Sistem baterai paling umum yang kita gunakan saat ini adalah Li-ion dan timbal asam. Namun, kedua sistem ini memiliki tantangan dan batasan yang membutuhkan solusi yang lebih baik. Industri baterai dipenuhi dengan janji yang tidak terpenuhi, tetapi terdapat kemajuan yang sedang berlangsung.
Menyimpan energi listrik secara ekonomis tetap menjadi salah satu tantangan yang belum terpecahkan dalam masyarakat modern. Ada ungkapan yang mengatakan, “Setiap peningkatan 1% dalam kinerja baterai akan memperluas aplikasi baterai sebesar 10%.” Panduan sederhana mengungkapkan: “Biaya energi menjadi dua kali lipat saat disimpan dalam baterai untuk digunakan kembali.”
Dalam hal umur pakai, terdapat kemajuan dalam baterai lithium-ion dengan menggunakan material katoda kristal tunggal. Meningkatkan umur pakai dan kapasitas yang lebih besar didorong oleh industri kendaraan listrik yang berusaha mencapai masa pakai baterai 15 tahun. Namun, selama ponsel di pasar konsumen menggunakan jenis Li-ion umum yang diisi hingga tegangan maksimum yang diizinkan, umur pakainya akan singkat.
Dalam hal energi spesifik, anoda nanokawat silikon mencapai watt-jam per kilogram (Wh/kg) yang tinggi, dua kali lipat dari sel Li-ion komersial, tetapi struktur berbasis nanokawat Si memiliki umur siklus yang terbatas. Pulau Si berskala mikro terbentuk di bawah larik nanokawat dengan perubahan siklus yang menghasilkan tekanan dan retakan. Kapasitas yang hilang disebabkan oleh kontak yang berkurang dengan pengumpul arus saat ini.
Baterai eksperimental sebagian besar berada di laboratorium terlindung dan berkomunikasi dengan dunia luar melalui laporan yang menjanjikan namun satu sisi, sering kali untuk memikat investor. Beberapa desain menunjukkan hasil yang tidak realistis dengan tanggal rilis yang berubah seiring waktu. Sebagian besar konsep menghilang dari kancah baterai dan mati dengan tenang di laboratorium tanpa seorang pun mendengar tentang keberangkatan mereka.
Tidak banyak produk lain yang memiliki persyaratan ketat seperti baterai, dan kompleksitas ini membingungkan para pemodal ventura yang sukses selama era dot-com dan mengharapkan pengembalian investasi yang sama besar dalam waktu 3 tahun; pengembangan baterai biasanya memerlukan waktu 10 tahun. Sebagian besar pemodal ventura tidak memiliki kesabaran untuk menunggu, dan mereka menarik kembali uangnya, meninggalkan pengembang dalam kesulitan. Mengumpulkan modal memakan waktu dan banyak startup mengabdikan waktu dan energi sebanyak yang mereka lakukan untuk penelitian.
Sebagian besar baterai eksperimental dalam keluarga lithium memiliki satu hal yang sama; mereka menggunakan anoda lithium logam untuk mencapai energi spesifik yang lebih tinggi daripada yang mungkin dengan katoda teroksidasi dalam Li-ion, baterai yang saat ini umum digunakan.
Moli Energy adalah yang pertama yang memproduksi baterai lithium logam isi ulang dalam tahun 1980-an, tetapi baterai ini membawa risiko keselamatan yang serius karena pertumbuhan dendrit lithium menyebabkan hubungan listrik pendek yang mengarah ke kondisi terbakar. Departemen pemadam kebakaran setempat tahu persis tempat yang harus mereka kunjungi saat terjadi kebakaran di pabrik Moli; itu adalah gudang baterai. Setelah kejadian pembuangan gas melukai pengguna baterai, semua pak baterai lithium-metal ditarik kembali pada tahun 1989. NEC dan Tadiran mencoba untuk meningkatkan desain ini dengan keberhasilan terbatas. Sangat sedikit perusahaan yang membuat baterai lithium-metal isi ulang, dan kebanyakan menawarkan versi primer saja. Penelitian terus berlanjut dan solusi yang mungkin dengan bahan baru sebagai bagian dari lithium padat bisa tersedia. Desain ini dijelaskan lebih lanjut dalam bagian ini.
Peneliti juga telah mengembangkan struktur anoda untuk baterai Li-ion yang didasarkan pada material nanokomposit silikon-karbon. Anoda silikon secara teoritis bisa menyimpan energi 10 kali lipat dari anoda grafit, tetapi perluasan dan penyusutan selama pengisian dan pengosongan membuat sistem menjadi tidak stabil. Menambahkan grafit ke anoda dikatakan dapat mencapai kapasitas teoritis yang lima kali lipat dari Li-ion biasa dengan performa stabil, namun umur siklusnya akan terbatas karena masalah struktural saat memasukkan dan mengeluarkan lithium-ion dalam volume tinggi.
Menghadapi delapan persyaratan dasar dari baterai oktagon adalah tantangan. Komersialisasi tampaknya berfokus pada target yang selalu sepuluh tahun ke depan, tetapi para ilmuwan tidak menyerah. Berikut beberapa baterai eksperimental yang paling menjanjikan.
Baterai Lithium-air (Li-air)
Baterai Lithium-air menghadirkan satu terobosan menarik karena baterai ini menjanjikan penyimpanan energi yang jauh lebih besar daripada yang mungkin dilakukan oleh teknologi Li-ion saat ini. Para ilmuwan mengadopsi gagasan ini dari baterai seng-udara dan sel bahan bakar dalam menciptakan baterai yang “menghirup” udara. Baterai ini menggunakan katoda udara katalitik yang menyediakan oksigen, elektrolit, dan anoda lithium.
Energi spesifik teoretis lithium-air adalah 13 kWh/kg. Aluminium-air juga sedang diuji coba, dan sedikit lebih rendah, yaitu 8 kWh/kg. Jika energi-energi ini memang bisa dihasilkan, baterai metal-air, yang juga dikenal, akan setara dengan bensin, sekitar 13 kWh/kg. Tetapi bahkan jika produk akhirnya hanya sebesar seperempat dari kerapatan energi teoretis, motor listrik dengan efisiensi lebih dari 90 persen akan mengimbangi kapasitas yang lebih rendahnya dibandingkan dengan mesin bakar internal (ICE) dengan efisiensi termal hanya sekitar 25-30 persen.
Li-air diusulkan pada tahun 1970-an dan mendapatkan minat yang diperbaharui pada akhir tahun 2000-an, sebagian karena kemajuan dalam ilmu material dan upaya untuk menemukan baterai yang lebih baik untuk perangkat tenaga listrik. Tergantung pada bahan yang digunakan, lithium-air menghasilkan tegangan antara 1,7 dan 3,2 V/sel. IBM, MIT, University of California, dan pusat penelitian lainnya sedang mengembangkan teknologi ini.
Seperti halnya dengan baterai penghirup udara lainnya, daya spesifik mungkin rendah, terutama pada suhu dingin. Kemurnian udara juga dikatakan menjadi tantangan karena udara yang kita hirup di kota-kota kita tidak cukup bersih untuk lithium-air dan perlu difilter. Untuk saat ini, baterai mungkin akan dilengkapi dengan kompresor, pompa, dan filter yang menyerupai sel bahan bakar, yang akan mengonsumsi 30 persen dari energi yang dihasilkannya untuk dukungan tambahan agar tetap berfungsi.
Masalah lain adalah sindrom kematian tiba-tiba. Lithium dan oksigen membentuk film lithium peroksida yang menghasilkan penghalang, yang mencegah pergerakan elektron dan mengakibatkan penurunan tiba-tiba dalam kapasitas penyimpanan baterai. Para ilmuwan sedang menguji bahan tambahan untuk mencegah pembentukan film tersebut. Umur siklusnya juga perlu ditingkatkan; uji laboratorium saat ini hanya menghasilkan 50 siklus.
Lithium-logam (Li-logam)
Lithium-logam telah lama dianggap sebagai baterai isi ulang masa depan karena energi spesifiknya yang tinggi dan kemampuan muatan yang baik. Namun, deposisi lithium yang tidak terkendali menyebabkan pertumbuhan dendrit yang mengakibatkan bahaya keselamatan dengan menembus pemisah dan menghasilkan hubungan pendek listrik.
Setelah beberapa upaya gagal untuk mengkomersialisasikan baterai lithium-logam isi ulang, penelitian dan pembuatan terbatas baterai ini terus berlanjut. Pada tahun 2010, baterai lithium-logam percobaan dengan kapasitas 300 Wh/kg diinstal di sebuah kendaraan listrik eksperimental. DBM Energy, produsen Jerman dari baterai ini, mengklaim 2.500 siklus, waktu pengisian yang singkat, dan harga yang kompetitif jika baterai tersebut diproduksi massal.
Sebuah Audi A2 dengan baterai ini mampu mengemudi lebih dari 450km (284mi) dari Munich ke Berlin dengan satu kali pengisian. Ada rumor bahwa mobil itu hancur akibat kebakaran saat menjalani uji laboratorium. Meskipun baterai lithium-logam ini berhasil melewati uji persetujuan yang ketat, masalah keselamatan jangka panjang masih menjadi isu karena serat logam dapat terbentuk yang mungkin menyebabkan hubungan pendek listrik.
Dengan 300Wh/kg, lithium-logam memiliki salah satu energi spesifik tertinggi di antara baterai isi ulang berbasis lithium. NCA dalam Tesla S 85 memiliki 250Wh/kg, LMO dalam BMW i3 memiliki 120Wh/kg, dan kimia serupa dalam Nissan Leaf memiliki 80Wh/kg. Baterai BMW i3 dan Leaf dibuat untuk daya tahan tinggi; Tesla mencapai ini dengan oversizing.
Sebuah solusi untuk menghambat pertumbuhan dendrit mungkin segera datang. Untuk menghasilkan deposisi bebas dendrit pada baterai Li-logam, uji coba sedang dilakukan dengan menambahkan nanodemak sebagai aditif elektrolit. Ini berdasarkan prinsip bahwa lithium lebih suka menyerap ke permukaan berlian, menghasilkan deposisi yang seragam dan peningkatan kinerja siklus. Pengujian telah menunjukkan siklus yang stabil selama 200 jam, tetapi ini mungkin tidak memberikan jaminan yang cukup untuk aplikasi konsumen, seperti ponsel dan laptop. Seiring dengan pekerjaan penelitian ini, baterai Li-logam mungkin perlu tindakan pencegahan lain, termasuk elektrolit yang tidak mudah terbakar, bahan elektroda yang lebih aman, dan pemisah yang lebih kuat.
Artikel ini telah direview oleh tim Teknis Matador Lectro.asia dengan pengalaman sudah mengerjakan baterai packing dengan BMS (Battery Management System) untuk berbagai merk motor listrik seperti Gelis, Viar, Tomara, Selis dan Motoriz.