Inilah Intip Masa Depan Teknologi Baterai

Ketika Kolonel Brent Wilson menjadi komandan pangkalan di Camp Smith di Oahu, dia telah dikerahkan dalam perang Teluk dan Irak dan memimpin sejumlah operasi pertahanan di Kosovo. Namun musuh yang dia hadapi di pangkalan Hawaii berbeda dari musuh yang dia lihat di medan perang sebagai pilot helikopter Korps Marinir. Dia harus menghadapi infrastruktur energi yang menua dan sering terinjak oleh cuaca tropis.

“Seluruh jaringan listrik sering padam dan membuat kami gulung tikar,” jelas Wilson yang, pada saat itu, juga merupakan bagian dari tim yang bertanggung jawab atas operasi pertahanan di seluruh Pasifik. “Kamu tidak bisa memilikinya.”

Namun perjuangan melawan infrastruktur yang buruk juga mempunyai sekutu yang kurang dimanfaatkan: Sunlight. Wilson memulai kampanye untuk memasang panel surya dan baterai industri yang dapat menjaga bagian-bagian penting operasi tetap online ketika badai melanda. Pengalaman itu akhirnya membantunya memasuki karier kedua: Menjual baterai yang cukup besar untuk mematikan listrik di rumah Anda.

Ledakan baterai

Pasar baterai telah membengkak dalam beberapa dekade terakhir dan diperkirakan akan meningkat sebesar 12% lagi dalam lima tahun ke depan, menurut Intelijen Mordor. Pada tahun 2025, pasarnya akan bernilai $90 miliar. Selama dekade terakhir, perusahaan seperti Tesla, Dyson, dan Daimler telah melakukan investasi miliaran dolar di industri ini, baik dengan mengakuisisi perusahaan kecil atau membangun pabrik baru. Jika adegan klasik itu Lulusan difilmkan hari ini, satu kata nasihat karier yang diberikan kepada karakter Dustin Hoffman bukanlah “plastik”, melainkan “baterai”.

Apa yang akan mendorong semua pertumbuhan itu? Harga baterai litium-ion menurun, barang elektronik pribadi, dan mobil listrik berputar melaluinya, dan, antara lain, semakin banyak pemilik rumah dan perusahaan listrik yang ingin menyimpan tenaga surya dan angin energi.

Seiring dengan pertumbuhan itu muncul banyak pemborosan. Sayangnya, sebagian besar baterai berakhir di tempat pembuangan sampah. Tingkat daur ulang sel lithium-ion sangat buruk: Tentang 5% untuk Amerika Serikat dan Uni Eropa. Para peneliti sedang menemukan cara untuk membuat baterai lithium-ion lebih dapat didaur ulang, namun meskipun hal tersebut terjadi, kita masih perlu melakukannya mengubah kebiasaan masyarakat dan perusahaan yang sama sekali tidak mendaur ulang baterai dan membuangnya dengan cara membuangnya ke dalam wadah. sampah.

Lebih lanjut, beberapa ahli mengatakan jumlah litium yang tersedia terbatas, meskipun jumlah tersebut masih menjadi perdebatan. Penambangannya dan kobalt (yang biasa digunakan untuk elektroda positif baterai litium-ion) menimbulkan dampak lingkungan dan biaya manusia. Ditambah lagi, harga kobalt telah meningkat pesat dalam beberapa tahun terakhir.

Ini semua menimbulkan pertanyaan: Apakah ada baterai yang lebih murah dan ramah lingkungan di luar sana? Bisakah kita menggunakan sesuatu yang lebih baik? Apa yang ada di masa depan?

Banyak orang yang menelitinya kemungkinan. Sejak tahun 1990an, lebih dari 300.000 paten terkait baterai telah diajukan (lebih dari 30.000 pada tahun 2017 saja). Meskipun sebagian besar penemuan ini terkait dengan teknologi litium-ion, banyak penelitian yang sedang dilakukan pada elektrolit padat, anoda berbasis silikon, dan anoda berbasis silikon. litium-udara, graphene, dan opsi lainnya, beberapa di antaranya ramah lingkungan, dan opsi lain yang ramah lingkungan tidak lebih baik dari litium-ion tetapi mungkin lebih baik efisien.

Meskipun sebagian besar jenis baterai baru ini mungkin tidak akan dipasarkan seluas lithium-ion (setidaknya dalam beberapa dekade mendatang), baterai ini dapat melayani ceruk pasar yang sangat besar. Berikut beberapa yang populer.

Litium besi fosfat

Segera setelah Kol. Wilson pensiun dari militer, dan para eksekutif dari perusahaan panel surya memintanya untuk terjun ke dalam akuisisi penyimpanan energi selama bertahun-tahun pengetahuan (militer adalah salah satu pengguna baterai terbesar di dunia), melakukan perjalanan ke CES di Las Vegas, dan melakukan survei terhadap hasil panen rumah saat ini baterai. Setelah perjalanan, dia membuat spreadsheet raksasa untuk menjelaskan mengapa dia tidak puas dengan pilihan yang dia lihat. Baterai terbaik harganya terlalu mahal untuk rata-rata pemilik rumah ($30.000-plus) atau tidak memiliki daya yang cukup. Dia kemudian bekerja dengan NeoVolta untuk membuat lini baterai, yang biasanya berharga dua digit sangat rendah.

Para ahli kimia yang peduli lingkungan akan segera memberi tahu Anda hal itu litium-besi-fosfat penyimpanan energi hanyalah salah satu jenis baterai lithium-ion, meskipun memiliki beberapa keunggulan penting: Lebih murah, punya energi yang lebih padat, masa pakai yang lebih lama, dan tidak akan terbakar jika bagian dalamnya pecah (yang dapat terjadi pada litium-ion baterai). Kerugiannya? Ini sangat berat (itulah sebabnya lebih baik jika diletakkan di teras belakang Anda dan bukan di ponsel Anda), kasingnya masih mengandung litium, dan jalur daur ulangnya tidak jelas.

Oleh karena itu, hanya sedikit orang yang menggunakan baterai litium-besi-fosfat, sehingga sulit untuk mengetahui seberapa baik tingkat daur ulang baterai tersebut. Beberapa peneliti berpendapat bahwa mereka lebih mudah untuk dipecah menjadi beberapa bagian.

Litium-belerang

Beberapa ahli bertaruh pada penyimpanan energi litium-sulfur untuk menggantikan litium-ion karena baterainya cenderung lebih ringan dan lebih padat energi. Belerang juga berlimpah dan lebih murah.

Apa perbedaan cara kerja baterai lithium-ion dan lithium-sulfur? Profesor Linda Nazar, yang laboratoriumnya di Universitas Waterloo Kanada telah mempelajari baterai lithium-sulfur selama 10 tahun terakhir, menggunakan analogi garasi parkir untuk menggambarkan perbedaannya. Sedangkan pengisian dan pengosongan baterai lithium-ion seperti mengendarai mobil keluar masuk garasi parkir, yaitu baterai lithium-sulfur “hampir merobohkan seluruh struktur garasi parkir dan kemudian membangunnya kembali saat Anda mengisi ulang sel."

Reaksi kimianya mirip dengan apa yang terjadi pada baterai timbal-asam di mana terjadi transformasi struktural dan kimiawi yang lengkap. Baterai “konversi” ini memiliki kelebihan dan tantangan tersendiri. “Mereka mempunyai keuntungan karena mampu menyimpan lebih banyak elektron,” kata Nazar. Di sisi lain, belerang memiliki konduktivitas yang relatif rendah dan volume baterai berubah setelah pemakaian. Tim di laboratorium Universitas Waterloo sedang mengubah komponen baterai untuk meningkatkan masa pakai dan mengoptimalkan reaksi baterai. Jika beberapa tantangan baterai terpecahkan, Nazar membayangkan baterai tersebut dapat digunakan dalam penerbangan dan juga drone. Itu Pesawat Zephyr dan UAV, yang telah melakukan beberapa penerbangan panjang bertenaga listrik, sering kali mengandalkan baterai lithium-sulfur.

ion natrium

Ternyata, unsur tabel periodik yang berdampak buruk bagi jantung ternyata cukup baik untuk baterai. Penelitian baterai natrium-ion dimulai pada tahun 1970-an, sekitar waktu yang sama dengan penyimpanan energi lithium-ion. Kedua unsur tersebut bertetangga dalam tabel periodik. Kemudian lithium-ion mulai populer dan sodium-ion dianggap kurang energik juga selama tiga dekade berikutnya.

“Sepertinya ini yang terbaik,” kata Nazar, yang laboratoriumnya juga bekerja dengan penyimpanan energi berbasis natrium. “Baterai natrium-ion memberi seseorang kemungkinan untuk bekerja dengan unsur-unsur yang berlimpah di bumi – elektroda positif yang terbuat dari bahan-bahan seperti besi, mangan, dan titanium – unsur-unsur yang biayanya jauh lebih rendah. Namun membuat bahan kimia tersebut berfungsi dengan baik merupakan sebuah tantangan karena bahan ini tidak sama dengan litium.”

Nazar mencatat bahwa beberapa perusahaan merasa tidak ada gunanya berinvestasi pada baterai natrium-ion karena harga baterai lithium-ion terus menurun.

“Saya pikir mungkin ada gunanya menginvestasikan banyak sumber daya pada baterai natrium-ion,” katanya. “Jika ada momen hebat di mana baterai sodium-ion bekerja dengan sangat baik, dengan kepadatan energi yang tinggi, itu akan menjadi sebuah langkah maju yang besar.”

Gula

Percaya atau tidak, Anda bisa menghabiskan baterai dengan gula seperti balita yang melompat ke atas kue. Sony pertama kali menerbitkan penelitian tentang reaksi oksidasi maltodekstrin untuk menghasilkan energi pada tahun 2007. Meskipun ketersediaan bahan dan keramahan lingkungan baterai gula jauh lebih tinggi dibandingkan baterai lithium-ion, tegangan yang dihasilkan oleh reaksi kimianya jauh lebih rendah. Jadi, Anda mungkin ingin menunda memberi Tesla Anda sekotak Crunchberry.

Meski konsep aslinya pertama kali muncul pada tahun 2007, namun baterai gula konsep masih memiliki sisa jus di dalamnya. Pada tahun 2016, tim Institut Teknologi Massachusetts yang dipimpin oleh Profesor Michael Strano menciptakan perangkat yang disebut Thermopower Wave, yang jauh lebih efisien dibandingkan inkarnasi baterai gula sebelumnya dan dapat memberi daya pada LED komersial lampu. Ini merupakan perkembangan yang menggembirakan karena jumlah gula sangat melimpah, jadi jika kita dapat menemukan cara yang tepat untuk memproduksi baterai ini, kita mungkin dapat meningkatkan teknologi tersebut dengan cepat. Sayangnya, ketersediaan komersialnya kemungkinan baru akan tersedia dalam beberapa tahun ke depan.

Mengalir

Struktur baterai aliran berbeda dari kebanyakan baterai lainnya: Daripada mengemas sekumpulan bahan reaktif menjadi satu dalam satu unit (seperti baterai biasa), baterai aliran menyimpan cairan reaktif dalam wadah terpisah dan kemudian memompanya ke dalam sistem untuk dibuat energi. Mereka juga berukuran besar dan dirancang untuk penyimpanan energi jaringan — bukan untuk barang elektronik dan benda-benda yang dapat ditampung dengan nyaman di telapak tangan Anda.

Asli baterai aliran dilaporkan memiliki berat 1.000 pon dan ditemukan pada akhir abad ke-19 untuk memberi daya pada mesin secara cerdik bernama pesawat Prancis “La France.” Ketertarikan terhadap penyimpanan energi modular telah meningkat dan berkurang sejak saat itu Kemudian.

“Saya pikir apa yang sebenarnya mendorong ledakan dan minat terhadap baterai flow bukanlah tentang pembuatan baterai generasi berikutnya telepon atau komputer, tetapi penyimpanan energi skala menengah hingga besar,” jelas Timothy Cook, profesor kimia di Universitas Kerbau. Jadi, kecuali Anda membuat ponsel steampunk, kecil kemungkinan Anda akan membawa baterai aliran apa pun yang diaktifkan dengan pompa mikroskopis. Namun, seiring dengan semakin banyaknya rumah yang memasang tenaga surya, pasar untuk penyimpanan “energi yang dipersonalisasi” akan tumbuh.

Sementara membuat baterai lithium-ion lebih bertenaga berarti menambah ukuran baterai, desainnya aliran baterai memungkinkan untuk meningkatkan energi dengan meningkatkan ukuran cairan waduk. San Diego Power and Electric baru-baru ini memasang yang dapat memberi daya 1.000 rumah.

“Anda tidak perlu mengubah dimensi membran apa pun [tempat terjadinya reaksi kimia], Anda cukup melakukannya untuk mengalirkan volume cairan yang lebih besar melaluinya untuk waktu yang lebih lama dan Anda dapat mengekstraksi energi tersebut,” jelasnya Memasak. “Jadi jauh lebih mudah untuk meningkatkan atau memperkecil atau pada dasarnya Anda dapat menyesuaikannya dengan instalasi.”

Baterai Flow juga memiliki siklus pengisian daya yang lebih banyak daripada kebanyakan baterai. Kemampuan untuk mengganti cairan atau mengganti komponen modular lainnya berarti potensi masa pakai baterai hampir tidak terbatas.

Meskipun saat ini banyak perusahaan yang menjual baterai ukuran industri, Profesor Cook memperkirakan baterai tersebut tidak akan diterima secara luas dalam lima hingga 10 tahun ke depan. Dia bahkan membayangkan suatu hari ketika mobil listrik mungkin menggunakan teknologi tersebut. Cook menggambarkan sebuah mobil yang berhenti di sebuah “pom bensin”, mengeluarkan elektrolit bekas, dan kemudian mengisi ulang dengan yang baru diisi. Daripada menunggu setengah jam hingga mobil Anda reboot, roda bisa berputar kembali dalam hitungan menit. Tapi, tentu saja, masa depan itu masih jauh.

Kertas

Membuat baterai dari kertas memiliki banyak keuntungan: Tipis, fleksibel, dan, jika dibuat dengan bahan yang tepat, dapat terurai secara hayati. Sebuah tim di Universitas Stanford mengembangkan baterai kertas awal dengan melapisi lembaran tipis dengan tinta jenuh karbon dan perak. Baru-baru ini, para eco-head semakin bersemangat dengan baterai yang dikembangkan di Universitas Binghamton. Profesor Seokheun “Sean” Choi telah membuat beberapa inkarnasi berbeda, termasuk yang ditenagai oleh ludah – atau lebih ilmiahnya, air liur manusia – dan yang lainnya ditenagai oleh bakteri. Inkarnasi biobaterai terbaru yang dikembangkan oleh Choi dan Profesor Omowunmi Sadik menggunakan poli (amic) acid dan poly (pyromellitic dianhydride-p-phenylenediamine) untuk membuat sumber energi dapat terurai secara hayati.

“Baterai kertas hibrida kami menunjukkan rasio daya terhadap biaya yang jauh lebih tinggi dibandingkan semua baterai mikroba berbasis kertas yang dilaporkan sebelumnya,” kata Choi ketika inovasi tersebut diumumkan. Meskipun penggunaan komersial baterai kertas ramah lingkungan ini masih terbatas mengingat keluaran listriknya yang rendah (seseorang dapat menyalakan lampu LED sekitar 20 menit), para peneliti berharap dapat melihatnya digunakan dalam elektronik, perangkat nirkabel, aplikasi medis seperti alat pacu jantung, pesawat terbang, dan mobil. Choi telah menulis makalah tentang pemanfaatannya sebagai sumber daya sekali pakai untuk alat diagnostik di tempat perawatan di negara-negara berkembang di mana baterai mungkin tidak tersedia.

Udara

Udara sebenarnya bisa menjadi listrik, dan tidak hanya pada saat Anda membuka kerah baju Anda setelah lagu Phil Collins terdengar menggelegar dari speaker Ferrari Anda. Baterai seng-udara, yang ukurannya kira-kira sebesar permen Smarties dan ditenagai oleh reaksi antara oksigen dan seng, telah digunakan dalam alat bantu dengar selama bertahun-tahun. Seng juga murah dan melimpah, menjadikan teknologi ini ekonomis dan ramah lingkungan.

Namun ada keterbatasan saat mencoba membuat teknologi ini dapat diisi ulang. Kristal dendrit dapat terbentuk saat pengisian daya dan menyebabkan arus pendek baterai. Berbagai cara telah diuji untuk menggantikan seng seperti “mengisi ulang baterai secara mekanis” dengan mengganti bahan secara fisik, sebuah pendekatan yang telah dicoba di bus listrik Singapura. Sejumlah eksperimen lain telah dilakukan dengan baterai lithium-air dan metal-air dengan berbagai tingkat kepadatan energi, tingkat daya, dan biaya. Selama dekade terakhir, Tesla telah mengajukan beberapa paten terkait pengisian daya baterai litium-udara, jadi potensinya mungkin jauh melampaui alat bantu dengar Anda.

Besi

Beberapa tahun yang lalu, profesor kimia Universitas Idaho Peter Allen mulai mengungkapkan ketertarikannya pada ilmu baterai di YouTube. Ia segera mengetahui bahwa pemirsa benar-benar merespons materi baterai, yang menginspirasinya untuk membuat baterai besi yang dapat diisi ulang sebagai demonstrasi pendidikan. Proyek tersebut telah menghasilkan lebih dari 100 video demonstrasi yang menjelaskan langkah-langkah, masalah, dan pembelajaran dari proyek baterai pendidikan.

“Saya tidak ingin menyebut diri saya sebagai ahli baterai,” kata profesor yang bidang keahliannya adalah kimia biologi ini. Dalam pembuatan video YouTube, ia menyadari bahwa ada banyak hal yang bisa diajarkan dan dipelajari dengan membuat baterai do-it-yourself yang relatif murah.

“Bagian-bagian dari teknologi baterai besi telah ada selama 100 tahun, jadi menurut saya banyak orang yang mungkin tertarik dengan hal ini. banyak pengetahuan asing yang hanya berkata, 'Itulah tanah yang sudah dilalui - tidak ada apa pun yang bisa ditemukan di sana,'” katanya. “Tetapi karena sedikit naif, saya masuk ke dalamnya dan berkata, 'Baiklah, mari kita coba, Anda tetap dapat menemukan sesuatu yang menarik.'”

Setelah dua tahun, lebih dari 30 variasi baterai, dan banyak bantuan dari mahasiswa sarjana, Allen mendapatkannya mempelajari cara menyeimbangkan bahan cair dan padat untuk menciptakan jumlah kepadatan energi yang optimal tetapi dengan rendah kekuatan.

“Kemudian kita masuk ke dalam pertanyaan: 'Jika Anda memiliki kimia yang berhasil, namun bekerja lambat, bagaimana Anda mempercepatnya?'”

Bahkan jika tim berhasil memecahkan tantangan tersebut, teknologi saat ini menunjukkan bahwa aplikasi terbaik untuk baterai besi kemungkinan besar adalah a unit penyimpanan energi mikrogrid di lingkungan sekitar atau pembangkit listrik tenaga surya, mengingat ruang yang dibutuhkan dan kecepatan energi yang dikirim darinya satuan.

Siapa yang akan menang?

Akankah baterai besi Allen dapat digunakan secara komersial? Dia tidak yakin temuan timnya saat ini, yang telah dipublikasikan di jurnal ilmiah, akan mencapai tujuan tersebut.

Setelah meninjau berbagai penemuan baterai, ia menyadari hanya sedikit dari penemuan tersebut yang benar-benar berhasil dipasarkan. Dalam penelitian ilmiah, jelasnya, terdapat “lembah kematian”.

“Anda memiliki penelitian dasar yang menghasilkan sesuatu yang sangat keren,” katanya. “Ada pertanyaan apakah ini bisa dikomersialkan. Dan tidak ada uang untuk menanyakan pertanyaan itu.” Para peneliti yang memiliki cukup uang untuk menjawab pertanyaan awal tersebut, jika beruntung, akan menemukan investor yang ingin menyempurnakan dan mengkomersialkan ide tersebut. “Tetapi ada kesenjangan antara penelitian dasar dan pemurnian yang diperlukan untuk membuat baterai menjadi komersial.”

Pada tahun 2019, pemodal ventura tenggelam $1,7 miliar untuk startup baterai, dengan 1,4 miliar di antaranya digunakan untuk penelitian terkait litium-ion. Namun baterai aliran, zinc-air, logam cair, dan banyak teknologi lainnya juga mendapat pemeriksaan tertulis. Meskipun penyimpanan energi lithium-ion kemungkinan akan mendominasi penyimpanan energi setidaknya selama 10 tahun ke depan, banyak negara lain yang tampaknya akan mampu keluar dari lembah kematian.

Rekomendasi Editor

• Masa depan keberlanjutan: Tinjauan terhadap evolusi teknologi lingkungan selanjutnya
• Beberapa dekade kemudian, penemu baterai lithium-ion memenangkan Hadiah Nobel Kimia
• Para insinyur telah membuat baterai litium jenis baru yang tidak akan meledak