Gambaran Sederhana Tentang Baterai Solid State - Anontekno

Gambaran Sederhana Tentang Baterai Solid State

Solid State Battery

Baterai solid-state adalah salah satu kandidat yang menjanjikan untuk baterai generasi berikutnya yang dapat memberikan keamanan lebih dan kinerja tinggi dengan biaya rendah. Mereka dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi karena stabilitas termal yang lebih baik.

Pengembangan bahan untuk teknologi ionik solid-state telah dibatasi selama hampir satu abad. Namun, ada kemajuan luar biasa dalam beberapa dekade terakhir: lebih banyak material ditemukan dan teknik yang efektif digunakan untuk mengoptimalkan konduksi ionik dalam padatan.

Selama periode yang sama, para peneliti datang dengan beberapa teori fundamental untuk konduksi ion dalam padatan, yang membuatnya layak untuk menyimpan sejumlah besar energi yang dapat digunakan dalam volume yang relatif kecil.

Mengapa Kita Membutuhkan Baterai Solid State?

Baterai yang Kita gunakan saat ini di perangkat komersial didasarkan pada teknologi lithium-ion. Mereka menjadi lebih populer dari tahun ke tahun: pertumbuhan mereka didorong oleh peningkatan penggunaan kendaraan hibrida dan listrik serta lonjakan penetrasi smartphone dan laptop.

Terlepas dari kesuksesannya di seluruh dunia, baterai ini tidak dapat menyembunyikan batasannya dalam hal keamanan, faktor bentuk, efisiensi, dan biaya karena teknologi yang mendasarinya.

Sebagian besar teknologi lithium-ion yang ada menggunakan elektrolit cair, dengan garam litium (seperti litium heksafluorofosfat dan litium tetrafluoroborat) dalam pelarut organik.

Namun, penguraian elektrolit membentuk lapisan pasif yang disebut antarmuka elektrolit padat (SEI). Lapisan ini, terbentuk pada bahan anoda baterai, membatasi konduktansi efektif.

Elektrolit cair membutuhkan casing tahan cairan (untuk menghindari kebocoran) dan membran mahal untuk mengisolasi anoda dari katoda. Dengan demikian, kebebasan desain dan ukuran baterai lithium-ion cair dibatasi.

Dan karena baterai ini menggunakan cairan yang mudah terbakar dan korosif, baterai tersebut memiliki masalah keselamatan dan kesehatan. Banyak pabrikan tetap bungkam tentang kerugian ini.

Elektrolit solid-state dapat mengatasi semua aspek tersebut, terutama di pasar wearable, drone, dan kendaraan listrik.

Terbuat dari Apa Baterai Solid State? 

Dalam baterai solid-state, baik elektroda maupun elektrolit dalam keadaan padat. Elektrolit dapat berperilaku seperti konduktor listrik sekaligus pemisah, sehingga tidak memerlukan komponen tertentu seperti casing dan separator. Dengan demikian, mereka bisa dibuat lebih tipis dan fleksibel.

Karena baterai solid-state tidak memiliki cairan atau elektrolit gel polimer, baterai tersebut tidak menimbulkan risiko keselamatan. Mereka lebih tahan terhadap variasi suhu dan kerusakan fisik.

Baterai ini dapat mengandung lebih banyak energi per satuan berat dibandingkan dengan lithium-ion tradisional. Mereka juga dapat menangani lebih banyak siklus pelepasan muatan sebelum degradasi yang signifikan, menjanjikan masa pakai yang lebih lama.

Baterai Lithium-ion Padat vs. Cair

Tidak seperti baterai lithium-ion cair, baterai solid-state tidak menghasilkan gas hidrogen karena tidak adanya zat yang mudah terbakar, yang memperkuat keselamatan operasionalnya.

Baterai ini tidak membentuk lapisan antarmuka solid-state, itulah sebabnya mengapa baterai memiliki laju pelepasan sendiri yang rendah dan penyimpanan daya multi-tahun dengan kehilangan minimal. Mereka dapat beroperasi hingga 100 kali lebih lama dari baterai lithium-ion tradisional.

Baterai lithium-ion solid  Baterai lithium-ion cair 
Stabilitas termal yang sangat baik Stabilitas termal yang buruk
Lebih sedikit self-discharge Pembuangan diri sendiri dapat mengurangi umur
Elektrolit tidak mudah terbakar Elektrolit yang mudah terbakar dapat menyebabkan pembakaran
Konduktivitas ionik tinggi pada kisaran suhu yang luas Konduktivitas ionik tinggi hanya pada suhu kamar
Pemisah kaku dan dapat pecah dengan tekanan tambahan Pemisah fleksibel dapat menahan tekanan mekanis yang tinggi
Tidak ada formasi lapisan SEI, dan dengan demikian, siklus hidup lebih lama Pembentukan lapisan SEI mempengaruhi siklus hidup
Kepadatan energi tinggi Kepadatan energi sedang
Toleransi tinggi Sensitif terhadap harga terlalu mahal

Selain itu, elektrolit padat memberikan jendela elektrokimia yang lebih besar, sehingga bahan katoda tegangan tinggi dapat digunakan. Anoda yang terbuat dari logam dengan kepadatan energi tinggi selanjutnya dapat mendorong kepadatan energi melebihi 1.000 Wh / kg (watt-jam per kilogram). Manfaat ini dapat menjadikan baterai solid-state sebagai pengubah permainan.

Bagaimana Baterai Solid State Bekerja?

Prinsip kerja baterai cair dan padat adalah sama. Aliran ion memicu reaksi kimia antara bahan baterai.

Ketika baterai habis, oksidasi terjadi di anoda (elektroda negatif) dan reduksi terjadi di katoda (elektroda positif). Oksidasi menghasilkan senyawa dengan elektron bebas, yang menyediakan energi listrik, sedangkan reduksi melihat senyawa mendapatkan elektron dan dengan demikian menyimpan daya.

Lebih khusus lagi, saat baterai mengalirkan daya, ion bermuatan positif berpindah dari anoda ke katoda melalui elektrolit padat. Ini menghasilkan akumulasi muatan positif di katoda yang mencoba menarik elektron dari anoda.

Tapi karena elektrolit tidak memungkinkan elektron untuk melewatinya, mereka harus bergerak melintasi sirkuit tertutup, menyalurkan daya ke perangkat yang terhubung dengannya.

Kebalikannya terjadi ketika baterai mengisi: ion mengalir ke anoda sementara elektron mengalir ke katoda melintasi rangkaian. Saat ion berhenti bergerak ke anoda, baterai dianggap telah terisi penuh.

Selama ion bergerak dari satu elektroda ke elektroda lainnya, ada aliran elektron yang konstan, yang menyediakan energi untuk menjaga perangkat yang terhubung tetap berjalan.

Bahan

Secara umum, kimia sel dari semua sel padat mirip dengan sel elektrolit cair. Bahan katoda adalah oksida berbasis litium, fosfat berbasis litium, dan vanadium oksida; Bahan andoda terdiri dari litium logam, karbon, paduan litium, dan titanat.

Lithium-sulfur (LS) merupakan bahan katoda yang menjanjikan. Berat atom litium yang rendah dan berat atom belerang sedang membuat baterai LS relatif ringan. Baterai ini dapat memiliki kepadatan energi dua kali lebih tinggi (di urutan 500 Wh / kg) daripada baterai lithium-ion.

Skema baterai Lithium-sulfur 

Bahan lain yang menjanjikan untuk baterai solid-state adalah Li-O 2 . Ini menggunakan oksidasi lithium di anoda dan reduksi oksigen di katoda untuk menghasilkan aliran arus. Secara teori, baterai Li-O  dapat menawarkan kepadatan energi 12 kW · h / kg, yang sebanding dengan kepadatan energi bensin (yang menghasilkan 13 kW · h / kg).

Dibandingkan dengan lithium-ion, baterai Li-O 2 padat  dapat memiliki energi spesifik hingga 15 kali lebih banyak (energi per satuan massa).

Lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) juga menjanjikan sebagai aplikasi solid-state untuk kendaraan listrik, perkakas listrik, dan instalasi energi surya. Mereka memiliki kepadatan daya yang tinggi, stabilitas pada suhu tinggi, dan siklus hidup yang panjang.

Aplikasi & Riset Terbaru

Sejauh ini, baterai solid-state telah digunakan pada perangkat yang dapat dikenakan, alat pacu jantung buatan, dan tag identifikasi frekuensi radio (RFID). Karena keunggulannya dibandingkan elektrolit cair, mereka menawarkan peluang besar untuk aplikasi sel besar dan kendaraan listrik.

Dalam dekade terakhir, banyak perusahaan dan lembaga penelitian telah menginvestasikan puluhan juta dalam pembuatan baterai logam isi ulang yang efisien.

Pada 2017, Toyota mengumumkan sedang mengerjakan jenis teknologi baterai baru yang memungkinkan pembuatan baterai ringan dan lebih kecil untuk kendaraan listrik. Ini berpotensi meningkatkan kapasitas muatan total, menghasilkan kendaraan jarak jauh hingga dua kali lipat.

Sakti3, anak perusahaan Dyson Ltd., telah menjelaskan teknik untuk mengembangkan baterai solid-state yang dapat diskalakan, menggunakan deposisi film tipis yang dipandu oleh simulasi numerik dan pengoptimalan . Perusahaan telah mengembangkan portofolio kekayaan intelektualnya menjadi lebih dari 100 paten.

John Goodenough, salah satu penemu baterai lithium-ion, telah memperkenalkan baterai tidak mudah terbakar yang terbuat dari elektrolit kaca dan anoda logam alkali yang terdiri dari natrium, litium, atau kalium. Baterai jenis ini dapat memiliki konduktivitas tinggi pada suhu -20 ° C dan dapat bekerja dengan baik pada kendaraan listrik dalam cuaca di bawah nol derajat.

Pada tahun 2018, Solid Power mengumpulkan $ 20 juta dalam perlombaan untuk membuat baterai solid-state dengan kapasitas 10-megawatt jam yang diharapkan per tahun. Volkswagen telah menginvestasikan hampir 300 juta di QuantumScape untuk mengembangkan baterai solid-state.

Pada tahun 2020, Samsung menghadirkan prototipe baru yang menggunakan lapisan komposit perak-karbon sebagai anoda untuk mendukung siklus hidup yang lebih lama dan kapasitas yang lebih besar. Volume ini 50% lebih kecil daripada baterai lithium-ion yang ada dan akan memungkinkan kendaraan listrik menempuh jarak hingga 500 mil dengan sekali pengisian daya.

Fisker Inc., pembuat mobil kendaraan listrik, telah mengajukan beberapa paten terkait teknologi baterai solid-state untuk digunakan dalam elektronik konsumen, otomotif, dan industri lainnya. Pabrikan mobil lain yang mengerjakan teknologi yang sama termasuk Hyundai Motor Company, Honda, Nissan, dan BMW.

Tantangan Saat Ini

Baterai dengan elektrolit padat masih harus mengatasi tiga masalah utama sebelum teknologinya siap untuk dikomersialkan.

1. Dendrit

Baterai semua-solid-state, jika menggunakan anoda logam litium, sering kali mengalami pembentukan dan pertumbuhan dendrit litium . Dendrit ini menurunkan efisiensi coulomb dengan menembus separator antara katoda dan anoda. Mereka menyebabkan panas berlebih dan korsleting.

Dendrit biasanya terbentuk selama pelepasan muatan. Namun, tidak ada mekanisme yang dapat diKamulkan untuk menjelaskan bagaimana mereka mulai tumbuh pada antarmuka elektrolit padat dengan elektroda logam litium. Selain itu, karakteristik elektrolit padat yang bertanggung jawab untuk pertumbuhan dendrit litium belum diketahui dengan baik.

2. Sensitivitas terhadap suhu dan tekanan 

Dua tipe utama elektrolit padat – polimer dan keramik atau kaca – memiliki masalah tersendiri. Elektrolit polimer tidak menunjukkan konduktivitas tinggi pada suhu kamar dan perlu dipanaskan.

Elektrolit keramik, di sisi lain, menunjukkan konduktivitas yang tepat pada suhu kamar tetapi membutuhkan tekanan tinggi (sekitar 1 ton untuk setiap sentimeter persegi) untuk menjaga kontak dengan elektroda.

3. Biaya 

Saat ini, baterai solid-state cukup mahal untuk diproduksi. Proses pembuatannya memerlukan instrumen deposisi vakum yang mahal, dan karenanya sulit untuk diskalakan juga. Harga yang lebih tinggi telah menghalangi penggunaan baterai ini di smartphone, laptop, dan perangkat elektronik lainnya.

Pasar

Ukuran pasar global dari baterai solid-state diharapkan meningkat dari $ 62 juta pada tahun 2020 menjadi $ 483 juta pada tahun 2027 , dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan sebesar 34,2%.

Faktor-faktor yang mendorong pertumbuhan ini termasuk tren yang meningkat menuju miniaturisasi elektronik konsumen, kebutuhan baterai canggih pada kendaraan listrik, dan meningkatnya aktivitas penelitian & pengembangan oleh perusahaan raksasa.

Dalam hal kapasitas, segmen di bawah 20 mAh diproyeksikan akan memimpin pasar baterai solid-state selama periode perkiraan. Baterai film tipis ini sebagian besar akan digunakan dalam aplikasi seperti sensor nirkabel, kemasan, tambalan kosmetik, dan peralatan pembuangan rendah lainnya.

Amerika Utara memegang mayoritas pangsa pasar ini, berkat meningkatnya permintaan untuk kartu pintar dan kendaraan listrik. Amerika Serikat adalah negara terdepan yang mengadopsi baterai ini dalam berbagai aplikasi. Pasar Eropa juga diproyeksikan tumbuh pada tingkat yang signifikan selama dekade mendatang.