Perusahaan Tiongkok Berhasil Memproduksi Massal Baterai All-Solid-State

Apa itu Baterai All-Solid-State

Baterai all-solid-state (ASSB/All-Solid-State Batteries) telah muncul sebagai solusi yang menjanjikan untuk mengatasi keterbatasan baterai lithium-ion (LIB/ lithium-ion batteries) tradisional. Baterai ini menawarkan potensi untuk merevolusi berbagai industri mulai dari kendaraan listrik hingga sistem energi terbarukan.

Sumber: biologic.net

Dengan mengganti elektrolit cair yang ditemukan di LIB dengan bahan padat, ASSB bertujuan untuk meningkatkan keamanan, meningkatkan kepadatan energi, dan memperpanjang umur keseluruhan sistem penyimpanan energi.

Perbedaan utama antara ASSB dan LIB adalah keadaan elektrolitnya. LIB tradisional memiliki elektrolit cair atau gel, sedangkan ASSB menggunakan elektrolit padat.

Sumber: biologic.net

Gambar di atas ini mengilustrasikan perbedaan struktural antara ASSB dan LIB. Elektroda positif dan negatif bertindak sebagai anoda atau katoda tergantung pada apakah perangkat sedang mengisi daya atau mengeluarkan daya. Sejumlah elektrolit padat saat ini sedang dieksplorasi dan meliputi keramik, polimer, resin, dan komposit kaca.

Ada beberapa masalah keamanan yang ditimbulkan oleh LIB karena sifatnya yang mudah terbakar yang dapat ditingkatkan oleh ASSB dengan mengurangi risiko kebocoran, thermal runaway, dan pembentukan dendrit.

Selain meningkatkan keamanan, baterai solid-state juga menawarkan kepadatan energi yang lebih tinggi dibandingkan dengan LIB tradisional.

Ini berarti bahwa ASSB dapat menyimpan lebih banyak energi dalam jumlah ruang yang sama, sehingga membuatnya sangat menarik untuk aplikasi yang memerlukan solusi penyimpanan energi yang ringkas seperti kendaraan listrik dan elektronik portabel. Dengan karakteristik transportasi, termal, dan mekanis yang unik, ASSB juga berpotensi mengatasi masalah utama yang dihadapi dengan LIB dan mengatasi keterbatasan pengisian cepat.

Perusahaan Tiongkok Yang Berhasil Memproduksi Massal Baterai All-Solid-State

LiPure Energy Tiongkok sebuah perusahaan baterai yang berbasis di Beijing, mengatakan pihaknya telah berhasil membangun jalur produksi pertama di Tiongkok yang memproduksi baterai litium solid-state dan telah meluncurkan produksi massal.

Perusahaan ini menyatakan: Mereka menargetkan kapasitas produksi sebesar 200 megawatt-jam, jalur ini mampu mengisi daya 200.000 skuter listrik secara bersamaan.

Setelah beroperasi pada kapasitas penuh, diperkirakan akan menghasilkan ribuan baterai seperti itu setiap harinya.

Perusahaan ini juga menambahkan bahwa baterai lithium all-solid-state dibuat untuk berbagai sektor termasuk penyimpanan energi dan kendaraan listrik roda dua.

Baterai all-solid-state menawarkan kepadatan energi dan keamanan teoritis yang lebih tinggi, serta memerlukan biaya yang lebih rendah dibandingkan baterai lithium-ion yang saat ini mendominasi sektor kendaraan listrik. Oleh karena itu, banyak negara menganggapnya sebagai teknologi yang berpotensi mengubah keadaan.

CATL melakukan segala upaya untuk produksi massal baterai all-solid-state EV 500 Wh/kg

China's Contemporary Amperex Technology Co. Limited (CATL), adalah pemimpin global dalam pengembangan dan manufaktur baterai litium-ion, secara signifikan meningkatkan investasinya pada teknologi baterai all-solid-state.

Outlet media lokal Tiongkok, Late Post, telah melaporkan bahwa perusahaan tersebut bertujuan untuk mencapai produksi volume skala kecil dari baterai all-solid-state pada tahun 2027.

Perusahaan ini melaporkan telah banyak berinvestasi dalam penelitian dan pengembangan, dengan tim berdedikasi lebih dari 1.000 orang.

Penelitian CATL berfokus pada jalur sulfida, sebuah teknologi yang menjanjikan dalam domain baterai solid-state. Perusahaan ini baru-baru ini mencapai tonggak penting dengan memasuki tahap produksi uji coba untuk sampel 20 Ah.

Perlu diketahui bahwa baterai jenis berkepadatan energi tinggi, namun tantangannya tetap ada.

Menurut laporan tersebut, prototipe CATL saat ini sangat mengesankan. Mereka menawarkan kepadatan energi 500 Wh/kg. Sebagai gambaran, ini merupakan peningkatan lebih dari 40% dibandingkan dengan baterai lithium-ion yang ada, yang biasanya mencapai maksimum sekitar 350 Wh/kg.

Namun, sumber terpercaya menunjukkan bahwa kecepatan pengisian daya dan masa pakai baterai, yang mepengaruhi umur panjang baterai, masih memerlukan penyempurnaan lebih lanjut.

Sebelumnya, pada bulan April tahun ini, CATL mengumumkan rencananya untuk mengembangkan baterai all-solid-state. Perusahaan menggunakan skala 1-9 untuk menilai kematangan teknologi dan proses manufaktur dan menempatkan dirinya pada level empat pada saat itu.

Selain itu, targetnya adalah mencapai level 7-8 pada tahun 2027, yang menunjukkan kelayakan produksi dalam jumlah kecil. Namun, produksi massal diperkirakan masih terkendala oleh biaya dan tantangan teknologi lainnya.

Inovasi terkini dari CATL

Laporan terbaru muncul hanya beberapa minggu setelah CATL meluncurkan Baterai Super Hibrida Freevoy, yang bertujuan untuk mempercepat pengembangan rangkaian mobil hibrida canggih.

Pada saat peluncurannya, produsen baterai EV menyatakan bahwa baterai kendaraan hibrida "pertama di dunia" ini dapat "mencapai jangkauan listrik murni lebih dari 400 kilometer (250 mil) dan pengisian daya super cepat 4C*, yang menandai era baru EREV(Extended Range Electric Vehicles) berkapasitas tinggi.atau kendaraan listrik jarak jauh dan baterai PHEV (plug-in hybrid electric vehicles) atau kendaraan listrik hibrida plug-in."

Baterai Freevoy juga diklaim mampu memberikan jangkauan 281 Kilo meter (175 mil) hanya dengan pengisian daya 10 menit.

(*Secara umum, pengisian daya 1C dapat mengisi penuh baterai dalam waktu 60 menit, pengisian daya 2C terisi penuh dalam waktu 30 menit, pengisian daya 3C terisi penuh dalam waktu sepertiga jam, dan pengisian daya 4C berarti dapat terisi penuh dalam waktu 15 menit.)

Persaingan di Pasar Baterai Solid-State

Menariknya, CATL bukan satu-satunya pemain di bidang teknologi baterai solid-state. Perusahaan otomotif dan baterai besar, seperti BYD, Toyota, dan Samsung, juga secara agresif mendorong pengembangan baterai solid-state.

Pada bulan Juli, Samsung membuat gelombang besar di industri kendaraan listrik dengan mengungkapkan bahwa lini produksi percontohan baterai solid-state kini telah beroperasi. Menurut perusahaan, baterainya dapat menawarkan jangkauan 600 mil dan hanya membutuhkan waktu 9 menit untuk mengisi dayanya. Selain itu, mereka menjanjikan masa pakai baterai yang luar biasa hingga 20 tahun.

Sebelumnya, Toyota telah meluncurkan teknologi baterai solid-state barunya yang diklaim dapat mengurangi bobot, ukuran, dan biaya baterai EV hingga 50 persen.

Namun, meskipun ada kemajuan yang signifikan, tantangan masih menghadang menuju produksi massal. Hal ini menunjukkan bahwa penerapan awal teknologi ini mungkin terbatas pada kendaraan listrik premium.

Meskipun demikian, perkembangan terbaru yang dilakukan CATL menandakan langkah penting menuju komersialisasi, yang menunjukkan bahwa perusahaan telah menyelesaikan solusi baterai intinya dan sedang melakukan transisi untuk mengoptimalkan proses produksi.

Upaya dan Kendala Penelitian

Namun dalam hal transisi dari elektrolit cair ke padat menimbulkan tantangan tersendiri. Beberapa tantangan tersebut antara lain:

Mengurangi konduktivitas elektrolit padat pada suhu kamar.

Kinetika lamban pada antarmuka/interfaces.

Membuat dan memelihara antarmuka bebas yang defect/cacat.

Mengurangi konduktivitas elektrolit padat pada suhu kamar/ruangan

Baterai solid-state menunjukkan konduktivitas ionik yang lebih rendah dibandingkan baterai elektrolit cair tradisional karena sifat bawaan dari elektrolit padat.

Ion tidak bebas bergerak dalam padatan, atau bahkan polimer, seperti dalam cairan karena ion harus bergerak melalui kisi-kisi dan batas butir.

Konduktivitas elektrolit padat Li+ cenderung 2-4 kali lipat lebih rendah dibandingkan elektrolit cair.  Penurunan mobilitas ini terkait dengan penghalang energi aktivasi yang lebih tinggi dan bergantung pada suhu.

Konduktivitas massal mengikuti hukum Arrhenius yang menghubungkan konduktivitas ionik DC, , dan suhu, T melalui persamaan  berikuti ni:

=0exp(EaKbT)=0exp(EaKbT)

is the DC ionic conductivity (S*m-1)

00 is the pre-exponential factor (S*m-1)

EaEa is the activation energy (J)

KbKb the Boltzmann constant (8.61 x 10-5 eV*K-1)

 TT is the absolute temperature (K)

Pada suhu yang lebih tinggi, ion memiliki lebih banyak energi termal, yang membantu mereka mengatasi hambatan energi aktivasi dan bergerak lebih bebas melalui kisi elektrolit padat. Akibatnya, konduktivitas ionik elektrolit padat meningkat dengan suhu yang lebih tinggi.

Kinetika Lambat di Antarmuka/Interfaces

Impedansi yang lebih tinggi diamati pada antarmuka di ASSB karena sifat kompleks antarmuka padat-padat dan tantangan inheren yang terkait dengan transportasi ion melalui elektrolit padat. Hal ini disebabkan oleh kombinasi faktor, baik elektrokimia maupun fisik, termasuk transportasi ion yang berkurang, kinetika transfer muatan, dan pembentukan lapisan antarmuka.

Membuat dan Memelihara Antarmuka Bebas Defect/Cacat

Tantangan lainnya adalah dalam proses fabrikasi karena antarmuka/interface yang seragam dan bebas cacat antara elektroda dan material elektrolit penting untuk menjaga kinerja baterai.

ASSB juga dapat mengalami cacat karena ekspansi dan kontraksi saat menjalani siklus pengisian dan pengosongan. Fenomena ini, yang dikenal sebagai perubahan volume atau dimensi, terutama disebabkan oleh penyisipan dan ekstraksi ion dalam material elektroda padat selama reaksi elektrokimia.

Perubahan volume ini dapat menyebabkan tekanan mekanis, penurunan kapasitas, pembentukan dendrit, dan ketidakstabilan antarmuka, yang dapat memengaruhi keseluruhan siklus hidup baterai dengan menyebabkan kerusakan yang tidak dapat dipulihkan pada material dan bahkan kegagalan besar pada antarmuka elektrolit-elektroda padat.

Banyak bahan elektrolit padat yang menjanjikan telah diidentifikasi, tetapi masih perlu dioptimalkan untuk kinerja, stabilitas, dan kemudahan pembuatannya.

Tampak beberapa perusahaan Tiongkok telah dapat mengatasi dan melakukan inovasi ini.

Mengembangkan dan Menguji Teknologi ASSBs

Sumber: biologic.net

Potensiostat, penganalisis impedansi, dan cycler baterai merupakan hal mendasar untuk menguji LIB dan ASSBs dan digunakan melalui seluruh rantai nilai baterai: mulai dari penelitian bahan dan komponen hingga pengujian dan validasi sel penuh.

Gambar di atas memberikan contoh rangkaian instrumen elektrokimia yang dibutuhkan pada setiap tahap pengembangan dan pengujian ASSBs. Selama fase pengembangan dan pengujian, ASSBs memerlukan lingkungan pengujian khusus untuk menentukan kondisi operasional yang optimal dan sering kali perlu dimasukkan ke dalam rantai pengukuran kelas atas untuk teknik pengukuran in-situ/operando, termasuk yang berikut ini:

Difraksi Sinar-X (XRD): Membantu peneliti menganalisis struktur kristal material, memberikan wawasan tentang stabilitas dan perilakunya selama siklus pengisian dan pengosongan.

Scanning Electron Microscopy (SEM): Memungkinkan peneliti memeriksa struktur mikro komponen baterai, membantu mengidentifikasi cacat atau penyimpangan yang dapat mempengaruhi kinerja.

Scanning Electrochemical Microscopy (SECM): Memberikan kesempatan kepada peneliti untuk mempelajari elektrokimia lokal suatu sampel, khususnya studi tentang perbedaan lokal dalam konduktivitas butir dan batas butir.

Teknik Analisis Termal: Teknik ini membantu peneliti memahami perilaku termal dan stabilitas bahan baterai.

Dengan memberikan kontrol yang tepat terhadap proses elektrokimia, sistem ini memungkinkan para peneliti mempelajari sifat komponen baterai dengan lebih baik dan mengevaluasi kinerja dalam berbagai kondisi.

Dengan memberikan kontrol yang tepat terhadap proses elektrokimia, sistem ini memungkinkan para peneliti mempelajari sifat komponen baterai dengan lebih baik dan mengevaluasi kinerja dalam berbagai kondisi.

Kesimpulan

Pengembangan baterai all-solid-state merupakan langkah maju yang signifikan dalam teknologi penyimpanan energi. Potensinya untuk meningkatkan keselamatan, meningkatkan kepadatan energi, dan memungkinkan penerapan baru menjanjikan masa depan energi yang lebih berkelanjutan dan efisien.

Meskipun tantangan masih ada dalam hal pengembangan material, manufaktur, dan optimalisasi kinerja, upaya penelitian yang berkelanjutan dan instrumentasi canggih terus mendorong batas-batas teknologi ini.

Ketika rintangan ini teratasi, baterai solid-state dapat mengubah industri dan memainkan peran penting dalam transisi global menuju sistem energi yang lebih bersih dan efisien. Demikian pendapat para ahli.

Sumber: Media TV & Tulisan Luar Negeri

https://batteriesnews.com/chinese-firm-succeeds-in-mass-producing-all-solid-state-battery/#google_vignette

https://www.biologic.net/topics/what-are-all-solid-state-batteries/#:~:text=All%2Dsolid%2Dstate%20batteries%20(,vehicles%20to%20renewable%20energy%20systems.