Merancang Baterai yang Lebih Baik untuk Kendaraan Listrik

Kebutuhan mendesak untuk mengurangi emisi karbon mendorong langkah cepat menuju mobilitas listrik dan perluasan penyebaran tenaga surya dan angin di jaringan listrik. Jika tren tersebut meningkat seperti yang diharapkan, kebutuhan akan metode penyimpanan energi listrik yang lebih baik akan meningkat.

Jelas, mengembangkan teknologi untuk penyimpanan berbasis jaringan dalam skala besar sangat penting. Namun untuk aplikasi seluler—khususnya, transportasi—banyak penelitian berfokus pada mengadaptasi baterai lithium-ion saat ini untuk membuat versi yang lebih aman, lebih kecil, dan dapat menyimpan lebih banyak energi untuk ukuran dan beratnya.

Baterai lithium-ion tradisional terus meningkat, tetapi mereka memiliki keterbatasan yang bertahan, sebagian karena strukturnya. Baterai lithium-ion terdiri dari dua elektroda — satu positif dan satu negatif — diapit di sekitar cairan organik (mengandung karbon). Saat baterai diisi dan dikosongkan, partikel (atau ion) litium bermuatan listrik berpindah dari satu elektroda ke elektroda lainnya melalui elektrolit cair.

Satu masalah dengan desain itu adalah bahwa pada tegangan dan suhu tertentu, elektrolit cair dapat menjadi mudah menguap dan terbakar. Baterai umumnya aman dalam penggunaan normal, tetapi risikonya tetap ada.

Masalah lainnya adalah baterai lithium-ion tidak cocok untuk digunakan di kendaraan. Paket baterai yang besar dan berat menghabiskan ruang dan menambah bobot keseluruhan kendaraan, sehingga mengurangi efisiensi bahan bakar. Tetapi terbukti sulit untuk membuat baterai lithium-ion saat ini lebih kecil dan lebih ringan sambil mempertahankan kepadatan energinya—yaitu, jumlah energi yang mereka simpan per gram beratnya.

Untuk mengatasi masalah tersebut, para peneliti mengubah fitur utama baterai lithium-ion untuk membuat versi all-solid, atau "solid-state". Mereka mengganti elektrolit cair di tengah dengan elektrolit padat tipis yang stabil pada berbagai tegangan dan suhu. Dengan elektrolit padat itu, mereka menggunakan elektroda positif berkapasitas tinggi dan elektroda negatif logam lithium berkapasitas tinggi yang jauh lebih tipis daripada lapisan karbon berpori biasa. Perubahan tersebut memungkinkan untuk mengecilkan keseluruhan baterai secara signifikan sambil mempertahankan kapasitas penyimpanan energinya, sehingga mencapai kepadatan energi yang lebih tinggi.

Fitur-fitur itu—keamanan yang ditingkatkan dan kepadatan energi yang lebih besar—mungkin adalah dua keunggulan yang paling sering disebut-sebut dari potensi baterai solid-state.

Berdasarkan pengalaman industri dengan baterai lithium-ion saat ini, para peneliti MIT dan rekan mereka menyarankan tiga pertanyaan umum yang dapat membantu mengidentifikasi kendala potensial pada peningkatan skala di masa depan sebagai hasil dari pemilihan bahan. Pertama, dengan desain baterai ini, dapatkah ketersediaan bahan, rantai pasokan, atau ketidakstabilan harga menjadi masalah seiring peningkatan produksi? (Perhatikan bahwa masalah lingkungan dan masalah lain yang diangkat oleh penambangan yang diperluas berada di luar cakupan penelitian ini.) Kedua, akankah fabrikasi baterai dari bahan-bahan ini melibatkan langkah-langkah manufaktur yang sulit di mana bagian-bagiannya cenderung gagal? Dan ketiga, apakah langkah-langkah manufaktur yang diperlukan untuk memastikan produk berkinerja tinggi berdasarkan bahan-bahan ini pada akhirnya menurunkan atau menaikkan biaya baterai yang diproduksi?

Untuk mendemonstrasikan pendekatan mereka, Olivetti, Ceder, dan Huang memeriksa beberapa kimia elektrolit dan struktur baterai yang sekarang sedang diselidiki oleh para peneliti. Untuk memilih contoh mereka, mereka beralih ke pekerjaan sebelumnya di mana mereka dan kolaborator mereka menggunakan teknik penambangan teks dan data untuk mengumpulkan informasi tentang bahan dan detail pemrosesan yang dilaporkan dalam literatur. Dari database itu, mereka memilih beberapa opsi yang sering dilaporkan yang mewakili berbagai kemungkinan.

Bahan dan ketersediaan

Dalam dunia elektrolit anorganik padat, ada dua kelas utama bahan—oksida, yang mengandung oksigen, dan sulfida, yang mengandung belerang.

Sulfida yang dipertimbangkan tim adalah LGPS, yang menggabungkan lithium, germanium, fosfor, dan belerang. Berdasarkan pertimbangan ketersediaan, mereka fokus pada germanium, elemen yang menimbulkan kekhawatiran sebagian karena umumnya tidak ditambang sendiri. Sebaliknya, itu adalah produk sampingan yang dihasilkan selama penambangan batu bara dan seng.

Untuk menyelidiki ketersediaannya, para peneliti melihat berapa banyak germanium diproduksi setiap tahun dalam enam dekade terakhir selama penambangan batu bara dan seng dan kemudian berapa banyak yang bisa diproduksi. Hasilnya menunjukkan bahwa germanium 100 kali lebih banyak dapat diproduksi, bahkan dalam beberapa tahun terakhir. Mengingat potensi pasokan tersebut, ketersediaan germanium sepertinya tidak akan membatasi peningkatan baterai solid-state berbasis elektrolit LGPS.

Situasi tampak kurang menjanjikan dengan oksida yang dipilih para peneliti, LLZO, yang terdiri dari lithium, lantanum, zirkonium, dan oksigen. Ekstraksi dan pemrosesan lantanum sebagian besar terkonsentrasi di Cina, dan data yang tersedia terbatas, sehingga para peneliti tidak mencoba menganalisis ketersediaannya. Tiga elemen lainnya tersedia berlimpah. Namun, dalam praktiknya, sejumlah kecil elemen lain—disebut dopan—harus ditambahkan agar LLZO mudah diproses. Jadi tim fokus pada tantalum, dopan yang paling sering digunakan, sebagai elemen utama yang menjadi perhatian LLZO.

Tantalum diproduksi sebagai produk sampingan dari penambangan timah dan niobium. Data historis menunjukkan bahwa jumlah tantalum yang dihasilkan selama penambangan timah dan niobium jauh lebih mendekati potensi maksimum daripada yang terjadi pada germanium. Jadi ketersediaan tantalum lebih menjadi perhatian untuk kemungkinan peningkatan baterai berbasis LLZO.

Tetapi mengetahui ketersediaan elemen di tanah tidak membahas langkah-langkah yang diperlukan untuk membawanya ke pabrikan. Jadi, para peneliti menyelidiki pertanyaan lanjutan mengenai rantai pasokan untuk elemen-elemen penting—penambangan, pemrosesan, pemurnian, pengiriman, dan sebagainya. Dengan asumsi bahwa pasokan berlimpah tersedia, dapatkah rantai pasokan yang mengirimkan bahan-bahan tersebut berkembang cukup cepat untuk memenuhi permintaan baterai yang terus meningkat?

Dalam analisis sampel, mereka melihat berapa banyak rantai pasokan untuk germanium dan tantalum yang perlu tumbuh dari tahun ke tahun untuk menyediakan baterai untuk armada kendaraan listrik yang diproyeksikan pada tahun 2030. Sebagai contoh, armada kendaraan listrik sering disebut sebagai tujuan untuk tahun 2030. akan membutuhkan produksi baterai yang cukup untuk menghasilkan energi total 100 gigawatt jam. Untuk memenuhi tujuan itu hanya dengan menggunakan baterai LGPS, rantai pasokan untuk germanium perlu tumbuh sebesar 50 persen dari tahun ke tahun—peregangan, karena tingkat pertumbuhan maksimum di masa lalu adalah sekitar 7 persen. Dengan hanya menggunakan baterai LLZO, rantai pasokan untuk tantalum perlu tumbuh sekitar 30 persen—tingkat pertumbuhan jauh di atas rekor tertinggi dalam sejarah sekitar 10 persen.

Contoh-contoh tersebut menunjukkan pentingnya mempertimbangkan ketersediaan bahan dan rantai pasokan saat mengevaluasi elektrolit padat yang berbeda untuk potensi peningkatannya. Bahkan ketika jumlah bahan yang tersedia tidak menjadi perhatian, seperti halnya dengan germanium, menskalakan semua langkah dalam rantai pasokan agar sesuai dengan produksi masa depan kendaraan listrik mungkin memerlukan tingkat pertumbuhan yang benar-benar belum pernah terjadi sebelumnya.

Bahan dan pemrosesan

Dalam menilai potensi peningkatan desain baterai, faktor lain yang perlu dipertimbangkan adalah kesulitan proses manufaktur dan bagaimana hal itu dapat berdampak pada biaya. Pembuatan baterai solid-state pasti melibatkan banyak langkah, dan kegagalan pada setiap langkah meningkatkan biaya setiap baterai yang berhasil diproduksi.

Sebagai proksi untuk kesulitan manufaktur, peneliti mengeksplorasi dampak tingkat kegagalan pada biaya keseluruhan untuk desain baterai solid-state terpilih dalam database mereka. Dalam satu contoh, mereka berfokus pada oksida LLZO. LLZO sangat rapuh, dan pada suhu tinggi yang terlibat dalam pembuatan, lembaran besar yang cukup tipis untuk digunakan dalam baterai solid-state berkinerja tinggi cenderung retak atau melengkung.

Untuk menentukan dampak kegagalan tersebut pada biaya, mereka memodelkan empat langkah pemrosesan utama dalam merakit baterai berbasis LLZO. Pada setiap langkah, mereka menghitung biaya berdasarkan hasil yang diasumsikan—yaitu, bagian dari total unit yang berhasil diproses tanpa gagal. Dengan LLZO, hasilnya jauh lebih rendah dibandingkan dengan desain lain yang mereka periksa; dan, ketika hasil turun, biaya setiap kilowatt-jam (kWh) energi baterai naik secara signifikan. Misalnya, ketika 5 persen lebih banyak unit gagal selama langkah pemanasan katoda akhir, biaya meningkat sekitar $30/kWh—perubahan yang tidak sepele mengingat bahwa target biaya yang diterima secara umum untuk baterai tersebut adalah $100/kWh. Jelas, kesulitan manufaktur dapat memiliki dampak besar pada kelayakan desain untuk adopsi skala besar.

Bahan dan kinerja

Salah satu tantangan utama dalam merancang baterai yang solid berasal dari "antarmuka"—yaitu, di mana satu komponen bertemu dengan komponen lainnya. Selama pembuatan atau operasi, bahan pada antarmuka tersebut dapat menjadi tidak stabil. Atom mulai pergi ke tempat yang tidak seharusnya, dan kinerja baterai menurun.

Akibatnya, banyak penelitian dikhususkan untuk menghasilkan metode menstabilkan antarmuka dalam desain baterai yang berbeda. Banyak metode yang diusulkan memang meningkatkan kinerja; dan akibatnya, biaya baterai dalam dolar per kWh turun. Namun penerapan solusi seperti itu umumnya melibatkan penambahan bahan dan waktu, meningkatkan biaya per kWh selama pembuatan skala besar.

Untuk mengilustrasikan pertukaran itu, para peneliti pertama-tama memeriksa oksida mereka, LLZO. Di sini, tujuannya adalah untuk menstabilkan antarmuka antara elektrolit LLZO dan elektroda negatif dengan memasukkan lapisan tipis timah di antara keduanya. Mereka menganalisis dampak—baik positif maupun negatif—pada biaya penerapan solusi itu. Mereka menemukan bahwa menambahkan pemisah timah meningkatkan kapasitas penyimpanan energi dan meningkatkan kinerja, yang mengurangi biaya unit dalam dolar/kWh. Namun biaya termasuk lapisan timah melebihi penghematan sehingga biaya akhir lebih tinggi dari biaya aslinya.

Dalam analisis lain, mereka melihat elektrolit sulfida yang disebut LPSCl, yang terdiri dari litium, fosfor, dan belerang dengan sedikit tambahan klorin. Dalam hal ini, elektroda positif menggabungkan partikel bahan elektrolit—suatu metode untuk memastikan bahwa ion litium dapat menemukan jalur melalui elektrolit ke elektroda lain. Namun, partikel elektrolit yang ditambahkan tidak kompatibel dengan partikel lain di elektroda positif—masalah antarmuka lainnya. Dalam hal ini, solusi standar adalah menambahkan "pengikat", bahan lain yang membuat partikel saling menempel.

Analisis mereka menegaskan bahwa tanpa pengikat, kinerjanya buruk, dan biaya baterai berbasis LPSCl lebih dari $ 500/kWh. Menambahkan pengikat meningkatkan kinerja secara signifikan, dan biaya turun hampir $300/kWh. Dalam hal ini, biaya penambahan pengikat selama pembuatan sangat rendah sehingga pada dasarnya semua penurunan biaya dari penambahan pengikat direalisasikan. Di sini, metode yang diterapkan untuk memecahkan masalah antarmuka terbayar dengan biaya yang lebih rendah.

Para peneliti melakukan studi serupa tentang baterai solid-state menjanjikan lainnya yang dilaporkan dalam literatur, dan hasilnya konsisten: Pilihan bahan dan proses baterai dapat memengaruhi tidak hanya hasil jangka pendek di lab tetapi juga kelayakan dan biaya pembuatan baterai. mengusulkan baterai solid-state pada skala yang dibutuhkan untuk memenuhi permintaan di masa depan. Hasilnya juga menunjukkan bahwa mempertimbangkan ketiga faktor bersama-sama—ketersediaan, kebutuhan pemrosesan, dan kinerja baterai—adalah penting karena mungkin ada efek kolektif dan pertukaran yang terlibat.