Baterai Ultra-Tahan: Mengapa Teknologi Generasi Berikutnya Akan Bertahan Puluhan Tahun, Bukan Hanya Beberapa Tahun

Baterai yang Dirancang untuk Tahan Lama

As the world electrifies and switches to renewable energy, the need for more energy storage grows. This is in part driven by the switch to EVs, but also due to the intermittent nature of renewable production.

Seiring dunia beralih ke listrik dan energi terbarukan, kebutuhan akan penyimpanan energi yang lebih besar meningkat. Hal ini sebagian dipicu oleh peralihan ke kendaraan listrik, tetapi juga karena sifat produksi energi terbarukan yang tidak menentu.

Hal ini dapat sebagian dikompensasi oleh sumber energi rendah karbon lainnya, seperti tenaga air atau nuklir, atau mungkin energi panas bumi di masa depan. Namun, pendukung energi hijau jauh lebih memilih melihat tenaga surya (dan angin) berbiaya rendah menjadi dasar sistem energi kita.

Hal ini menciptakan permintaan akan baterai dengan karakteristik yang secara fundamental berbeda dibandingkan untuk mobilitas.

Kendaraan listrik membutuhkan baterai dengan kepadatan energi tinggi yang cukup ringan dan cukup kecil untuk dimasukkan ke dalam rangka mobil. Daya tahan menjadi perhatian, tetapi selama baterai dapat berfungsi selama 10-15 tahun, hal ini kemungkinan sejalan dengan daya tahan komponen mobil lainnya.

Sebaliknya, baterai penyimpanan energi jauh kurang dibatasi oleh berat atau volume. Namun, mereka jelas dibatasi oleh biaya, karena pada dasarnya menambah biaya produksi energi hijau dan jaringan listrik.

Salah satu cara untuk mengurangi biaya penyimpanan energi adalah menggunakan material yang lebih murah daripada litium untuk membuat baterai. Banyak alternatif sedang dipertimbangkan, seperti yang kami bahas sebelumnya dalam “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”: baterai yang menggunakan teknologi seperti natrium-ion, besi-udara, seng, garam laut, polimer, natrium-sulfur, atau bahkan logam cair.

Elemen kunci lain dalam mengurangi biaya seumur hidup sistem baterai adalah membuatnya bertahan selama beberapa dekade. Dengan mengamortisasi investasi selama bertahun‑tahun, biaya modal baterai menjadi jauh lebih rendah per tahun. Dan hal ini lebih nyaman bagi perusahaan utilitas, karena mereka terbiasa mengamortisasi pembangkit listrik baru selama 30‑50 tahun.

Mengapa Baterai Gagal?

Kematian Akibat Dendrit

Sebelum membuat baterai yang hampir bertahan selamanya, kita perlu melihat mengapa kebanyakan baterai kehilangan muatan seiring waktu atau berhenti berfungsi.

Salah satu faktor utama, terutama pada baterai litium‑ion, adalah pertumbuhan dendrit. Struktur mirip stalaktit ini tumbuh akibat penumpukan logam yang tidak tepat di dalam baterai dan, seiring waktu, dapat memutuskan penghalang antara katoda & anoda, berpotensi menyebabkan hub singkat dan kebakaran yang katastrofik.

Sumber: Nobel Prize

Karena bahaya kebakaran ini, dendrit menjadi masalah yang sangat serius bagi perusahaan utilitas, karena kebakaran pada satu sel baterai dapat dengan cepat menyebar ke seluruh taman baterai bernilai miliaran di sekitarnya. Jadi idealnya, teknologi baterai yang dirancang untuk tahan lama seharusnya hampir tidak memiliki risiko terbentuknya dendrit tersebut.

Perlu juga dicatat bahwa meskipun dendrit paling sering dibahas pada baterai litium‑ion, ini merupakan masalah umum bagi kebanyakan baterai yang menggunakan anoda dan/atau katoda logam.

Kehilangan Muatan

Cara lain baterai dapat gagal adalah dengan perlahan kehilangan kapasitasnya untuk menyimpan energi. Hal ini biasanya disebabkan oleh sebagian logam yang digunakan pada elektroda yang secara perlahan menumpuk dalam bentuk yang tidak dapat diubah kembali menjadi sesuatu yang berguna.

Sumber: EnergSoft

Penyebab lain dapat berupa retakan kecil yang terbentuk akibat stres mekanik dan termal, kehilangan integritas struktural, penumpukan deposit yang tidak diinginkan, dll.

Sumber: EnergSoft

Jadi semakin banyak teknologi baterai yang rentan terhadap degradasi lambat ini, semakin besar penurunan total muatan, secara bertahap membuat baterai menjadi tidak berguna. Selain itu, baterai yang terdegradasi cenderung menahan muatan dengan buruk dan membuang lebih banyak energi yang disimpan, membuatnya semakin tidak menguntungkan.

Maka teknologi baterai yang ideal tidak akan rentan terhadap degradasi lambat material penyusunnya, atau dapat secara teratur diregenerasi ke kondisi prima tanpa harus mendaur ulang seluruh sistem.

Jika Anda ingin mempelajari detail bagaimana baterai terdegradasi, Anda juga dapat melihat video berdurasi 22 menit ini:

Umur Siklus

Daya tahan baterai dapat menjadi hal yang kompleks untuk diukur. Misalnya, kebanyakan sistem baterai kendaraan listrik biasanya diukur berdasarkan jarak per mil, atau seberapa jauh EV dapat ditempuh sebelum membutuhkan paket baterai baru.

Cara lain untuk mengukurnya adalah dengan jumlah siklus pengisian‑pengosongan yang dapat dilakukan sebelum baterai kehilangan sebagian signifikan dari total muatannya. Untuk penyimpanan energi, siklus pengisian‑pengosongan reguler, hingga 1‑3 kali per hari, diharapkan.

Terakhir, berapa lama muatan dapat dipertahankan juga merupakan pertanyaan penting, karena kebanyakan baterai akan kehilangan sedikit muatan setiap hari. Sementara itu, angin dapat berhenti bertiup selama beberapa minggu, dan hari‑hari musim dingin adalah saat dengan sinar matahari paling sedikit dan konsumsi listrik tertinggi, terutama di iklim dingin. Jadi secara teori, baterai yang dapat menyimpan daya tanpa banyak kehilangan selama minggu atau bahkan bulan akan menjadi pilihan ideal.

Toleransi Suhu

Sebagian besar teknologi baterai sangat tidak toleran terhadap suhu dingin, terutama suhu beku. Karena penyimpanan energi dalam skala besar kemungkinan akan dilakukan di ruang terbuka dekat pembangkit listrik, hal ini dapat menjadi masalah serius di iklim dingin selama musim dingin. Jika sebagian besar energi yang disimpan harus digunakan untuk menghangatkan baterai, hal ini dapat secara signifikan memengaruhi ekonomi operasional baterai tersebut.

Teknologi Baterai Ultra Tahan

Baterai Sarang Lebah

Meskipun pada akhirnya kimia alternatif akan menjadi pemenang dalam memberi daya pada jaringan listrik yang sepenuhnya berfokus pada energi terbarukan, produsen baterai juga mencari cara untuk membuat teknologi mereka saat ini lebih tahan lama.

One such example is CATL’s (300750.SZ) honeycomb batteries. The battery giant CATL, producing more than half of the world batteries, is betting big on this technology. It seems based partially on an idea proposed already back in a 2020 scientific paper titled “Stretchable lithium-ion battery based on new micro-honeycomb structure”.

Sumber: Phys.org

From a 2021 scientific paper, we can learn some of the key advantages of honeycomb shapes, notably low density and high out-of-plane compression and shear properties (resistance of materials to forces acting in parallel but opposite directions).

Perubahan konfigurasi fisik baterai ini menjaga material berada di tempat yang tepat, menghindari retakan dan kontraksi selama pengisian.

Meskipun belum jelas bagaimana CATL melakukannya, beberapa metode ini sudah diketahui; misalnya, perlakuan termal dan kimia berurutan dengan karbon dan asam dapat menciptakan struktur nano‑sarang lebah.

Sumber: Chemistry Europe

Sumber: Chemistry Europe

Secara keseluruhan, struktur baterai sarang lebah tampaknya menghindari pembentukan retakan dan dendrit, menciptakan baterai ultra tahan lama sambil tetap mengandalkan prinsip yang dipahami dengan baik dari teknologi baterai litium‑ion dan LFP (lithium‑iron‑phosphate).

Kemungkinan ini menjadi inti dari produk baru CATL, yaitu Sistem baterai LFP TENER yang dikontainerkan, yang telah menunjukkan tidak ada degradasi kapasitas setelah operasi penuh selama 5 tahun.

TENER kini mulai dikomersialkan oleh CATL kepada perusahaan utilitas.

Sumber: Sustainability Environment

Baterai Padat (Solid State)

Selain modifikasi kimia, cara pembuatan baterai itu sendiri dapat diubah untuk menghasilkan baterai yang lebih padat dan lebih tahan lama.

Inilah ide di balik baterai solid‑state, yang menggantikan elektrolit cair pada kebanyakan desain baterai dengan lapisan logam padat. Secara teori, ini seharusnya menghasilkan baterai dengan energi tertinggi, meskipun mungkin tidak yang termurah.

Sampai baru‑baru ini, ini merupakan ide yang sulit diimplementasikan secara skala, karena memerlukan kontak sempurna antara lapisan logam. Gerakan mekanik saat pengisian‑pengosongan juga sering menyebabkan terbentuknya retakan.

Sumber: Flash Battery

Namun, perkembangan terbaru oleh banyak perusahaan seperti QuantumScape (QS ) , Toyota, Samsung SDI (006400.KS) atau Hyundai (HYMTF) dari pabrik baterai dan produksi massal untuk 2028‑2030 menunjukkan teknologi ini kini menjadi matang.

Secara teori, baterai solid‑state yang dikembangkan dengan baik dapat secara bertahap menggantikan semua baterai litium‑ion, LFP, dan bahkan natrium‑ion pada kendaraan listrik.

Harga akhir mereka masih belum diketahui ketika diproduksi secara skala untuk menentukan apakah mereka akan cukup murah untuk aplikasi penyimpanan energi jaringan. Mungkin konsep khusus seperti baterai solid‑state natrium tanpa anoda dapat menangani tugas ini, karena akan menghindari penggunaan logam litium yang mahal.

(Anda dapat mempelajari lebih lanjut tentang peluang investasi dalam teknologi ini di “5 Best Solid‑State Battery Stocks to Watch or Buy”).

Baterai Seng

Karena seng merupakan logam yang sangat murah dan melimpah, ia telah digunakan dalam baterai sekali pakai selama lama. Baterai yang dapat diisi ulang juga dapat dibuat dengan seng, terutama baterai berbasis air berbasis seng (ZABs).

Namun, desain ini telah dirundung oleh pembentukan dendrit, reaksi evolusi hidrogen parasitik (HER), dan pasivasi korosi permukaan, yang secara signifikan mengurangi kegunaannya.

Hal ini berubah berkat penelitian baru yang dilakukan di Technical University of Munich¹. Mereka menggunakan polimer organik berpori bernama TpBD-2F. Material ini membentuk lapisan stabil, ultra‑tipis, dan sangat teratur pada anoda seng, memungkinkan ion seng mengalir secara efisien melalui nano kanal sambil menjauhkan air dari anoda.

Sumber: Advanced Energy Materials

Sel penuh yang dirakit (kapasitor Zn‑ion) memberikan umur siklus ultra panjang lebih dari 100.000 siklus, daya tahan yang menakjubkan, berkat hampir sepenuhnya menekan pembentukan dendrit, serta tidak ada HER dan korosi.

Selain baterai seng, para peneliti berpikir konsep ini dapat diperluas ke anoda logam lainnya: litium, natrium, kalium, aluminium, dll.

Baterai TAQ-Polymer dan Natrium‑Ion

Polimer (karbon) dan natrium sebagai pengganti litium dapat menjadi cara yang bagus untuk mengurangi harga bahan baku yang masuk ke baterai. Inilah yang dilakukan peneliti di MIT dalam baterai TAQ‑sodium‑ion mereka.

Dalam pengujian awal, baterai ini berhasil menempuh 2.000 siklus pengisian‑pengosongan tanpa degradasi yang terlihat, sambil memberikan kepadatan energi lebih tinggi dibandingkan baterai litium dan pengisian ultra cepat dalam 6 menit.

Ini menunjukkan bahwa, pada akhirnya, kimia baterai yang paling mungkin memenangkan perlombaan baterai ultra tahan bukan sekadar varian yang sama, melainkan pemikiran radikal kembali tentang material apa yang dapat digunakan dalam baterai, dengan elemen murah dan melimpah seperti karbon dan natrium menjadi kandidat yang baik.

Baterai Logam Cair

Sebagian besar konsep baterai didasarkan pada transfer elektron antara satu keadaan oksidasi atom logam padat ke keadaan oksidasi lainnya. Dalam hal ini, anoda dan katoda harus dipisahkan secara sempurna untuk menghindari hub singkat.

Semakin banyak logam dan semakin sedikit bagian cair seperti elektrolit, semakin baik, seperti pada baterai solid‑state, atau demikian arah kebanyakan industri baterai.

Dengan memperluas secara radikal apa yang dapat dianggap sebagai baterai, baterai logam cair melakukan hal sebaliknya: ketiga komponen utama, anoda, katoda, dan elektrolit, semuanya cair.

Mereka terpisah secara spontan satu sama lain berkat perbedaan densitas cair. Fakta bahwa tidak ada komponen padat seharusnya, secara teori, meningkatkan umur baterai secara dramatis, serta memungkinkan pengisian dan pengosongan yang sangat cepat dan dapat didaur ulang sepenuhnya.

Sumber: Ambri

Perusahaan yang didukung Bill Gates, Ambri, menggunakan baterai kalsium dan antimon, telah menjadi juara teknologi ini. Mereka berencana untuk memproduksi 200.000 sel baterai per tahun di pabrik barunya pada 2024.

Hal ini tidak terwujud, karena perusahaan kehabisan dana sebelum dapat meningkatkan produksi. Sejak itu perusahaan bangkit dari kebangkrutan bab 11 pada musim panas 2024, dan masih dipimpin oleh co‑founder Dr. David Bradwell sebagai CEO.

We look forward to offering our unique, safe, and low-cost commercial product to our customers at scale, to meet the strong customer demand for our battery systems, and for a cleaner energy future.

As we embark on this fresh start with a stronger balance sheet and new capital, we are focused on positioning Ambri to play a leading role in the long-duration energy storage market for the benefit of our stakeholders.

David Bradwell

Jadi Ambri belum mati, dan bukan satu‑satunya perusahaan yang mengerjakan baterai logam cair. Insulator Jepang NGK (NGKIF) juga sedang mengerjakan baterai garam cair natrium‑sulfur, dan perusahaan Horien sedang mengerjakan baterai natrium‑nikel‑klorida.

Kedua produk perusahaan tersebut sudah dikomersialkan dan dinilai memiliki umur pakai lebih dari 20 tahun.

Baterai Panas / Termal

Memperluas definisi baterai dari penyimpanan listrik menjadi sekadar penyimpanan energi apa pun, baterai panas menyimpan energi hijau dalam bentuk panas alih‑alih energi elektrokimia.

Ini dapat memberikan beberapa keuntungan penting dibandingkan baterai “normal”:

• Retensi panas selama beberapa bulan dapat dicapai dengan isolasi yang cukup, sementara baterai kimia selalu kehilangan lebih banyak daya per hari.
• Sebagian besar material yang menyimpan panas dapat mengalami siklus ratusan ribu kali tanpa degradasi signifikan.
• Material yang digunakan murah dan melimpah, seperti, misalnya, pasir atau karbon murni.

Kombinasi material murah, hampir nol degradasi selama dekade, dan retensi energi berbulan‑bulan menjadikan baterai panas kandidat yang baik.

Sebagian besar perusahaan swasta yang mengeksplorasi ide ini, terutama perusahaan Finlandia Polar Night Energy, yang menyimpan energi berlebih dari musim panas ke musim dingin, menggunakan hanya pasir bergrade rendah dan sedikit logam untuk rangka dan pipa.

Sumber: Polar Night Energy

Baterai panas serupa dibayangkan oleh Rondo Energy, dengan bata keramik yang dapat dipanaskan hingga 1500°C, menggunakan panas tersebut untuk proses industri seperti produksi semen atau baja.

Sumber: Rondo Energy

Secara keseluruhan, ini dapat menjadi pilihan yang bagus untuk mendekarbonisasi sektor yang masih mengonsumsi banyak bahan bakar fosil, seperti industri berat dan pemanasan apartemen di musim dingin. Terutama karena desain ini dapat membantu menyimpan energi dari musim panas yang cerah ke musim dingin yang mendung.

Panas yang disimpan bahkan dapat dikonversi kembali menjadi listrik, berkat sel termofotovoltaik, dengan peneliti di University of Michigan yang mengembangkan sel dengan efisiensi rekor 44%².

Sumber: Design Boom

Kesimpulan

Sistem baterai untuk jaringan listrik dan rumah kemungkinan akan lebih sedikit bergantung pada teknologi litium‑ion saat ini dan lebih pada teknologi yang lebih murah dan lebih tahan lama, meskipun memiliki kepadatan energi yang lebih rendah. Untuk saat ini, yang siap untuk komersialisasi massal adalah baterai LFP dengan struktur sarang lebah canggih dan baterai natrium‑ion.

Dalam jangka panjang, solusi yang lebih eksotis kemungkinan akan ditambahkan ke dalam campuran, seperti baterai logam cair, seng, polimer, atau panas. Pada akhirnya, daya tahan, biaya material, dan biaya manufaktur kemungkinan akan menjadi faktor penentu mana yang menjadi “final form” penyimpanan energi ultra tahan.

Artinya, jika baterai solid‑state tidak terbukti cukup murah untuk mengambil alih seluruh pasar penyimpanan energi, yang merupakan kemungkinan nyata.

Perusahaan Baterai Ultra‑Tahan

QuantumScape

Since its foundation in 2010, Californian Quantum Scape has been a prominent startup in the solid-state battery space, remarkable by its move into the field early, and its independence from larger battery manufacturers also pursuing solid-state technology, like CATL (300750.SZ), Samsung, or LG Energy Solution (373220.KS).

Sumber: QuantumScape

Salah satu fitur unik baterai QuantumScape, yang pada saat itu dianggap revolusioner, adalah penggunaan desain tanpa anoda. Hal ini memungkinkan pengisian cepat sekitar 15 menit (10‑80% pada 45 ºC) dan pemisahnya tidak mudah terbakar dan tidak dapat terbakar.

Sumber: QuantumScape

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

Sumber: QuantumScape

Namun, kinerja luar biasa ini secara rutin terhambat oleh kesulitan meningkatkan produksi. Hal ini juga memaksa perusahaan menghabiskan kasnya, yang 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.

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

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

The sudden scaling‑up of QuantumScape production seems to be linked to Cobra, the company’s next‑generation solid‑state battery separator equipment, a breakthrough in ceramics manufacturing.

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

Sumber: QuantumScape

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

Sementara itu, investor masih harus mengharapkan beberapa volatilitas pada harga saham, tetapi ada harapan di ujung terowongan pengembangan produk.

Berita Terbaru tentang QuantumScape

Referensi Studi:

^{1. Da Lei, et al, (2024) Ion‑Transport Kinetics and Interface Stability Augmentation of Zinc Anodes Based on Fluorinated Covalent Organic Framework Thin Films. Advanced Energy Materials. 13 Oktober 2024}

^{2. Bosun Roy‑Layinde, et al. (2024) High‑efficiency air‑bridge thermophotovoltaic cells. Joule. Volume 8, Issue 7, p2135‑2145. 17 Juli 2024.}