertama, mereka memiliki biaya yang jauh lebih rendah. Baterai lithium-ion mahal untuk diproduksi dan berat. Selain itu, mereka menghasilkan banyak limbah. Penggunaan logam natrium jauh lebih murah. Selain itu, AS memiliki sejarah produksi massal material ini karena digunakan sebagai aditif dalam tetraethyl lead.

Keunggulan Kepadatan Energi

Baterai sodium-udara menawarkan rasio berat-ke-energi 3 kali lipat dibandingkan dengan pengaturan lithium-ion tradisional. Kepadatan daya tambahan ini membuka peluang penggunaannya dalam aplikasi yang sensitif terhadap berat. Energi tambahan juga berarti baterai dapat dibuat lebih kecil dan lebih sesuai bentuk untuk memenuhi kebutuhan perancang masa depan.

Keamanan Lebih Baik dibanding Lithium-Ion

Manfaat lain dari baterai sodium-udara adalah mereka jauh lebih aman dibandingkan baterai lithium-ion. Internet penuh dengan cerita tentang baterai lithium-ion yang terbakar dan meledak akibat runaway termal. Baterai sodium-udara memiliki risiko runaway termal yang jauh lebih rendah, terutama karena satu sisi hanya diisi udara dibandingkan dua reaktan, seperti pada desain lain.

Manfaat Lingkungan dan Produk Sampingan Pembersih Udara

Salah satu manfaat utama baterai sodium-udara adalah mereka jauh lebih bersih. Produk sampingannya secara alami bereaksi secara kimia dengan polutan dan mengubahnya menjadi bahan kimia yang berguna. Pendekatan ini lebih berkelanjutan dibandingkan baterai lithium-ion, yang sudah menimbulkan masalah tempat pembuangan akhir seiring usia mereka.

Kasus Penggunaan Dunia Nyata dan Garis Waktu Komersialisasi

Ada beberapa penggunaan untuk baterai sodium-udara. Baterai ini menyediakan kepadatan energi tinggi dengan biaya rendah. Desainnya yang ringan menjadikannya ideal untuk aplikasi truk komersial, mulai dari pengangkutan barang hingga kereta, kapal, dan penerbangan.

Penerbangan: Target Utama untuk Sel Bahan Bakar Sodium-Udara

Baterai sodium-udara dapat membantu memulai era Pesawat Listrik. Perangkat ini dapat menggunakan baki sel bahan bakar yang dapat diganti untuk membantu memberi tenaga pada perjalanan global dan lainnya. Para insinyur menggambarkan konsep di mana produk sampingan sel bahan bakar keluar dari pesawat melalui knalpot tradisionalnya, memungkinkan pesawat membersihkan udara saat terbang.

Garis Waktu dan Prospek Komersial

Para peneliti bersemangat untuk membawa teknologi ini ke sektor komersial secepat mungkin. Mereka telah mendirikan perusahaan bernama Propel Aero untuk membantu mengamankan pendanaan agar konsep ini dapat dipasarkan. Menurut para insinyur, tujuan mereka adalah memproduksi sel bahan bakar berukuran bata yang mampu menyediakan 1.000 watt-jam energi yang handal untuk drone komersial besar.

Peneliti Sel Bahan Bakar Sodium-Udara

Studi sel bahan bakar sodium-udara dipresentasikan oleh Karen Sugano, Sunil Mair, Saahir Ganti-Agrawal, Yet-Ming Chiang, Alden Friesen, Kailash Raman, William Woodford, Shashank Sripad, dan Venkatasubramanian Viswanathan. Proyek ini menerima dukungan keuangan dari Breakthrough Energy Ventures, National Science Foundation, dan ARPA-E.

Berinvestasi di Sektor Baterai

Ada perlombaan untuk menghadirkan baterai yang lebih baik bagi dunia, dan produsen terus melangkah maju dengan solusi baru. Dunia menjadi nirkabel, dan baterai menjadi penggantinya. Oleh karena itu, teknologi baterai telah menjadi salah satu teknologi inovatif tercepat. Berikut satu perusahaan yang memimpin langkah tersebut.

Enovix Corp.

Enovix Corp (ENVX ) masuk pasar pada tahun 2006 dan berkantor pusat di Fremont, California. Pendiri perusahaan, Harold Jones Rust III, Ashok Lahiri, dan Murali Ramasubramanian, ingin menciptakan baterai lithium-ion yang lebih efisien untuk memberi tenaga pada kendaraan listrik dan teknologi canggih lainnya. Sejak peluncurannya, Enovix tetap memiliki semangat pionir.