Energi
Anoda Karbon Keras-Tin Membuka Jalan untuk Baterai Generasi Berikutnya
Seiring dunia bergerak menuju elektrifikasi untuk meningkatkan efisiensi energi dan mengurangi emisi gas rumah kaca (GRK), permintaan akan baterai meningkat secara signifikan.
Secara khusus, ada permintaan akan baterai yang dapat mengisi daya ultra‑cepat dan memiliki densitas energi tinggi di berbagai sektor, termasuk kendaraan listrik dan sistem penyimpanan energi berskala besar (ESS), yang mendorong penelitian luas tentang teknologi baterai canggih.
Apa yang dibutuhkan adalah material anoda canggih dengan kinerja yang ditingkatkan, yang tepatnya telah dicapai oleh studi baru ini dengan terobosan mereka.
Tim riset bersama, yang didukung oleh Kementerian Perdagangan, Industri, dan Energi serta Kementerian Ilmu Pengetahuan dan ICT Korea, telah mengembangkan material anoda futuristik yang menjanjikan1 yang menunjukkan kemampuan untuk mengatasi kebutuhan penting baterai.
Tim peneliti dari Pohang University of Science and Technology (POSTECH) dan Korea Institute of Energy Research (KIER) berkolaborasi untuk mengembangkan anoda berdensitas energi tinggi menggunakan karbon keras dan nanopartikel timah.
Mereka memperkenalkan nanodot timah (Sn) yang terbungkus karbon keras (HCSN) sebagai anoda komposit serbaguna untuk baterai ion litium (LIB) dan baterai ion natrium (SIB) guna mengatasi tantangan saat ini pada baterai konvensional.
Inovasi Anoda Berbasis Karbon pada LIB & SIB
Material berbasis karbon secara luas digunakan dan diterima sebagai solusi menjanjikan untuk anoda pada LIB guna meningkatkan kinerja elektrokimia mereka, yang pada dasarnya adalah kemampuan baterai untuk menyimpan dan melepaskan energi secara efisien dan aman.
Dari karbon lunak, karbon keras, dan grafit hingga berbagai nanostruktur karbon, peneliti telah melakukan inovasi pada berbagai jenis material karbon untuk memperbaiki baterai konvensional.
Saat ini, baterai ion litium (LIB) merupakan kimia baterai yang paling banyak diadopsi. LIB adalah baterai isi ulang yang menyimpan energi dengan memindahkan ion litium antara katoda dan anoda selama proses pengisian dan pengosongan, dan dikenal karena densitas energi tinggi serta umur siklus yang panjang. Baterai ini banyak digunakan dalam elektronik portabel, kendaraan listrik, dan sistem penyimpanan energi.
Namun, kinerja LIB telah mencapai batasnya, yang dibatasi oleh elektroda anoda. Belum lagi, unsur padat paling ringan, Litium (Li), langka, menghadapi kenaikan biaya, dan penambangannya memiliki dampak lingkungan negatif.
Hal ini, bersama dengan kebutuhan akan solusi penyimpanan energi karbon‑netral, telah mendorong eksplorasi teknologi tambahan, yang menghasilkan munculnya baterai ion natrium (SIB).
Natrium (Na) adalah logam lunak berwarna perak‑putih, yang merupakan unsur keenam paling melimpah di Bumi. Logam alkali paling umum ini sebenarnya menyusun 2,8% kerak Bumi. Hal ini berarti biaya yang efektif.
Untuk memajukan teknologi baterai isi ulang, pengembangan material anoda memainkan peran utama. Untuk mengembangkan material anoda bagi baterai ion litium dan ion natrium, karbon keras (HC) muncul sebagai kandidat menjanjikan berkat kemampuannya beroperasi dalam lingkungan ekstrem.
Karbon keras adalah material berdensitas rendah yang tidak dapat dengan mudah diubah menjadi grafit, bahkan pada suhu tinggi. Material ini memiliki biaya rendah, kelimpahan alami tinggi, dan karakteristik kinerja yang baik.
Selain itu, karbon keras adalah material tidak beraturan dengan mikroporitas dan jalur yang sangat tinggi, memfasilitasi difusi cepat ion litium dan natrium. Hal ini memberikannya kekuatan mekanik dan penyimpanan energi tinggi, menjadikannya cocok untuk aplikasi berkecepatan tinggi dan umur panjang.
Material anoda lain yang umum digunakan adalah grafit, bentuk karbon yang lunak, fleksibel, murah, dan memiliki konduktivitas listrik yang baik. Meskipun menawarkan stabilitas struktural yang kuat, grafit memiliki kapasitas teoretis rendah dan laju pengisian serta pengosongan yang lambat.
Untuk mengatasi keterbatasan ini, para peneliti menciptakan desain elektroda baru yang menggabungkan karbon keras (HC) dengan timah (Sn), yang dirinci dalam jurnal ACS Nano.
Satu Anoda untuk Daya Tinggi, Energi, & Stabilitas
Tim tersebut menggabungkan timah atau stannum, unsur kimia yang termasuk dalam keluarga karbon. Logam berwarna perak ini sangat lunak dan dapat dibengkokkan atau dipotong dengan tangan tanpa banyak usaha. Ia menunjukkan potensi tinggi sebagai material anoda berkat kapasitas volumetrik yang tinggi, biaya rendah, keamanan tinggi, dan dampak lingkungan yang minimal.
Namun, menggabungkan timah menimbulkan tantangan. Untuk meningkatkan stabilitas keseluruhan, kita membutuhkan partikel timah yang sangat halus. Semakin kecil partikel tersebut, semakin efektif pengurangan ekspansi volume yang mengganggu selama siklus, yang pada gilirannya meningkatkan stabilitas.
Namun masalahnya adalah titik leleh timah yang rendah, sekitar 230 derajat Celsius, yang menyulitkan sintesis partikel kecil.
Tim tersebut mengatasi masalah ini melalui proses sol‑gel, diikuti dengan reduksi termal terkontrol. Hal ini berhasil memasukkan nanopartikel timah berukuran kurang dari 10 nm yang terdistribusi merata ke dalam matriks karbon keras.
Struktur komposit yang terbentuk menunjukkan sinergi fungsional lebih dari sekadar pencampuran fisik.
Di sini, nanopartikel Sn berfungsi sebagai material aktif sekaligus sebagai katalis untuk kristalisasi karbon keras di sekitarnya. Pembentukan ikatan Sn‑O (timah‑oksigen) yang dapat dipulihkan selama siklus elektrokimia, pada saat yang sama, berkontribusi pada peningkatan bertahap kapasitas baterai melalui reaksi konversi.
Elektroda yang baru dikembangkan, HCSN700, menunjukkan kinerja luar biasa dalam sel ion litium. Studi mencatat bahwa elektroda ini mempertahankan operasi stabil selama 1.500 siklus pada kondisi pengisian cepat 20 menit. Elektroda juga mencapai densitas energi volumetrik 1,5 kali lebih tinggi dibandingkan anoda grafit tradisional.
Ini merupakan integrasi sukses dari daya tinggi, energi tinggi, dan daya tahan panjang dalam satu elektroda.
“Penelitian ini merupakan tonggak baru dalam pengembangan baterai berperforma tinggi generasi berikutnya dan menjanjikan untuk aplikasi pada kendaraan listrik, sistem hibrida, dan ESS skala jaringan.”
– Profesor Soojin Park dari POSTECH
Selain itu, elektroda menunjukkan kinerja luar biasa pada baterai ion natrium.
Biasanya, ion natrium menunjukkan reaktivitas yang buruk dengan material anoda konvensional, seperti grafit atau silikon. Namun struktur nano‑komposit timah‑karbon keras dalam studi ini mempertahankan operasi jangka panjang yang luar biasa dan kinetika cepat bahkan dalam lingkungan natrium, menekankan keanekaragaman HCSN700 di berbagai platform baterai.
“Pencapaian anoda dengan daya tinggi, stabilitas, dan densitas energi secara bersamaan, serta kompatibilitasnya dengan sistem ion natrium, menandai titik balik dalam pasar baterai isi ulang.”
– Dr. Gyujin Song dari KIER
Secara keseluruhan, pekerjaan ini menyoroti potensi HCSN700 untuk aplikasi daya tinggi dan densitas energi volumetrik dalam sistem penyimpanan energi generasi berikutnya, menurut studi.
Penelitian Baterai Mutakhir yang Membentuk Masa Depan
Mengingat peran baterai dalam masa depan kendaraan listrik, penyimpanan energi, dan tren elektrifikasi yang lebih luas, kompetisi dan inovasi mendorong pencarian baterai dengan kinerja yang lebih baik dan biaya yang lebih rendah.
Peneliti dan perusahaan secara aktif mengeksplorasi teknologi anoda, katoda, dan elektrolit baru untuk mengembangkan generasi baterai berikutnya. Jadi, berikut beberapa studi menarik dan menegangkan yang dirilis tahun ini:
Baterai Cair yang Dapat Mengambil Bentuk Apa Pun
Seperti yang baru-baru ini kami bagikan, peneliti di Linköping University telah mengembangkan baterai yang dapat mengambil bentuk apa pun dengan menggunakan elektroda dalam bentuk cair. Hal ini memungkinkan baterai yang lembut dan dapat dibentuk ini diintegrasikan ke dalam teknologi masa depan, seperti perangkat wearable generasi berikutnya, dengan cara yang benar-benar baru.
Menariknya, tekstur mirip pasta gigi memungkinkan material ini digunakan dalam printer 3D, memungkinkan pembentukan baterai sesuai keinginan. Pendekatan baru ini melibatkan konversi elektroda dari bentuk padat menjadi cair menggunakan plastik konduktif dan lignin. Akibatnya, baterai dapat diregangkan hingga dua kali panjangnya dan tetap dapat diisi ulang serta dikosongkan lebih dari 500 kali, sambil mempertahankan kinerjanya.
Menggunakan Jagung untuk Meningkatkan Kinerja Baterai
Peneliti dari Washington State University telah mengembangkan cara menggunakan protein jagung untuk meningkatkan kinerja baterai litium‑sulfur. Baterai ini lebih ringan untuk jumlah energi yang sama dibandingkan LIB, namun menghadapi hambatan teknologi yang mengurangi umur pakainya. Hal ini termasuk kebocoran bagian sulfur yang berpindah ke sisi litium, menyebabkan baterai berhenti berfungsi, serta pembentukan dendrit pada sisi litium yang mengakibatkan hubung singkat listrik.
Jadi, para peneliti menciptakan penghalang pelindung (separator) dari protein jagung bersama plastik yang umum digunakan, yang mencegah kedua masalah tersebut dan memungkinkan baterai mempertahankan muatannya selama lebih dari 500 siklus. Selain itu, protein jagung bersifat alami, melimpah, dan berkelanjutan.
Namun karena protein merupakan “struktur yang sangat rumit,” para peneliti terus mempelajari cara kerja proses tersebut dan bagaimana mengoptimalkannya.
Baterai yang Beroperasi dengan Limbah Atom
Dalam studi menarik awal tahun ini, peneliti di Ohio State University mengembangkan baterai yang dapat mengubah energi nuklir menjadi listrik melalui emisikan cahaya. Ini merupakan perkembangan signifikan karena meskipun pembangkit listrik tenaga nuklir tidak menghasilkan emisi gas rumah kaca (GRK), mereka menghasilkan limbah radioaktif, yang pembuangannya dapat menjadi tantangan.
Namun, studi terbaru menggunakan kombinasi sel surya dan kristal scintillator, yang memancarkan cahaya saat menyerap radiasi, untuk menunjukkan bahwa radiasi gamma lingkungan dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan output listrik yang cukup untuk menyalakan mikroelektronik.
Baterai kemudian diuji, menggunakan cesium‑137 yang menghasilkan hanya 288 nanowatt, dan kobalt‑60 yang menghasilkan 1,5 mikrowatt daya.
“Kami memanen sesuatu yang dianggap sebagai limbah dan secara alami, berusaha mengubahnya menjadi harta,” kata penulis utama studi Raymond Cao, profesor teknik mesin dan dirgantara di Ohio State serta direktur Laboratorium Reaktor Nuklir Ohio State.
Baterai yang Perlu Diberi Makan
Sebuah studi dari Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA) mencetak 3D baterai jamur yang dapat terurai secara hayati dan dapat menyediakan daya bagi sensor yang digunakan dalam penelitian lingkungan di daerah terpencil.
Sel bahan bakar mikroba memanfaatkan metabolisme, di mana mikroorganisme mengubah nutrisi menjadi energi, dan kemudian menangkap sebagian energi tersebut sebagai listrik. Biasanya, sel ini dipacu oleh bakteri, namun studi ini menggabungkan dua jenis jamur, untuk pertama kalinya, untuk menciptakan sel bahan bakar yang berfungsi.
Untuk memastikan mikroorganisme dapat dengan mudah mengakses nutrisi, sel jamur dicampur ke dalam tinta cetak 3D berbasis selulosa, yang kemudian digunakan untuk memproduksi komponen baterai. Peneliti kini bekerja untuk membuat baterai mereka lebih kuat dan tahan lama.
Pemahaman Lebih Baik untuk Membuat Baterai Lebih Baik
Pencarian baterai yang lebih kuat juga mendorong peneliti untuk mempelajari berbagai kimia baterai dan komponennya secara lebih mendalam, untuk memahaminya lebih baik dan memberikan wawasan berharga bagi peneliti serta perusahaan dalam mengintegrasikannya ke dalam desain dan pengembangan baterai mereka.
Sebagai contoh, insinyur dari Princeton University menyelidiki baterai solid‑state tanpa anoda yang membuat baterai menjadi lebih kompak dan terjangkau. Namun, komposisi ini memerlukan kontak yang baik antara elektrolit dan kolektor arus, dan faktor-faktor seperti tekanan yang diterapkan memengaruhi kontak tersebut. Menurut studi, penerapan lapisan tipis di antara keduanya dapat membantu memfasilitasi transportasi ion yang lebih baik.
Sementara itu, tim peneliti dari Dalian Institute of Chemical Physics of CAS dan Dalian Maritime University mengusulkan penambahan mediator redoks dan garam imidazol iodida baru (1,3‑dimetilimidazolium iodida, DMII) untuk meningkatkan kinerja dan umur pakai baterai litium‑udara (Li‑O2).
Panduan lain datang dari Weiyu Li, asisten profesor teknik mesin di University of Wisconsin‑Madison, yang menggunakan model komputasi untuk memahami apa yang menyebabkan baterai ion litium gagal: pelapisan litium. Model ini menyediakan cara untuk menyelidiki kemunculannya dalam rentang kondisi yang lebih luas, yang kemudian membantu menentukan cara optimal menyesuaikan densitas arus selama pengisian untuk menghindarinya.
Perusahaan Inovatif
Microvast Holdings (MVST )
Microvast adalah perusahaan teknologi baterai canggih berbasis Texas yang merancang dan memproduksi komponen serta sistem baterai untuk kendaraan komersial listrik, seperti bus, kereta, dan truk, serta sistem penyimpanan energi berskala utilitas (ESS). Teknologi kepemilikan perusahaan mencakup anoda, katoda, separator, dan elektrolit hingga sistem pendinginan dan kontrol perangkat lunak.
Solusi baterai ion litiumnya menawarkan kemampuan pengisian ultra‑cepat yang dapat mencapai pengisian penuh dalam 10 menit, umur pakai yang lebih panjang untuk mengurangi biaya kepemilikan dan mendukung keberlanjutan, serta pengujian pihak ketiga untuk memastikan kualitas. Selain itu, mereka menggunakan komponen baterai superior, manajemen baterai canggih, dan sistem manajemen termal untuk keamanan.
Solusi baterai Li‑ion tersedia untuk van, kendaraan pandu otomatis (AGV), bus kota dan jarak jauh, truk ringan, menengah, dan berat, truk tambang, peralatan pertanian, konstruksi, dan penggerak tanah (ACE), serta aplikasi kelautan, perkeretaapian, dan penerbangan.
Untuk ESS berskala utilitas, solusi Microvast menyimpan daya yang dihasilkan oleh sumber surya atau angin dan mendistribusikannya ke jaringan saat dibutuhkan, meningkatkan kinerja, ketahanan, dan keandalan jaringan. Solusi ini mencakup satu kontainer baterai sepanjang 20 kaki dengan densitas energi 4,3 MWh terdepan di industri, umur baterai lebih dari 10.000 siklus, dan sistem pemadam kebakaran mutakhir.
Selain itu, Microvast memiliki sistem manajemen baterai kepemilikan, BMS 5.0, yang memantau arus paket, suhu modul, dan tegangan sel.
Mengenai strategi bisnis Microvast, perusahaan fokus pada inovasi produksi, partisipasi lebih dalam ekonomi rantai pasokan baterai, serta memasuki segmen baru dengan produk baru untuk mendiversifikasi aliran pendapatan.
Untuk memperluas bisnisnya, perusahaan bekerja menambah kapasitas produksi guna memenuhi permintaan pelanggan yang meningkat, mengoptimalkan bisnis inti untuk mencapai profitabilitas berkelanjutan, dan memperluas melalui pertumbuhan geografis dan pasar.
Saat ini, dengan kapitalisasi pasar $757,7 juta, saham Microvast diperdagangkan pada $2,32, naik 2,50% tahun ini sejauh ini. Dengan itu, perusahaan memiliki EPS (TTM) sebesar -0,62 dan P/E (TTM) sebesar -3,77.
(MVST )
Sementara itu, laporan keuangan perusahaan menunjukkan pertumbuhan signifikan dalam pendapatan dan margin kotor untuk tahun fiskal 2024, yang ditandai dengan perkembangan operasional dan strategis. Pada tahun lalu, Microvast melaporkan pendapatan rekor sebesar $379,8 juta, naik 23,9% dari tahun sebelumnya. Margin kotor juga meningkat menjadi 31,5%, peningkatan signifikan dari 18,7%.
Pertumbuhan ini dicapai di Eropa, Timur Tengah, dan Afrika (EMEA), yang diperkirakan akan berlanjut hingga 2025.” Di APAC, ekspansi Phase 3.2 Huzhou perusahaan sedang berlangsung untuk memenuhi peningkatan permintaan pelanggan seiring Microvast memprioritaskan ‘menemukan peluang dan segmen pasar baru.’
Namun, kerugian bersih melonjak menjadi $195,5 juta atau $0,61 per saham. Backlog‑nya, yang tumbuh menjadi $401,3 juta, mencerminkan permintaan kuat terhadap teknologinya. Pengeluaran modal sebesar $49,9 juta.
Microvast mengakhiri tahun 2024 dengan $109,6 juta dalam bentuk kas, setara kas, kas terbatas, dan investasi jangka pendek.
Tahun ini, perusahaan menargetkan pertumbuhan pendapatan 18% hingga 25%, mencapai $450 juta hingga $475 juta, dan margin kotor 30%. Selanjutnya, fokus utama untuk 2025 meliputi menjadi positif arus kas dan mencapai pertumbuhan penjualan tinggi melalui inovasi berkelanjutan, penangkapan pasar baru, dan ekspansi kapasitas.
Microvast telah mengumumkan tonggak penting dalam pengembangan teknologi True All‑Solid‑State Battery (ASSB) tahun ini. ASSB‑nya sepenuhnya menghilangkan elektrolit cair dan menggunakan kerangka tumpukan bipolar. Inovasi ini, kata CEO Yang Wu, “menandakan lompatan signifikan dalam mengatasi tantangan keamanan dan efisiensi dunia nyata.”
Yang paling penting, faktor bentuk fleksibel dan konfigurasi tegangan memungkinkan baterai dibuat khusus untuk memenuhi persyaratan spesifik sistem robotik canggih, menjadikan ASSB penggerak penting bagi aplikasi AI masa depan.
Kesimpulan
Peningkatan permintaan untuk elektronik portabel, kendaraan listrik, dan sistem penyimpanan energi skala jaringan telah mendorong kemajuan cepat dalam teknologi baterai, menghasilkan pengembangan dan penelitian baterai isi ulang generasi berikutnya, yang memiliki densitas energi tinggi, biaya efektif, dan keberlanjutan lingkungan.
Studi terbaru, yang menggabungkan nanopartikel timah dengan matriks karbon keras, telah mencapai terobosan besar dengan mengatasi keterbatasan material anoda tradisional dan menawarkan densitas energi yang lebih baik, kemampuan pengisian lebih cepat, serta stabilitas siklus yang ditingkatkan. Manfaat ini, bersama dengan keanekaragaman penggunaannya, menjadikan anoda baru ini sangat menjanjikan untuk teknologi baterai generasi berikutnya.
Klik di sini untuk daftar saham baterai teratas.
Studi yang Dirujuk:
1. Choi, S., Han, D.-Y., Bok, T., Hwang, C., Kwak, M.-J., Yim, J.-H., Song, G., & Park, S. (2025). Nanodot timah katalitik dalam struktur karbon keras untuk baterai dengan densitas volumetrik dan daya yang ditingkatkan. ACS Nano, 19(10), 10476–10488. https://doi.org/10.1021/acsnano.5c00528
