Strategi Antarmuka Baru Meningkatkan Aliran Ion dalam Baterai Solid-State

Baterai litium-ion telah menjadi standar global. Saat ini, ia adalah jenis baterai yang paling populer dan paling banyak digunakan, dengan ukuran pasar diperkirakan bernilai sekitar $65 billion pada tahun 2023.

Namun, tentu saja, mereka tidak tanpa kekurangan, termasuk sensitivitas suhu, masalah keamanan, dan umur pakai yang terbatas.

Untuk membuat baterai Li-ion lebih aman dan lebih kuat, elektrolit cair digantikan dengan yang padat untuk menciptakan baterai solid-state, yang pasar diproyeksikan akan tumbuh dengan CAGR 41,6% antara 2024 dan 2032. 

Peralihan ke Baterai Solid-State (SSBs)

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

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

Meskipun menjanjikan, SSB juga menghadapi beberapa tantangan, termasuk manufaktur yang kompleks dan potensi masalah keamanan terkait pembentukan dendrit. Selain itu, mereka dapat mengalami delaminasi antarmuka, yang membatasi kinerja dan umur pakainya. Bersama-sama, keterbatasan ini menghambat adopsi luas SSB. 

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

Misalnya, Samsung SDI menargetkan kepadatan energi 900 Wh/L melalui elektrolit padat milik mereka dan teknologi tanpa anoda, 40 % lebih tinggi daripada baterai mereka saat ini. 

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

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

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

Awal bulan ini, perusahaan otomotif multinasional Jerman Mercedes‑Benz Group AG (sebelumnya Daimler) meluncurkan mobil pertama yang digerakkan oleh SSB logam litium di jalan. Prototipe SSB tersebut diintegrasikan ke dalam EQS akhir tahun lalu.

SSB dalam kendaraan berbasis EQS dapat meningkatkan jangkauan mengemudi sebesar 25 %, catat perusahaan.

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

Meningkatkan Konduktivitas Ionik dalam SSBs

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

Konduktivitas ionik yang meningkat ini disebabkan oleh pembentukan lapisan muatan ruang di antarmuka, memberikan strategi baru untuk mengembangkan konduktor ionik cepat bagi SSB. ‘Lapisan muatan ruang’, sebagai hasil pencampuran partikel kecil antara dua elektrolit padat, adalah akumulasi muatan listrik di antarmuka antara dua material.

Apa yang terjadi adalah ketika material elektrolit padat yang terpisah membuat kontak fisik, sebuah lapisan terbentuk di batas mereka. Di batas tersebut, partikel bermuatan terakumulasi karena perbedaan potensial kimia masing‑masing material.

Lapisan tersebut kemudian membantu menciptakan jalur yang memudahkan partikel bermuatan atau ion bergerak melintasi antarmuka. Menurut penulis ko‑korespondensi studi, Dr. Laisuo Su, yang merupakan asisten profesor ilmu material dan teknik di Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science:

“Bayangkan mencampur dua bahan dalam resep dan secara tak terduga mendapatkan hasil yang lebih baik daripada masing‑masing bahan saja.” 

Dia menambahkan:

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

Penelitian Dr. Su berfokus pada pengembangan material revolusioner untuk perangkat energi terbarukan di bidang baterai isi ulang. Selain memiliki minat khusus pada elektrolit, baik padat maupun cair, serta antarmuka elektrolit‑elektroda, tempat reaksi penting terjadi, ia sedang mengerjakan pembuatan alat canggih untuk memantau reaksi kimia dan elektrokimia yang terjadi dalam peralatan energi terbarukan.

“Penemuan ini menunjukkan cara baru merancang elektrolit padat yang lebih baik dengan memilih material yang berinteraksi sehingga meningkatkan pergerakan ion, berpotensi menghasilkan baterai solid-state dengan kinerja lebih baik.”

– Dr. Su

Sebagai bagian dari inisiatif Batteries and Energy to Advance Commercialization and National Security (BEACONS) milik UTD, yang menerima pendanaan $30 juta dari Departemen Pertahanan saat peluncuran pada 2023, proyek ini bertujuan mengembangkan dan mengomersialkan teknologi baterai baru serta proses manufaktur, meningkatkan ketersediaan domestik bahan baku kritis, dan melatih pekerja berkualitas tinggi untuk industri.

Menurut penulis ko‑korespondensi studi, Dr. Kyeongjae Cho & yang juga merupakan profesor ilmu material dan teknik serta direktur BEACONS:

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

Baterai litium-ion yang saat ini digunakan dalam produk konsumen terutama menggunakan elektrolit cair, yang mudah terbakar dan oleh karena itu menimbulkan masalah keamanan.

Dengan baterai Li‑ion konvensional mencapai batas teoretis berapa banyak energi yang dapat mereka simpan, SSB, menurut Su, menunjukkan janji untuk menghasilkan dan menyimpan lebih dari dua kali lipat daya dibandingkan baterai dengan elektrolit cair. Dan karena tidak mudah terbakar, mereka juga lebih aman.

Memindahkan ion melalui material padat, bagaimanapun, sulit, yang menciptakan tantangan dalam pengembangan baterai solid-state.

Jadi, peneliti mempelajari kinerja dua senyawa elektrolit solid-state (SSE) yang menjanjikan. Ini termasuk lithium zirconium chloride (Li2ZrCl6) dan lithium yttrium chloride (Li3YCl6). 

Para peneliti kemudian mengusulkan teori mengapa pencampuran ini meningkatkan aktivitas ionik. “Antarmuka membentuk saluran unik untuk transportasi ion,” kata Su.

Ke depan, peneliti akan terus mempelajari bagaimana komposisi serta struktur antarmuka menghasilkan konduktivitas ionik yang lebih tinggi.

Mengatasi Masalah Dendrit dalam SSBs

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

Tim insinyur dan ilmuwan material dari beberapa institusi di China telah menemukan² bahwa kelelahan logam pada anoda adalah salah satu alasan utama mengapa SSB gagal seiring waktu. Hal ini juga berkontribusi pada degradasi antarmuka dan pertumbuhan dendrit. 

Kelompok tersebut menggunakan pemindaian mikroskop elektron (SEM) dan simulasi fase‑field untuk mempelajari pertumbuhan dendrit pada SSB litium.

Apa yang mereka temukan adalah bahwa selama pengisian dan pengisian ulang, pembengkakan dan kontraksi terus‑menerus pada litium menyebabkan kelelahan logam terjadi pada anoda, yang mempromosikan pertumbuhan dendrit. Lebih spesifik, ekspansi dan kontraksi konstan ditemukan menyebabkan pembentukan mikro‑kekosongan dan retakan pada anoda, yang mengarah pada pertumbuhan dendrit dan degradasi, bahkan pada kepadatan rendah.

Mengenai apa itu dendrit, ia adalah struktur menyerupai pohon yang terbentuk akibat reaksi kimia pada permukaan anoda.

Anoda dalam baterai mengalami proses pelapisan (plating) dan pengelupasan (stripping) litium selama siklus pengisian dan pengosongan. Dalam proses reversibel ini, ion litium didepositkan pada permukaan anoda (plating) dan dihilangkan (stripping) darinya selama operasi siklus normal (pengisian & pengosongan) baterai.

Deposisi tidak merata ion li pada permukaan anoda cenderung menghasilkan situs yang menarik lebih banyak ion li, yang menyebabkan rantai ion litium tumbuh lebih panjang. Struktur menyerupai pohon kemudian menembus baterai, merusak struktur baterai dan menyebabkan hubung singkat.

Dalam SSB, terdapat area kontak besar antara logam litium dan elektrolit padat. Dan jika ada kekosongan muncul di elektrolit padat, logam litium dengan cepat mengisinya, menyebabkan pembentukan dendrit serius dan propagasi retakan dalam elektrolit.

Jadi, Haegyeom Kim, ilmuwan staf material di Lawrence Berkeley National Laboratory, California, mempublikasikan³ solusi untuk masalah ini.

Studi mereka merinci penggunaan lapisan penyangga ganda timah‑karbon pada kolektor arus untuk mencegah pembentukan dendrit pada litium, baterai semua‑solid‑state tanpa anoda (ASSBs). Dalam arsitektur SSB ini, anoda tidak dibangun sebelumnya, melainkan terbentuk selama siklus pengisian pertama pada kolektor arus oleh ion li dari katoda untuk mengurangi kompleksitas, berat, dan biaya.

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

Setelah mempelajari mengapa ini efektif, tim Kim menemukan bahwa perak sangat litofilik, dan ion li berbaris secara seragam di atas lapisannya, bahkan ketika terdapat konsentrasi tinggi litium, membuat pelapisan litium sangat homogen selama deposit perak seragam. 

Memahami peran karbon di sini, bagaimanapun, menjadi dasar bagi pekerjaan baru, di mana tim memilih timah, yang bekerja lebih baik daripada perak yang mahal.

Untuk mengetahui peran karbon, tim merancang beberapa pengujian dan menggunakan empat sel setengah baterai 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 kolektor arus stainless‑steel, dan lapisan penyangga dengan karbon di atas timah menunjukkan kinerja terbaik.

“Kami menyadari bahwa timah berfungsi sebagai lapisan litofilik seperti perak, jadi penempatan timah penting, karena di situlah pelapisan terjadi.”

– Kim

Lapisan karbon ditemukan litofobik, yang berarti ion li kesulitan bergerak melalui lapisan ini, lebih memilih arah sebaliknya. Menempatkannya di atas timah mencegah migrasi litium dari lapisan pelapisan baru yang dikembangkan pada timah dan menghentikan penetrasi dendrit ke dalam elektrolit.

Menurut Kim:

“Bukan hanya tentang sifat intrinsik satu material. Cara kami menggabungkannya sangat penting, karena itu dapat secara signifikan mengubah sifat lapisan penghalang.”

Tim kini bekerja pada lapisan penyangga baru dengan kinerja lebih baik, menguji siklus yang lebih panjang, dan beralih ke sistem yang lebih praktis.

Menghilangkan Kekosongan untuk Meningkatkan Umur Pakai

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

Meskipun ini sering dilakukan, belum diketahui mengapa hal itu terjadi sampai sekarang. 

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

“Penelitian ini menyelesaikan misteri lama tentang mengapa baterai solid-state kadang‑kadang gagal,” kata penulis korespondensi Yan Yao, Hugh Roy and Lillie Cranz Cullen Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering dan peneliti utama di Texas Center for Superconductivity.

Penemuan mereka, menurut Yao, memungkinkan SSB berfungsi pada tekanan lebih rendah. Hal ini berpotensi mengurangi kebutuhan akan casing eksternal yang besar dan meningkatkan keselamatan secara keseluruhan.

Apa yang dipelajari adalah bahwa seiring waktu, kekosongan kecil terbentuk di dalam baterai menjadi celah besar, yang menyebabkan baterai gagal. Melakukan beberapa percobaan mengungkapkan bahwa hanya dengan menambahkan sejumlah kecil elemen seperti magnesium (Mg) dapat menutup ruang‑ruang ini dan membantu baterai terus berfungsi.

“Dengan sedikit penyesuaian pada kimia baterai, kita dapat secara dramatis meningkatkan kinerjanya, terutama dalam kondisi praktis seperti tekanan rendah.”

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

SSB memerlukan tekanan tumpukan eksternal tinggi agar tetap utuh saat beroperasi, tetapi seperti yang dicatat Zhao, “dengan menyesuaikan kimia baterai secara hati‑hati, kita dapat secara signifikan menurunkan tekanan yang diperlukan untuk menjaga kestabilannya.”

Peneliti dari University of Missouri, sementara itu, menggunakan mikroskop transmisi elektron pemindaian empat dimensi (4D STEM) untuk menilai struktur atomik baterai.

Apa yang mereka temukan adalah ketika elektrolit padat menyentuh katoda, ia bereaksi dan membentuk lapisan interfase setebal 100 nm, yang menghalangi ion li dan elektron bergerak dengan mudah, sehingga membatasi kinerja baterai.

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

Menggunakan AI untuk Membantu Penelitian & Pengembangan SSB

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

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

Dalam studi⁵ minggu lalu, insinyur dari Soochow University dan Nanjing University, China, menyoroti potensi AI untuk memungkinkan penyaringan material yang efisien dan prediksi kinerja. Kemajuan terbaru dalam penggunaan algoritma pembelajaran mesin (ML), dicatat, dapat digunakan untuk menambang basis data material yang luas dan mempercepat penemuan material berperforma tinggi yang cocok untuk SSB.

Perkembangan cepat teknologi AI, menurut studi tersebut, memberikan ide‑ide baru untuk mengatasi tantangan utama pada SSB, yaitu antarmuka anoda, antarmuka katoda, sintesis dan penemuan elektrolit, serta manufaktur baterai.

Peneliti dari Skoltech dan Institut AIRI juga memanfaatkan jaringan saraf dan menemukan bahwa mereka mampu mengidentifikasi material menjanjikan untuk elektrolit padat serta lapisan pelindungnya.

“Kami menunjukkan bahwa jaringan saraf graf dapat mengidentifikasi material baterai solid-state baru dengan mobilitas ionik tinggi dan melakukannya jauh lebih cepat dibandingkan metode kimia kuantum tradisional,” potensi mempercepat pengembangan material baterai baru, kata penulis utama, Artem Dembitskiy.

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

Berinvestasi dalam Teknologi SSB

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

Produsen mobil berbasis Jepang ini telah bermitra dengan Panasonic untuk membentuk usaha patungan bernama Prime Planet Energy & Solutions, yang berfokus pada elektrolit padat berbasis sulfida. Perusahaan berencana memulai produksi tahun depan, dengan produksi massal diperkirakan baru pada 2030, menargetkan jangkauan 1.000 km, pengisian cepat 10 menit, dan tujuan kapasitas tahunan 9 GWh.

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

Toyota Motor Corp (TM )

Hubungan Toyota dengan baterai solid-state dimulai hampir dua dekade lalu dengan pendirian Divisi Riset Baterai, yang bertujuan mengembangkan baterai generasi berikutnya untuk kendaraan hibrida dan listrik.

Mengenai kinerja pasar Toyota Motors, sahamnya cukup kuat, dengan harga saat ini $183.60. Meskipun turun 4,87 % YTD, sahamnya naik lebih dari 17 % sejak terendah pada April. Pada tahun lalu, pada bulan Maret, harga saham perusahaan melampaui $255 mencapai puncak baru.

Dengan kapitalisasi pasar $292,4 miliar, EPS (TTM) Toyota adalah 24,01, dan P/E (TTM) adalah 7,71. Bahkan menawarkan dividen menarik sebesar 3,27 %.

Hasil keuangan perusahaan untuk Q1 2025 menunjukkan pendapatan bersih meningkat 6,5 % menjadi $314 miliar, sementara laba operasi turun lebih dari 15 % menjadi $31,3 miliar. Selama periode ini, perusahaan menjual total sekitar 9.362.000 unit. Meskipun penjualan turun 81.000 unit pada kuartal tersebut, Toyota tetap menjadi merek terlaris. 

Hal ini terjadi setelah Toyota menjual 10,8 juta kendaraan pada 2024 untuk menjadi produsen mobil terlaris dunia untuk tahun kelima berturut‑turut.

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

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

Kesimpulan: Masa Depan Baterai Solid-State

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

Di sini, penemuan terbaru bahwa mencampur elektrolit padat tertentu menciptakan “lapisan muatan ruang,” yang meningkatkan mobilitas ion, merupakan arah baru yang menjanjikan. Melalui terobosan semacam ini, bersama dengan eksperimen konstan oleh perusahaan, SSB akhirnya dapat menjadi layak untuk penggunaan dunia nyata pada perangkat seluler dan EV.

Klik di sini untuk mempelajari tentang terobosan yang membuat baterai solid-state selangkah lebih dekat ke realitas.

Studi yang Dirujuk:

<sup>1. Wang, B., Limon, M. S. R., Zhou, Y., Cho, K., Ahmad, Z., & Su, L. (2025). 1 + 1 > 2 Effect induced by space charge in solid electrolytes. ACS Energy Letters, 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). Fatigue of Li metal anode in solid-state batteries. Science, 388(6744), 311–316. https://doi.org/10.1126/science.adq6807
3. Avvaru, V. S., Ogunfunmi, T., Jeong, S., Diallo, M. S., Watt, J., Scott, M. C., & Kim, H. (2025). Tin–carbon dual buffer layer to suppress lithium dendrite growth in all-solid-state batteries. ACS Nano, 19(18), 17347–17356. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16271
4. Zhao, L., Feng, M., Wu, C. et al. Imaging the evolution of lithium-solid electrolyte interface using operando scanning electron microscopy. Nat Commun 16, 4283 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59567-8
5. Wang, S., Liu, J., Song, X. et al. Artificial Intelligence Empowers Solid-State Batteries for Material Screening and Performance Evaluation. Nano-Micro Lett. 17, 287 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-025-01797-y</sup>