Strategi Antarmuka Baru Meningkatkan Aliran Ion dalam Baterai Solid-State

Baterai lithium-ion telah menjadi standar global. Saat ini, baterai ini merupakan jenis baterai yang paling populer dan paling banyak digunakan, dengan nilai pasar yang diperkirakan mencapai sekitar $ 65 miliar di 2023.

Namun, tentu saja, ada beberapa kekurangannya, termasuk sensitivitas suhu, masalah keamanan, dan masa pakai yang terbatas.

Untuk membuat baterai Li-ion lebih aman dan lebih bertenaga, elektrolit cair digantikan dengan elektrolit padat untuk menciptakan baterai solid-state, yang pasarnya diproyeksikan tumbuh pada CAGR sebesar 41.6% antara tahun 2024 dan 2032. 

Peralihan ke Baterai Solid-State (SSB)

Dalam baterai, elektrolit adalah bahan yang memungkinkan ion bergerak melalui perangkat untuk menghasilkan daya.

Jadi, baterai yang memiliki elektrolit padat adalah baterai solid-state, yang menyediakan kepadatan energi lebih tinggi, pengisian lebih cepat, ketahanan suhu, jangka waktu lebih lama, dan keamanan yang ditingkatkan.

Meskipun menjanjikan, SSB juga menghadapi beberapa tantangan, termasuk pembuatan yang rumit dan potensi masalah keamanan terkait pembentukan dendrit. Selain itu, SSB dapat mengalami delaminasi antarmuka, yang membatasi kinerja dan masa pakainya. Secara keseluruhan, keterbatasan ini menghambat adopsi SSB secara luas. 

Untuk mengatasi tantangan ini, para peneliti dan perusahaan di seluruh dunia secara aktif berupaya memajukan teknologi.

Misalnya saja Samsung SDI adalah penargetan kepadatan energi sebesar 900 Wh/L melalui elektrolit padat miliknya dan teknologi tanpa anoda, 40% lebih tinggi dari baterainya saat ini. 

Raksasa Cina CATL dan BYD juga membuat langkah signifikan dalam teknologi SSB, dengan yang pertama mengerjakan “baterai keadaan terkondensasi” hibrida dan yang terakhir meneliti elektrolit padat berbasis oksida dan sulfida, keduanya menargetkan kepadatan energi sebesar 500 Wh/kg.

Di UE, Volkswagen telah bermitra dengan QuantumScape (QS )Unit baterainya, PowerCo, juga telah mendapatkan kesepakatan lisensi untuk memproduksi massal sel solid-state dengan kapasitas awal 40 GWh per tahun, jangkauan 30% lebih jauh, dan pengisian daya sangat cepat.

Nissan berencana untuk memulai produksi massal sel solid-state pertamanya sebelum dekade ini berakhir, sementara LG menargetkan tahun 2030 untuk komersialisasi. Sementara itu, Solid Power telah bermitra dengan Ford (F ), BMW, dan SK Innovation untuk mempercepat komersialisasi teknologi baterai solid-state dengan fokus pada elektrolit padat berbasis sulfida untuk kendaraan listrik.

Awal bulan ini, perusahaan otomotif multinasional Jerman Mercedes-Benz Group AG (sebelumnya Daimler) meluncurkan mobil pertama yang menggunakan SSB berbahan bakar logam litium di jalan raya. Prototipe SSB diintegrasikan ke dalam EQS akhir tahun lalu.

SSB dalam kendaraan berbasis EQS dapat meningkatkan jarak tempuh hingga 25%, catat perusahaan tersebut.

Jadi, meski masih dalam proses, komersialisasi SSB masih beberapa tahun lagi. Sementara itu, tim peneliti dari University of Texas di Dallas telah menemukan cara untuk meningkatkan kinerja baterai solid-state.

Meningkatkan Konduktivitas Ionik dalam SSB

Diterbitkan dalam ACS Energy Letters, studi terbaru merinci penemuan konduktivitas ionik yang ditingkatkan¹ dengan mencampur elektrolit padat dengan padatan lain. 

Konduktivitas ionik yang meningkat ini disebabkan oleh pembentukan lapisan muatan ruang pada antarmuka, yang menyediakan strategi baru untuk mengembangkan konduktor ionik cepat untuk SSB. 'Lapisan muatan ruang', sebagai hasil dari pencampuran partikel kecil antara dua elektrolit padat, merupakan akumulasi muatan listrik pada antarmuka antara dua material.

Yang terjadi adalah ketika bahan elektrolit padat, yang terpisah, melakukan kontak fisik, lapisan terbentuk pada batasnya. Pada batas tersebut, partikel bermuatan terakumulasi karena perbedaan potensial kimia masing-masing bahan.

Lapisan tersebut kemudian membantu menciptakan jalur yang memudahkan partikel atau ion bermuatan ini bergerak melintasi antarmuka. Menurut penulis pendamping studi tersebut, Dr. Laisuo Su, yang merupakan asisten profesor ilmu material dan teknik di Sekolah Teknik dan Ilmu Komputer Erik Jonsson:

“Bayangkan mencampur dua bahan dalam sebuah resep dan secara tidak terduga mendapatkan hasil yang lebih baik daripada salah satu bahan saja.” 

Dia menambahkan:

“Efek ini meningkatkan pergerakan ion melampaui apa yang dapat dicapai oleh masing-masing material secara sendiri-sendiri,” tambahnya.

Penelitian Dr. Su difokuskan pada pengembangan material revolusioner untuk perangkat energi terbarukan dalam bidang baterai isi ulang. Selain memiliki minat khusus pada elektrolit, baik padat maupun cair, serta antarmuka elektrolit-elektroda, tempat terjadinya reaksi penting, ia tengah berupaya membangun perangkat canggih untuk memantau reaksi kimia dan elektrokimia yang terjadi pada peralatan energi terbarukan.

“Penemuan ini menyarankan cara baru untuk merancang elektrolit padat yang lebih baik dengan memilih secara cermat bahan-bahan yang berinteraksi dengan cara yang meningkatkan pergerakan ionik, yang berpotensi menghasilkan baterai solid-state dengan kinerja yang lebih baik.”

– Dokter Su

Sebagai bagian dari inisiatif Baterai dan Energi untuk Memajukan Komersialisasi dan Keamanan Nasional (BEACONS) UTD, yang menerima pendanaan sebesar $30 juta dari Departemen Pertahanan setelah diluncurkan pada tahun 2023, proyek ini bertujuan untuk mengembangkan dan mengomersialkan teknologi baterai baru dan proses manufaktur, meningkatkan ketersediaan bahan baku penting dalam negeri, dan melatih pekerja berkualitas tinggi untuk industri.

Menurut penulis pendamping studi tersebut, Dr. Kyeongjae Cho & yang juga seorang profesor ilmu dan teknik material serta direktur BEACONS:

“Teknologi baterai solid-state merupakan bagian dari penelitian kimia baterai generasi berikutnya di pusat BEACONS, dan diharapkan dapat memungkinkan sistem baterai canggih untuk meningkatkan kinerja drone untuk aplikasi pertahanan.”

Baterai litium-ion yang saat ini digunakan dalam produk konsumen terutama mengandung elektrolit cair, yang mudah terbakar dan karenanya menimbulkan masalah keselamatan.

Dengan baterai Li-ion konvensional yang mencapai batas teoritisnya mengenai seberapa banyak energi yang dapat disimpan, SSB, menurut Su, menunjukkan harapan untuk menghasilkan dan menyimpan daya lebih dari dua kali lipat dibandingkan baterai dengan elektrolit cair. Dan karena tidak mudah terbakar, SSB juga lebih aman.

Namun, memindahkan ion melalui bahan padat merupakan hal yang sulit, sehingga menimbulkan tantangan dalampengembangan baterai solid-state.

Oleh karena itu, para peneliti mempelajari kinerja dua senyawa elektrolit solid-state (SSE) yang menjanjikan. Senyawa ini meliputi litium zirkonium klorida (Li2ZrCl6) dan litium itrium klorida (Li3YCl6). 

Para peneliti kemudian mengajukan teori tentang mengapa pencampuran ini meningkatkan aktivitas ionik. "Antarmuka tersebut membentuk saluran unik untuk transportasi ion," kata Su.

Ke depannya, para peneliti akan terus mempelajari bagaimana komposisi serta struktur antarmuka menghasilkan konduktivitas ionik yang lebih besar.

Mengatasi Masalah Dendrit di SSB

Kebutuhan akan baterai dengan kepadatan energi yang lebih tinggi telah mendorong munculnya tim peneliti lain yang bekerja pada masalah dendrit yang kritis. Awalnya, dendrit dianggap tidak dapat menembus elektrolit padat. Namun, seperti halnya arsitektur baterai lainnya, dendrit juga menjadi masalah bagi baterai solid-state.

Sebuah tim insinyur dan ilmuwan material dari beberapa institusi di Tiongkok telah ditemukan² Kelelahan logam pada anoda merupakan salah satu alasan utama mengapa SSB gagal seiring berjalannya waktu. Hal ini juga berkontribusi terhadap degradasi antarmuka dan pertumbuhan dendrit. 

Kelompok ini menggunakan mikroskop elektron pemindaian dan simulasi medan fase untuk mempelajari pertumbuhan dendrit dalam SSB Litium.

Yang mereka temukan adalah bahwa selama pengisian dan pengisian ulang, pembengkakan dan kontraksi litium yang konstan menyebabkan kelelahan logam terjadi di anoda, yang mendorong pertumbuhan dendrit. Lebih khusus lagi, ekspansi dan kontraksi yang konstan ditemukan mengarah pada pengembangan rongga mikro dan retakan di anoda, yang menyebabkan pertumbuhan dan degradasi dendrit, bahkan pada kepadatan rendah.

Mengenai apa itu dendrit, ia merupakan struktur mirip pohon yang terbentuk karena reaksi kimia pada permukaan anoda.

Anoda dalam baterai mengalami proses pelapisan dan pelepasan litium selama siklus pengisian dan pengosongan. Dalam proses yang dapat dibalik ini, ion litium diendapkan pada permukaan anoda (pelapisan) dan dilepaskan (pengelupasan) darinya selama operasi siklus normal (pengisian & pengosongan) baterai.

Namun, pengendapan ion litium yang tidak seragam pada permukaan anoda cenderung menghasilkan tempat yang menarik lebih banyak ion litium, yang menyebabkan rantai ion litium bertambah panjang. Struktur seperti pohon tersebut kemudian menembus baterai, merusak struktur baterai dan menyebabkannya mengalami korsleting.

Pada SSB, terdapat area kontak yang besar antara logam litium dan elektrolit padat. Dan jika ada rongga yang muncul dalam elektrolit padat, logam litium akan segera mengisinya, yang menyebabkan pembentukan dendrit yang serius dan perambatan retakan yang dalam melalui elektrolit.

Jadi, Haegyeom Kim, seorang ilmuwan material di Lawrence Berkeley National Laboratory di California, diterbitkan³ solusi untuk masalah ini.

Studi mereka merinci penggunaan lapisan penyangga ganda timah-karbon pada pengumpul arus untuk mencegah pembentukan dendrit dalam baterai solid-state (ASSB) litium bebas anoda. Dalam arsitektur SSB ini, anoda tidak dibangun sebelumnya, melainkan dibentuk selama siklus pengisian pertama pada pengumpul arus oleh ion-li dari katoda untuk mengurangi kompleksitas, berat, dan biaya.

Makalah sebelumnya dari para peneliti di Samsung menunjukkan kemungkinan menggunakan lapisan perak dan karbon sebagai lapisan penyangga dalam baterai litium, menghasilkan siklus pelapisan dan pelepasan litium yang sangat stabil dan seragam.

Setelah mempelajari mengapa hal ini efektif, tim Kim menemukan bahwa perak bersifat sangat litofilik, dan ion-ion li berbaris secara seragam di atas lapisannya, bahkan ketika ada konsentrasi litium yang tinggi, membuat pelapisan litium sangat homogen selama pengendapan peraknya seragam. 

Namun, pemahaman mengenai peran karbon di sini menjadi dasar bagi penelitian baru, di mana tim memilih timah, yang bekerja lebih baik daripada perak yang mahal.

Untuk mengetahui peran karbon, tim tersebut merancang beberapa pengujian dan menggunakan empat sel setengah baterai yang berbeda. Satu dengan lapisan penyangga timah, satu tanpa lapisan penyangga, satu dengan timah di atas lapisan penyangga karbon, dan satu dengan karbon di atas lapisan penyangga timah.

Lapisan-lapisan tersebut diendapkan pada pengumpul arus baja tahan karat, dan lapisan penyangga dengan karbon di atas timah menunjukkan kinerja terbaik.

“Kami menyadari bahwa timah bertindak sebagai lapisan litofilik seperti perak, jadi posisi timah penting, karena di sanalah pelapisan terjadi.”

- Kim

Lapisan karbon ditemukan bersifat litofobik, yang berarti ion-li berjuang untuk bergerak melalui lapisan ini, dan lebih memilih untuk bergerak ke arah yang berlawanan. Menempatkannya pada kaleng mencegah migrasi litium dari lapisan pelapisan yang baru terbentuk pada kaleng dan menghentikan penetrasi dendrit ke dalam elektrolit.

Menurut Kim:

"Yang penting bukan hanya sifat intrinsik dari satu bahan saja. Cara kita menggabungkannya juga sangat penting, karena hal itu dapat mengubah sifat lapisan penghalang secara signifikan."

Tim kini tengah mengerjakan lapisan penyangga baru dengan kinerja yang lebih baik, menguji dalam siklus yang lebih lama, dan beralih ke sistem yang lebih praktis.

Menghilangkan Kekosongan untuk Meningkatkan Umur Panjang

Terobosan lain dalam membawa SSB selangkah lebih dekat ke aplikasi dunia nyata dibuat dengan memahami mengapa menambahkan sejumlah kecil logam seperti magnesium ke anoda meningkatkan kinerja baterai.

Meskipun hal ini sering dilakukan, tidak diketahui mengapa demikian hingga sekarang. 

Untuk ini, peneliti dari Universitas Houston mengamati semua yang terjadi di SSB menggunakan mikroskop elektron pemindaian operando untuk memahami mengapa mereka rusak dan apa yang dapat dilakukan untuk memperlambat proses tersebut.

"Penelitian ini memecahkan misteri lama tentang mengapa baterai solid-state terkadang rusak," kata penulis korespondensi Yan Yao, Profesor Teknik Elektro dan Komputer Terkemuka Hugh Roy dan Lillie Cranz Cullen serta peneliti utama di Texas Center for Superconductivity.

Mereka penemuan⁴, menurut Yao, memungkinkan SSB berfungsi di bawah tekanan yang lebih rendah. Hal ini berpotensi mengurangi kebutuhan akan casing eksternal yang besar dan meningkatkan keamanan secara keseluruhan.

Yang telah dipelajari adalah bahwa seiring waktu, rongga-rongga kecil terbentuk di dalam baterai dan membentuk celah besar, yang menyebabkan baterai rusak. Melakukan beberapa uji coba mengungkapkan bahwa hanya dengan menambahkan sejumlah kecil unsur seperti magnesium (Mg) dapat menutup rongga-rongga ini dan membantu baterai terus berfungsi.

“Hanya dengan sedikit penyesuaian pada kimia baterai, kami dapat meningkatkan kinerjanya secara drastis, terutama dalam kondisi praktis seperti tekanan rendah.”

– Penulis pertama Lihong Zhao, asisten profesor teknik listrik dan komputer di UH

SSB membutuhkan tekanan tumpukan eksternal yang tinggi agar tetap utuh saat beroperasi, tetapi seperti yang dicatat Zhao, "dengan menyesuaikan kimia baterai secara cermat, kami dapat menurunkan tekanan yang diperlukan untuk menjaganya tetap stabil secara signifikan."

Sementara itu, para peneliti dari Universitas Missouri menggunakan mikroskop transmisi elektron pemindaian empat dimensi (4D STEM) untuk menilai struktur atom baterai.

Mereka menemukan bahwa ketika elektrolit padat menyentuh katode, ia bereaksi dan membentuk lapisan antarmuka dengan ketebalan 100 nm yang menghalangi ion-li dan elektron bergerak dengan mudah, yang pada gilirannya membatasi kinerja baterai.

Tim peneliti kini berencana untuk menguji apakah bahan film tipis yang dibentuk oleh proses pengendapan fase uap (oMLD) dapat memberikan lapisan pelindung yang “cukup tipis untuk mencegah reaksi” di antara elektrolit padat dan bahan katode, “tetapi tidak terlalu tebal sehingga menghalangi aliran ion litium.”

Menggunakan AI untuk Membantu Penelitian & Pengembangan SSB

Dengan kecerdasan buatan mengubah industri, masuk akal jika para peneliti juga memanfaatkan bantuannya untuk memecahkan masalah penelitian dan pengembangan SSB, yang membutuhkan banyak sumber daya dan waktu.

Lingkungan kimia yang kompleks dari SSB sebenarnya membuat prediksi kinerja menjadi sulit dan menunda industrialisasi skala besar. 

Di sebuah belajar⁵ minggu lalu, para insinyur dari Universitas Soochow dan Universitas Nanjing, Tiongkok, menunjukkan potensi AI untuk memungkinkan penyaringan material dan prediksi kinerja yang efisien. Kemajuan terbaru dalam penggunaan algoritma pembelajaran mesin (ML), menurut catatan, dapat digunakan untuk menambang basis data material yang luas dan mempercepat penemuan material berkinerja tinggi yang cocok untuk SSB.

Perkembangan teknologi AI yang pesat, sebagaimana disebutkan dalam penelitian, memberikan ide-ide baru untuk mengatasi tantangan utama dengan SSB, yaitu antarmuka anoda, antarmuka katoda, sintesis dan penemuan elektrolit, serta pembuatan baterai.

Para peneliti dari Skoltech dan Institut AIRI juga memanfaatkan jaringan saraf dan menemukan bahwa mereka mampu mengidentifikasi bahan yang menjanjikan untuk elektrolit padat serta lapisan pelindungnya.

"Kami menunjukkan bahwa jaringan saraf grafik dapat mengidentifikasi bahan baterai solid-state baru dengan mobilitas ionik tinggi dan melakukannya beberapa kali lebih cepat daripada metode kimia kuantum tradisional," yang berpotensi mempercepat pengembangan bahan baterai baru, kata penulis utama, Artem Dembitskiy.

Dengan menggunakan pendekatan yang dipercepat pembelajaran mesin, para peneliti mengidentifikasi senyawa Li3AlF6 dan Li2ZnCl4 sebagai bahan pelapis yang menjanjikan untuk konduktor litium superionik Li10GeP2S12.

Berinvestasi dalam teknologi SSB

Ketika hendak berinvestasi pada perusahaan yang secara aktif mengembangkan teknologi baterai solid-state, Toyota (TM ) menawarkan potensi yang solid. 

Produsen mobil yang berbasis di Jepang ini telah bermitra dengan Panasonic untuk bentuk usaha patungan bernama Prime Planet Energy & Solutions, yang berfokus pada elektrolit padat berbasis sulfida. Perusahaan berencana untuk memulai produksi tahun depan, dengan produksi massal diperkirakan tidak akan terjadi hingga tahun 2030, menargetkan jangkauan 1,000 km, pengisian cepat 10 menit, dan target kapasitas tahunan sebesar 9 GWh.

Perusahaan ini juga bermitra dengan Idemitsu Kosan untuk memproduksi elektrolit berbasis sulfida secara massal pada tahun 2027–2028.

Toyota Motor Corp (TM )

Percobaan Toyota dengan baterai solid-state dimulai hampir dua dekade lalu dengan pembentukan Divisi Penelitian Baterai, yang tujuannya adalah untuk mengembangkan baterai generasi berikutnya untuk kendaraan hibrida dan listrik.

Terkait kinerja pasar Toyota Motors, perusahaan ini cukup kuat, dengan sahamnya saat ini diperdagangkan pada harga $183.60. Meskipun turun 4.87% YTD, sahamnya naik lebih dari 17% sejak titik terendahnya di bulan April. Tahun lalu, pada bulan Maret, harga saham perusahaan telah melampaui $255 dan mencapai titik tertinggi baru.

Dengan demikian, kapitalisasi pasar Toyota mencapai $292.4 miliar, EPS (TTM) sebesar 24.01, dan P/E (TTM) sebesar 7.71. Toyota bahkan menawarkan imbal hasil dividen yang menarik sebesar 3.27%.

Hasil keuangan perusahaan untuk Q1 2025 menunjukkan Pendapatan bersihnya meningkat 6.5% menjadi $314 miliar, sementara laba operasi menurun lebih dari 15% menjadi $31.3 miliar. Selama periode ini, perusahaan menjual total sekitar 9,362,000 unit. Meskipun penjualan menurun 81,000 unit pada kuartal tersebut, Toyota masih menjadi merek terlaris. 

Hal ini terjadi setelah Toyota menjual 10.8 juta kendaraan pada tahun 2024 dan menjadi produsen mobil terbesar di dunia. terlaris produsen mobil untuk tahun kelima berturut-turut.

Berita dan Perkembangan Saham Toyota Motor Corp. (TM) Terbaru

Klik di sini untuk daftar lima stok baterai solid-state terbaik.

Kesimpulan: Masa Depan Baterai Solid-State

Baterai solid-state menjanjikan banyak manfaat dibandingkan baterai litium yang banyak digunakan. Meskipun baterai solid-state menawarkan keamanan, kepadatan energi, dan umur pakai yang lebih baik, tantangan seperti delaminasi antarmuka dan pembentukan dendrit masih menghambat adopsi massal baterai solid-state. 

Di sini, penemuan terbaru bahwa pencampuran elektrolit padat tertentu menciptakan "lapisan muatan ruang", yang meningkatkan mobilitas ion, merupakan arah baru yang menjanjikan. Melalui terobosan tersebut, bersama dengan eksperimen terus-menerus oleh perusahaan, SSB akhirnya dapat dibuat layak untuk penggunaan di dunia nyata pada perangkat seluler dan kendaraan listrik.

Klik di sini untuk mempelajari terobosan yang membuat baterai solid-state selangkah lebih dekat dengan kenyataan.

Studi yang dirujuk:

<sup>1. Wang, B., Limon, MSR, Zhou, Y., Cho, K., Ahmad, Z., & Su, L. (2025). 1 + 1 > 2 Efek yang disebabkan oleh muatan ruang dalam elektrolit padat. Surat Energi ACS, 10 (3), 1255 – 1257. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398
2. Wang, T., Chen, B., Liu, Y., Song, Z., Wang, Z., Chen, Y., Yu, Q., Wen, J., Dai, Y., Kang, Q., Pei, F., Xu, R., Luo, W., & Huang, Y. (2025). Kelelahan anoda logam Li dalam baterai solid-state. Ilmu, 388 (6744), 311 – 316. https://doi.org/10.1126/science.adq6807
3. Avvaru, VS, Ogunfunmi, T., Jeong, S., Diallo, MS, Watt, J., Scott, MC, & Kim, H. (2025). Lapisan penyangga ganda timah-karbon untuk menekan pertumbuhan dendrit litium dalam baterai solid-state. ACS Nano, 19 (18), 17347 – 17356. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16271
4. Zhao, L., Feng, M., Wu, C. et al. Mencitrakan evolusi antarmuka litium-elektrolit padat menggunakan mikroskop elektron pemindaian operando. Nat Commun 16, 4283 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59567-8
5. Wang, S., Liu, J., Song, X. et al. Kecerdasan Buatan Memberdayakan Baterai Solid-State untuk Penyaringan Material dan Evaluasi Kinerja. Nano-Mikro Lett. 17, 287 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-025-01797-y</sup>