Dari sintering elektrolit hingga strukturisasi antarmuka, teknologi laser mengatasi tantangan manufaktur—berupa solusi presisi tinggi untuk menurunkan reject rate dan meningkatkan stabilitas produksi solid-state battery.
Penulis/editor: Rayendra L Toruan
TechnoMachinews.id – Fraunhofer ILT (sumber): Setelah potensi solid-state battery semakin jelas, tantangan berikutnya adalah bagaimana memproduksinya secara stabil dan ekonomis.
Kompleksitas material seperti lithium metal dan elektrolit keramik menuntut pendekatan proses yang berbeda dari lini produksi lithium-ion konvensional.
Di sinilah teknologi laser berperan krusial. Laser memungkinkan pemrosesan selektif dengan kontrol energi sangat presisi yang sulit dicapai dengan metode mekanis atau termal tradisional.
Menurut para peneliti di Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT, pendekatan ini menjadi fondasi untuk meningkatkan kestabilan proses sekaligus mengurangi kerugian material yang mahal selama fase industrial ramp-up.
Aplikasi awal muncul di mana keamanan dan kinerja maksimum sangat penting seperti di bidang kedirgantaraan, olahraga motor, teknologi medis, atau penyimpanan data keamanan tinggi.
Di sini, kepadatan energi yang lebih tinggi membenarkan proses manufaktur yang kompleks.
Untuk pasar massal, daya saing ekonomi pada awalnya akan tetap terbatas. Infrastruktur produksi masih dalam pengembangan, dan sistem ion litium yang sudah mapan terus berkembang secara paralel.
“Baterai solid-state akan ada bersama sel ion litium konvensional untuk masa mendatang dan terutama akan melayani aplikasi yang sangat menuntut di industri otomotif, seperti pasar kendaraan mewah,” ungkap fisikawan Stoyan Stoyanov dari Grup Separasi Fraunhofer ILT.
Meskipun potensi baterai solid-state sangat menjanjikan, hambatan untuk implementasi industri cukup besar yang merupakan tantangan dalam pembuatan.
Penanganan anoda logam litium, khususnya, menimbulkan tantangan yang signifikan. Meskipun material ini menarik karena kapasitas spesifiknya yang sangat tinggi, material ini terbukti sangat sensitif selama pemrosesan.
Material ini bereaksi kuat dengan oksigen dan kelembapan, mudah membentuk lapisan pasif, dan dapat terbakar di bawah tekanan mekanis. Proses pemotongan atau penggulungan konvensional dengan cepat mencapai batasnya dalam hal ini.
Manfaat Lithium Lanthanum Zirconium Oxide
Kesulitan mendasar juga muncul dengan begitu banyak elektrolit penutup. Material keramik oksida seperti litium lantanum zirkonat (LLZO) harus disinter pada suhu sekitar 1200° C.
LLZO adalah singkatan dari Lithium Lanthanum Zirconium Oxide—yaitu oksida litium-lanthanum-zirkonium dengan rumus kimia umum Li₇La₃Zr₂O₁₂.
Ini adalah material keramik berstruktur garnet yang menjadi salah satu bahan utama untuk elektrolit padat (solid electrolyte) dalam teknologi baterai solid-state (semua padat) demikian Wikipedia.
Lapisan LLZO digunakan sebagai elektrolit padat dalam baterai solid-state. Elektrolit padat menggantikan elektrolit cair yang biasa ada di baterai lithium-ion konvensional, dengan tujuan meningkatkan keamanan, stabilitas, dan densitas energi baterai.
Material ini memiliki konduktivitas ion lithium yang tinggi (memungkinkan ion Li⁺ bergerak antar elektroda), stabilitas kimia yang baik terutama terhadap elektroda lithium logam, serta stabil terhadap suhu operasi baterai yang tinggi.
LLZO berstruktur seperti garnet (mirip struktur mineral garnet) yang membantu memfasilitasi pergerakan ion lithium jelas Wikipedia.
Karena sifatnya yang stabil dan konduktif, LLZO sering dicari dalam penelitian dan pengembangan baterai solid-state berenergi tinggi dan aman—misalnya pada sel yang memakai lithium logam sebagai anoda.
Hal ini seringkali mengakibatkan kehilangan litium dan pembentukan fase sekunder, yang mengurangi konduktivitas ionik.
Kehilangan tersebut bukan hanya masalah teknologi tetapi juga masalah ekonomi, karena membuat bahan baku yang mahal menjadi tidak dapat digunakan.
Meskipun efek ini dapat sebagian dikompensasi dengan apa yang disebut bubuk pengorbanan, prosesnya tetap kompleks dan sensitif terhadap fluktuasi terkecil sekalipun.
“Hambatan lain adalah antarmuka antara elektrolit dan anoda. Resistansi kontak yang tinggi mengurangi kinerja dan meningkatkan risiko ketidakhomogenan selama pelapisan dan pelepasan litium.
Menguasai kimia antarmuka ini adalah dasar untuk sel yang stabil dan tahan lama,” jelas Florian Ribbeck dari kelompok Fungsionalisasi Suhu Tinggi di Fraunhofer ILT.
Selain aspek-aspek spesifik material ini, kondisi produksi itu sendiri menimbulkan tantangan besar.
Baterai solid-state selalu membutuhkan gas inert atau atmosfer ruang kering, yang memerlukan investasi signifikan dalam infrastruktur.
Analisis awal menunjukkan bahwa tingkat penolakan hingga 30 persen dapat terjadi selama peningkatan produksi industri, yang mengakibatkan kerugian hingga jutaan per hari.
Bahkan dengan lini produksi baterai lithium-ion yang sudah mapan, tingkat penolakan yang tinggi merupakan masalah mendesak. Masalah ini diperparah dengan baterai solid-state, karena jalur daur ulang tertutup belum ada untuk material yang masih belum terstandarisasi.
Oleh karena itu, setiap prototipe yang cacat tidak hanya mewakili kerugian ekonomi tetapi juga hilangnya bahan baku yang berharga.
“Proses berbasis laser dapat membantu meningkatkan stabilitas proses dan mencegah penolakan sejak awal,” jelas Florian Ribbeck.
Penyinteran laser elektrolit padat
Salah satu pendekatan penelitian di Fraunhofer ILT adalah pemrosesan elektrolit keramik oksida padat seperti LLZO.
Material ini dianggap sangat menjanjikan karena menunjukkan stabilitas elektrokimia yang tinggi dibandingkan dengan anoda logam lithium dan kurang reaktif terhadap kondisi lingkungan dibandingkan dengan elektrolit yang mengandung sulfida.
“Di Fraunhofer ILT, kami sedang menyelidiki bagaimana radiasi laser dapat digunakan sebagai sumber energi yang terkonsentrasi secara lokal dan sangat dinamis untuk memadatkan lapisan LLZO secara selektif,” jelas Florian Ribbeck salah satu dari tiga peneliti.
“Keuntungannya terletak pada pemanasan cepat yang dikombinasikan dengan pendinginan terkontrol. Ini mengurangi kehilangan litium dan menghindari ketidaksesuaian suhu dalam rakitan sel,” lanjut Florian Ribbeck.
Eksperimen awal menunjukkan pemadatan homogen, meskipun retak dan delaminasi tetap menjadi fokus penelitian utama. Selain LLZO, elektrolit seperti NASICON seperti litium aluminium titanium fosfat (LATP) sedang diteliti, yang memiliki persyaratan proses serupa tetapi jendela stabilitas yang berbeda.
Penataan struktur laser untuk antarmuka yang lebih baik. Selain pemadatan lapisan elektrolit, kualitas antarmuka dengan anoda logam litium sangat penting untuk kinerja sel solid-state.
“Resistansi kontak yang tinggi sering terjadi di sini, membatasi perilaku elektrokimia,” jelas Tim Rörig dari kelompok Penataan Struktur Permukaan di Fraunhofer ILT, menguraikan tantangannya.
“Selain itu, kemampuan pembasahan yang buruk dari permukaan keramik membuat pengendapan litium yang homogen menjadi sulit.”
Oleh karena itu, Rörig dan mitranya Florian Ribbeck menyelidiki bagaimana antarmuka dapat dioptimalkan melalui penataan struktur laser yang ditargetkan.
Dengan menggunakan pulsa laser ultra pendek dalam rentang femtosekon, mereka memperkenalkan struktur mikro ke permukaan elektrolit padat. Struktur ini meningkatkan area kontak efektif dan mendorong distribusi arus yang lebih seragam, yang berpotensi mengurangi impedansi antarmuka.
“Kami telah menunjukkan bahwa struktur yang dapat direproduksi dalam kisaran sekitar 30 µm dapat dihasilkan,” jelas Rörig.
Namun, hasil sejauh ini juga menyoroti kompleksitas interaksi tersebut. Meskipun permukaan terstruktur menunjukkan peningkatan pembasahan dalam beberapa kasus, resistansi keseluruhan sel terkadang meningkat.
Para peneliti menduga bahwa perubahan dalam struktur kristal dan cacat terkait proses berperan dalam hal ini.
Simak tulisan bagian ketiga: Menuju produksi massal: integrasi laser, ai, dan sensor untuk solid-state battery industri yang bermanfaat bagi pelaku industri dan bisnis di Indonesia. #SalamSobatTechnoMachinews
