Kimia baterai untuk penyimpan energi stasioner

Akhir-akhir ini yang ramai dibicarakan berkaitan dengan upaya menekan emisi karbon adalah baterai kendaraan listrik, terutama yang berjenis Li-ion (lithium-ion battery; LIB). Padahal jika ingin beralih dari bahan bakar fosil ke energi baru dan terbarukan (EBT) untuk menuju ke emisi bersih karbon nol, tidak hanya untuk kendaraan listrik, baterai penyimpan stasioner juga sangat diperlukan. Sebagaimana diketahui, sumber EBT umumnya bersifat terputus-putus penyediaannya seperti angin yang kecepatan dan arahnya selalu berubah dan sinar matahari tersedia hanya di siang hari. Untuk menjaga kontinuitas pasokan energi ke jaringan, salah satunya, penyimpan energi menjadi salah satu perangkat yang harus disediakan.

Ada sejumlah cara untuk keperluan penyimpan energi stasioner yang meliputi mekanik (pompa hidro, roda gila, udara bertekanan dan lainnya), termokimia (phase change materials [PCM] dan leburan garam, sebagai contoh), kimia (konversi listrik menjadi hidrogen) dan listrik (ultrakapasitor dan lainnya). Karena fleksibilitasnya, efisiensi dan densitas energinya, pendekatan elektrokimia (dalam bentuk baterai yang dapat diisi ulang) sepertinya memainkan peran dominan pada masa depan penyimpan energi jaringan listrik.

Baterai lithium-ion

Baterai lithium-ion (LIB) yang telah banyak digunakan untuk aplikasi elektronika portabel dan kendaraan listrik telah muncul sebagai teknologi kritis untuk penyimpan energi jaringan listirk. LIB beroperasi dengan memindah-mindahkan ion Li⁺ antara anoda dan katoda, melalui membran elektrolit berpori-pori yang mengizinkan ion Li⁺ lewat, tetapi mencegah kontak antar elektroda. Selama pengosongan (discharge), ion Li⁺ bergerak dari anoda ke katoda dan menghasilkan aliran elektron melalui sirkuit luar (Gambar 1). Untuk pengisian (charge), sumber daya eksternal menggerakkan ion Li⁺ dari katoda ke anoda (biasanya grafit), dimana ion menyisipkan dirinya di antara lapisan-lapisan karbon.

Pada penyimpanan energi jaringan listrik, LIB memiliki keunggulan dan beberapa keterbatasan. Keunggulannya adalah LIB memiliki densitas spesifik tinggi (watt-hour per kilogram), densitas daya tinggi dan efisiensi bolak-balik (round-trip) tinggi (90-95%). Efisiensi bolak-balik merujuk kepada persentasi baterai yang dimasukkan ke baterai selama pengisian yang dapat dipakai kembali selama pengosongan. LIB juga memiliki self-discharge rate rendah.

LIB memiliki kelemahan biaya modal awal tinggi yang disebabkan oleh komponen bahan bakunya yang sangat mahal yang bisa menjadi tantangan rantai-pasok. Akan tetapi, untuk LIB, biaya terlevelisasi penyimpan (biaya waktu layanan total dibagi dengan listrik total yang dikeluarkan) sering lebih bersaing. Dengan berjalannya waktu, LIB dapat terdegradasi, yang menyebabkan umur layanan terbatas. LIB juga mempunyai isu keselamatan karena kehilangan stabilitas termal seiring dengan umur pemakaian.

Karena karakteristiknya seperti di atas, LIB lebih cocok untuk penyimpanan jangka lebih pendek (6-8 jam). Biaya dan degradasi menyebabkan LIB kurang ideal untuk jangka panjang (penyimpanan 12-100 jam).

LIB dikategorikan berdasarkan jenis bahan katodanya. Dua kimia LIB yang paling umum adalah baterai yang menggunakan katoda lithium iron phosphate (LFP) dan lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC). Keduanya adalah sangat efektif tetapi LFP dipandang lebih aman, lebih murah dan lebih tahan lama, sedangkan NMC memberikan densitas energi lebih tinggi. Baterai NMC lebih tergantung kepada jenis logam kritis tertentu (seperti Mn dan Co), yang menyebabkannya lebih rentan terhadap isu rantai-pasok.

Baterai logam-udara dan aliran

Baterai aliran adalah jenis baterai dimana elektrolit disimpan di luar baterai dan dipompa melalui tumpukan elektroda positif dan negatif dalam sel elektrokimia yang dipisahkan oleh anion-exchange membrane (AEM) ketika beroperasi. Baterai aliran berbeda dengan baterai konvensional dalam hal baterai konvensional menyimpan energi dalam elektroda sedangkan baterai aliran dalam elektrolit. Energi kimia dalam elektrolit diubah menjadi listrik selama pengosongan dan pertukaran ion berlangsung dalam membran untuk menyempurnakan sirkuit.

Baterai aliran dipandang sebagai teknologi yang menjanjikan untuk penyimpan energi skala jaringan karena menawarkan potensi umur layanan yang lama, self-discharge rate rendah dan murah karena desainnya. Diantara jenis baterai aliran redoks adalah baterai aliran polysulfide bromine, vanadium redox (Gambar 2) dan zinc-bromine redox. Energi spesifik baterai aliran berkisar dari 10-35 Wh/kg, dengan daya spesifik 100-166 W/kg, efisiensi bolak-balik 65-85%, umur layanan 15 tahun, dan self-discharge rate ~0.

Baterai logam-udara beroperasi dengan oksidasi logam dengan oksigen dari udara (Gambar 3). Salah satu jenis yang murah untuk skala besar adalah baterai besi-udara yang beroperasi dengan pembentukan besi oksida (karat) ketika bereaksi dengan oksigen dari udara. Pada pengosongan (periode kebutuhan daya tinggi dan produksi rendah), reaksi ini melepaskan energi. Untuk mengisi ulang baterai (ketika produksi listrik tinggi), karat diubah menjadi besi dan oksigen dilepaskan.

Salah satu keunggulan batera besi-udara yang menarik sebagai penyimpan energi jaringan adalah penyimpan energi durasi panjang; yakni, ia mampu menyimpan energi selama beberapa hari. Selain itu, karena baterai jenis ini tergantung pada bahan yang murah, harganya sangat murah untuk aplikasi skala besar. Keterbatasannya adalah efisiensi bolak-balik rendah (~60%) dan waktu respons lambat dalam aplikasi yang membutuhkan pengisian-pengosongan lebih cepat.

Pustaka

S. Jenkins, Battery chemistries for stationary energy storage, Chemical Engineering, Edisi September 2025.