Latar belakang

Pada tahun 1800, fisikawan Italia A. Volta membangun tumpukan volta, yang membuka permulaan baterai praktis dan untuk pertama kalinya menjelaskan pentingnya elektrolit dalam perangkat penyimpanan energi elektrokimia. Elektrolit dapat dilihat sebagai lapisan isolasi elektronik dan penghantar ion dalam bentuk cair atau padat, disisipkan di antara elektroda negatif dan positif. Saat ini, elektrolit paling canggih dibuat dengan melarutkan garam litium padat (misalnya LiPF6) dalam pelarut karbonat organik tidak berair (misalnya EC dan DMC). Sesuai dengan bentuk dan desain sel secara umum, elektrolit biasanya menyumbang 8% hingga 15% dari berat sel. Apa'Terlebih lagi, sifat mudah terbakar dan kisaran suhu pengoperasian optimal -10°C sampai 60°C sangat menghambat peningkatan lebih lanjut kepadatan dan keamanan energi baterai. Oleh karena itu, formulasi elektrolit inovatif dianggap sebagai pendorong utama pengembangan baterai baru generasi berikutnya.

Para peneliti juga berupaya mengembangkan sistem elektrolit yang berbeda. Misalnya, penggunaan pelarut berfluorinasi yang dapat menghasilkan siklus logam litium yang efisien, elektrolit padat organik atau anorganik yang bermanfaat bagi industri kendaraan, dan “baterai solid state” (SSB). Alasan utamanya adalah jika elektrolit padat menggantikan elektrolit cair dan diafragma asli, keamanan, kepadatan energi tunggal, dan masa pakai baterai dapat ditingkatkan secara signifikan. Selanjutnya, kami merangkum kemajuan penelitian elektrolit padat dengan bahan yang berbeda.

Elektrolit padat anorganik

Elektrolit padat anorganik telah digunakan dalam perangkat penyimpanan energi elektrokimia komersial, seperti beberapa baterai isi ulang suhu tinggi Na-S, baterai Na-NiCl2 dan baterai Li-I2 primer. Pada tahun 2019 lalu, Hitachi Zosen (Jepang) mendemonstrasikan baterai kantong solid-state sebesar 140 mAh untuk digunakan di luar angkasa dan diuji di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS). Baterai ini terdiri dari elektrolit sulfida dan komponen baterai lainnya yang dirahasiakan, mampu beroperasi antara -40°C dan 100°C. Pada tahun 2021, perusahaan memperkenalkan baterai solid berkapasitas lebih tinggi yaitu 1.000 mAh. Hitachi Zosen melihat kebutuhan akan baterai padat untuk lingkungan yang keras seperti ruangan dan peralatan industri yang beroperasi di lingkungan yang khas. Perusahaan berencana untuk menggandakan kapasitas baterai pada tahun 2025. Namun sejauh ini, belum ada produk baterai solid-state yang dapat digunakan pada kendaraan listrik.

Elektrolit organik semi padat dan padat

Dalam kategori elektrolit padat organik, Bolloré Perancis telah berhasil mengkomersialkan elektrolit PVDF-HFP tipe gel dan elektrolit PEO tipe gel. Perusahaan juga telah meluncurkan program percontohan car sharing di Amerika Utara, Eropa dan Asia untuk menerapkan teknologi baterai ini pada kendaraan listrik, namun baterai polimer ini belum pernah diadopsi secara luas pada mobil penumpang. Salah satu faktor yang berkontribusi terhadap buruknya adopsi komersial adalah bahwa produk tersebut hanya dapat digunakan pada suhu yang relatif tinggi (50°C sampai 80°C) dan rentang tegangan rendah. Baterai ini sekarang digunakan pada kendaraan komersial, seperti beberapa bus kota. Tidak ada kasus penggunaan baterai elektrolit polimer padat murni pada suhu kamar (yaitu sekitar 25°C).

Kategori semipadat mencakup elektrolit yang sangat kental, seperti campuran pelarut garam, yaitu larutan elektrolit yang mempunyai konsentrasi garam lebih tinggi dari standar 1 mol/L, dengan konsentrasi atau titik jenuh setinggi 4 mol/L. Kekhawatiran dengan campuran elektrolit pekat adalah kandungan garam berfluorinasi yang relatif tinggi, yang juga menimbulkan pertanyaan tentang kandungan litium dan dampak elektrolit tersebut terhadap lingkungan. Hal ini karena komersialisasi produk yang sudah matang memerlukan analisis siklus hidup yang komprehensif. Dan bahan baku pembuatan elektrolit semi padat juga harus sederhana dan mudah didapat agar lebih mudah diintegrasikan ke dalam kendaraan listrik.

Elektrolit hibrid

Elektrolit hibrid, juga dikenal sebagai elektrolit campuran, dapat dimodifikasi berdasarkan elektrolit hibrid berair/pelarut organik atau dengan menambahkan larutan elektrolit cair non-air ke elektrolit padat, dengan mempertimbangkan kemampuan manufaktur dan skalabilitas elektrolit padat serta persyaratan teknologi penumpukan. Namun elektrolit hibrid tersebut masih dalam tahap penelitian dan belum ada contoh komersial.

Pertimbangan untuk pengembangan komersial elektrolit

Keuntungan terbesar dari elektrolit padat adalah keamanannya yang tinggi dan masa pakai yang lama, namun hal-hal berikut harus dipertimbangkan secara hati-hati ketika mengevaluasi alternatif elektrolit cair atau padat:

• Proses pembuatan dan desain sistem elektrolit padat. Baterai pengukur laboratorium biasanya terdiri dari partikel elektrolit padat dengan ketebalan beberapa ratus mikron, dilapisi pada satu sisi elektroda. Sel padat kecil ini tidak mewakili kinerja yang diperlukan untuk sel besar (10 hingga 100Ah), karena kapasitas 10~100Ah adalah spesifikasi minimum yang diperlukan untuk baterai berdaya saat ini.
• Elektrolit padat juga menggantikan peran diafragma. Karena berat dan ketebalannya lebih besar dari diafragma PP/PE, maka harus disesuaikan untuk mencapai kepadatan berat≥350Wh/kgdan kepadatan energi≥900Wh/L untuk menghindari hambatan komersialisasinya.

Baterai selalu menimbulkan risiko keamanan pada tingkat tertentu. Elektrolit padat, meskipun lebih aman dibandingkan cairan, belum tentu tidak mudah terbakar. Beberapa polimer dan elektrolit anorganik dapat bereaksi dengan oksigen atau air, menghasilkan panas dan gas beracun yang juga menimbulkan bahaya kebakaran dan ledakan. Selain sel tunggal, plastik, wadah, dan bahan kemasan dapat menyebabkan pembakaran yang tidak terkendali. Oleh karena itu, pada akhirnya, pengujian keamanan tingkat sistem yang holistik diperlukan.