Ilmu baterai dapat diisi ulang: Survei kemajuan dalam bahan dan teknologi

Oleh: Heru Setyawan

Pendahuluan

American Chemical Society (ACS) pada bulan Juli 2019 menulis laporan ekslusif tentang “Rechargable Battery Science: A Survey of Advancements in Materials and Technology.” Laporan yang ditulis oleh Prachi Patel, seorang wartawan lepas, ini hanya dikirimkan kepada anggota ACS dan tidak untuk dijualbelikan atau disebarkan. Berikut rangkuman sekilas apa yang dilaporkan oleh Patel.

Laporan ini mencakup teknologi baterai dapat diisi ulang umum, yakni: asam timbal, baterai berbasis nikel dan Li-ion, dengan fokus khusus pada Li-ion. Baterai Li-ion telah memungkinkan revolusi nirkabel dari HP, komputer laptop, kamera digital dan iPad yang telah mentransformasi komunikasi global. Ketika gawai ini menjadi semakin berdayaguna dan dipakai dimana-mana, ada tuntutan yang terus tumbuh akan baterai yang dapat diisi ulang lebih cepat dan bertahan lebih lama antar pengisian.

Kemajuan baterai bisa menjadi dasar bagi masa depan berkelanjutan. Baterai akan menjadi kunci untuk menjauh dari bahan bakar fosil untuk transportasi dan pembangkit listrik. Baterai yang murah dan berdayaguna akan membantu menaruh lebih banyak kendaraan listrik bebas polusi di jalan menggantikan mobil berbahan bakar bensin atau solar. Dan dengan menyimpan listrik untuk seluruh kota, bahkan untuk pemakaian tanpa ada sinar matahari atau angin, baterai dapat membantu memperlancar potensi penuh sumber energi yang dapat diperbarui.

Sebagian besar penelitian saat ini terfokus pada sistem Li-ion (baterai Li-ion). Li-ion merupakan teknologi dinamis yang umum digunakan karena ia mengemas banyak energi dalam volume yang kecil. Li-ion mendominasi pasar elektronika jinjing dan kendaraan listrik yang sedang tumbuh. Meskipun telah banyak kemajuan selama beberapa dekade, Li-ion masih menghadapi banyak tantangan. Baterai masih mahal, perlu waktu lama untuk mengisi ulang, dan memiliki masa hidup yang pendek. Baterai banyak mengandung unsur beracun, dan dapat menangkap api dan meledak. Sejauh ini, tidak ada kendaraan listrik sekali isi yang mampu berjalan sejauh mesin bensin karena bensin mengandung 50 kali energi per berat Li-ion. Perburuan adalah pada baterai yang lebih aman, lebih murah, lebih berdayaguna, dan lebih lama hidup. Diluar litium, ada banyak teknologi generasi berikutnya sedang digodog di laboratorium-laboratorium di seluruh dunia.

Dasar-dasar baterai dapat diisi ulang

Baterai adalah alat yang menyimpan energi dan menghasilkan listrik melalui reaksi kimia. Baterai terdiri atas elektroda positif (katoda), elektroda negatif (anoda) dan elektrolit. Selama pemakaian, reaksi pada anoda menghasilkan elektron yang mengalir keluar baterai melalui sirkuit luar ke katoda, menghasilkan arus listrik. Ion bergerak diantara elektroda didalam baterai melalui pemisah yang menjaga elektron diluar. Sejarah penemuan baterai dapat dibaca disini.

Dalam baterai yang dapat diisi ulang, reaksi kimia yang terjadi selama pemakaian dapat dibalik dengan mengalirkan arus listrik melalui alat dalam arah yang berlawanan (baca disini). Kinerja baterai dapat ditaksir berdasarkan aplikasi khususnya dengan melihat karakteristik listrik (disini dan disini) dan ciri fisik seperti ukuran dan berat keseluruhan. Harga baterai barangkali merupakan kriteria paling penting bagi pelanggan. Dari semua baterai komersial, asam timbal adalah yang termurah, sedangkan Li-ion yang termahal. Peneliti mencoba menurunkan harga Li-ion dengan mengembangkan bahan elektroda dan elektrolit yang lebih baik, lebih murah. Kemasan yang lebih murah dan masa hidup lebih lama juga akan membantu mengurangi biaya keseluruhan.

Sistem asam timbal memiliki andil terbesar dari pasar baterai dapat diisi ulang pada sekitar 61%, menurut penelitian Grandview. Sementara baterai asam timbal mengumpulkan andil terbesar di pasar, baterai Li-ion mengalami pertumbuhan lebih cepat. Kendaraan listrik dan penyimpan jaringan listrik akan mendorong kebutuhan baterai ditahun-tahun mendatang. Perhatian sekarang adalah apakah pabrik baterai dapat menjaga memproduksi baterai cukup cepat untuk berkejaran dengan kebutuhan.

Teknologi baterai dapat diisi ulang

Sistem baterai dapat diisi ulang tertua dan pertama kali digunakan secara komersial adalah baterai asam timbal. Baterai ini ditemukan lebih dari 150 tahun yang lalu dan sampai sekarang pada hakekatnya tidak berubah. Asam timbal adalah baterai starter daya beban untuk mobil, truk dan sepeda motor karena ia mampu menyediakan sentakan arus tinggi yang diperlukan untuk mengengkol motor mesin kendaraan. Tetapi baterai juga digunakan untuk menyediakan daya cadangan darurat untuk pusat telekomunikasi dan komputer; menyimpan energi untuk utilitas jaringan listrik; dan untuk menggerakkan kursi roda, mesin pengangkat barang, mobil golf, dan skuter dan sepeda listrik.

Setiap sel baterai asam timbal mengandung anoda timbal murni seperti spon dan katoda timbal oksida. Mereka direndam, dengan sebuah pemisah, didalam wadah plastik yang diisi dengan elektrolit yang dibuat dari asam sulfat dan air. Selama pemakaian, ion sulfat berpindah ke anoda dan bereaksi dengan timbal membentuk timbal sulfat. Elektron yang dihasilkan dalam proses ini mengalir keluar untuk menyediakan arus listrik. Pada katoda, timbal oksida bereaksi dengan elektrolit membentuk air dan timbal sulfat. Proses kemudian dibalik untuk pengisian ulang. Baterai asam timbal menderita masa hidup terbatas, sekitar 200-300 siklus pengisian dan waktu pengisian lama sampai berjam-jam. Penyebabnya adalah endapan timbal sulfat pada anoda.

Baterai dapat diisi ulang berikutnya adalah nikel kadmium (NiCd) yang ditemukan pada tahun 1899 oleh ilmuwan Swedia, Wildemar Junger, dengan merendam elektroda nikel dan kadmium dalam larutan kalium hidroksida. Ini adalah basis dari baterai alkaline yang berkembang sampai sekarang. Nikel kadmium adalah salah satu baterai yang paling tangguh dan paling tahan lama, mampu bertahan pada suhu sangat tinggi dan baru habis untuk lebih dari 1000 siklus dengan sangat sedikit kehilangan kapasitas penyimpanan energinya. Pemakaian kadmium yang beracun menjadi penyebab jatuhnya baterai ini dimana peraturan lingkungan membatasi penjualan baterai NiCd untuk sebagian besar aplikasi. Tetapi baterai ini masih menjadi pilihan untuk pesawat terbang dan kereta api dimana mereka menyediakan daya cadangan darurat.

Sebagai penggantinya adalah nikel-logam-hidrida (nickel-metal-hydride; NiMH) yang mulai komersial pertama tahun 1989. NiMH menjadi pilihan untuk elektronika jinjing pada tahun 1990an sampai diambil alih oleh baterai Li-ion. Toyota mengambil baterai NiMH untuk Prius dan sekarang hampir semua mobil hibrida menggunakan baterai ini. General Motor juga menggunakan baterai ini untuk generasi mobil listrik berikutnya, EV1, yang diluncurkan pada 1996. Baterai AA dan AAA dapat diisi ulang yang dibuat oleh Energizer, Duracell dan perusahaan lain juga hidrida logam nikel. Akan tetapi, NiMH memiliki andil kecil dalam pasar baterai pada 3%, dan terus turun.

Litium adalah logam yang ideal untuk baterai. Litium adalah unsur logam teringan dan memiliki elektron terluar energi tinggi yang dapat dengan mudah mengambil bagian dalam reaksi kimia. Litium telah menghasilkan baterai yang lebih kecil dan lebih ringan daripada baterai asam timbal dan baterai berbasis nikel sementara menghasilkan daya yang sama dan dengan pemakaian lebih lama. Baterai saat ini berlaga dengan densitas energi yang tinggi sekitar 250 Wh/kg. Baterai Li-ion dapat diisi ulang lebih banyak kali daripada baterai lain pada 500-1000 siklus. Plus, mereka tidak mengandung bahan beracun. Harga baterai ini telah berhasil diturunkan dari USD 1000/kWh pada 2009 menjadi kira-kira USD 200/kWh saat ini dan diramalkan menjadi USD 100/kWh sebelum 2025. Katoda baterai Li-ion adalah logam oksida dan ada banyak jenis yang berbeda, tetapi semuanya mengandung litium bersama dengan campuran logam lain. Anoda yang digunakan terbuat dari grafit, tetapi sekarang sedang dikembangkakn anoda berbasis logam seperti yang digunakan dalam generasi awal baterai Li-ion. Elektrolit yang digunakan adalah garam litium yang dilarutkan dalam pelarut organik.

Teknologi generasi berikutnya

Baterai Li-ion telah diperbaiki terus menerus selama 30 tahun dan telah menggantikan teknologi baterai lain sebagai hasilnya. Tetapi densitas energi teknologi ini telah mencapai batas fundamentalnya dan peningkatan berjalan lambat. Perlombaan untuk membangun baterai revolusioner sedang memanas. Beberapa teknologi yang sedang berusaha untuk menggantikan teknologi baterai Li-ion meliputi: litium-logam, litium keadaan padat, litium-sulfur dan logam-udara.

Teknologi baterai litium-logam menukar anoda grafit dalam baterai Li-ion konvensional dengan logam litium murni. Baterai keadaan padat secara luas dipandang menjadi terobosan besar berikutnya untuk teknologi baterai. Baterai keadaan padat mengganti elektrolit cair mudah menguap dengan elektrolit padat. Selain tidak mudah terbakar, elektrolit padat juga menghalangi terbentuknya dendrit yang mengijinkan pemakaian elektroda logam litium. Baterai litium-sulfur sangat berbeda dengan Li-ion konvensional. Disini, ion litium dalam elektrolit yang dalam Li-ion tidak bereaksi, dibuat menjadi bereaksi dan membentuk senyawa kimia. Baterai logam-udara dapat, dalam teori, menyimpan secara signifikan lebih banyak energi daripada Li-ion. Baterai ini memiliki anoda logam dan katoda terbuat dari oksigen murni yang diinfus melalui penyangga karbon berpori-pori. Banyak logam yang berbeda telah diselidiki untuk potensi pemakaian: alumunium, litium, sodium, timah, dan seng. Litium-udara secara teoritis menyimpan 13.000 Wh/kg, pas dengan densitas energi bensin.

Kesimpulan

Ketergantungan pada perangkat dengan daya baterai membawa frustasi harian, HP yang baterainya terlalu cepat habis, atau kecemasan jarak jauh, takut tidak mencapai stasion pengisian mobil berikutnya sebelum baterai habis. Tetapi baterai dapat diisi ulang telah membuat lompatan dan berjilid sejak mereka pertama kali ditemukan. Ahli kimia, insinyur, dan ilmuwan bahan terus mengejar teknologi baterai yang lebih baik. Kemajuan ini menawarkan harapan bahwa baterai akan lebih berdayaguna, berumur panjang, ringan, dan murah. (hs)