Baterai Solid State, Cara Kerja dan Susunan Kimia Baterai Solid State. Kepadatan energi yang tinggi, masa pakai siklus yang panjang, daya tahan, dan keamanan adalah salah satu perhatian utama produsen baterai saat ini.
Sementara baterai elektrolit cair lithium-ion konvensional telah menikmati dominasi pasar di seluruh industri mulai dari elektronik portabel hingga mobil listrik, masalah dengan keamanan, agen penyegel yang mahal, dan mode kegagalan katastropik yang disebabkan oleh elektrolit cair telah menunjukkan bahwa teknologinya memiliki banyak ruang untuk perbaikan.
Mengganti elektrolit cair dengan padatan bisa menjadi solusi yang dicari industri baterai – inilah semua yang perlu Anda ketahui tentang baterai solid state.
Baterai solid state adalah baterai yang tidak menggunakan elektrolit cair konvensional, artinya baterai seluruhnya terdiri dari komponen padat. Seperti baterai konvensional, baterai terdiri dari katoda, anoda, dan elektrolit. Perbedaan utama terletak pada mekanisme yang melaluinya ion bergerak dari satu elektroda ke elektroda lain melalui membran elektrolit padat.
Terlepas dari sifat kimianya, baterai solid menggunakan reaksi redoks untuk menyimpan dan mengirimkan energi. Oksidasi terjadi di anoda, reduksi terjadi di katoda dan baterai mampu menggunakan fenomena ini untuk menyimpan energi (pengisian) dan melepaskannya (pelepasan) sesuai kebutuhan. Selama pelepasan, ion berjalan melalui matriks padat konduktif ion alih-alih keadaan pelarut jenuh garam ion dari elektrolit cair biasa.
Elektrolit solid state adalah padatan konduktor ion cepat yang memungkinkan ion bergerak bebas di seluruh matriks kristal padatan.
Konduktor ion cepat paling baik dianggap sebagai material yang terletak di antara padatan kristal yang memiliki struktur teratur dengan ion tetap dan elektrolit cair tanpa struktur dengan ion yang mengalir bebas. Elektrolit padat sering kali berbentuk gel, gelas, dan kristal dengan struktur internal baru.
Dalam baterai solid state, elektrolit padat harus memenuhi kombinasi konduktivitas ionik tinggi, resistansi internal rendah, dan resistansi elektronik tinggi. Semakin tinggi konduktivitas ionik, semakin baik kepadatan daya dan semakin rendah resistansi internal baterai.
Semakin baik isolasi elektrolit padat terhadap elektron, semakin rendah laju pelepasan diri dan semakin tinggi retensi muatan. Pilihan elektrolit padat tergantung pada kimiawi baterai, dan ion yang tersedia untuk konduksi. Dalam kasus baterai lithium ion solid state, elektrolit padat seperti LiI / Al2O3 adalah konduktor Li + yang sangat baik.
Cara terbaik untuk memahami mengapa baterai solid state sangat menarik adalah dengan melihat masalah yang disebabkan oleh elektrolit cair dalam baterai lithium ion yang ada di pasaran saat ini. Sebagian besar tumpukan yang ditemukan dalam baterai lithium ion disebabkan oleh sistem pemisah dan tindakan pencegahan keselamatan yang diperlukan untuk menangani mode kegagalan katastropik baterai lithium.
Keuntungan paling jelas dari baterai solid adalah menghindari kebocoran elektrolit. Jika Anda pernah harus berurusan dengan hasil yang berantakan dari beberapa baterai AA lama yang tertinggal di mainan lama, Anda sudah cukup akrab dengan masalahnya.
Agar berfungsi, baterai membutuhkan media tempat ion dapat ditransfer selama pengosongan dan pengisian daya. Jika sel mengering, akibat paparan, baterai pecah tidak akan bisa berfungsi lagi. Dalam aplikasi tingkat yang lebih tinggi, kebocoran elektrolit dapat merusak, menimbulkan bahaya kebakaran, menyediakan jalur untuk hubungan pendek listrik dan masalah lainnya.
Menggunakan elektrolit padat secara inheren menghindari mode kegagalan ini. Baterai solid state dapat membantu produsen dengan menghilangkan kebutuhan akan sealant canggih, elektrolit bertekanan, dan termasuk lampu pengaman anti api.
Dalam baterai, reaksi pelarian termal adalah serangkaian reaksi eksotermik bertingkat yang dipercepat oleh peningkatan suhu yang terjadi ketika sel dengan cepat melepaskan energi yang tersimpan. Konsekuensi dari reaksi ini adalah peningkatan suhu sel internal, peningkatan tekanan, pelepasan gas yang mudah terbakar dalam elektrolit cair dan risiko ledakan.
Elektrolit cair dalam sel ion litium sangat mudah terbakar, dan kebocoran karena pecah dapat menyebabkan konsekuensi yang menghancurkan terutama dalam skenario seperti kecelakaan mobil. Mengganti cairan yang mudah terbakar dengan elektrolit padat dapat mencegah terjadinya pelarian termal.
Siklus hidup atau jumlah total siklus pengisian / pengosongan yang dapat dilakukan baterai adalah metrik utama yang digunakan oleh industri untuk menilai masa operasi baterai. Pembatas utama pada baterai elektrolit cair konvensional adalah kecenderungan terbentuknya endapan logam di dalam baterai selama pengisian.
Endapan tersebut dapat membentuk dendrit yang menembus material separator dan berpotensi menimbulkan korsleting. Pada tingkat fundamental, elektrolit cair juga menyerang elektroda di dalam baterai itu sendiri. Logam perlahan-lahan akan terdisosiasi ke media cair sekitarnya dari waktu ke waktu, dengan pasang surut elektrolit selama siklus.
Semakin banyak siklus pengalaman sel, semakin banyak deposit yang pasti akan terbentuk di dalam sel yang mengarah ke korsleting. Elektrolit padat menghindari masalah ini sepenuhnya sehingga memungkinkan sel untuk bertahan hidup ratusan ribu siklus.
Sementara baterai solid state telah ada sejak lama, baru dalam beberapa tahun terakhir teknologinya mulai membuat beberapa langkah yang cukup besar menuju aplikasi komersial. Kemajuan dalam ilmu material, teknik pemodelan komputer, elektrokimia, dan manufaktur telah membuka kemungkinan baru bagi industri baterai.
Baru-baru ini, raksasa elektronik Inggris Dyson menginvestasikan $ 15 juta USD ke perusahaan baterai solid state Sakti3 yang berbasis di Michigan, mengikuti jajaran General Motors, Khosla Ventures, Itochu dan Khosla Ventures dengan total $ 50 juta per Maret 2015.
Sakti3 tetap bungkam tentang bahan yang persis digunakan dalam teknologi baterai lithium ion solid state mereka, tetapi penggunaan algoritme pemodelan komputer canggih yang besar ditambah dengan fokus mereka pada kemampuan manufaktur dan teknologi proses telah menarik minat mereka dari investor besar di industri. Masa depan cerah untuk baterai solid state.
Nikkei Asia mengabarkan bahwa Toyota akan memperkenalkan mobil listrik konsep baru yang mengandalkan teknologi baterai solid ini tahun 2021, dan akan siap produksi sekitar tahun 2025 atau setelahnya.
Selain Toyota, merek lain yang juga sedang berjibaku memajukan teknologi baterai solid adalah VW. Mereka bekerja sama dengan QuantumScape dan perkembangannya juga cepat sekali, jadi duel soal teknologi baterai solid state sedang berlangsung antara Toyota dan VW.
Tentu saja ada beberapa tantangan, misalnya harga, sebab diyakini mobil listrik atau hybrid yang menggunakan teknologi baterai solid tidak akan murah di awalnya, mengingat teknologi ini masih baru.
Baterai solid beberapa tahun lalu durabilitasnya masih dipertanyakan, tapi jika Toyota berani memperkenalkan teknologi ini dan mereka pasti sadar betul reputasi Toyota soal durabilitas mobilnya sudah sangat baik, harusnya mereka tidak main-main di sini.
Komitmen Toyota terhadap teknologi ini bisa dilihat dari sekitar 1.000 paten lebih yang didaftarkan terkait dengan baterai solid.
Samsung SDI saat ini sedang mengerjakan pengembangan baterai solid-state. Kami juga bersama-sama mengembangkan baterai dengan lembaga lain seperti Samsung Advanced Institute of Technology, Samsung R&D Institute Japan, dan lainnya.
Samsung SDI telah menghadirkan teknologi baterai solid jangka menengah hingga panjang di pameran motor atau pameran baterai sejak 2013. Dan saat ini berada pada fase pengembangan teknologi elemen untuk komersialisasi.
Samsung juga mengatakan dalam panggilan konferensi pendapatan kuartal kedua 2020 bahwa “kami telah melihat kemungkinan mengembangkan kepadatan energi tinggi dan baterai dengan keamanan tinggi dengan menggabungkan teknologi material yang diuji dan material baru seperti elektrolit padat.”
Pada bulan Maret, Samsung Advanced Institute of Technology menunjukkan hasil penelitian baterai solid yang dapat diisi / dikosongkan lebih dari 1.000 kali dengan jarak tempuh 800 km dalam sekali pengisian daya. Studi tentang teknologi yang meningkatkan siklus hidup dan keselamatan dipublikasikan di ‘Nature Energy’, jurnal ilmiah global.
Kita harus mengembangkan baterai solid-state untuk membuat EV yang berjalan lebih jauh dan berjalan dengan aman. Mungkin ada banyak kendala ke depan karena berada pada tahap awal pengembangan, tetapi Samsung SDI akan melakukan yang terbaik untuk mengembangkan teknologi ‘super-gap’.
