Dalam beberapa dekade terakhir, terjadi lonjakan signifikan dalam penelitian dan pengembangan teknologi baterai. Salah satu terobosan terpenting adalah pengembangan baterai Solid State, yang menjanjikan perubahan besar dalam dunia penyimpanan energi.
Apa itu Baterai Solid State?
Baterai Solid State mengacu pada jenis baterai yang menggunakan elektrolit padat sebagai pengganti elektrolit cair yang digunakan dalam baterai konvensional. Dalam baterai Solid State, elektrolit padat menggantikan separator berbasis cairan yang digunakan dalam baterai lithium-ion tradisional.
Elektrolit padat dalam baterai Solid State biasanya terbuat dari bahan-bahan seperti keramik atau polimer yang memiliki konduktivitas ionik yang baik. Keuntungan utama dari baterai Solid State adalah stabilitas yang lebih tinggi dan tingkat keamanan yang lebih baik dibandingkan dengan baterai lithium-ion konvensional.
Keuntungan Menggunakan Baterai Solid State
Baterai Solid State menawarkan beberapa keuntungan potensial, antara lain:
1. Keamanan yang lebih tinggi: Karena tidak ada elektrolit cair yang mudah terbakar atau bocor, baterai Solid State lebih aman dalam hal kebakaran atau kebocoran.
2. Kapasitas energi yang lebih tinggi: Baterai Solid State dapat menawarkan kapasitas energi yang lebih tinggi dibandingkan dengan baterai lithium-ion konvensional, yang berarti baterai tersebut dapat menyimpan lebih banyak energi.
3. Waktu pengisian yang lebih cepat: Baterai Solid State dapat diisi lebih cepat dibandingkan dengan baterai lithium-ion konvensional.
4. Umur pakai yang lebih lama: Dengan elektrolit padat yang lebih stabil, baterai Solid State mungkin memiliki umur pakai yang lebih panjang daripada baterai lithium-ion konvensional.
Namun, meskipun baterai Solid State menawarkan potensi yang menarik, teknologi ini masih dalam tahap pengembangan dan belum sepenuhnya matang untuk penggunaan komersial. Masih ada beberapa tantangan teknis yang perlu diatasi sebelum baterai Solid State dapat diproduksi secara massal dan digunakan dalam aplikasi sehari-hari.
Material Baterai Solid State
Elektrolit padat baterai (SSEs) termasuk keramik seperti lithium ortosilikat, kaca, sulfida, dan RbAg4I5. Elektrolit padat oksida utama termasuk Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP), Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3 (LATP), Li3xLa2/3-xTiO3 tipe perovskite (LLTO), dan Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 tipe garnet (LLZO) dengan litium logam.[46] Stabilitas termal terhadap Li dari keempat SSE tersebut adalah LAGP < LATP < LLTO < LLZO. Konduktor superionik klorida telah diusulkan sebagai elektrolit padat yang menjanjikan lainnya. Mereka merupakan konduktor ionik dan juga sulfida yang dapat dideformasi, tetapi pada saat yang sama tidak terganggu oleh stabilitas oksidasi buruk dari sulfida. Selain itu, biayanya dianggap lebih rendah daripada elektrolit padat oksida dan sulfida. Sistem elektrolit padat klorida saat ini dapat dibagi menjadi dua jenis: Li3MCl6 dan Li2M2/3Cl4. Elemen M termasuk Y, Tb-Lu, Sc, dan In. Katodanya berbasis litium. Variannya termasuk LiCoO2, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, LiMn2O4, dan LiNi0.8Co0.15Al0.05O2. Anodanya bervariasi lebih banyak dan dipengaruhi oleh jenis elektrolit. Contohnya termasuk In, Si, GexSi1−x, SnO–B2O3, SnS–P2S5, Li2FeS2, FeS, NiP2, dan Li2SiS3.
Salah satu material katoda yang menjanjikan adalah Li-S, yang (sebagai bagian dari sel anoda litium padat/Li2S) memiliki kapasitas spesifik teoritis sebesar 1670 mAh g−1, "sepuluh kali lebih besar dari nilai efektif LiCoO2". Sulfur tidak cocok digunakan sebagai katoda dalam aplikasi elektrolit cair karena mudah larut dalam sebagian besar elektrolit cair, yang mengurangi masa pakai baterai secara dramatis. Sulfur dipelajari dalam aplikasi padat. Baru-baru ini, dikembangkan tekstil keramik yang menunjukkan potensi dalam baterai padat Li-S. Tekstil ini memfasilitasi transmisi ion sambil menangani muatan belerang, meskipun tidak mencapai densitas energi yang diharapkan. Hasilnya "dengan dukungan elektrolit berketebalan 500 μm dan penggunaan area elektrolit sebesar 63%" adalah "71 Wh/kg," sementara densitas energi yang diharapkan adalah 500 Wh/kg.
Li-O2 juga memiliki kapasitas teoritis yang tinggi. Isu utama dengan perangkat ini adalah bahwa anoda harus diberi segel dari atmosfer sekitar, sementara katoda harus berada dalam kontak dengannya.
Baterai Li/LiFePO4 menunjukkan potensi sebagai aplikasi padat untuk kendaraan listrik. Sebuah studi pada tahun 2010 mempersembahkan material ini sebagai alternatif aman untuk baterai isi ulang pada kendaraan listrik yang "melebihi target USABC-DOE".
Sebuah sel dengan anoda silikon murni μSi||elektrolit padat||katoda NCM811 dirangkai oleh Darren H.S Tan et al. menggunakan anoda μSi (kemurnian 99,9% berat), elektrolit padat (SSE), dan katoda oksida nikel kobalt mangan litium (NCM811). Jenis baterai padat ini menunjukkan kepadatan arus yang tinggi hingga 5 mA cm−2, rentang suhu kerja yang luas (-20 °C dan 80 °C), dan kapasitas areal (untuk anoda) hingga 11 mAh cm−2 (2890 mAh/g). Pada saat yang sama, setelah 500 siklus dengan arus 5 mA cm−2, baterai masih memberikan retensi kapasitas sebesar 80%, yang merupakan kinerja terbaik dari baterai padat μSi yang dilaporkan sejauh ini.
Elektrolit padat klorida juga menunjukkan potensi dibandingkan dengan elektrolit padat oksida konvensional karena elektrolit padat klorida memiliki konduktivitas ionik teoritis yang lebih tinggi dan formabilitas yang lebih baik. Selain itu, stabilitas oksidasi yang sangat tinggi dan kelenturan yang tinggi dari elektrolit padat klorida tersebut meningkatkan kinerjanya. Secara khusus, keluarga elektrolit padat klorida campuran logam-litium, Li2InxSc0.666-xCl4 yang dikembangkan oleh Zhou et al., menunjukkan konduktivitas ionik yang tinggi (2,0 mS cm−1) dalam rentang komposisi yang luas. Hal ini disebabkan oleh elektrolit padat klorida tersebut dapat digunakan bersamaan dengan material aktif katoda yang tidak dilapisi daripada material aktif katoda yang dilapisi dan konduktivitas elektronik yang rendah. Komposisi elektrolit padat klorida yang lebih murah dan memiliki konduktivitas ionik yang lebih rendah, tetapi tetap mengesankan, dapat ditemukan pada elektrolit padat Li2ZrCl6. Elektrolit padat klorida khusus ini menjaga konduktivitas ionik pada suhu kamar yang tinggi (0,81 mS cm−1), kemampuan deformasi, dan toleransi kelembaban yang tinggi.[
Cara Kerja Baterai Solid State
Baterai Solid State bekerja berdasarkan prinsip elektrokimia, di mana energi listrik dihasilkan melalui reaksi kimia antara material elektroda dan elektrolit padat. Berikut adalah penjelasan tentang cara kerja baterai Solid State secara umum:
1. Struktur Sel Baterai:
Baterai Solid State terdiri dari tiga komponen utama: anoda, katoda, dan elektrolit padat. Anoda adalah elektroda negatif di mana reaksi pengosongan litium terjadi saat baterai digunakan, sementara katoda adalah elektroda positif di mana reaksi pengisian litium terjadi saat baterai diisi ulang. Elektrolit padat yang berada di antara anoda dan katoda berfungsi sebagai penghantar ion litium antara kedua elektroda.
2. Pengisian (Charging):
Selama proses pengisian, arus listrik dialirkan ke baterai melalui sumber daya eksternal seperti charger. Arus ini mengalir dari anoda ke katoda melalui elektrolit padat. Pada saat yang sama, ion litium (Li+) dari katoda bermigrasi melalui elektrolit padat menuju anoda, dan litium di anoda disimpan sebagai litium logam.
3. Pengosongan (Discharging):
Ketika baterai digunakan untuk memberikan daya, litium logam pada anoda bereaksi dengan elektrolit padat, melepaskan elektron. Elektron ini mengalir melalui sirkuit eksternal, menghasilkan aliran listrik yang digunakan untuk daya. Pada saat yang sama, ion litium bermigrasi dari katoda melalui elektrolit padat ke anoda, mengimbangi reaksi pada anoda.
4. Perpindahan Ion:
Dalam baterai Solid State, perpindahan ion litium terjadi melalui elektrolit padat yang menjadi penghantar ion. Elektrolit padat memiliki konduktivitas ionik yang tinggi, memungkinkan ion litium bergerak dengan cepat antara anoda dan katoda. Proses perpindahan ion ini memungkinkan aliran arus listrik dalam sel baterai.
Selama siklus pengisian dan pengosongan, reaksi kimia pada anoda dan katoda memungkinkan baterai Solid State menghasilkan energi listrik yang dapat digunakan untuk berbagai aplikasi.
Perkembangan Terkini dan Prospek Masa Depan
Penelitian mengenai baterai Solid State dimulai sejak beberapa dekade yang lalu. Berikut adalah ringkasan dari sejarah penelitian baterai Solid State:
1960-an: Pada tahun 1960-an, peneliti mulai menjelajahi konsep baterai Solid State dan melakukan percobaan awal menggunakan elektrolit padat. Salah satu contoh paling awal adalah penggunaan elektrolit padat berbasis keramik untuk baterai litium.
1970-an: Pada tahun 1970-an, para peneliti terus mempelajari material elektrolit padat dan mencoba mengatasi tantangan teknis yang ada, seperti konduktivitas ionik yang rendah. Pada periode ini, elektrolit padat berbasis sulfida menjadi fokus penelitian.
1980-an: Pada tahun 1980-an, penelitian tentang baterai Solid State semakin berkembang. Beberapa penelitian lebih fokus pada material elektrolit padat yang baru dan menunjukkan peningkatan konduktivitas ionik yang lebih baik, seperti elektrolit padat berbasis polimer.
1990-an: Pada tahun 1990-an, penelitian baterai Solid State terus berlanjut dengan fokus pada perbaikan konduktivitas ionik, stabilitas material, dan perbaikan desain sel baterai. Banyak penelitian dilakukan untuk menemukan bahan elektrolit padat yang lebih efisien dan aman.
2000-an: Pada tahun 2000-an, perkembangan baterai Solid State semakin pesat. Penelitian mengenai material elektrolit padat yang baru dan desain sel baterai yang inovatif terus dilakukan. Banyak laboratorium dan perusahaan mulai berinvestasi dalam pengembangan teknologi baterai Solid State.
Hingga saat ini, penelitian tentang baterai Solid State terus berlanjut dengan fokus pada peningkatan konduktivitas ionik, pengurangan resistansi antarmuka elektrode-elektrolit, pengurangan biaya produksi, dan peningkatan keamanan serta performa baterai. Beberapa prototipe baterai Solid State telah berhasil dibuat, tetapi masih ada tantangan teknis yang perlu diatasi sebelum teknologi ini dapat dikomersialkan secara luas.
Potensi Aplikasi
Bukan hanya dapat digunakan pada mobil listrik,
Baterai Solid State memiliki potensi untuk diaplikasikan dalam berbagai bidang dan industri. Beberapa contoh aplikasi potensial baterai Solid State meliputi:
1. Baterai Solid State dapat digunakan dalam kendaraan listrik untuk memberikan daya yang lebih tinggi, waktu pengisian yang lebih cepat, dan jangkauan yang lebih jauh. Dengan keamanan yang lebih tinggi, baterai Solid State juga dapat meningkatkan keselamatan kendaraan.
2. Perangkat elektronik seperti smartphone, tablet, laptop, dan wearable devices di masa depan dapat menggunakan baterai jenis solid state. Keuntungan seperti kapasitas energi yang lebih tinggi dan waktu pengisian yang lebih cepat dapat meningkatkan pengalaman pengguna.
3. Kapasitas energi yang lebih tinggi pada baterai Solid State dapat dimanfaatkan pada sistem energi terbarukan seperti panel surya dan turbin angin
4. Baterai Solid State dapat digunakan dalam perangkat medis seperti alat pacu jantung, alat bantu dengar, dan perangkat implantasi lainnya. Keamanan yang lebih tinggi dan umur pakai yang lebih panjang dapat meningkatkan kinerja dan keandalan perangkat medis.
5. Selain kendaraan listrik, baterai Solid State juga dapat diterapkan dalam elektronik otomotif lainnya, termasuk sistem manajemen kendaraan, sensor, dan komponen elektronik lainnya.
Kesimpulan:
Baterai Solid State menawarkan potensi yang luar biasa dalam memajukan teknologi penyimpanan energi. Keuntungan yang ditawarkannya, seperti keamanan yang lebih tinggi, kapasitas energi yang lebih besar, dan umur pakai yang lebih panjang, telah menarik perhatian para peneliti, perusahaan, dan pemerintah di seluruh dunia. Meskipun masih ada tantangan teknis yang perlu diatasi, perkembangan terbaru dan penelitian yang intensif memberikan harapan bahwa baterai Solid State akan segera menjadi kenyataan dalam kehidupan kita. Dalam revolusi energi yang sedang berlangsung, baterai Solid State berpotensi untuk mengubah cara kita menyimpan dan menggunakan energi, membawa dampak yang positif bagi berbagai sektor industri dan masyarakat secara keseluruhan.
Referensi:
1. Reisch, Marc S. (20 November 2017). "Solid-state batteries inch their way to market". C&EN Global Enterprise. 95 (46): 19–21. doi:10.1021/cen-09546-bus.
2. Vandervell, Andy (26 September 2017). "What is a solid-state battery? The benefits explained". Wired UK. Retrieved 6 July 2023.
3. Ping, Weiwei; Yang, Chunpeng; Bao, Yinhua; Wang, Chengwei; Xie, Hua; Hitz, Emily; Cheng, Jian; Li, Teng; Hu, Liangbing (September 2019). "A silicon anode for garnet-based all-solid-state batteries: Interfaces and nanomechanics". Energy Storage Materials. 21: 246–252. doi:10.1016/j.ensm.2019.06.024. S2CID 198825492.
4. Weppner, Werner (September 2003). "Engineering of solid state ionic devices". International Journal of Ionics. 9 (5–6): 444–464. doi:10.1007/BF02376599. S2CID 108702066. Solid state ionic devices such as high performance batteries.
5. Funke K (August 2013). "Solid State Ionics: from Michael Faraday to green energy-the European dimension". Science and Technology of Advanced Materials. 14 (4): 043502. Bibcode:2013STAdM..14d3502F. doi:10.1088/1468-6996/14/4/043502. PMC 5090311. PMID 27877585.
6. Lee, Sehee (2012). "Solid State Cell Chemistries and Designs" (PDF). ARPA-E. Retrieved 6 July 2023.
7. Owens, Boone B.; Munshi, M. Z. A. (January 1987). "History of Solid State Batteries" (PDF). Defense Technical Information Center. Corrosion Research Center, University of Minnesota. Bibcode:1987umn..rept.....O. Archived (PDF) from the original on February 24, 2020. Retrieved 6 July 2023
8. Whittingham, M. Stanley (2021-02-01). "Solid-state ionics: The key to the discovery and domination of lithium batteries: some learnings from β-alumina and titanium disulfide". MRS Bulletin. 46 (2): 168–173. Bibcode:2021MRSBu..46..168W. doi:10.1557/s43577-021-00034-2. ISSN 1938-1425. OSTI 1848581. S2CID 233939199.
9. Yung-Fang Yu Yao; Kummer, J. T. (1967-09-01). "Ion exchange properties of and rates of ionic diffusion in beta-alumina". Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry. 29 (9): 2453–2475. doi:10.1016/0022-1902(67)80301-4. ISSN 0022-1902.
10. Whittingham, M. S. "Beta alumina—Prelude to a revolution in solid state electrochemistry". NBS Special Publications. 13 (364): 139–154.
"New battery packs powerful punch - USATODAY.com". usatoday30.usatoday.com. Retrieved 6 July 2023
11. Jones, Kevin S.; Rudawski, Nicholas G.; Oladeji, Isaiah; Pitts, Roland; Fox, Richard. "The state of solid-state batteries" (PDF). American Ceramic Society Bulletin. 91 (2).
12. LaCoste, Jed D.; Zakutayev, Andriy; Fei, Ling (2021-02-25). "A Review on Lithium Phosphorus Oxynitride". The Journal of Physical Chemistry C. 125 (7): 3651–3667. doi:10.1021/acs.jpcc.0c10001. ISSN 1932-7447. OSTI 1772959. S2CID 234022942.
13. Liang, XiaoPing; Tan, FeiHu; Wei, Feng; Du, Jun (2019-02-23). "Research progress of all solid-state thin film lithium Battery". IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 218 (1): 012138. Bibcode:2019E&ES..218a2138L. doi:10.1088/1755-1315/218/1/012138. ISSN 1755-1315. S2CID 139860728.
14. Kamaya, Noriaki; Homma, Kenji; Yamakawa, Yuichiro; Hirayama, Masaaki; Kanno, Ryoji; Yonemura, Masao; Kamiyama, Takashi; Kato, Yuki; Hama, Shigenori; Kawamoto, Koji; Mitsui, Akio (July 2011). "A lithium superionic conductor". Nature Materials. 10 (9): 682–686. Bibcode:2011NatMa..10..682K. doi:10.1038/nmat3066. ISSN 1476-4660. PMID 21804556.
15. Greimel, Hans (27 January 2014). "Toyota preps solid-state batteries for '20s". Automotive News. Retrieved 6 July 2023.
0 komentar:
Post a Comment