Terobosan Baterai Membawa Varian Solid-State Selangkah Lebih Dekat ke Realitas

Baterai Solid-State Akan Meraih Dominasi Kendaraan Listrik

Meskipun baterai litium-ion telah menjadi solusi dominan untuk sistem baterai kendaraan listrik, baterai ini memiliki beberapa keterbatasan.

Salah satunya adalah kepadatan energi yang masih belum begitu bagus, dan yang lainnya adalah masalah keamanan yang terkait dengan pertumbuhan dendrit yang menembus baterai dan elektrolit yang terkadang terbakar.

Sumber: Penghargaan Nobel

Kedua masalah tersebut diharapkan dapat diatasi dengan baterai solid-state, yang menghilangkan kebutuhan akan elektrolit dan risiko dendrit.

Toyota memperkirakan penggunaan baterai solid-sate ini pada tahun 2027, dan secara keseluruhan, tampaknya ini adalah kandidat yang solid untuk masa depan mobilitas.

Namun, beberapa masalah tetap ada, terutama dengan elektrolit padat jenis garnet, yang juga dikenal sebagai Li7La3Zr2O12 atau LLZO (lihat di bawah).

Jadi, ini adalah berita baik bahwa empat peneliti di Universitas McGill di Kanada mengumumkan bahwa mereka menciptakan desain LLZO baru yang dapat menghasilkan lebih banyak energi. Mereka menerbitkan hasil penelitian mereka di Cell Reports Physical Science dalam sebuah makalah berjudul “Baterai lithium-metal berbasis garnet solid-state 4.8-V dengan antarmuka yang stabil".

Elektrolit Padat

LLZO

Umumnya dikatakan bahwa baterai solid-state tidak memerlukan elektrolit. Secara teknis ini benar jika mengacu pada elektrolit cair yang umum digunakan dalam baterai lithium-ion.

Namun tentu saja, baterai apa pun tetap memerlukan semacam jembatan antara anoda dan katoda agar dapat berfungsi. Ada tiga jenis elektrolit solid-state (SE): keramik, polimer, dan komposit SE (CSE).

Elektrolit keadaan padat komposit (CSE) mencampur polimer SE dengan pengisi anorganik konduktif ionik seperti Li7La3Zr2O12 (LLZO) untuk memfasilitasi pengangkutan ion litium.

Meskipun metode ini ideal untuk operasi tegangan tinggi pada baterai padat, metode ini memiliki kontak yang buruk dengan elektroda, sehingga mengurangi efisiensi keseluruhan.

LLZO berpori

Apa yang ditemukan para peneliti adalah bahwa LLZO dapat dibuat dari membran keramik berpori, bukan pelat sensor biasa. Dalam istilah yang lebih teknis:

Di sini, kami merancang elektrolit padat komposit berbasis garnet yang sangat konduktif dan ramah antarmuka (CSE) yang terdiri dari kerangka berpori kubik Li6.1Al0.3La3Zr2O12 dan polivinilidena difluorida (PVDF) dengan struktur kontinu tiga dimensi.

Secara visual, ini diterjemahkan menjadi struktur 3D yang sangat kompleks yang penuh dengan lubang-lubang kecil pada skala mikroskopis:

Sumber: Sel

Hal ini menciptakan banyak kontak permukaan untuk ion litium, sekaligus menawarkan daya rekat kuat pada elektroda.

Sumber: Sel

Baterai Lebih Stabil & Tahan Lama

Baterai solid-state secara keseluruhan jauh lebih kuat dan padat energi daripada baterai lithium-ion. Namun, baterai solid-state sulit diproduksi dalam skala besar sehingga dapat bertahan dalam banyak siklus pengisian-pengosongan daya tanpa kehilangan kapasitasnya.

Jadi para peneliti melanjutkan untuk menguji baterai untuk melihat apakah antarmuka elektroda yang mereka buat sekuat yang mereka harapkan.

Setelah 200 siklus, mereka mempelajarinya di bawah mikroskop dan tidak menemukan jejak degradasi, seperti retak, delaminasi, dan lain-lain.

Sumber: Sel

Secara keseluruhan, prototipe baterai menunjukkan ketahanan yang sangat baik, terutama terhadap pembentukan dendrit.

Sel simetris Li-Li yang berbasis pada CSE berbasis keramik dapat berputar secara stabil selama 1,000 jam pada 0.1 dan 0.5 mA cm−2, yang menunjukkan stabilitas elektrokimia yang sangat baik terhadap deposisi logam Li dan bahkan Li+ (penekanan dendrit).

Profil Keamanan yang Lebih Baik

Pembentukan dendrit yang berkurang drastis, serta tidak adanya elektrolit yang mudah terbakar, akan membantu meningkatkan keamanan baterai litium secara signifikan.

Karena ketebalan CSE berbasis keramik hanya 125 μm, ini juga membuat teknologi ini sangat kompetitif untuk menciptakan baterai solid-state yang sangat padat energi.

Perlu dicatat juga bahwa meskipun tidak sederhana, teknik yang digunakan untuk menciptakan LLZO yang disempurnakan tidak memerlukan logam langka, mesin langka, atau langkah-langkah rumit yang tidak biasa dalam pembuatan baterai.

Sumber: Sel

Jadi secara keseluruhan, ini seharusnya menjadi langkah penting dalam meningkatkan lebih lanjut karakteristik baterai solid-state dalam semua aspek penting: stabilitas, keamanan, kepadatan energi, dan kemudahan produksi.

Apakah Baterai Solid State Menang?

Bukan berarti baterai solid-state pasti akan menjadi standar baru untuk baterai kendaraan listrik di tahun-tahun mendatang.

Baterai lithium-ion mungkin juga dapat bersaing. Hal ini sebagian besar terkait dengan peningkatan desain, dengan nanopori serupa yang membantu mengurangi pembentukan dendrit.

Terutama, Baterai sarang lebah yang dikembangkan oleh pemimpin global manufaktur baterai CATL mungkin mencapai profil keamanan dan kepadatan energi yang serupa dengan beberapa baterai solid-state.

Secara keseluruhan, tampaknya pemahaman yang lebih mendalam tentang bahan baterai, terutama pada skala mikro dan nano, serta penggunaan nanopori akan menjadi cara ke depan untuk terus meningkatkan kinerja baterai dan menghilangkan selamanya risiko yang disebabkan oleh pembentukan dendrit.

Berinvestasi dalam Teknologi Baterai

Baterai litium telah mengubah dunia beberapa kali, dari yang memungkinkan orang membawa perangkat elektronik canggih ke mana-mana hingga hanya memberi tenaga listrik untuk mobil.

Mereka mungkin masih melakukannya lagi, atau jenis baterai lainnya, dengan memungkinkan jaringan listrik terbarukan 100% atau memungkinkan elektrifikasi pesawat terbang ketika mencapai kepadatan energi yang cukup tinggi.

Anda dapat berinvestasi di perusahaan terkait baterai melalui banyak broker, dan Anda dapat menemukannya di sini, di Securities.io, rekomendasi kami untuk broker terbaik di Amerika Serikat, Kanada, Australia, Inggris, serta banyak negara lainnya.

Jika Anda tidak tertarik untuk memilih perusahaan baterai tertentu, Anda juga dapat melihat ETF bioteknologi seperti Amplifikasi Teknologi Lithium & Baterai ETF (BATT), Global X ETF Teknologi Lithium & Baterai (LIT), Atau Solusi Baterai WisdomTree UCITS ETF, yang akan memberikan eksposur yang lebih terdiversifikasi untuk memanfaatkan industri baterai yang sedang berkembang.

Perusahaan Solid State

Telah lama diharapkan menjadi salah satu perusahaan pertama yang membawa baterai solid-state ke pasar, QuantumScape telah menjadi yang terdepan dalam pengembangan teknologi ini.

Baterai QuantumScape menggunakan logam litium, baterai bebas anoda.

Baterai tanpa anoda menyimpan ion dalam endapan elektrokimia logam alkali langsung pada kolektor arus. Hal ini memungkinkan voltase sel yang lebih tinggi, biaya sel yang lebih rendah, dan kepadatan energi yang meningkat.

Sumber: QuantumScape

(kami juga membahas konsep baterai bebas anoda dalam konteks baterai natrium di “Baterai Solid-State Sodium Tanpa Anoda Dapat Mengurangi Ketergantungan pada 'Segitiga Litium'").

Namun, QuantumScape secara berkala menunda tanggal yang diharapkan untuk produksi massal baterainya, sehingga meredam antusiasme awal investor terhadap perusahaan tersebut.

Hal ini mungkin berubah dengan beberapa perkembangan utama pada tahun 2023 & 2024:

• Peningkatan konsistensi dan kualitas produksi.
• Peningkatan dalam desain kemasan, termasuk margin internal yang lebih rapat, pengumpul arus yang lebih tipis, dan rangka yang lebih ramping.
• Mengirimkan sel unit pemuatan katode tinggi ke mitra OEM (Original Equipment Manufacturer) otomotif.
• Mengumumkan peluncuran QSE-5, produk komersial pertama perusahaan, dengan calon pelanggan peluncuran di sektor otomotif.

Secara keseluruhan, QuantumScape tampaknya sejauh ini merupakan perusahaan solid-state dengan teknologi paling matang, terutama dalam hal daya tahan baterai.

Sumber: QuantumScape

Berurusan dengan Volkswagen

Yang lebih penting lagi, perusahaan menunjukkan kemajuan nyata dalam membangun kemitraan dengan Volkswagen, 2^nd produsen mobil terbesar di dunia.

Pada bulan Juli 2024QuantumScape menandatangani perjanjian dengan Volkswagen untuk berkolaborasi dalam pembuatan sel baterai berdasarkan desain QSE-5.

Lisensi tersebut akan memungkinkan PowerCo untuk memproduksi dan menjual baterai otomotif hingga 40 GWh per tahun, yang dapat diperluas dengan tambahan 40 GWh.

Ini adalah lisensi IP non-eksklusif yang memberikan royalti, yang memungkinkan QuantumScape untuk terus menjual ke klien potensial lainnya.

Mungkin yang lebih penting untuk meredakan kekhawatiran investor terhadap perusahaan, ia juga akan memberikan biaya royalti awal sebesar $130 juta, dikreditkan terhadap royalti masa depan, yang dibayarkan oleh PowerCo, anak perusahaan baterai Volkswagen.

Hal ini memberi perusahaan tambahan dana tunai selama 18 bulan dibandingkan dengan panduan sebelumnya, yang akan bertahan hingga tahun 2028 sekarang.

Seharusnya ini lebih dari cukup waktu untuk meningkatkan produksi dan mulai mencatat pendapatan yang solid.

Jadi selama baterai QuantumScape berfungsi dengan baik, mereka seharusnya dapat menemukan tempatnya di pasar bersama baterai yang diproduksi oleh perusahaan besar seperti CATL, BYD, dan Panasonic.

Mengingat Volkswagen kemungkinan telah menguji secara ekstensif prototipe QuantumScape-nya sendiri dan mempelajari peningkatan produksi, kesepakatan baru-baru ini tampaknya merupakan dukungan yang cukup kuat terhadap teknologi perusahaan tersebut.

Sumber: QuantumScape

Selain itu, tenggat waktu paralel Toyota tahun 2027 untuk komersialisasi baterai solid-state tampaknya menunjukkan bahwa setelah banyak permulaan yang gagal, teknologi tersebut kini mencapai titik yang cukup matang.