Kebutuhan mendesak untuk mengurangi emisi karbon mendorong gerakan cepat menuju elektrifikasi transportasi dan memperluas penggunaan tenaga surya dan angin di jaringan listrik. Jika tren ini meningkat seperti yang diharapkan, kebutuhan akan metode penyimpanan energi listrik yang lebih baik akan semakin meningkat.
Kita memerlukan semua strategi yang bisa kita lakukan untuk mengatasi ancaman perubahan iklim, kata Dr Elsa Olivetti, profesor ilmu dan teknik material di Esther dan Harold E. Edgerton. Jelasnya, pengembangan teknologi penyimpanan massal berbasis jaringan sangatlah penting. Namun untuk aplikasi seluler – khususnya transportasi – banyak penelitian yang difokuskan untuk mengadaptasi teknologi saat inibaterai litium-ionmenjadi lebih aman, lebih kecil dan mampu menyimpan lebih banyak energi untuk ukuran dan beratnya.
Baterai lithium-ion konvensional terus berkembang, namun keterbatasannya tetap ada, sebagian karena strukturnya.Baterai litium-ion terdiri dari dua elektroda, satu positif dan satu negatif, diapit dalam cairan organik (mengandung karbon). Saat baterai diisi dan dikosongkan, partikel (atau ion) litium bermuatan dilewatkan dari satu elektroda ke elektroda lainnya melalui cairan elektrolit.
Salah satu masalah dengan desain ini adalah pada tegangan dan suhu tertentu, cairan elektrolit dapat mudah menguap dan terbakar. Baterai pada umumnya aman dalam penggunaan normal, namun risikonya tetap ada, kata Dr Kevin Huang Ph.D.'15, seorang ilmuwan riset di kelompok Olivetti.
Masalah lainnya adalah baterai lithium-ion tidak cocok digunakan di mobil. Baterai yang besar dan berat memakan ruang, menambah bobot keseluruhan kendaraan, dan mengurangi efisiensi bahan bakar. Namun terbukti sulit untuk membuat baterai lithium-ion saat ini lebih kecil dan ringan sambil mempertahankan kepadatan energinya – jumlah energi yang tersimpan per gram beratnya.
Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti mengubah fitur utama baterai lithium-ion untuk membuat versi yang serba solid atau solid-state. Mereka mengganti elektrolit cair di tengah dengan elektrolit padat tipis yang stabil pada berbagai voltase dan suhu. Dengan elektrolit padat ini, mereka menggunakan elektroda positif berkapasitas tinggi dan elektroda negatif logam litium berkapasitas tinggi yang ketebalannya jauh lebih tipis dibandingkan lapisan karbon berpori biasa. Perubahan ini memungkinkan keseluruhan sel menjadi jauh lebih kecil dengan tetap mempertahankan kapasitas penyimpanan energinya, sehingga menghasilkan kepadatan energi yang lebih tinggi.
Fitur-fitur ini - peningkatan keamanan dan kepadatan energi yang lebih besar- mungkin merupakan dua manfaat yang paling sering digembar-gemborkan dari potensi baterai solid-state, namun semua hal ini bersifat masa depan dan diharapkan, dan belum tentu dapat dicapai. Namun demikian, kemungkinan ini membuat banyak peneliti berjuang untuk menemukan bahan dan desain yang dapat memenuhi janji ini.
Berpikir di luar laboratorium
Para peneliti telah menemukan sejumlah skenario menarik yang tampak menjanjikan di laboratorium. Namun Olivetti dan Huang percaya bahwa mengingat mendesaknya tantangan perubahan iklim, pertimbangan praktis tambahan mungkin penting. Kami para peneliti selalu memiliki metrik di laboratorium untuk mengevaluasi kemungkinan bahan dan proses, kata Olivetti. Contohnya mungkin termasuk kapasitas penyimpanan energi dan tingkat pengisian/pengosongan. Namun jika tujuannya adalah implementasi, kami menyarankan untuk menambahkan metrik yang secara khusus mengatasi potensi penskalaan yang cepat.
Bahan dan ketersediaan
Dalam dunia elektrolit anorganik padat, ada dua jenis bahan utama – oksida yang mengandung oksigen dan sulfida yang mengandung belerang. Tantalum diproduksi sebagai produk sampingan dari penambangan timah dan niobium. Data sejarah menunjukkan bahwa produksi tantalum mendekati potensi maksimum dibandingkan produksi germanium pada penambangan timah dan niobium. Oleh karena itu, ketersediaan tantalum menjadi perhatian yang lebih besar terhadap kemungkinan peningkatan sel berbasis LLZO.
Namun, mengetahui ketersediaan suatu unsur di dalam tanah tidak menyelesaikan langkah-langkah yang diperlukan untuk sampai ke tangan produsen. Oleh karena itu, para peneliti menyelidiki pertanyaan lanjutan tentang rantai pasokan elemen-elemen kunci – penambangan, pemrosesan, pemurnian, pengangkutan, dll. Dengan asumsi terdapat pasokan yang melimpah, dapatkah rantai pasokan untuk mengirimkan bahan-bahan ini diperluas dengan cukup cepat untuk memenuhi pertumbuhan? permintaan baterai?
Dalam analisis sampel, mereka melihat seberapa besar pertumbuhan rantai pasokan germanium dan tantalum dari tahun ke tahun untuk menyediakan baterai bagi armada kendaraan listrik yang diproyeksikan pada tahun 2030. Sebagai contoh, armada kendaraan listrik, yang sering dijadikan target pada tahun 2030, perlu memproduksi baterai yang cukup untuk menyediakan total energi sebesar 100 gigawatt-jam. Untuk mencapai tujuan ini, dengan hanya menggunakan baterai LGPS, rantai pasokan germanium perlu tumbuh sebesar 50% dari tahun ke tahun, karena tingkat pertumbuhan maksimum di masa lalu adalah sekitar 7%. Dengan hanya menggunakan sel LLZO, rantai pasokan tantalum perlu tumbuh sekitar 30% – tingkat pertumbuhan jauh di atas pertumbuhan maksimum historis sekitar 10%.
Contoh-contoh ini menunjukkan pentingnya mempertimbangkan ketersediaan bahan dan rantai pasokan ketika menilai potensi peningkatan berbagai elektrolit padat, kata Huang: Bahkan jika kuantitas suatu bahan tidak menjadi masalah, seperti dalam kasus germanium, tingkatkan semuanya langkah-langkah dalam rantai pasokan untuk mengimbangi produksi kendaraan listrik di masa depan mungkin memerlukan tingkat pertumbuhan yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Bahan dan pengolahan
Faktor lain yang perlu dipertimbangkan ketika menilai potensi skalabilitas desain baterai adalah kesulitan proses manufaktur dan dampaknya terhadap biaya. Pasti ada banyak langkah yang terlibat dalam pembuatan baterai solid-state, dan kegagalan pada langkah apa pun akan meningkatkan biaya setiap sel yang berhasil diproduksi.
Sebagai gambaran kesulitan produksi, Olivetti, Ceder, dan Huang mengeksplorasi dampak tingkat kegagalan terhadap total biaya desain baterai solid-state yang dipilih dalam database mereka. Dalam satu contoh, mereka fokus pada oksida LLZO. LLZO sangat rapuh dan lembaran besar yang cukup tipis untuk digunakan pada baterai solid state berperforma tinggi cenderung retak atau melengkung pada suhu tinggi yang terlibat dalam proses pembuatan.
Untuk menentukan implikasi biaya dari kegagalan tersebut, mereka menyimulasikan empat langkah pemrosesan utama yang terlibat dalam perakitan sel LLZO. Pada setiap langkah, mereka menghitung biaya berdasarkan asumsi hasil, yaitu proporsi total sel yang berhasil diproses tanpa kegagalan. Untuk LLZO, hasilnya jauh lebih rendah dibandingkan desain lain yang mereka pelajari; terlebih lagi, seiring dengan penurunan hasil, biaya per kilowatt-jam (kWh) energi sel meningkat secara signifikan. Misalnya, ketika 5% lebih banyak sel ditambahkan ke tahap pemanasan katoda akhir, biayanya meningkat sekitar $30/kWh - perubahan yang dapat diabaikan mengingat target biaya yang diterima secara umum untuk sel tersebut adalah $100/kWh. Jelasnya, kesulitan manufaktur dapat berdampak besar pada kelayakan penerapan desain dalam skala besar.
Waktu posting: 09-Sep-2022