Baterai Padat Sodium & Hidrogen Menantang Lithium

Melampaui Lithium-Ion

Dengan elektrifikasi semua bentuk transportasi, dimulai dari mobil, dan segera mencakup truk, kapal, serta mungkin pesawat, penyimpanan baterai telah menjadi teknologi kunci dekade ini.

Pada awalnya didominasi oleh teknologi lithium-ion, berkat pengalaman memproduksinya untuk elektronik kecil, serta sifat listrik inheren litium.

Namun, teknologi lithium-ion menghadirkan beberapa masalah utama yang dapat membatasi adopsinya:

• Biayanya lebih tinggi dan lebih langka dibandingkan logam lain, berpotensi membatasi penerapannya pada baterai berkapasitas sangat tinggi atau produk premium.
• Ia cenderung membentuk dendrit logam yang dapat menyebabkan kegagalan katastrofik dan kebakaran baterai.
• Ia beroperasi buruk pada suhu beku, menjadikannya tidak cocok untuk iklim dingin dan penyimpanan tetap di wilayah bersuhu rendah.

Untuk semua alasan ini, ilmuwan dan produsen baterai telah mengeksplorasi kimia alternatif. Salah satunya adalah penggunaan natrium, salah satu komponen garam laut yang sangat melimpah & murah.

Baterai natrium-ion kini hampir mencapai tahap produksi massal, dengan perusahaan CATL (300750.SZ) memimpin dalam bidang tersebut.

“Bukan soal natrium versus litium. Kita membutuhkan keduanya. Ketika kita memikirkan solusi penyimpanan energi masa depan, kita harus membayangkan pabrik giga yang sama dapat memproduksi produk berbasis kimia litium maupun natrium,”

Shirley Meng– Profesor Teknik Molekuler di UChicago PME. 

Namun, baik baterai lithium-ion maupun natrium-ion diperkirakan menjadi batu loncatan menuju bentuk teknologi baterai yang lebih unggul: baterai padat.

Pada awalnya berfokus pada litium, teknologi padat kini berkembang ke arah baru. Misalnya, kami sebelumnya membahas kemungkinan baterai padat bebas anoda berbasis natrium.

Studi baru mengungkapkan bahwa bentuk metastabil elektrolit padat natrium dapat digunakan untuk menciptakan baterai padat natrium yang tidak hanya lebih padat energi tetapi juga mempertahankan kinerja bahkan pada suhu di bawah nol.

Karya ini dilakukan oleh ilmuwan di University of California, University of Chicago, dan National Taiwan University of Science and Technology, dan dipublikasikan dalam jurnal Joule¹ dengan judul “Metastable sodium closo-hydridoborates for all-solid-state batteries with thick cathodes”.

Tantangan Elektrolit Padat

Dalam baterai “normal”, katoda dan anoda dipisahkan oleh elektrolit cair. Elektrolit ini sangat berguna, tetapi juga sangat berat, dan menjadi penyebab utama kebakaran pada baterai yang rusak.

Inilah mengapa menggantinya dengan lapisan material padat membuat baterai tidak hanya jauh lebih padat, tetapi juga lebih aman. Namun, menjaga elektrolit padat ini tetap stabil dan tidak mengembang saat pengisian atau pengosongan (menyebabkan retak) telah menjadi masalah.

Elektrolit padat natrium memiliki masalah tambahan, karena menunjukkan konduktivitas ionik pada suhu ruang yang terbatas.

Alternatifnya dapat menggunakan material seperti natrium hidridoborate, yang dikenal memiliki konduktivitas ionik sangat tinggi. Namun untuk itu, bentuk metastabilnya harus dipertahankan dalam baterai pada skala besar.

“Struktur metastabil natrium hidridoborate ini memiliki konduktivitas ionik sangat tinggi, setidaknya satu orde magnitudo lebih tinggi daripada yang dilaporkan dalam literatur, dan tiga hingga empat orde magnitudo lebih tinggi daripada prekursor itu sendiri.”

Shirley Meng– Profesor Teknik Molekuler di UChicago PME. 

Menstabilkan Elektrolit Padat Natrium

Saat memproduksi baterai dengan natrium hidridoborate, material cenderung bergerak menuju struktur stabil saat pendinginan, memisahkan molekul NaBH4 dari Na2B12H12.

Bentuk metastabil ada pada suhu tinggi, mencampur kedua kristal, memungkinkan pergerakan natrium dalam baterai jauh lebih cepat, menghasilkan kapasitas listrik yang lebih kuat.

Sumber: Joule

Ketika didinginkan dengan cepat, material tetap dalam bentuk metastabil, kristalnya mempertahankan struktur, alih-alih kembali ke bentuk stabil. Pendinginan cepat semacam ini, yang juga disebut quenching, merupakan metode kunci yang digunakan dalam manufaktur, terutama dalam metalurgi untuk baja dan logam lainnya.

Sumber: Joule

Teknik Dikenal untuk Skalabilitas

Sudah diketahui bahwa untuk menstabilkan struktur kimia, quenching (pendinginan cepat) sering menjadi metode yang berguna. Namun, hal ini belum pernah dibuktikan pada elektrolit padat hingga kini.

Fakta bahwa ini merupakan praktik yang umum diterima dapat sangat membantu dalam membuat teknik ini dapat diskalakan dan diadopsi oleh produsen baterai.

“Karena teknik ini sudah mapan, kami lebih mampu meningkatkan skala di masa depan.

Jika Anda mengusulkan sesuatu yang baru atau ada kebutuhan untuk mengubah atau menetapkan proses, maka industri akan lebih enggan menerimanya.”

Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.

Elektroda Tebal & Suhu Dingin

Sebagian besar desain padat berusaha merancang katoda ultra-tipis untuk memaksimalkan permukaan kontak dan membatasi jumlah material “mati” yang tidak menyimpan energi.

Quenching menyelesaikan masalah ini dengan menciptakan pori permanen tempat ion natrium dapat bersirkulasi.

“Menggabungkan fase metastabil dengan katoda tipe O3 yang telah dilapisi dengan elektrolit padat berbasis klorida dapat menciptakan katoda tebal dengan muatan areal tinggi yang menempatkan desain baru ini di atas baterai natrium sebelumnya.”

Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.

Ini menciptakan potensi desain menarik, karena membuat elektroda lebih tebal seharusnya, dalam kasus spesifik ini, meningkatkan baterai, bukan memperburuknya.

“Semakin tebal katoda, semakin tinggi kepadatan energi teoretis baterai – jumlah energi yang tersimpan dalam area tertentu – meningkat,”

Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.

Saat menguji katoda, peneliti menemukan bahwa kinerja tetap pada suhu ruang bahkan di bawah titik beku – keunggulan signifikan untuk operasi iklim dingin dibandingkan dengan Li-ion elektrolit cair konvensional – meskipun keunggulan sistem secara keseluruhan dibandingkan Li-ion komersial belum terbukti.

Hidrogen Sebagai Pembawa Muatan

Saat membahas hidrogen dalam kaitannya dengan transportasi dan energi hijau, biasanya yang dimaksud adalah dihidrogen (H2) dan pembakarannya atau oksidasinya dalam mesin khusus atau sel bahan bakar.

Tetapi hidrogen berpotensi menjadi komponen kunci baterai di masa depan, menggantikan litium atau natrium. Dalam hal ini, hidrid (H-) yang digunakan.

Karena hidrogen adalah unsur paling melimpah di alam semesta, hal ini dapat membuatnya sangat berguna bagi dunia yang berupaya menjadi sepenuhnya terelektrifikasi dan berjalan dengan energi hijau serta baterai.

Peneliti Tiongkok di University of Chinese Academy of Sciences, University of Science and Technology of China (USTC), Jilin University, dan Laboratorium Kunci Negara Republik Rakyat Tiongkok untuk Katalisis mengungkapkan dalam tinjauan ilmiah bergengsi Nature² konsep baterai ion hidrid padat, dengan judul “A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery”.

Ion Hidrid

Baterai menggunakan pembawa muatan negatif untuk mengalirkan elektron antara anoda dan katoda. Secara teori, ion hidrid (H−) lebih energik, lebih dapat dipolarisasi, dan lebih reaktif daripada kation seperti litium atau natrium.

Hidrogen juga merupakan atom terkecil, menjadikannya sangat ringan, poin penting untuk baterai yang digunakan dalam transportasi.

Namun, meskipun keunggulan yang sudah dikenal ini, ion hidrid belum dipakai dalam baterai karena belum ada elektrolit yang dapat menyediakan kombinasi pergerakan ion cepat, stabilitas termal, dan kompatibilitas elektroda yang dibutuhkan sistem tersebut.

Menggabungkan Konduktivitas dengan Stabilitas

Peneliti mensintesis komposit inti‑cangkang hidrid baru, 3CeH₃@BaH₂, di mana lapisan tipis BaH₂ membungkus CeH₃. Struktur ini memanfaatkan konduktivitas ion hidrid tinggi dari CeH₃ dan stabilitas BaH₂.

Dengan menggunakan komposit cangkang ini sebagai blok bangunan, peneliti menciptakan prototipe semua‑padat hidrid ion CeH₂|3CeH₃@BaH₂|NaAlH₄. NaAlH₄, material penyimpanan hidrogen klasik, digunakan sebagai komponen aktif katoda.

Menghilangkan Dendrit Selamanya?

Selain kapasitas energi tinggi, ion hidrid memiliki keunggulan utama lain: tidak seperti kation logam, mereka tidak dapat berasosiasi satu sama lain membentuk dendrit, penyebab utama kegagalan baterai setelah terlalu banyak siklus pengisian‑pengosongan, yang menyebabkan hubung singkat dan kebakaran.

Jadi ini dapat menjadi jalan bagi penyimpanan energi yang aman, efisien, dan berkelanjutan.

Namun, teknologi ini jauh kurang matang dibandingkan baterai litium atau bahkan natrium, dengan kebutuhan kemajuan pada daya tahan desain ini.

Saat ini, peneliti berhasil menciptakan kepadatan energi tinggi 984 mAh/g pada suhu ruang. Tetapi kapasitas baterai menurun menjadi 402 mAh/g setelah hanya 20 siklus.

Masa Depan Baterai Padat

Untuk jangka pendek, baterai berbasis teknologi lithium-ion kemungkinan akan tetap menjadi dasar energi hijau dan kendaraan listrik.

Namun, dalam jangka menengah, baterai padat atau natrium (dan natrium padat) dapat menggantikan dominasi lithium-ion, terutama jika mereka berhasil menawarkan kepadatan energi yang cukup tinggi dengan harga lebih rendah.

Pengisian cepat baterai padat juga dapat menjadi argumen bagi pengemudi yang enggan beralih ke kendaraan listrik atau aplikasi komersial.

Daya tahan dan toleransi terhadap suhu dingin juga akan menjadi faktor dalam persamaan, dengan kemungkinan beragam kimia baterai paralel yang akan hidup berdampingan sepanjang 2030‑an, dengan beberapa baterai khusus untuk EV di iklim dingin.

Anda dapat membaca lebih lanjut tentang topik ini dalam artikel berikut:

• • “Baterai Ultra‑Tahan: Mengapa Teknologi Generasi Berikutnya Akan Bertahan Puluhan Tahun, Bukan Hanya Beberapa Tahun”
  • “Baterai Honeycomb Berpotensi Mengungguli Baterai Padat”
  • “Masa Depan Mobilitas – Teknologi Baterai”

Geser untuk menggulir →

Perusahaan Baterai Padat

QuantumScape

Sejak didirikan pada tahun 2010, QuantumScape (QS ) asal California telah menjadi startup menonjol di bidang baterai padat, terkenal karena masuk ke bidang ini lebih awal, serta independensinya dari produsen baterai besar yang juga mengejar teknologi padat, seperti CATL (300750.SZ), Samsung, atau LG Energy Solution (373220.KS).

Sumber: QuantumScape

Satu fitur unik baterai QuantumScape, yang pada saat peluncurannya dianggap revolusioner, adalah penggunaan desain bebas anoda.

Ini memungkinkan pengisian cepat ~15 menit (10‑80 % pada 45 ºC) dan pemisahnya tidak dapat terbakar maupun mudah terbakar.

Sumber: QuantumScape

Hal ini juga menempatkan baterai QuantumScape dalam kelas tersendiri terkait kepadatan energi dan kecepatan pengisian, secara massal melampaui pemimpin seperti Tesla (TSLA ) (baik desainnya sendiri maupun yang dibuat CATL).

Sumber: QuantumScape

Namun, performa luar biasa ini secara reguler terhambat oleh kesulitan meningkatkan produksi. Hal ini juga memaksa perusahaan menghabiskan cadangan kasnya, menyebabkan dilusi investor sebelumnya dan penurunan harga saham.

Hal ini tampaknya berubah sejak perjanjian 2024 dengan PowerCo, divisi baterai Grup Volkswagen, untuk kesepakatan lisensi desain dan produksi massal baterai QuantumScape oleh PowerCo.

Dalam kesepakatan lisensi non‑eksklusif, PowerCo dapat memproduksi hingga 40 gigawatt‑jam per tahun baterai kendaraan listrik, dengan opsi memperluas menjadi 80 GWh per tahun.

Peningkatan produksi mendadak QuantumScape terkait dengan Cobra, peralatan pemisah baterai padat generasi berikutnya milik perusahaan, terobosan dalam manufaktur keramik.

Secara keseluruhan, Cobra diharapkan terintegrasi ke produksi pada 2025, dan EV pertama yang selesai menggunakan baterai QuantumScape diperkirakan diproduksi pada 2026.

Sumber: QuantumScape

Ini dapat menjadi titik balik bagi perusahaan, bergerak 16 tahun setelah berdiri dari startup menjanjikan dengan IP menarik menjadi menghasilkan pendapatan yang tumbuh melalui kemitraan dengan salah satu produsen mobil terbesar di dunia.

Hubungan dengan PowerCo semakin dekat pada 2025, dengan baterai padat yang digunakan pada sepeda motor Ducati, dan PowerCo akan menyediakan hingga $131 juta pembayaran baru selama dua tahun ke depan setelah tim skala bersama mencapai tonggak tertentu.

“Kesepakatan yang diperluas ini merupakan sinyal jelas dari peningkatan keselarasan strategis, teknis, dan keuangan antara kedua perusahaan.

Ini mencerminkan keyakinan bersama kami pada QSE‑5 sebagai platform yang dapat mengubah industri baterai.”

Dr. Siva Sivaram – CEO dan presiden QunatumScape.

Sementara itu, investor masih harus mengharapkan volatilitas harga saham, namun ada cahaya di ujung terowongan pengembangan produk.

(Anda juga dapat memeriksa perusahaan baterai lain di AS dan luar negeri dalam artikel kami

“10 Saham Baterai Teratas untuk Diinvestasikan”).

Studi yang Dirujuk

<sup>1. Jin An Sam Oh, et al. Metastable sodium closo-hydridoborates for all-solid-state batteries with thick cathodes. Joule. 102130. 16 September 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3 
2. Jirong Cui, et al. A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery. Nature. 17 September 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3</sup>