Pekerjaan Terus Berlanjut pada Baterai Solid-State Saat Peneliti Fokus pada Hal Esensial

Baterai solid-state, yang digunakan dalam smartphone, alat listrik, dan kendaraan listrik (EV), berbeda dari baterai Li-ion dalam penggunaan elektrolitnya. Sementara baterai Li-ion menggunakan elektrolit cair, baterai solid-state menggunakan elektrolit padat. 

Pada baterai Li-ion, terdapat pemisah untuk memisahkan katoda dan anoda. Pada baterai solid-state, elektrolit padat juga berfungsi sebagai pemisah. 

Meskipun ini hanya perbedaan fitur, komunitas ilmiah dan teknologi mengembangkan baterai solid-state karena stabilitasnya yang lebih baik dengan struktur padat dan keamanan yang meningkat. Mereka terus mengerjakannya karena baterai ini mempertahankan bentuknya bahkan jika elektrolit rusak.

Baterai solid-state memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi dan hampir tidak berisiko meledak atau terbakar. Karena tidak memerlukan komponen keselamatan tambahan, lebih banyak ruang tersedia untuk memasukkan material aktif, meningkatkan kapasitas baterai. Kepadatan energi yang meningkat juga memastikan kebutuhan baterai tetap rendah, menghasilkan sistem baterai EV yang optimal untuk modul dan paket. 

Untuk manfaat ini, para pakar pasar pada dasarnya percaya bahwa baterai solid-state akan menjadi pengubah permainan dalam membuat EV bersaing dengan kendaraan berbahan bakar internal (ICEV) dan pada akhirnya memimpin perlombaan. Namun hal itu tidak menghentikan peneliti untuk mengeksplorasi bagaimana baterai solid-state dapat dibuat lebih berguna. Dalam satu penelitian tersebut, para ilmuwan mengusulkan baterai solid-state logam litium ultra-tipis dengan kepadatan energi tinggi yang diaktifkan oleh elektrolit padat tipe garnet yang tahan Li2CO3. 

Meskipun semua ini terdengar terlalu teknis, pada segmen berikutnya, kami akan menyelami lebih dalam untuk memahami apa yang ingin dicapai oleh penelitian ini!

Mengaktifkan Platform Baterai Solid-State Logam Litium Ultra-Tipis dengan Stabilitas Tinggi dan Kepadatan Energi Tinggi

Profesor Byoungwoo Kang dan Dr Abin Kim dari Departemen Ilmu dan Teknik Material di POSTECH mengembangkan elektrolit padat yang memungkinkan platform baterai solid-state logam litium ultra-tipis dengan stabilitas tinggi dan kepadatan energi tinggi.

Terobosan ini menghasilkan hasil dengan menyelesaikan salah satu penyebab kekhawatiran paling umum yang dihadapi baterai solid-state. Apa masalah itu, dan bagaimana cara menyelesaikannya? Mari kita lihat secara mendalam di bawah!

Masalah LLZO

Elektrolit padat tipe garnet yang digunakan dalam baterai solid-state, yang juga dikenal sebagai Li7La3Zr2O12 atau LLZO, memiliki konduktivitas ionik tinggi. Pada saat yang sama, ia sangat reaktif dan membentuk lapisan kontaminasi (Li2CO3) pada permukaannya ketika terpapar udara. Lapisan ini menimbulkan beberapa kelemahan atau hambatan, termasuk pembentukan penghalang resistif dalam konstruksi sel, penurunan sifat kontak dan antarmuka elektrolit serta reaktan, dll. 

Inovasi ini mengambil hambatan tersebut dan mengubahnya dengan fokus pada esensi bawaan alih-alih mencari solusi eksternal. Peneliti mengembangkan teknologi LLZO yang dapat ditangani di udara (AH-LLZO) yang dapat secara bersamaan meningkatkan sifat permukaan dan internal LLZO serta mencegah pembentukan lapisan kontaminan.

Mereka mencapai tujuan tersebut dengan mengembangkan senyawa hidrofobik baru (Li-Al-O) pada permukaan dan di dalam material. Senyawa ini mencegah kontaminasi menyebar secara internal dengan membuat lapisan hanya bereaksi dengan kelembapan udara. 

Lapisan ini sebagai solusi dengan sifat kontak dan daya basah yang ditingkatkan juga menghasilkan pengembangan baterai solid-state litium ultra-tipis, kira-kira satu persepuluh ketebalan rambut manusia.

Klik di sini untuk daftar sepuluh saham baterai terbaik untuk diinvestasikan.

Mengapa Penelitian Ini Dianggap Sebuah Terobosan?

Hasilnya telah menghasilkan skenario di mana memungkinkan untuk menyiapkan lapisan logam litium ultra-tipis, menghasilkan rasio kapasitas anoda terhadap katoda yang kecil, sekitar 0.176 pada baterai solid-state. 

Eksperimen ini juga memungkinkan pengurangan signifikan jumlah logam litium yang digunakan, mengurangi berat dan volume baterai secara keseluruhan serta secara signifikan meningkatkan kepadatan energi. 

Jika diterapkan, penelitian dan temuan tersebut akan memungkinkan penyimpanan di udara tanpa memerlukan penanganan atau fasilitas khusus. Selain menyederhanakan seluruh proses, inovasi ini menghasilkan produksi elektrolit padat tipe garnet yang lebih praktis untuk digunakan. 

Saat berbicara tentang masa depan, Profesor Byoungwoo Kang menyatakan:

“Kami akan terus mengerjakan baterai solid-state logam litium ultra-tipis yang dapat mencapai keamanan tinggi dan kepadatan energi tinggi.”

Penelitian ini menunjukkan bahwa fokus pada hal esensial dapat membantu kami mengubah kelemahan produk menjadi kekuatannya. Bisnis dan entitas komersial berinvestasi dalam penelitian dan sumber daya untuk membuat baterai solid-state lebih kondusif dan bermanfaat bagi mobil masa depan. Pada segmen berikut, kami akan meninjau perusahaan-perusahaan tersebut dan inovasinya. 

#1. Solid Power

Salah satu perusahaan yang melakukan pekerjaan luar biasa di bidang ini adalah Solid Power (SLDP ). Baterai all-solid-state mereka menawarkan energi tinggi, keamanan yang ditingkatkan, umur lebih panjang, dan manfaat biaya yang signifikan. 

Ini memungkinkan penggunaan elektroda berkapasitas lebih tinggi seperti silikon dengan kandungan tinggi dan logam litium sekaligus meningkatkan standar keamanan dengan menghilangkan komponen cair dan gel yang reaktif serta volatil. 

Hasilnya terlihat pada baterai yang dapat bertahan dan beroperasi secara efisien pada suhu yang sangat panas. Perusahaan mengklaim bahwa produknya memiliki keunggulan biaya sebesar 15-35% dibandingkan paket Li-ion. 

Portofolio baterai all-solid-state Solid Power mencakup tiga produk utama: Sel EV Silikon, sel Logam Litium, dan Sel Reaksi Konversi. 

Sel EV Silikon

Ia memiliki anoda silikon dengan kandungan tinggi, yang menghasilkan laju pengisian tinggi dan kemampuan suhu yang lebih rendah. Elektrolit padat berbasis sulfida milik Solid Power memberi daya pada solusi ini. Ia menggunakan Katoda NMC standar industri yang sudah matang secara komersial. 

Logam Litium

Produk ini mengambil namanya dari anoda logam litium berenergi tinggi. Ia memiliki kapasitas yang sedikit lebih baik dibandingkan Sel EV Silikon, yang memiliki spesifikasi 390 Wh/kg, sementara sel Logam Litium memiliki 440 Wh/kg. 

Sel Reaksi Konversi

Di antara semua produk dalam portofolio Solid Power, sel ini memiliki kapasitas kinerja maksimum sebesar 560 Wh/kg. Keunikannya terletak pada katoda tipe konversi dengan biaya ultra-rendah dan energi spesifik tinggi. 

Berbasis di Colorado, Amerika Serikat, Solid Power sangat yakin akan kapasitas transformasi baterainya. Mereka percaya sel baterai all-solid-state mereka akan memenuhi kebutuhan volume dan biaya OEM. 

Dalam dek investasi terbaru yang tersedia, perusahaan (Nasdaq: SLDP) mengklaim menjadi satu-satunya pengembang baterai solid-state murni yang diperdagangkan secara publik dan telah mengumpulkan US$700 juta hingga saat ini. Perusahaan berkembang berkat sejarah investasi R&D lebih dari satu dekade, yang menghasilkan hampir 50 keluarga paten global dan tiga mitra pengembangan terdepan di industri (BMW, Ford, SK On).

#2. QuantumScape

QuantumScape (QS ), pemain utama lainnya di bidang ini, menyatakan memiliki misi untuk ‘mengubah penyimpanan energi dengan teknologi baterai solid-state logam litium.’ Mereka juga mengklaim memungkinkan ‘kepadatan energi lebih tinggi, pengisian lebih cepat, dan keamanan yang ditingkatkan’ – tiga kualitas dasar esensial yang juga menjadi fokus penelitian POSTECH. 

Salah satu fitur menonjol QuantumScape adalah mereka telah mengembangkan desain sel tanpa anoda pertama di industri, menghasilkan kepadatan energi tinggi dengan biaya material yang lebih rendah dan proses manufaktur yang disederhanakan.

Platform teknologi QuantumScape menggunakan berbagai kimia katoda untuk secara signifikan meningkatkan kepadatan energi sel baterai berbasis Nikel Mangan Kobalt (NMC) dan Lithium Iron Phosphate (LFP) saat ini. Upaya mereka memastikan optimasi untuk berbagai aplikasi penyimpanan energi dan menyiapkan bidang ini untuk memanfaatkan kemajuan kimia katoda di masa depan. 

Keunikan lain perusahaan adalah material pemisahnya, yang terbuat dari keramik yang menawarkan konduktivitas tinggi, stabilitas terhadap logam litium, tahan pembentukan dendrit, dan impedansi antarmuka rendah. Keuntungan lain menggunakan keramik adalah keamanan yang lebih tinggi karena tidak dapat terbakar dan oleh karena itu lebih aman dibandingkan pemisah polimer konvensional yang mengandung hidrokarbon dan lebih rentan terbakar. 

QuantumScape bekerja dengan target 800–1.000 Wh/L untuk sel lithium-metal solid-state mereka.

Secara finansial, QuantumScape (NYSE: QS) didukung oleh investasi modal lebih dari US$2 miliar. Mereka memiliki lebih dari 300 paten dan aplikasi paten dalam portofolio mereka.

Masa Depan Baterai Solid-State

Baterai solid-state bukan lagi teknologi masa depan karena masa depan sudah tiba. Banyak penelitian mutakhir dari institusi terkemuka terus memajukan tujuannya setiap hari.

Misalnya, pada Januari 2024, peneliti dari Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) memperkenalkan baterai solid-state dengan logam litium yang mampu memberikan 6.000 siklus pengisian/pengosongan — jauh lebih banyak dibandingkan sel baterai pouch lainnya di pasar.

Penelitian ini mirip dengan yang kami kutip di awal artikel, karena peneliti Harvard juga menangani masalah dendrit yang terbentuk pada permukaan anoda.

Selain bisnis khusus yang telah kami bahas, termasuk Solid Power dan QuantumScape, ada pemain besar lain yang terlibat di bidang ini. Misalnya, pada Oktober 2023, Toyota dan Idemitsu Kosan mengumumkan kemitraan untuk mengembangkan baterai solid-state bagi EV.

Visi yang mendorong kolaborasi ini sangat ambisius, setidaknya. Mereka menyatakan hal berikut dalam siaran pers:

“Melalui kolaborasi ini, kedua perusahaan, yang memimpin dunia dalam bidang termasuk pengembangan material terkait baterai all-solid-state, berupaya memastikan komersialisasi sukses baterai all-solid-state pada 2027-28—seperti yang diumumkan pada Toyota Technical Workshop pada Juni 2023—diikuti dengan produksi massal skala penuh.”

Perusahaan lain yang memutuskan mengambil langkah besar di bidang ini adalah Honda. Perusahaan ini telah aktif di bidang ini cukup lama. Pada Januari 2024, pihak Honda menyatakan bahwa mereka menargetkan pengurangan berat sebesar 50%—atau, dengan kata lain, peningkatan kepadatan energi per berat sebesar 50%.

CEO Honda, Toshihiro Mibe, menjelaskan bahwa jika Honda ingin menciptakan mobil dengan harga $30.000, mereka dapat mempertimbangkan baterai solid-state karena biaya baterai akan turun, jangkauan akan meningkat, dan sistem pendingin dapat disederhanakan.

Namun, upaya global untuk membuat baterai solid-state lebih kuat dan aman masih menghadapi beberapa tantangan. Tujuannya adalah mengoptimalkan sifat dasar, termasuk keamanan, stabilitas, kinerja energi, dan efisiensi penyimpanan elektrokimia. Hambatan meliputi kelayakan kinerja jangka panjang, kelayakan ekonomi, dan penyampaian standar daya spesifik secara akurat.

Jika kita menyelami lebih dalam, kita akan melihat tantangan juga mencakup kinerja siklus yang tidak memadai pada baterai solid-state (SSB) saat ini akibat degradasi material pada anoda, katoda, dan elektrolit. United States Council for Automotive Research telah menetapkan target umur baterai 10 tahun dengan 1000 siklus pada kedalaman discharge 80%.

Apa yang menghalangi baterai solid-state sering mencapai target ini adalah pembentukan lapisan muatan ruang, yang menyebabkan kinetika antarmuka lambat dan impedansi tinggi, serta pertumbuhan dendrit yang menyebabkan hubung singkat dan bahaya keselamatan.

Namun, ada solusi untuk tantangan ini. Produsen harus fokus pada produksi SSB dengan kepadatan energi tinggi dan peningkatan. Bagaimanapun, produk ini memiliki stabilitas termal tinggi, menghilangkan kekhawatiran keamanan bahkan pada suhu di atas 200 °C, sementara elektrolit cair dapat menimbulkan ancaman pada suhu di atas 70 °C. Elektrolit solid-state dapat menawarkan operasi bebas kebocoran dan memberikan stabilitas elektrokimia yang lebih besar dibandingkan dengan elektrolit cair.

Elektrolit solid-state juga lebih diinginkan karena dapat mengurangi penurunan kapasitas dan hubung singkat internal. Konduktivitas ionik tinggi dan konduktivitas elektronik rendahnya juga memastikan kendaraan terisi lebih cepat.

Menurut perkiraan QuantumScape, kendaraan yang memperoleh jarak sekitar 350 mil dengan satu kali pengisian menggunakan salah satu sel lithium-ion tradisional terkemuka saat ini dengan kepadatan energi ~700 Wh/L dapat memperoleh jarak antara 400 hingga 500 mil menggunakan sel solid-state QuantumScape.

Secara keseluruhan, baterai solid-state sangat penting untuk mobilitas masa depan. Mereka harus efisien, aman, hemat biaya, dan tahan lama.

Klik di sini untuk mempelajari mengapa layak membeli EV sekarang meskipun baterai solid-state sudah di depan mata.