Ilmu Material
Meninjau Ulang Asumsi Desain Baterai
Securities.io mempertahankan standar editorial yang ketat dan dapat menerima kompensasi dari tautan yang ditinjau. Kami bukan penasihat investasi terdaftar dan ini bukan nasihat investasi. Silakan lihat pengungkapan afiliasi.
Pemahaman Baru tentang Keretakan Katoda pada Baterai Lithium-Ion
Meningkatkan kepadatan daya baterai adalah pendorong utama adopsi kendaraan listrik dibandingkan mesin pembakaran internal. Keselamatan konsumen juga menjadi perhatian utama, meskipun persepsi publik tentang risiko kebakaran seringkali melebihi kenyataan.
Daya tahan sama pentingnya. Pembeli menginginkan baterai yang tahan lebih dari satu dekade—idealnya lebih lama dari masa pakai kendaraan itu sendiri—untuk menjaga nilai jual kembali dan menghindari penggantian yang mahal.
“Elektrifikasi masyarakat membutuhkan kontribusi semua orang. Jika orang tidak percaya bahwa baterai aman dan tahan lama, mereka tidak akan memilih untuk menggunakannya.”
Untuk memenuhi kriteria ini, industri beralih dari material kaya nikel polikristalin (PC-NMC) ke oksida berlapis kaya nikel kristal tunggal (SC-NMC).
Transisi ini bertujuan untuk mengurangi regangan nanoskopi yang menyebabkan keretakan katoda seiring waktu. Hingga saat ini, desain katoda monokristalin (kristal tunggal) mengikuti asumsi yang sebelumnya digunakan untuk katoda polikristalin.
Namun, para peneliti di Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, dan University of Chicago telah menemukan bahwa kedua jenis katoda ini retak dengan cara yang sangat berbeda, membuka jalan bagi strategi optimasi baru.
Mereka mempublikasikan temuan mereka di jurnal Nature Nanotechnology.1, berjudul “Evolusi regangan nanoskopik pada elektroda positif baterai kristal tunggal".
Penelitian baru menunjukkan bahwa katoda kaya nikel kristal tunggal (monokristalin) retak secara berbeda dibandingkan dengan desain polikristalin yang lebih lama. Alih-alih retakan yang terbentuk terutama di sepanjang batas butir, regangan dapat terbentuk. dalam Kristal tunggal karena berbagai daerah bereaksi dengan laju yang berbeda. Hal ini mengubah cara katoda harus direkayasa untuk meningkatkan daya tahan, keamanan, dan kinerja jangka panjang baterai EV—terutama karena industri mencari formulasi dengan kandungan kobalt yang lebih rendah (atau bebas kobalt).
Mengapa Keretakan Katoda Merupakan Mekanisme Kegagalan Utama
Geser untuk menggulir →
| Dimensi | Katoda Polikristalin Kaya Nikel (PC-NMC) | Katoda Kristal Tunggal Kaya Nikel (SC-NMC) |
|---|---|---|
| Mikrostruktur | Partikel yang tersusun dari banyak butiran kristal yang lebih kecil dengan batas antar butiran. | Partikel-partikel tersebut merupakan satu kristal kontinu tanpa batas butir internal. |
| Jalur retakan utama | Retakan muncul dan menyebar di sepanjang batas butir seiring dengan siklus yang menyebabkan butir-butir tersebut mengembang/menyusut. | Retakan yang disebabkan oleh gradien regangan internal (intra-partikel) karena berbagai wilayah bereaksi dengan laju yang berbeda. |
| Asal strain | Ekspansi yang tidak sesuai antara butiran yang berdekatan dan kelelahan mekanis berulang. | Evolusi fase/kimia heterogen di dalam kristal tunggal menyebabkan tegangan lokal. |
| Risiko interaksi elektrolit | Retakan batas butir yang lebar dapat memungkinkan masuknya elektrolit, sehingga mempercepat degradasi. | Masih rentan terhadap kerusakan permukaan/struktural, tetapi mekanisme kerusakannya kurang berkaitan dengan penetrasi batas butir. |
| “Aturan praktis” desain komposisi | Kobalt sering digunakan untuk mengurangi Gangguan Li/Ni, tetapi umumnya dikaitkan dengan kompromi yang membutuhkan keseimbangan. | Studi menunjukkan persyaratan komposisi yang berbeda; mangan mungkin lebih merusak secara mekanis sementara kobalt dapat meningkatkan daya tahan. |
| Tuas teknik | Penguatan batas butir, pengendalian morfologi partikel, pelapis, aditif elektrolit. | Mengurangi heterogenitas laju reaksi internal melalui penyesuaian kimia, pelapisan, gradien, pemrosesan partikel, dan protokol siklus. |
| Mengapa itu penting | Berdampak langsung pada penurunan kapasitas, peningkatan impedansi, dan keselamatan dalam kondisi pengoperasian yang agresif. | Menunjukkan bahwa desain SC bukan hanya "PC tanpa batas butir"—mereka membutuhkan strategi optimasi baru untuk sel berenergi tinggi dan berumur panjang. |
Retak Polikristalin
Pada katoda polikristalin, materialnya terdiri dari banyak kristal nanoskopik. Saat baterai diisi dan dikosongkan, partikel-partikel ini mengembang dan menyusut.
Pergerakan berulang ini dapat memperlebar batas butir yang memisahkan polikristal, sehingga menciptakan retakan. Jika retakan menjadi terlalu lebar, elektrolit dapat meresap ke dalam partikel—mirip dengan bagaimana pembekuan dan pencairan air menciptakan lubang di jalanan kota.
Sumber: Alam
Ketika pemuaian ini melebihi batas elastis, katoda akan retak. Dalam kasus terburuk, ini dapat menyebabkan pelarian termal dan kebakaran. Lebih umum, hal ini mengurangi kapasitas pengisian baterai seiring waktu, yang menyebabkan penurunan kinerja.
“Biasanya, akan terjadi pemuaian atau penyusutan volume sekitar lima hingga 10%. Begitu pemuaian atau penyusutan melebihi batas elastis, hal itu akan menyebabkan retaknya partikel.”
Jing Wang – Peneliti pascadoktoral di Laboratorium Nasional Argonne
Karena katoda monokristalin tidak memiliki batas antara butiran kristal, katoda ini tidak mengalami mode kegagalan spesifik ini. Namun, degradasi baterai tetap terjadi.
Fitur Unik Katoda Monokristalin
Untuk menyelidiki hal ini, para peneliti menggunakan teknik sinar-X sinkrotron multi-skala dan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi.
Sumber: Alam
Pada katoda polikristalin, kobalt membantu mengurangi gangguan Li/Ni (ion nikel bermigrasi ke lapisan litium) tetapi juga diketahui sebagai penyebab keretakan. Secara tradisional, mangan ditambahkan untuk menyeimbangkan masalah ini.
Para peneliti Argonne menemukan bahwa pada katoda monokristalin, kebalikannya yang terjadi: mangan lebih merusak secara mekanis, sementara kobalt justru membantu memperpanjang umur baterai.
“Ketika orang mencoba beralih ke katoda kristal tunggal, mereka telah mengikuti prinsip desain yang serupa dengan katoda polikristal.
Penelitian kami mengidentifikasi bahwa mekanisme degradasi utama partikel kristal tunggal berbeda dari partikel polikristal, yang menyebabkan persyaratan komposisi yang berbeda.”
Jing Wang – Peneliti pascadoktoral di Laboratorium Nasional Argonne
Studi ini mengungkapkan bahwa heterogenitas reaksi menyebabkan ketegangan. dalam Kristal individual, bukan di antara kristal-kristal tersebut. Berbagai daerah dalam kristal bereaksi dengan kecepatan yang berbeda, menciptakan tekanan internal yang menyebabkan keretakan.
Sumber: Alam
Bagaimana Penemuan Ini Dapat Meningkatkan Baterai Generasi Berikutnya
Kobalt lebih mahal daripada nikel atau mangan dan menimbulkan kekhawatiran etis terkait produksinya, yang mendorong industri untuk mengurangi penggunaannya.
“Dengan mengidentifikasi mekanisme yang sebelumnya kurang dihargai ini, penelitian ini membangun hubungan langsung antara komposisi material dan jalur degradasi, memberikan wawasan yang lebih dalam tentang asal-usul penurunan kinerja pada material ini.”
Langkah selanjutnya adalah menerapkan temuan ini untuk mengidentifikasi material bebas kobalt yang mengurangi risiko retak sekaligus mempertahankan efisiensi biaya.
Kesimpulan
Meningkatkan kualitas katoda merupakan langkah penting untuk meningkatkan performa baterai lithium. Hal ini sangat penting terutama untuk desain baru tanpa anoda, di mana efisiensi katoda sangatlah utama.
Inovasi ini menyediakan kerangka kerja teoretis baru untuk mengoptimalkan desain katoda monokristalin. Idealnya, ini akan menghasilkan alternatif bebas kobalt yang secara signifikan mengurangi risiko retak dan menurunkan biaya.
Kemajuan seperti ini sangat berharga bagi pengembang baterai yang tidak bergantung pada jenis katoda, seperti QuantumScape. Karena platform bebas anoda mereka mendukung berbagai jenis kimia katoda, mereka dapat dengan cepat mengintegrasikan desain kristal tunggal yang tangguh ini untuk memperpanjang masa pakai baterai tanpa perlu mendesain ulang teknologi inti solid-state mereka.
Perusahaan Baterai
Studi ini memperkuat tesis bahwa daya tahan material menjadi pembatas utama baterai generasi berikutnya. Jika katoda kristal tunggal memerlukan kompromi komposisi yang berbeda dibandingkan katoda polikristalin, maka pemasok dan produsen sel yang dapat dengan cepat melakukan iterasi kimia katoda, pelapis, dan pemrosesan akan mendapatkan keuntungan.
Untuk pendekatan solid-state dan tanpa anoda (misalnya, QuantumScape), keandalan katoda menjadi semakin penting—menciptakan potensi keuntungan bagi perusahaan yang siap mengkomersialkan katoda berenergi tinggi yang lebih tangguh tanpa mengorbankan biaya.
QuantumScape
(QS )
Sebagian besar konsumen masih ragu tentang jangkauan dan kecepatan pengisian daya sebagian besar model kendaraan listrik. Risiko kebakaran dari baterai lithium-ion tradisional juga menjadi kekhawatiran.
Baterai solid-state menawarkan solusi ideal dengan mengganti elektrolit cair dengan elektrolit padat, sehingga menghilangkan risiko kebakaran dan secara signifikan meningkatkan kepadatan energi.
QuantumScape sangat inovatif karena desainnya yang bebas anoda. Hal ini memungkinkan perusahaan untuk mengintegrasikan berbagai material katoda, sehingga memposisikan perusahaan untuk mendapatkan manfaat dari peningkatan di masa depan dalam pembuatan dan desain katoda.
Sumber: QuantumScape
Setelah bertahun-tahun mengalami kemajuan lambat di laboratorium, baterai solid-state akhirnya beralih dari prototipe yang menjanjikan ke produksi massal dan integrasi ke dalam kendaraan komersial.
Tonggak penting tercapai pada tahun 2025 ketika QuantumScape memperkenalkan baterainya pada sepeda motor listrik Ducati V21L, hasil dari kemitraannya dengan Volkswagen.
Sumber: QuantumScape
Desain QuantumScape secara signifikan lebih unggul daripada baterai lithium-ion dalam hampir semua metrik:
- Baterai ini dapat terisi penuh hanya dalam 15 menit (10-80% pada suhu 45 ºC).
- Separator yang menggantikan elektrolit cair tersebut tidak mudah terbakar dan tidak mudah meledak.
- Kepadatan energi sel baterainya adalah 844 Wh/L dan 301 Wh/kg.
- Sebagai referensi, Sel baterai Tesla 4680 memiliki kapasitas 643 Wh/L dan 241 Wh/kg, sedangkan sel baterai blade BYD memiliki kapasitas sekitar 375 Wh/L dan 160 Wh/kg..
Anak perusahaan baterai Volkswagen, PowerCo, akan memberikan QuantumScape hingga $131 juta dalam bentuk pembayaran baru selama dua tahun ke depan setelah mencapai tonggak tertentu, yang menunjukkan komitmen grup tersebut terhadap teknologi solid-state.
(Kamu bisa Baca selengkapnya tentang QuantumScape di laporan investasi khusus kami..)
Berita dan Perkembangan Terbaru Saham QuantumScape (QS)
Studi Referensi
1Wang, J., Liu, T., Huang, W. et al. Evolusi regangan nanoskopik pada elektroda positif baterai kristal tunggal. Nat. Nanoteknol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02079-9
