Apa yang dimaksud dengan baterai solid-state?
Bagi mereka yang tertarik dengan industri baterai, istilah "baterai solid-state" tentu sudah tidak asing lagi. Teknologi baru ini dianggap sebagai peningkatan pada baterai lithium, yang mampu secara signifikan meningkatkan masa pakai baterai saat ini hingga beberapa kali lipat.
Khususnya dalam industri kendaraan listrik, baterai solid-state dipandang sebagai kunci untuk merevolusi sektor ini. Bayangkan sebuah mobil listrik yang dapat berjalan sejauh 1000 km dan hanya membutuhkan waktu lima belas menit untuk mengisi daya hingga penuh-betapa menariknya hal tersebut?
Potensi ini telah menyebabkan persaingan yang ketat di antara semua produsen baterai di bidang ini. Jadi, apa yang membuat baterai solid-state begitu ajaib? Silakan baca artikel berikut ini untuk mendapatkan pemahaman yang komprehensif tentang baterai solid-state.
Apa yang dimaksud dengan Baterai Solid-State?
Konsep baterai solid-state pertama kali diperkenalkan oleh ilmuwan Inggris, Michael Faraday. Namun, selama lebih dari satu abad, elektrolit padat seakan memudar dari panggung sejarah, menghilang dari pandangan manusia. Memasuki abad ini, manusia diam-diam melanjutkan apa yang ditinggalkan Faraday lebih dari 100 tahun yang lalu, memulai kembali eksplorasi elektrolit padat.
Perbedaan terbesar antara baterai solid-state dan baterai lithium adalah SSB tidak adanya elektrolit cair atau gel. Sebaliknya, baterai solid-state menggunakan senyawa kaca yang terbuat dari litium atau natrium sebagai elektrolit padat, tempat ion litium bermigrasi. Dalam bentuk padat, konduktivitas ionik relatif tinggi, dan risiko kebocoran serta produksi gas diminimalkan, sehingga meningkatkan keamanan dan kepadatan energi baterai.
Mengapa Mengembangkan Baterai Solid-State?
Dalam industri baterai, baterai lithium cair, baik baterai lithium besi fosfat maupun baterai lithium terner, dianggap telah mencapai "batasnya". Terobosan baru dalam teknologi menjadi semakin sulit dicapai. Ini berarti bahwa untuk mendapatkan baterai berkapasitas lebih tinggi dengan volume yang lebih kecil, teknologi baru harus dikembangkan.
Pada saat yang sama, baterai solid-state secara fundamental dapat mengatasi bahaya keamanan utama baterai lithium-ion. Baterai lithium-ion tradisional dapat terbakar sendiri atau meledak karena elektrolit organik yang mudah terbakar dan mudah menguap yang dikandungnya.
Selain itu, masalah seperti korosi elektrolit, penguapan, dan kebocoran dapat menimbulkan risiko keamanan yang serius pada sistem baterai. Elektrolit padatDi sisi lain, elektrolit ini secara inheren tidak mudah terbakar, tahan panas, tidak korosif, dan tidak mudah menguap. Mereka menawarkan kekuatan mekanik, stabilitas termal, dan stabilitas elektrokimia yang lebih baik dibandingkan dengan elektrolit tradisional, dengan demikian meningkatkan keamanan secara signifikan dari baterai.
Tiga Jalur Utama untuk Baterai Solid-State
Baterai solid-state pada dasarnya mengikuti tiga jalur teknologi: polimer, oksida, dan sulfida. Bahan dan jalur katoda baterai solid-state tidak berbeda secara signifikan dari baterai lithium cair. Rute teknologi yang berbeda terutama dibedakan oleh jenis elektrolit yang digunakan. Berdasarkan elektrolitnya, jalur baterai solid-state dapat dibagi menjadi tiga kategori: polimer, oksida (film atau non-film), dan sulfida, masing-masing dengan kelebihan dan kekurangannya.
A. Polimer
Keuntungan:
-
- Mudah diproses, dan peralatan serta proses produksi elektrolit cair yang ada dapat memenuhi kebutuhan produksi dan penelitian.
Kekurangan:
-
- Konduktivitas rendah, membutuhkan pemanasan hingga 60 derajat Celcius agar berfungsi dengan baik.
- Stabilitas yang buruk, tidak kompatibel dengan bahan katoda tegangan tinggi, dan rentan terbakar pada suhu tinggi.
- Jendela elektrokimia yang sempit, dengan elektrolit yang mudah terurai pada perbedaan tegangan yang tinggi (>4V).
B. Sulfida
Keuntungan:
-
- Konduktivitas tertinggi dan jendela stabilitas elektrokimia yang lebar (di atas 5V), membuatnya paling menjanjikan untuk pengembangan.
Kekurangan:
-
- Stabilitas termal yang buruk, dengan reaksi termal yang dimulai pada kisaran suhu 400-500°C.
- Proses persiapan yang rumit dan rentan bereaksi dengan air dan oksigen di udara menghasilkan gas hidrogen sulfida yang sangat beracun.
C. Oksida
Keuntungan:
-
- Konduktivitas dan stabilitas yang baik, konduktivitas ionik yang lebih tinggi daripada polimer, stabilitas termal hingga 1000 derajat Celcius, serta stabilitas mekanik dan elektrokimia yang sangat baik.
Kekurangan:
-
- Konduktivitas yang lebih rendah dibandingkan dengan sulfida.
- Masalah dengan kontak antarmuka yang kaku.
Saat ini, arah penelitian dari berbagai produsen baterai berbeda-beda. China dan Amerika Serikat terutama berfokus pada jalur oksida sambil secara bersamaan mengeksplorasi rute baru. Perusahaan Jepang, seperti Honda, cenderung menyukai jalur sulfida. Karena biaya dan kesulitan penelitian yang relatif lebih rendah, beberapa baterai semi-solid-state telah melihat aplikasi komersial dalam sistem oksida pada tahun 2024. Namun, dari perspektif jangka panjang, meskipun tingkat kesulitan penelitian yang tinggi, elektrolit padat sulfida, dengan kinerja yang sangat baik dan potensi yang signifikan, terus menarik investasi besar dan upaya penelitian dari perusahaan baterai yang bermodal besar.
Tiga Jalur Utama untuk Baterai Solid-State
Keuntungan dari Baterai Solid-State
Kepadatan Energi Tinggi:
Dengan penggunaan elektrolit solid-state, sistem material yang berlaku pada baterai lithium-ion berubah secara signifikan. Perubahan utama adalah penghapusan kebutuhan akan anoda grafit yang diinterkalasi lithium. Baterai solid-state dapat menggunakan logam litium sebagai bahan anoda. Kapasitas spesifik teoritis logam litium adalah 3860 mAh/g, dibandingkan dengan hanya 372 mAh/g untuk anoda grafit pada baterai lithium-ion tradisional. Hal ini memungkinkan baterai untuk melampaui batasan kimiawi dan mencapai tingkat kinerja yang lebih tinggi.
Volume yang lebih kecil:
Baterai lithium-ion tradisional memerlukan pemisah dan elektrolit, yang secara bersama-sama menempati hampir 40% volume baterai dan 25% massanya. Dengan menggantinya dengan elektrolit padat (terutama bahan keramik organik dan anorganik), jarak antara elektroda positif dan negatif (yang secara tradisional diisi oleh pemisah dan elektrolit, sekarang diisi oleh elektrolit padat) dapat dikurangi menjadi hanya beberapa hingga puluhan mikron. Ini berarti baterai dapat dibuat lebih kecil, menjadikan teknologi baterai solid-state sebagai langkah penting menuju miniaturisasi baterai.
Plastisitas Tinggi:
Menggunakan keramik sebagai elektrolit padat memiliki keuntungan karena menunjukkan plastisitas yang mengejutkan ketika tipis, meskipun keramik rapuh dalam kontak sehari-hari. Bahkan setelah ratusan kali dibengkokkan atau dilipat, kapasitas, efisiensi pengisian daya, dan masa pakai baterai sebagian besar tidak berubah. Ini berarti bahwa baterai solid-state dapat dibuat dalam berbagai bentuk, menawarkan lebih banyak fleksibilitas desain untuk perangkat elektronik, yang berpotensi menghasilkan bentuk dan struktur yang inovatif dan mendorong inovasi produk teknologi.
Keamanan yang Ditingkatkan:
Pada baterai lithium-ion tradisional, penggunaan logam lithium sebagai bahan anoda dapat menyebabkan pembentukan dendrit selama pengisian dan pengosongan. Dendrit adalah struktur seperti jarum atau pohon yang dibentuk oleh pengendapan logam litium yang tidak merata di dalam elektrolit. Dendrit ini dapat tumbuh dan berpotensi menembus pemisah, menyebabkan kontak langsung antara elektroda positif dan negatif, yang menyebabkan korsleting dan kemungkinan kebakaran atau ledakan.
Selain itu, elektrolit cair organik pada baterai tradisional rentan terhadap reaksi samping, oksidasi, produksi gas, dan pembakaran pada suhu tinggi. Bahan padat dapat sepenuhnya menghindari masalah ini.
Performa Suhu Tinggi dan Rendah yang Lebih Baik:
Kisaran suhu pengoperasian baterai solid-state yang saat ini diumumkan adalah -20°C hingga 105°C. Elektrolit baterai lithium-ion menggunakan pelarut organik yang mudah terbakar, sehingga menimbulkan risiko di lingkungan bersuhu tinggi. Semua elektrolit baterai solid-state tidak menggunakan bahan yang mudah terbakar, sehingga cocok untuk digunakan pada suhu yang lebih tinggi.
Pada suhu rendah, mobilitas ion dalam elektrolit cair dapat menjadi lamban, sehingga mengurangi kinerja dan tegangan baterai. Elektrolit padat tidak membeku seperti cairan, sehingga perubahan resistansi internal minimal, mempertahankan kinerja yang lebih baik pada suhu rendah.
Perbandingan Baterai Lithium-Ion dan Baterai Solid-State
| Fitur | Baterai Lithium-Ion | Baterai Solid-State |
|---|---|---|
| Kepadatan Energi | 150-250 Wh/kg | 250-500 Wh/kg |
| Jenis Elektrolit | Elektrolit Cair atau Gel | Elektrolit Padat |
| Keamanan | Risiko kebocoran, kebakaran, dan ledakan | Risiko lebih rendah, lebih stabil |
| Suhu Operasi | -20°C hingga 60°C | -30°C hingga 100°C |
| Siklus Hidup | 500-1000 siklus | 1000-3000 siklus |
| Biaya | Relatif rendah | Saat ini tinggi |
| Kompleksitas Manufaktur | Proses yang telah ditetapkan | Kompleks, kurang mapan |
| Ketersediaan Komersial | Tersedia secara luas | Terbatas, dalam pengembangan |
Tiga Jalur Utama untuk Baterai Solid-State
QuantumScape
Latar Belakang Perusahaan: QuantumScape didirikan pada tahun 2010 dan dipimpin oleh Presiden dan CEO Dr. Jagdeep Singh. Perusahaan ini berkantor pusat di San Jose, California, dan beroperasi di Amerika Serikat dan Jepang.
Teknologi: QuantumScape berfokus pada teknologi oksida. Baterai solid-state mereka unik karena tidak menggunakan bahan anoda. Saat mengisi daya, logam lithium murni berubah menjadi ion lithium yang bermigrasi ke sisi lain baterai untuk membentuk anoda, sebuah teknik yang mereka sebut "tanpa anoda." Hal ini dimungkinkan oleh bahan keramik yang dipatenkan yang digunakan untuk pemisah baterai, yang memungkinkan ion litium bergerak bebas sekaligus mencegah logam litium bereaksi dengan bahan katoda dan membentuk dendrit.
Keuntungan: QuantumScape telah menciptakan lebih dari 200 paten dan aplikasi. Pemisah keramik solid-state yang dipatenkan, dikombinasikan dengan elektrolit cair organik (katolit), memungkinkan bahan katolit khusus yang lebih cocok untuk tegangan dan persyaratan transmisi katoda.
Kemajuan Terbaru: Pada tanggal 27 Maret 2024, QuantumScape mulai mengirimkan prototipe Alpha-2 kepada pelanggan.
Kekuatan yang kokoh
Latar Belakang Perusahaan: John Van Scoter telah menjabat sebagai CEO dan Presiden sejak Juni 2023. Solid Power memiliki kemitraan dengan BMW dan Ford dan berkantor pusat di Louisville, Colorado.
Teknologi: Fokus Solid Power adalah pada teknologi sulfida, yang didukung oleh elektrolit padat berbasis sulfida milik mereka. Bahan katoda adalah NMC, dan perusahaan ini memiliki dua teknologi baterai yang menggunakan bahan anoda yang berbeda: satu dengan kandungan silikon tinggi dan satu lagi dengan logam lithium.
Keuntungan: Komponen utama Solid Power adalah elektrolit padat berbasis sulfida, yang memberikan kombinasi optimal antara konduktivitas, kemampuan manufaktur, dan kinerja tingkat baterai.
Kemajuan Terbaru: Pada tanggal 16 Januari 2024, Solid Power menandatangani perjanjian baru dengan SK untuk memperdalam kemitraan mereka.
Dyson (Sakti3)
Latar Belakang Perusahaan (Dyson): Dyson adalah perusahaan teknologi Inggris yang berspesialisasi dalam produk rumah tangga, dengan tim penemuan yang terdiri dari 1.200 ilmuwan dan insinyur. Dyson memulai program baterai internal lebih dari satu dekade yang lalu.
Latar Belakang Perusahaan (Sakti3): Pada tahun 2015, Sakti3 diakuisisi oleh Dyson Ltd. Sakti3 didirikan pada tahun 2007 oleh Dr. Ann Marie Sastry, Dr. Chia-Wei Wang, dan Dr. Fabio Albano sebagai perusahaan rintisan (spin-out) dari Universitas Michigan.
Teknologi: Sakti3 menggunakan teknologi deposisi film tipis, yang biasanya digunakan pada sel surya fotovoltaik. Baterai solid-state mereka tidak memiliki elektrolit cair, alih-alih menggunakan struktur "sandwich" untuk memastikan transmisi ion yang normal.
Keuntungan: Dyson telah mengungkapkan bahwa baterai solid-state Sakti3 dapat mencapai kepadatan energi sangat tinggi sebesar 550 Wh/kg, hampir dua kali lipat dari kepadatan energi maksimum 300 Wh/kg untuk baterai lithium terner.
Kemajuan Terbaru: Pada tanggal 16 Juni 2023, Dyson mengumumkan rencana untuk membuka pabrik manufaktur canggih untuk baterai generasi berikutnya di Singapura.
Toyota
Latar Belakang Perusahaan: Toyota telah mengerjakan pengembangan baterai solid-state sejak tahun 2006, dengan fokus pada teknologi sulfida. Mereka memiliki lebih dari 1.300 paten baterai solid-state dan berkantor pusat di Tokyo, Jepang.
Teknologi: Informasi yang diungkapkan Toyota mengindikasikan fokus pada teknologi sulfida.
Keuntungan: Toyota memegang 1331 paten terkait baterai solid-state, yang mencakup struktur baterai, aplikasi material, dan proses manufaktur, menjadikannya perusahaan dengan paten terkait terbanyak di seluruh dunia. Mereka berencana untuk memulai produksi komersial antara tahun 2026 dan 2027.
Kemajuan Terbaru: Pada tanggal 13 Juni 2024, Toyota mengumumkan terobosan teknologi yang menjawab tantangan lama dalam hal daya tahan baterai.
Ampcera
Latar Belakang Perusahaan: Ampcera berkantor pusat di Silicon Valley, California, dan didirikan pada tahun 2017. CEO-nya adalah Dr. Sumin Zhu.
Teknologi: Teknologi ASSB Ampcera terdiri dari bahan elektrolit padat sulfida yang dilindungi IP yang dirancang untuk pengisian daya yang sangat cepat. Mereka menggunakan katoda NMC berkapasitas tinggi dan anoda berbasis silikon untuk mencapai target kepadatan energi 400 Wh/kg.
Keuntungan: Teknologi baterai all-solid-state (ASSB) dari Ampcera telah mencapai pengisian cepat dari 0 hingga 80% state of charge (SOC) dalam waktu 15 menit pada tingkat C puncak 4C.
Kemajuan Terbaru: Pada tanggal 25 Februari 2024, teknologi baterai solid-state Ampcera melampaui target pengisian daya cepat ekstrem DOE AS yaitu pengisian daya 80% dalam 15 menit.
Samsung SDI
Latar Belakang Perusahaan: Samsung SDI berkantor pusat di Yongin, Gyeonggi-do, Korea Selatan, dan CEO-nya adalah Yoon Ho Choi.
Teknologi: Perusahaan ini berfokus pada elektrolit sulfida, menggunakan anoda komposit Ag-C tanpa lithium berlebih. Lapisan Ag-C secara efektif mengatur pengendapan litium, sehingga mencapai masa pakai siklus elektrokimia yang panjang.
Keuntungan: Teknologi baterai solid-state Super-Gap Samsung SDI memiliki kepadatan energi 900 Wh/L, sekitar 40% lebih tinggi dari baterai lithium-ion mereka saat ini. Mereka mengklaim kemampuan untuk mengisi daya sel prismatik dari 8% ke 80% dalam 9 menit. Produksi massal direncanakan pada tahun 2026.
Kemajuan Terbaru: Pada bulan Maret 2024, Samsung SDI mengumumkan rencana untuk memulai produksi massal baterai solid-state untuk kendaraan listrik dan aplikasi lainnya pada tahun 2027.
Produsen Cina
Produsen baterai Cina lebih tertutup, tetapi diketahui bahwa BYD dan CATL sedang mengembangkan baterai solid-state. Secara global, terdapat 20.798 aplikasi paten teknologi utama untuk baterai solid-state, dengan China menyumbang 7640, atau 36,7%. Selama lima tahun terakhir, tingkat pertumbuhan tahunan aplikasi paten baterai solid-state di Tiongkok mencapai 20,8%, tertinggi di dunia.
Pendapat tentang Baterai Solid-State dari Pemimpin Industri Lainnya
Tantangan Baterai Solid-State
Biaya Tinggi
Untuk rute sulfida, biaya elektrolit padat sulfida saat ini melebihi $195 per kilogram, jauh lebih tinggi daripada $50 per kilogram yang dibutuhkan untuk komersialisasi. Masalah ini berasal dari tingginya biaya litium sulfida (tidak kurang dari $650 per kilogram) yang diperlukan untuk mensintesis elektrolit padat sulfida. Selain itu, bahan berkinerja tinggi (seperti keramik dengan kemurnian tinggi) dan proses manufaktur yang kompleks yang digunakan dalam baterai solid-state membuat biayanya jauh lebih tinggi daripada baterai lithium-ion tradisional.
Kesulitan Produksi
Jika menggunakan rute elektrolit padat sulfida, produksinya menantang karena kecenderungan elektrolit untuk bereaksi dengan uap air dan oksigen. Hal ini memerlukan lingkungan produksi yang sangat terkendali, idealnya di dalam ruang tertutup yang diisi gas inert.
Konduktivitas Ionik Rendah
Pada baterai solid-state, kontak antarmuka antara elektroda dan elektrolit berubah dari kontak padat-cair menjadi padat-padat. Dibandingkan dengan elektrolit cair, area kontak antara padatan lebih kecil, sehingga menghasilkan resistensi antarmuka yang lebih tinggi. Selain itu, elektrolit padat mengandung banyak batas butir, yang sering kali memiliki resistensi yang lebih tinggi daripada bahan curah, sehingga menghambat transportasi lithium-ion di antara elektroda dan berdampak negatif pada kinerja pengisian cepat dan masa pakai.
Siklus Hidup yang Buruk
Kontak padat-padat pada baterai solid-state lebih kaku, sehingga lebih sensitif terhadap perubahan volume bahan elektroda. Selama bersepeda, hal ini dapat menyebabkan kontak yang buruk antara partikel elektroda dan antara partikel elektroda dan elektrolitmenyebabkan akumulasi tegangan, penurunan kinerja elektrokimia, dan bahkan retakan, yang dapat dengan cepat menurunkan kapasitas dan menyebabkan masa pakai yang buruk.
Kapan Baterai Solid-State Akan Tersedia?
Pada Juli 2024, tidak ada baterai solid-state yang benar-benar tersedia secara komersial. Produsen mobil China yang mengklaim menggunakan baterai solid-state sebenarnya menggunakan baterai semi-solid-state dengan kandungan cairan yang lebih sedikit. Mirip dengan baterai lithium, yang membutuhkan waktu puluhan tahun untuk bertransisi dari awal teknologi hingga digunakan secara luas, banyak ahli percaya bahwa baterai solid-state membutuhkan waktu yang lebih lama untuk validasi dan terobosan teknologi.
Namun, penantian itu mungkin tidak terbatas. Potensi baterai solid-state yang signifikan telah memacu persaingan yang ketat, sehingga mempercepat kemajuan di bidang ini. Banyak produsen telah menargetkan tahun 2027 sebagai tahun untuk mengkomersialkan baterai solid-state. Mari kita pantau perkembangannya seiring dengan pergerakan industri ini menuju tujuan yang ambisius ini.
Menghemat Uang, Melindungi Lingkungan
PKNERGY membantu Anda mengurangi tagihan energi untuk penyimpanan energi surya di rumah Anda, menyimpan energi surya untuk digunakan kapan saja - di malam hari atau saat pemadaman listrik.
ID 
EN 
FR 
ES 
DE 
IT 
PT 
RU 
SL 
KO 