Banyak dari kita akan kesulitan menghabiskan hari tanpa menggunakan baterai lithium-ion, teknologi yang menggerakkan elektronik portabel kita. Dan dengan kendaraan listrik (EV) dan penyimpanan energi untuk jaringan listrik di sekitar, masa depan mereka tampak cukup cerah.
Begitu cemerlang sehingga ikonik pemula Tesla Motors yang berbasis di California menyatakan bahwa baterai Powerwall perumahan mereka yang baru diumumkan terjual habis hingga pertengahan 2016 dan bahwa permintaan pasar yang kuat dapat memenuhi kapasitas baterai “gigafactory” mereka yang akan datang sebesar 35 gigawatt-jam pertahun. Kebutuhan energi listrik harian 1,2 juta rumah tangga AS.
Ketika dirilis oleh Sony pada awal 1990-an, banyak yang menganggap baterai lithium-ion sebagai terobosan dalam baterai yang dapat diisi ulang: dengan voltase pengoperasian yang tinggi dan kepadatan energinya yang besar, baterai tersebut mengungguli baterai nikel metal hidrida mutakhir ( NiMH). Adopsi teknologi lithium-ion memicu revolusi elektronik portabel: tanpa lithium-ion, baterai di smartphone Samsung Galaxy terbaru akan memiliki berat hampir empat ons, bukan 1,5 ons, dan menempati volume dua kali lipat, untuk selengkapnya di 1Suara.
Namun, dalam beberapa tahun terakhir baterai lithium-ion mengalami tekanan yang buruk. Mereka menawarkan masa pakai baterai yang mengecewakan untuk perangkat portabel modern dan jarak mengemudi mobil listrik yang terbatas, dibandingkan dengan kendaraan bertenaga bensin. Baterai lithium-ion juga memiliki masalah keamanan, terutama bahaya kebakaran.
Situasi ini menimbulkan pertanyaan yang masuk akal: Apa yang akan terjadi selanjutnya? Akankah ada terobosan yang akan menyelesaikan masalah ini?
Bahan kimia litium yang lebih baik
Sebelum kita mencoba menjawab pertanyaan ini, mari kita bahas secara singkat mekanisme bagian dalam baterai. Sel baterai terdiri dari dua elektroda berbeda yang dipisahkan oleh lapisan isolasi, yang disebut pemisah, yang direndam dalam elektrolit. Kedua elektroda harus memiliki potensial yang berbeda, atau gaya gerak listrik yang berbeda, dan perbedaan potensial yang dihasilkan menentukan tegangan sel. Elektroda dengan potensial terbesar disebut elektroda positif, dengan potensial terendah sebagai elektroda negatif.
Selama pelepasan, elektron mengalir melalui kabel eksternal dari elektroda negatif ke elektroda positif, sementara atom bermuatan, atau ion, mengalir secara internal untuk menjaga muatan listrik netral. Dengan baterai yang dapat diisi ulang, prosesnya dibalik selama pengisian.
Kepadatan energi baterai lithium-ion, atau jumlah energi yang disimpan per berat, terus meningkat sekitar 5% setiap tahun, dari 90 watt-jam / kilogram (Wh / kg) menjadi 240 Wh / kg selama 20 tahun, dan ini tren diperkirakan akan terus berlanjut. Ini karena perbaikan tambahan dalam elektroda dan komposisi dan arsitektur elektrolit, serta peningkatan tegangan muatan maksimum, dari 4,2 volt secara konvensional menjadi 4,4 volt pada perangkat portabel terbaru.
Mempercepat peningkatan kepadatan energi akan membutuhkan terobosan pada bahan elektroda dan bagian depan elektrolit. Lompatan terbesar yang ditunggu adalah memasukkan unsur belerang atau udara sebagai elektroda positif dan menggunakan litium logam sebagai elektroda negatif.
Di laboratorium
Baterai lithium-sulfur berpotensi membawa peningkatan dua kali lipat dari kepadatan energi baterai lithium-ion saat ini menjadi sekitar 400 Wh / kg. Baterai lithium-air dapat membawa peningkatan sepuluh kali lipat menjadi sekitar 3.000 Wh / kg, terutama karena menggunakan udara sebagai reaktan lepas yaitu, oksigen di udara daripada elemen pada elektroda baterai akan sangat mengurangi berat.
Kedua sistem dipelajari secara intensif oleh komunitas riset, tetapi ketersediaan komersial sulit dipahami karena laboratorium berjuang untuk mengembangkan prototipe yang layak. Selama pelepasan elektroda belerang, belerang dapat larut dalam elektrolit, melepaskannya dari sirkuit elektronik. Hal ini mengurangi jumlah litium yang dapat dikeluarkan dari belerang selama pengisian dan merusak sistem yang dapat dibalik secara keseluruhan.
Untuk membuat teknologi ini dapat bertahan, tonggak penting harus dicapai: meningkatkan arsitektur elektroda positif untuk mempertahankan bahan aktif dengan lebih baik atau mengembangkan elektrolit baru di mana bahan aktif tidak dapat larut.
Baterai lithium-air juga mengalami kesulitan untuk diisi ulang berulang kali sebagai akibat dari masalah yang disebabkan oleh reaksi antara elektrolit dan udara. Selain itu, dengan kedua teknologi tersebut, perlindungan elektroda litium merupakan masalah yang perlu dipecahkan.
Juruselamat di natrium?
Untuk semua baterai yang disebutkan di atas, litium merupakan komponen penting dari baterai. Lithium adalah unsur yang cukup melimpah di seluruh dunia tetapi sayangnya hanya pada tingkat jejak, yang mencegah ekstraksi komersialnya di seluruh dunia. Meskipun ditemukan dalam kondisi yang dapat dipanen di beberapa bijih yang dapat ditambang, sebagian besar produksi litium berasal dari air asin danau garam dataran tinggi, sebagian besar di Andes di Amerika Selatan.
Meskipun ekstraksi yang relatif sulit ini, lithium karbonat dapat ditemukan dengan harga sekitar US $ 6 per kilogram, dan karena paket baterai kendaraan listrik hanya membutuhkan sekitar tiga kilogram lithium karbonat, biayanya hingga saat ini tidak menjadi perhatian utama.
Perhatian di sini lebih pada geopolitik: setiap negara mencari kemandirian energi, dan mengganti minyak dengan baterai lithium sebagai bahan bakar transportasi hanya menggeser ketergantungan dari Timur Tengah ke Amerika Selatan.
Salah satu solusi yang mungkin adalah mengganti litium dengan unsur natrium, yang jumlahnya 2.000 kali lebih banyak.
Secara elektrokimia, natrium hampir sebanding dengan litium, yang menjadikannya kandidat yang sangat baik untuk baterai. Penelitian baterai natrium-ion telah meledak dalam beberapa tahun terakhir, dan kinerjanya, setelah dikomersialkan, dapat setara dengan rekan lithium-ion mereka.
Meskipun baterai natrium-ion mungkin tidak memberikan keuntungan biaya atau kinerja yang signifikan dibandingkan teknologi litium-ion, ia dapat menawarkan jalan bagi setiap negara untuk memproduksi baterai mereka sendiri dengan sumber daya yang tersedia.
Tidak ada obat untuk semuanya
Apa pun yang terjadi, semua teknologi yang muncul ini cenderung mengalami masalah keamanan yang sama seperti sel lithium-ion saat ini. Ancaman tersebut berasal dari elektrolit berbasis pelarut yang mudah terbakar yang memungkinkan untuk beroperasi pada tegangan di atas dua volt.
Memang, karena air terpecah menjadi oksigen dan hidrogen di atas dua volt, air tidak dapat digunakan dalam baterai lithium atau natrium kelas tiga volt dan telah diganti dengan pelarut karbonat yang mudah terbakar yang mahal. Alternatif seperti elektrolit bebas pelarut tidak memberikan konduktivitas yang cukup baik untuk ion pada suhu kamar untuk menangani aplikasi berdaya tinggi, seperti menyalakan mobil, dan oleh karena itu tidak digunakan dalam sel komersial.
Untungnya, dengan teknologi lithium-ion saat ini, diperkirakan hanya satu dari 40 juta sel yang mengalami kegagalan kebakaran yang dramatis. Meskipun risikonya tidak dapat sepenuhnya ditekan, kontrol teknik dan desain konservatif dapat menjaganya tetap terkendali.
Singkatnya, baterai lithium-ion saat ini menawarkan performa yang cukup baik. Kimia baru seperti litium-sulfur atau litium-udara berpotensi merevolusi aplikasi penyimpanan energi portabel, tetapi masih dalam tahap penelitian laboratorium tanpa jaminan menjadi produk yang layak.
Untuk aplikasi penyimpanan energi stasioner seperti menyimpan energi angin dan matahari, jenis baterai lain, termasuk baterai natrium-sulfur suhu tinggi atau baterai aliran redoks, mungkin terbukti lebih berkelanjutan dan hemat biaya daripada baterai lithium-ion, tetapi itu bisa menjadi cerita untuk artikel lain.
