Baterai solid-state: Kapan "Pengganti" Menjadi "Andalan"?

Baterai solid-statemuncul sebagai sumber listrik generasi berikutnya, namun baterai padat-cair hibrida kemungkinan besar akan dikomersialkan terlebih dahulu dan bertindak sebagai jembatan penting antara sel litium-ion cair saat ini dan sistem solid-state di masa depan.

Apa itu baterai solid-state

Baterai solid-state menggantikan elektrolit cair yang mudah terbakar dengan bahan padat sekaligus memungkinkan kepadatan energi yang lebih tinggi dan kinerja keselamatan yang lebih baik. Katodanya dapat menggunakan bahan berenergi tinggi seperti senyawa berbasis mangan yang kaya litium, sedangkan anodanya dapat menggabungkan nano-silikon dan grafit untuk mendorong kepadatan energi menuju 300–450 Wh/kg.

Elektrolit padat membawa ion litium tanpa risiko kebocoran dan secara signifikan mengurangi kemungkinan hilangnya panas.

Anoda berkapasitas lebih tinggi dan katoda tegangan tinggi memberi baterai solid-state potensi jangkauan berkendara yang lebih jauh pada kendaraan listrik dan meningkatkan daya tahan drone atau sistem penyimpanan energi.

Hibrid padat-cair sebagai transisi

Artikel ini membedakan baterai litium cair, hibrida padat-cair, dan baterai litium solid-state, dengan menekankan bahwa desain hibrida merupakan tahap transisi yang penting. Baterai semi-padat, kuasi-padat, dan “padat” yang ada di pasaran sebagian besar termasuk dalam kategori hibrida ini, hanya berbeda dalam rasio elektrolit cair dan padat.

Baterai hibrida padat-cair masih mengandung sejumlah elektrolit cair, sehingga meningkatkan kontak dengan bahan aktif dan memudahkan pembuatan.

Semua baterai solid-state hanya mengandung elektrolit padat, sehingga menawarkan keamanan intrinsik yang lebih baik dan kepadatan energi teoretis yang lebih tinggi, namun saat ini menghadapi tantangan teknis yang lebih berat.

Hambatan teknis menuju solid-state penuh

Meskipun banyak perusahaan dan lembaga penelitian di seluruh dunia berinvestasi dalam teknologi solid-state, belum ada sel listrik solid-state berkapasitas besar yang mampu menandingi baterai lithium-ion cair dalam hal kinerja dan biaya. Kesulitan inti terletak pada antarmuka padat-padat, di mana bahan elektrolit yang kaku menyulitkan untuk mempertahankan kontak dekat dengan elektroda selama siklus dan perubahan volume.

Rute saat ini mencakup baterai solid-state polimer, film tipis, sulfida, dan oksida, masing-masing dengan kelebihan dan keterbatasan berbeda.

Misalnya, sel solid-state polimer mengalami kesulitan pada suhu kamar dan dengan katoda tegangan tinggi, sedangkan sistem sulfida sensitif terhadap udara dan memerlukan kondisi produksi yang berat.

Strategi solidifikasi in-situ

Untuk mengatasi masalah antarmuka sambil memanfaatkan infrastruktur litium-ion yang ada, para peneliti mengusulkan pendekatan solidifikasi in-situ untuk elektrolit padat-cair hibrid. Selama perakitan sel, prekursor cair memastikan pembasahan dan kontak yang baik; kemudian, reaksi kimia atau elektrokimia mengubah seluruh atau sebagian cairan ini menjadi elektrolit padat di dalam sel.

Metode ini meningkatkan kontak elektroda-elektrolit, menekan pertumbuhan litium dendrit, dan menyeimbangkan keselamatan, tegangan tinggi, dan kinerja pengisian cepat.

Teknologi ini juga dapat menggunakan kembali sebagian besar proses produksi litium-ion cair yang ada saat ini, sehingga membantu produsen meningkatkan skala produksinya dengan lebih cepat dan mengurangi biaya.

Arah pengembangan masa depan

Para ahli memperkirakan bahwa semua baterai litium solid-state akan memerlukan sekitar lima tahun lagi sebelum dapat dikomersialkan dalam skala besar, sehingga baterai bertenaga padat-cair hibrida tetap menjadi jalur jangka pendek yang realistis. Untuk mempercepat industrialisasi, artikel ini menyoroti perlunya kemajuan yang terkoordinasi dalam material, desain sel, manufaktur, dan standar.

Prioritasnya meliputi: pengembangan elektrolit padat dengan konduktivitas ionik yang seimbang, stabilitas, dan kemampuan proses; mencocokkan elektroda berenergi tinggi seperti katoda nikel tinggi dan anoda silikon-karbon atau logam litium; dan mengintegrasikan simulasi digital dengan manufaktur cerdas.

Industri didorong untuk membangun rantai pasokan yang kuat untuk bahan-bahan utama, berinvestasi pada peralatan otomatis, menyempurnakan sistem pengujian dan evaluasi, dan secara bertahap berevolusi dari produk padat-cair hibrida. baterai litium-ionmenuju baterai logam litium solid-state sepenuhnya.