Masa Depan Mobilitas – Teknologi Baterai

Perkembangan Mobil Listrik

Ketika Tesla (TSLA ) didirikan pada 2003, mobil listrik masih sering dianggap sebagai produk khusus. Banyak model memiliki jangkauan terbatas, ukuran kecil, dan performa sederhana. Namun, sebelum Tesla pun sudah ada mobil listrik yang layak digunakan sehari-hari.

Tesla Roadster generasi ^pertama, yang penerusnya masih dikembangkan, membantu mengubah pandangan tersebut dengan performa setara mobil sport mewah.

Kemajuan teknologi baterai menjadi faktor penting. Awalnya, mobil listrik memanfaatkan sel litium-ion yang dikembangkan untuk perangkat elektronik portabel. Kemudian muncul sistem yang dirancang khusus untuk kendaraan dan jangkauan lebih jauh.

Menurut IEA, lebih dari sepuluh juta mobil listrik terjual pada 2022, atau 14% penjualan mobil baru dunia. Angka ini mencakup mobil listrik berbaterai dan hibrida plug-in. Tiongkok dan Eropa memimpin pasar.

Penjualan mobil listrik global – Sumber: IEA

Meski penjualan bertumbuh, pada 2023 masih ada pertanyaan mengenai kecepatan peralihan ke mobil listrik. Inflasi tinggi, biaya pembiayaan, dan kebutuhan meyakinkan konsumen umum menekan sebagian rencana produsen. Hal ini turut menyebabkan penundaan atau pembatalan strategi EV oleh produsen besar, seperti GM, Ford, atau Honda.

Keterbatasan Saat Ini

Pembeli awal menyukai teknologi baru dan peluang mengurangi emisi. Konsumen lain masih mempertimbangkan sejumlah kendala:

• Harga: Banyak model listrik lebih mahal daripada mobil bermesin pembakaran yang sebanding. Kenaikan suku bunga dapat membuat pembiayaan semakin berat.
• Kecemasan jangkauan: Paket baterai lebih kecil dapat menurunkan harga beli, tetapi biasanya mengurangi jangkauan. Perjalanan jauh juga dipengaruhi kecepatan pengisian dan ketersediaan pengisi daya.
• Cuaca dingin: Suhu dingin mengurangi sementara energi yang tersedia dan dapat memperlambat pengisian. Pemanasan awal dan parkir dengan kendaraan tersambung ke listrik dapat membantu. Mobil listrik tidak selalu harus diisi sepanjang malam hanya karena diparkir di luar pada musim dingin.
• Infrastruktur pengisian: Penghuni apartemen bisa kesulitan mengisi kendaraan jika fasilitas umum terbatas. Antrean panjang, pengisian lambat, atau lokasi yang jauh juga mengurangi kenyamanan.
• Keamanan & daya tahan baterai: Baterai litium-ion menyimpan banyak energi. Banyak elektrolit cair yang umum digunakan mudah terbakar, sehingga kerusakan atau panas berlebih dapat menyebabkan kebakaran. Risikonya dipengaruhi kimia sel, pendinginan, dan sistem perlindungan. Mobil bermesin pembakaran juga memiliki risiko kebakaran.
• Jaringan listrik: Pengisian jutaan kendaraan membutuhkan perencanaan jaringan listrik. Dampaknya bergantung pada lokasi, waktu pengisian, dan kapasitas jaringan. Sumber listrik juga penting karena sebagian pembangkitan masih menggunakan bahan bakar fosil, termasuk batu bara.

Baterai yang lebih baik dapat memperbaiki waktu pengisian, jangkauan, keselamatan, kinerja dalam suhu dingin, dan biaya. Desain kendaraan, infrastruktur pengisian, dan jaringan listrik juga tetap berperan.

Peneliti dan produsen berupaya mengatasi kendala tersebut melalui perbaikan desain yang ada maupun pendekatan baru.

Kepadatan energi yang lebih tinggi dapat menghemat berat dan ruang. Namun, hal itu tidak otomatis membuat baterai lebih murah, lebih aman, lebih awet, atau lebih cepat diisi; bahan dan desain juga menentukan.

Memperbaiki Baterai Litium

Langkah pertama adalah menyempurnakan baterai yang ada dengan memanfaatkan pengetahuan dan pengalaman yang telah terkumpul. Sebuah tinjauan ilmiah membahas peluang perbaikan bertahap hingga 2030: Prospek baterai litium-ion dan teknologi selanjutnya—visi 2030.

Salah satu bidang perbaikan adalah katode. Sebagian kimia litium-ion menggunakan nikel dan kobalt, sedangkan yang lain memakai bahan seperti besi fosfat. Pemahaman struktur kristal dan perubahan selama penuaan dapat membantu meningkatkan kinerja.

Anode grafit dapat diganti sebagian dengan silikon atau silikon oksida. Kapasitas penyimpanan spesifik teoretis silikon jauh lebih tinggi daripada grafit, tetapi bukan berarti seluruh baterai menyimpan energi lima hingga sepuluh kali lebih besar. Pemuaian dan penurunan kinerja menjadi kendala. Campuran grafit-silikon sudah digunakan.

Perubahan pada elektrolit yang menghantarkan ion antara anode dan katode juga dapat membantu. Pelarut baru, elektrolit lebih pekat, atau elektrolit berbentuk gel dapat memperbaiki keselamatan dan kepadatan energi.

Selain itu, desain yang lebih baik dapat mengoptimalkan integrasi baterai dan kendaraan. Sebagian produsen mengembangkan baterai struktural yang menyimpan energi sekaligus menjadi bagian penopang kendaraan. Ini dapat mengurangi komponen dan berat. Rolls-Royce (RRU.DE ), Tesla, dan Volvo meneliti pendekatan ini. Peningkatan jangkauan 16% yang disebutkan sebelumnya merupakan sasaran desain, bukan hasil umum untuk semua kendaraan.

Baterai Elektrolit Padat

Setelah lama diteliti, baterai elektrolit padat mulai diwujudkan di laboratorium dan sering dianggap sebagai terobosan besar yang dinantikan.

Baterai ini mengganti elektrolit cair dengan penghantar ion padat, bukan menghilangkan elektrolit sama sekali. Beberapa desain dapat meningkatkan kepadatan energi dan mengurangi cairan yang mudah terbakar. Perubahan proses produksi juga berpotensi menghemat waktu; analisis yang dikutip membahas penghematan hingga tiga minggu di lini produksi, bergantung pada prosesnya.

Sebagian pengembang menargetkan pengisian dalam tiga hingga lima menit. Ini merupakan sasaran pengembangan, bukan kemampuan otomatis semua baterai elektrolit padat.

Sejumlah perusahaan mengembangkan baterai elektrolit padat dengan target peluncuran berbeda pada 2026–2029. Di antaranya QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS), dan Samsung SDI (006400.KS). Sementara itu, Tesla (TSLA) mengembangkan pendekatan lain, yakni sel silinder 4680 berbasis litium-ion. Angka 4680 menunjukkan format sel, bukan kimia elektrolit padat. Jadwal perusahaan merupakan target, bukan jaminan peluncuran.

Tantangan Baterai Elektrolit Padat

Peningkatan skala dari prototipe laboratorium ke produksi massal yang murah dan andal masih sulit. Otomasi, mutu, dan biaya harus memenuhi persyaratan sekaligus. Perkiraan peluncuran 2026–2028 yang disebut pada 2023 merupakan proyeksi, bukan hasil yang sudah pasti.

Sumber: Vertex Holdings

Beberapa desain dengan anode logam litium dapat membutuhkan lebih banyak litium per sel. Hal ini tidak berlaku bagi semua desain atau otomatis per kilowatt-jam energi. Harga litium naik tajam hingga 2022, tetapi harga mendatang juga ditentukan pasokan dan permintaan. Daur ulang tetap menjadi tantangan bagi desain baru.

Baterai dengan Elektrolit Terkondensasi

Kepadatan energi tinggi tidak hanya dapat dicapai dengan elektrolit yang sepenuhnya padat.CATL mengumumkan baterai dengan elektrolit terkondensasi dengan kepadatan energi hingga 500 Wh/kg menurut pengumuman April 2023. Perusahaan menyatakan dapat meningkatkan produksi dengan cepat dan mengembangkan penerapan untuk pesawat serta mobil. Angka dan jadwal tersebut merupakan klaim serta rencana perusahaan.

Kepadatan pada tingkat sel itu menarik untuk penerbangan listrik. Namun, pesawat yang dapat digunakan juga memerlukan daya, masa pakai, keselamatan, sertifikasi, dan integrasi paket baterai yang memadai.

Kimia Baterai Alternatif

Ada berbagai kimia selain baterai litium-ion kaya nikel yang umum digunakan. LFP sendiri juga merupakan kimia litium-ion. Untuk kendaraan, berat, kepadatan energi, keselamatan, dan biaya harus sesuai.

Dalam jangka panjang, kimia yang lebih murah dapat memperoleh peran lebih besar, terutama pada pasar kendaraan yang sensitif terhadap harga.

Baterai Litium Besi Fosfat (LFP)

LFP biasanya memiliki kepadatan energi lebih rendah daripada kimia litium-ion kaya nikel. Selisihnya kadang disebut 30–40%, bergantung pada sel dan paket yang dibandingkan. Perbaikan sel dan integrasi paket membuat LFP menarik untuk kendaraan terjangkau.

LFP tidak membutuhkan nikel atau kobalt. Besi dan fosfat relatif melimpah serta murah. Masa pakai panjang juga dapat menurunkan biaya selama penggunaan baterai.

Produsen besar LFP mencakup CATL (300750.SZ) dan BYD (BYDDF). CATL juga mengembangkan kimia lain untuk memperkuat posisinya.

Pada Agustus 2023, CATL memperkenalkan Shenxing, sebuah baterai LFP yang diklaim memberi jangkauan lebih dari 700 kilometer dan menambah jangkauan 400 kilometer melalui pengisian sepuluh menit. Hasilnya bergantung pada kendaraan, kondisi uji, dan fasilitas pengisian.

Natrium-Ion

Litium merupakan bahan penting baterai litium-ion. Natrium jauh lebih melimpah dan dapat mengurangi ketergantungan pada sebagian bahan yang lebih mahal.

Sebuah laporan November 2022 memperkirakan bahwa BYD akan memakai baterai natrium-ion pada model murah seperti Dolphin dan Seagull. Itu merupakan perkiraan: model yang diluncurkan menggunakan baterai LFP Blade. Harga Seagull sekitar 10.000 dolar yang disebut saat itu merujuk pada pasar Tiongkok.

CATL sebelumnya telah memperkenalkan sel natrium-ion dengan kepadatan 160 Wh/kg pada 2021. Pada November 2023, Northvolt mengumumkan baterai natrium-ion yang awalnya ditujukan untuk penyimpanan energi stasioner, dengan kepadatan tervalidasi lebih dari 160 watt-jam per kilogram.

Natrium-ion berpotensi lebih murah karena bahan bakunya melimpah. Perkiraan biaya sepertiga dari baterai tertentu yang mengandung nikel masih merupakan proyeksi, bukan harga pasar yang terbukti berlaku umum. Kepadatan energi dan kesesuaiannya bergantung pada desain.

Kimia Lainnya

Masih ada kimia lain yang kelak dapat bersaing dalam mobilitas. Banyak di antaranya masih dalam tahap penelitian awal sehingga penggunaan pada kendaraan dalam waktu dekat belum tentu memungkinkan.

Baterai Kaca

Ide menarik yang menggunakan bahan melimpah, tetapi hasilnya masih sulit dikonfirmasi secara independen. Salah satu peneliti di balik gagasan ini adalah John B. Goodenough, salah satu pelopor pengembangan baterai litium-ion. Ia meninggal pada 25 Juni 2023. Kinerja praktis konsep ini tetap perlu dinilai melalui pengujian yang dapat direplikasi.

Baterai Grafena

Grafena adalah satu lapis atom karbon dengan konduktivitas listrik tinggi. Graphene Manufacturing Group (GMG.V) meneliti baterai grafena-aluminium-ion. Klaim pengisian hingga tujuh puluh kali lebih cepat dan masa pakai tiga kali lebih panjang berasal dari pengujian awal, bukan kinerja paket baterai kendaraan komersial yang sudah terbukti. Perusahaan menandatangani perjanjian pengembangan dengan perusahaan pertambangan Rio Tinto pada Mei 2023 (RIO ) untuk paket uji. Produksi berskala besar sekitar 2025 saat itu merupakan rencana.

Baterai Magnesium-Ion

Studi pada 2023 menjelaskan baterai magnesium-ion dengan elektrolit kuasi-padat. Pada suhu −22 °C, baterai ini mempertahankan 90% kapasitas setelah sembilan ratus siklus. Teknologinya masih dalam tahap penelitian.

Baterai Litium-Belerang

Baterai ini menggunakan litium dan belerang, tanpa memerlukan katode nikel atau kobalt yang mahal. Kepadatan energinya berpotensi tinggi, tetapi masa pakai dan penurunan kapasitas masih menjadi tantangan.

Sumber: Vertex Holdings

Baterai Natrium-Belerang

Baterai natrium-belerang konvensional bekerja pada suhu tinggi, sekitar 300 °C. Penelitian terhadap elektrolit baru yang membatasi pelarutan belerang dapat mendukung operasi pada suhu lebih rendah. Pendekatan ini membuka peluang baterai berbiaya rendah dengan kinerja yang lebih baik.

Baterai Aluminium-ion

Baterai aluminium-ion dapat menggunakan anode aluminium. Peneliti juga menguji polimer redoks organik sebagai pengganti grafit pada elektrode positif dan memperoleh kapasitas penyimpanan spesifik lebih tinggi.

Aluminium-Udara

Sel aluminium-udara menghasilkan listrik melalui reaksi aluminium dan oksigen, dengan aluminium yang terpakai selama proses. Konsep yang dikutip menjanjikan jangkauan sekitar 1.600 kilometer untuk kendaraan tertentu. Ini merupakan klaim konsep, bukan jaminan kinerja seluruh kendaraan. Penerapan pada pesawat listrik juga diusulkan.

Menurut pengembangnya, aluminium dapat diganti dalam sekitar sembilan puluh detik pada sistem yang dirancang khusus. Produk reaksinya kemudian harus diproses secara industri untuk menghasilkan aluminium baru, yang membutuhkan energi. Modul tambahan untuk memperpanjang jangkauan kendaraan lama juga menjadi usulan penggunaan.

Pengembangan menghadapi tantangan teknis, ekonomi, dan infrastruktur, termasuk produksi serta pemulihan aluminium. Akses terhadap insentif dapat berpengaruh, tetapi kurangnya dukungan pemerintah tidak serta-merta menjadi satu-satunya atau kendala utama.