Dalam gelombang saat ini pengembangan teknologi energi baru yang kuat, baterai solid-state, sebagai teknologi baterai generasi berikutnya yang sangat menjanjikan, telah menarik perhatian luas dari semua lapisan masyarakat. Karena persyaratan orang untuk daya tahan perangkat elektronik dan kisaran kendaraan listrik terus meningkat, dan penekanannya pada kinerja keselamatan baterai tumbuh dari hari ke hari, baterai solid-state sangat dinanti untuk mengatasi banyak titik rasa sakit baterai lithium-ion cair tradisional dalam hal keamanan dan jangkauan. Namun, sebelum mempopulerkan dan penerapan skala besar, pertanyaan kunci tetap ada dalam pikiran konsumen: Apakah baterai solid-state aman dan mampu memberikan jarak jauh? Untuk menjawab pertanyaan ini, kita perlu mempelajari mekanisme kerja, karakteristik teknis, dan penelitian saat ini dan status aplikasi baterai solid-state.
Prinsip kerja dan karakteristik struktural baterai solid-state
Perbedaan inti antara baterai solid-state dan baterai lithium-ion cair tradisional terletak pada bentuk elektrolit. Baterai lithium-ion cair tradisional menggunakan elektrolit cair untuk mencapai proses pengisian dan pelepasan melalui pergerakan ion lithium antara elektroda positif dan negatif. Sebaliknya, baterai solid-state menggunakan elektrolit padat, yang biasanya terbuat dari bahan keramik, polimer, atau sulfida. Dalam baterai solid-state, ion lithium juga deintercalate dari elektroda positif selama pengisian dan interkalasi ke dalam elektroda negatif melalui elektrolit padat; Selama pemakaian, mereka bergerak ke arah yang berlawanan, sementara elektron mengalir dari elektroda negatif ke elektroda positif melalui sirkuit eksternal, menghasilkan arus untuk memberi daya pada perangkat.
Penggunaan elektrolit padat mendukung baterai solid-state dengan karakteristik struktural yang unik. Dibandingkan dengan elektrolit cair, yang membutuhkan pemisah untuk mencegah hubungan pendek antara elektroda positif dan negatif, elektrolit padat itu sendiri memiliki fungsi ganda konduksi ion dan isolasi elektroda, membuat struktur baterai lebih kompak. Sementara itu, elektrolit padat menunjukkan stabilitas yang lebih tinggi dan kurang rentan terhadap volatilisasi dan kebocoran, meletakkan fondasi untuk peningkatan kinerja keamanan baterai.
Kinerja keamanan baterai solid-state
Baterai lithium-ion cair tradisional menimbulkan risiko pelarian termal dalam kondisi suhu tinggi. Ketika suhu baterai melebihi ambang batas tertentu, seperti 80 derajat, elektrolit cair dapat terurai untuk menghasilkan gas yang mudah terbakar, dan reaksi samping dalam baterai meningkat, yang mengarah ke akumulasi panas yang cepat dan pada akhirnya menyebabkan baterai terbakar atau bahkan meledak. Data dari Badan Pengujian Tüv Jerman dengan jelas mengungkapkan bahaya tersembunyi ini.
Baterai solid-state menunjukkan keunggulan yang signifikan dalam stabilitas termal. Karena tidak adanya komponen cair yang mudah menguap dan mudah terbakar dalam elektrolit padat, stabilitas termal jauh lebih tinggi daripada elektrolit cair. Tes tusukan yang dilakukan oleh Energi dan Organisasi Pengembangan Teknologi Industri (NEDO) Jepang yang baru sangat mengesankan: Ketika jarum baja menusuk baterai solid-state, suhu baterai hanya naik 2 derajat, sedangkan baterai lithium-ion cair tradisional akan terbakar dan meledak hanya dalam 3 detik. Hasil eksperimen ini secara visual menunjukkan keamanan superior baterai solid-state dalam menghadapi penyalahgunaan mekanis yang ekstrem.
Dalam makalah berjudul "Are Solid-State Baterai lebih aman dari (cair) Lithium-ion Baterai?" Diterbitkan dalam Sains pada bulan April 2022, para peneliti membahas batasan panas dan batas kenaikan suhu baterai lithium-ion cair, baterai semi-padat dengan sejumlah elektrolit, dan baterai semua-solid-state di bawah tiga skenario pelarian termal. Studi ini menemukan bahwa dalam keadaan pelarian termal yang disebabkan oleh pemanasan eksternal, baterai all-solid-state mengungguli baterai lithium-ion semi-padat dan cair. Kepadatan elektrolit padat yang tinggi dalam baterai semua-solid-state dapat membentuk penghalang gas yang efektif, mencegah kontak antara lithium pada elektroda negatif dan oksigen yang dilepaskan dari elektroda positif. Dalam skenario hipotetis ini, tidak akan ada pelepasan panas yang signifikan.
Penghambatan pertumbuhan lithium dendrit
Selama proses pengisian dan pelepasan baterai lithium-ion cair tradisional, ion lithium dapat secara langsung mengkristal pada permukaan elektroda negatif selama pengisian cepat, membentuk dendrit lithium berbahaya. Pertumbuhan lithium dendrit tidak hanya menyebabkan pembusukan kapasitas baterai tetapi juga dapat menusuk pemisah, menyebabkan sirkuit pendek antara elektroda positif dan negatif dan memicu insiden keamanan. Bahaya tersembunyi ini diungkapkan oleh para insinyur dari Catl.
Baterai solid-state menunjukkan potensi dalam menghambat pertumbuhan lithium dendrit. Struktur khusus dan sifat elektrolit padat dapat memberikan jalur yang lebih seragam untuk migrasi ion lithium, mengurangi kemungkinan pembentukan lithium dendrit. Meskipun sepenuhnya menghilangkan pertumbuhan lithium dendrit masih menimbulkan tantangan dalam aplikasi praktis, tren peningkatan baterai solid-state dalam hal ini terbukti dibandingkan dengan baterai lithium-ion cair.
Potensi risiko keselamatan
Terlepas dari banyak keunggulan baterai solid-state dalam hal keamanan, mereka tidak benar-benar aman. Dalam kasus ekstrem tertentu, seperti ketika elektrolit padat gagal atau lithium dendrit menembus elektrolit padat, menyebabkan sirkuit pendek, keamanan baterai semua-solid-state dan baterai semi-padat tidak lebih unggul daripada baterai lithium-ion cair. Profesor Ai Xinping dari Sekolah Kimia dan Ilmu Molekuler di Universitas Wuhan menunjukkan bahwa klaim bahwa baterai semua-solid-state memiliki kepadatan energi tinggi dan keamanan yang baik sebenarnya melibatkan sulap konseptual. Karena beberapa bahan dalam baterai solid-state dapat menghasilkan gas beracun seperti hidrogen sulfida jika terjadi kecelakaan, meskipun mereka tidak akan secara langsung membakar orang seperti baterai tradisional, gas hidrogen sulfida beracun dan dapat menyebabkan kerusakan serius pada tubuh manusia.
Potensi baterai solid-state dalam jangkauan
Secara teori, baterai solid-state memiliki potensi untuk mencapai kepadatan energi yang tinggi, yang diharapkan dapat secara signifikan meningkatkan daya tahan perangkat. Elektrolit padat memungkinkan penggunaan lithium logam murni sebagai elektroda negatif, yang secara signifikan meningkatkan kapasitas penyimpanan energi per volume satuan. Data eksperimental dari Institut Teknologi Bioenergi dan Bioproses Qingdao dari Akademi Ilmu Tiongkok menunjukkan bahwa kepadatan energi sampel baterai solid-state mereka telah melebihi 500Wh\/kg, sedangkan kepadatan energi baterai 21700 yang digunakan dalam Tesla Model 3 hanya 260WH\/kg.
Mengambil kendaraan listrik sebagai contoh, jarak mengemudi selalu menjadi fokus perhatian konsumen. Baterai Kunpeng dari Chery, sebagai perwakilan dari baterai solid-state, berencana untuk mencapai kepadatan energi 400Wh\/kg pada tahun 2024 dan meningkatkannya menjadi 600Wh\/kg pada tahun 2025. Menurut rencana tersebut, ketika diproduksi secara massal pada tahun 2027, kisaran mengemudi listrik murni diperkirakan akan melebihi 1500km. Jika tujuan ini tercapai, itu akan sangat mengurangi kecemasan jangkauan pengguna kendaraan listrik.
Tantangan dalam kisaran aktual
Namun, dari laboratorium hingga aplikasi praktis, baterai solid-state masih menghadapi beberapa tantangan dalam hal jangkauan. Pertama, impedansi antarmuka antara elektrolit padat dan elektroda relatif menonjol, yang mirip dengan mendirikan bilik tol di jalan raya, menghambat transmisi ion lithium yang cepat dan mempengaruhi efisiensi pengisian dan pelepasan baterai, sehingga berdampak buruk terhadap jangkauan. Kedua, cacat fatal elektrolit sulfida, yang menghasilkan hidrogen sulfida yang sangat beracun ketika terpapar air, tidak hanya meningkatkan risiko keamanan selama produksi dan penggunaan baterai tetapi juga menimbulkan tantangan parah terhadap stabilitas dan keandalan baterai. Selain itu, hasil rendah persiapan film elektrolit padat mengarah pada biaya produksi yang tinggi dalam skala besar, membatasi aplikasi baterai solid-state yang meluas dan secara tidak langsung mempengaruhi proses menunjukkan keunggulan jangka panjang mereka di pasar.
Kesimpulan dan Outlook
Singkatnya, baterai solid-state menunjukkan potensi yang signifikan dalam hal keamanan dan jangkauan. Dalam hal keamanan, keunggulan stabilitas termal mereka terbukti, dan mereka dapat secara efektif menghambat pertumbuhan lithium dendrit, menjadikannya lebih aman dan andal daripada baterai lithium-ion cair tradisional dalam kebanyakan kasus. Namun, dalam menghadapi situasi ekstrem seperti kegagalan elektrolit padat, masih ada risiko keamanan tertentu. Dalam hal jangkauan, keunggulan teoretis dari kepadatan energi tinggi memberikan kemungkinan untuk jangka panjang, dan beberapa data eksperimental dan rencana perusahaan juga menunjukkan prospek yang menjanjikan. Namun, dalam aplikasi praktis, masalah-masalah seperti impedansi antarmuka, cacat elektrolit, dan biaya telah menjadi hambatan yang menghambat realisasi penuh dari keunggulan jangka panjang mereka.
Meskipun menghadapi banyak tantangan, baterai solid-state masih dianggap sebagai arah pengembangan yang penting untuk teknologi baterai generasi berikutnya.