Anoda aluminium hasil inovasi para ahli menawarkan baterai berenergi tinggi, aman, hemat biaya, dan berkelanjutan, membuka peluang industri baterai di Indonesia.
Menggabungkan kepadatan energi tinggi dengan arsitektur sel yang berkelanjutan, aman, hemat biaya, dan kuat: baterai dengan anoda aluminium (Foto/©: Rainer Bez/Fraunhofer IPA)
Penulis/editor: Rayendra L Toruan
TechnoMachinews.id – Fraunhofer IPA (sumber): Inovasi material atau bahan baku berpotensi mengubah masa depan industri baterai global.
Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation (Fraunhofer IPA), bekerja sama dengan Institute for Photovoltaics di University of Stuttgart, Jerman, mengembangkan teknologi anoda aluminium yang mampu mengatasi persoalan utama material tersebut.
Yakni kerusakan struktur dan penurunan kapasitas akibat siklus pengisian dan pengosongan baterai. Teknologi yang telah dipatenkan ini membuka peluang pemanfaatan aluminium untuk baterai generasi berikutnya yang menggabungkan kepadatan energi tinggi, keamanan, biaya produksi kompetitif, dan keberlanjutan.
Aluminium dianggap sebagai material anoda yang menjanjikan untuk baterai lithium-ion, tetapi kehilangan kapasitas dan degradasi struktural material tersebut sejauh ini telah mencegah penggunaannya di industri.
Fraunhofer IPA telah mencapai terobosan teknologi: teknologi yang dipatenkan menstabilkan anoda aluminium selama siklus pengisian dan pengosongan berulang.
Hal ini membuat teknologi yang praktis dapat digunakan dengan menggabungkan kepadatan energi tinggi dengan arsitektur sel yang berkelanjutan, aman, hemat biaya, dan kuat.
Potensi tinggi meski terbatas karena cacat material
Aluminium telah lama dianggap sebagai material anoda yang menjanjikan untuk baterai lithium-ion. Material ini mudah didapatkan, murah, dan memungkinkan kapasitas tinggi.
Akan tetapi, kondisi terkini menghadirkan tantangan yang signifikan: selama pengisian dan pengosongan, aluminium mengubah volumenya. Hal ini menciptakan tekanan mekanis yang menyebabkan retakan, porositas, dan pada akhirnya, penghancuran material elektroda.
Hasilnya adalah penurunan kapasitas dan masa pakai sel yang terbatas. Cacat material ini sejauh ini telah mencegah penggunaan anoda aluminium di industri.
Masalah utamanya terletak pada perubahan volume aluminium selama proses pengisian dan pengosongan baterai.
Perubahan ini menimbulkan tekanan mekanis yang dapat memicu retakan, pembentukan pori, dan kerusakan struktur material hingga elektrode mengalami penghancuran partikel atau pulverization.
Kerusakan yang terjadi mengurangi kapasitas baterai dan memperpendek usia pakainya. Bagi pelaku industri, kondisi itu tentu menjadi persoalan mendasar karena baterai tidak hanya dituntut menyimpan energi dalam jumlah besar, tetapi juga harus mempertahankan kinerja secara konsisten selama ribuan siklus penggunaan.
Anoda aluminium untuk aplikasi baterai
Para ahli dari Fraunhofer IPA, bersama dengan Institut Fotovoltaik di Universitas Stuttgart, Jerman mengembangkannya dan telah mematenkan teknologi sel dan elektroda yang mencegah proses penuaan ini, sehingga memecahkan masalah utama.
Inovasi ini menstabilkan material selama pengoperasian dan mempertahankan kontak listrik di dalam elektroda selama banyak siklus pengisian dan pengosongan.
“Kami membuat teknologi baterai yang sudah lama dikenal tetapi sebelumnya sulit dikendalikan supaya lebih praktis dan dapat digunakan,” jelas Profesor Kai Peter Birke, Direktur Ilmiah untuk Sistem dan Penyimpanan Baterai dan Hidrogen di Fraunhofer IPA.
“Pendekatan kami menggabungkan kepadatan energi tinggi dengan kimia sel yang sederhana, kuat, dan berorientasi pada keselamatan,” kata Proferor Kai Peter Birke seraya melanjutkan bahwa teknologi ini tidak memerlukan grafit atau silikon di anoda.
Hal itu menghilangkan tantangan yang biasanya terjadi pada anoda berenergi tinggi konvensional dengan kandungan silikon tinggi, seperti perubahan volume yang signifikan dan kerusakan material yang diakibatkan selama pengisian dan pengosongan.
Selain itu, penggunaan grafit yang meluas di anoda, yang dianggap sebagai risiko pasokan utama bagi industri baterai di Eropa, dapat dihindari.
Bahan awal untuk anoda aluminium adalah foil aluminium paduan yang hemat biaya dan tersedia secara komersial, yang sekaligus berfungsi sebagai pengumpul arus dan material aktif.
Ini menghilangkan kebutuhan akan tembaga sebagai foil pendukung. Selain itu, proses pelapisan yang kompleks yang diperlukan untuk membuat material aktif dapat digunakan sebagai elektroda juga dihilangkan.
Hal ini secara signifikan mengurangi biaya proses dan konsumsi energi dalam pembuatan elektroda.
Katoda litium mangan oksida sebagai alternatif untuk katoda litium besi fosfat
Sebagai konsep sel, anoda aluminium ini dapat dikombinasikan secara ideal dengan katoda litium mangan oksida atau lithium manganese oxide (LMO) bebas fluorin yang murah.
Hal ini memungkinkan kepadatan energi yang kompetitif untuk sel baterai berbasis LMO dan menawarkan alternatif bebas fosfat dan hemat biaya untuk sel lithium besi fosfat yang banyak digunakan.
Selain itu, anoda aluminium ini dapat digunakan dengan pelarut elektrolit alternatif dengan titik nyala tinggi, memungkinkan pengoperasian yang aman pada suhu tinggi.
Kombinasi elektrolit alternatif bebas fluorin dan katoda LMO bebas fluorin ini akan memungkinkan desain sel yang sepenuhnya bebas fluorin dan karenanya juga bebas PFAS. Risiko kebocoran hidrogen fluorida yang sangat beracun dari baterai lithium-ion akan sepenuhnya dihilangkan.
Karena stabilitas material sekarang dapat dikelola, kemungkinan aplikasi baru terbuka untuk anoda aluminium.
Kimia sel yang aman dan kuat ini memungkinkan penggunaannya dalam pengiriman barang melalui udara, misalnya, untuk melacak kontainer transportasi atau dalam perangkat medis khusus. Aplikasi ini membutuhkan sistem penyimpanan energi yang ringkas, andal, dan aman untuk dioperasikan.
Keuntungan lain: Kimia sel dirancang untuk produksi pada peralatan manufaktur yang ada. Ini berarti dapat diintegrasikan ke dalam proses industri yang ada tanpa perlu membangun infrastruktur manufaktur yang sepenuhnya baru.
Para ilmuwan yang dipimpin oleh Profesor Birke telah membangun beberapa prototipe baterai yang baru mereka kembangkan dan saat ini sedang mengujinya di laboratorium Pusat Produksi Sel Baterai Digital (ZDB) di Fraunhofer IPA.
“Tujuan kami adalah teknologi baterai yang menggabungkan kepadatan energi tinggi, daya tahan yang kuat, dan efisiensi yang tinggi. Pengoperasian sel, dan manufaktur yang hemat biaya,” tutur Kathrin Schad dari tim riset Teknologi Baterai, Fraunhofer IPA.
“Terobosan dalam stabilitas material menjadikan baterai dengan anoda aluminium sebagai pilihan yang realistis untuk perangkat penyimpanan energi canggih generasi berikutnya.”
Dari sudut pandang industri, salah satu keunggulan paling strategis teknologi ini adalah kemungkinan produksinya yang menggunakan peralatan manufaktur baterai yang sudah tersedia.
Artinya, pengembangan teknologi tersebut tidak harus selalu disertai pembangunan infrastruktur produksi yang sepenuhnya baru.
Jika terbukti layak dalam skala industri, pendekatan ini dapat membantu mengurangi kebutuhan investasi awal dan mempercepat integrasi ke dalam proses manufaktur yang sudah berjalan.
Tim peneliti yang dipimpin Profesor Birke telah membangun sejumlah prototipe dan mengujinya di laboratorium Digitalized Battery Cell Production (ZDB) di Fraunhofer IPA.
Kathrin Schad dari tim riset Teknologi Baterai Fraunhofer IPA menegaskan bahwa tujuan pengembangan ini adalah menghasilkan baterai yang menggabungkan kepadatan energi tinggi, pengoperasian yang tangguh, dan manufaktur yang ekonomis.
Penting dicatat bahwa kompatibilitas dengan fasilitas produksi yang ada masih harus dibuktikan pada skala yang lebih besar. Keberhasilan laboratorium perlu diikuti validasi proses, konsistensi kualitas, ketahanan produk, dan evaluasi keekonomian produksi massal.
Bagi Indonesia, pelajaran terpentingnya adalah bahwa daya saing industri baterai tidak cukup dibangun melalui penguasaan bahan baku.
Kemampuan mengolah material, mengembangkan teknologi, menyiapkan SDM, dan menguasai proses manufaktur juga menentukan posisi suatu negara dalam rantai nilai industri global.
Inovasi anoda aluminium layak menjadi salah satu referensi dalam strategi pengembangan industri baterai nasional.
Dengan riset yang terarah, kemitraan teknologi, pengujian yang kuat, dan investasi yang berbasis bukti, Indonesia berpeluang memperluas perannya dari pemasok material menjadi pengembang solusi penyimpanan energi bernilai tambah tinggi. #SalamSobatTechnoMachinews
