Baterai Mobil Listrik

Isu Tesla dan Baterai Kendaraan Listrik

Oleh: Arief S. Tiammar *)

Dalam rencana strategisnya, pada 2030 Tesla akan menghasilkan energi berbasis baterai dengan kapasitas 3 Tera Wh (3.000 Giga Wh) per tahun. Kapasitas yang luar biasa besar.

NIKEL.CO.ID – “Nikel menjadi perhatian terbesar untuk meningkatkan kapasitas produksi baterai ion litium. Karena itulah kami akan mengubah mobil listrik dengan jelajah standar ke katode besi. Besi itu sangat berlimpah [demikian juga litium]”.

Itulah terjemahan bebas dari cuitan Elon Musk pada twitter resminya. Cuitan yang banyak memengaruhi harga komoditas nikel sekaligus harga beberapa emiten saham nasional dan dunia. Tentu saja ada faktor lain yang akhir-akhir ini ikut memengaruhi bisnis nikel nasional dan global.

Katode besi yang dimaksud Musk adalah lithium ferro phosphate (LFP). Pada katode ini sama sekali tidak terkandung unsur nikel dan kobalt yang jauh lebih mahal. Katode adalah salah satu material penyusun baterai ion litium (LiB) di antara 11 material lainnya.

Material katode menempati porsi paling besar, 35% —45% dari total biaya produksi LiB. Jadi, biaya produksi LiB secara keseluruhan bisa ditekan ketika LFP yang berbasis besi digunakan walau di sisi lain kerapatan energi dan kecepatan pengisian katode LFP lebih rendah ketimbang katode yang berbasis nikel.

Selain itu, ketersediaan besi yang jauh berlimpah ketimbang nikel membuat posisi besi patut diperhatikan untuk jaminan pasokan jangka panjang. Pada operasi sebuah LiB, katode merupakan ‘rumah’ bagi atom-atom litium sekaligus sebagai bagian kutub positif baterai.

Ketika LiB diisi (charging), litium terionisasi melepaskan elektron bergerak menuju material anode melewati elektrolit dan separator. Anode dalam hal ini merupakan ‘rumah’ bagi atom-atom litium di sisi bagian kutub negatif baterai.

Demikian juga ketika sedang dipakai, atom-atom litium kembali ke katode setelah melepaskan elektron di sisi kutub negatif. Pelepasan elektron inilah yang menciptakan arus listrik saat digunakan untuk berbagai keperluan.

Material katode merupakan salah satu bagian terpenting dari LiB. Saat ini ada beberapa jenis katode yang dipakai pada LiB khususnya untuk penggunaan kendaraan listrik. Namun yang dominan adalah katode berbasis besi, nikel dan nikel yang diperkaya.

Jenis katode berbasis besi adalah LFP, katode berbasis nikel antara lain NMC (lithium nickel manganese cobalt oxide), dan NCA (lithium nickel cobalt aluminium oxide). Jenis katode dengan nikel diperkaya adalah NCMA (lithium nickel cobalt manganese aluminium oxide). NCMA merupakan jenis katode terkini yang akan diproduksi pada pertengahan 2021.

Dari keempat jenis katode tersebut, NCMA memiliki kerapatan energi paling tinggi serta laju pengisian tercepat. LFP memberikan tingkat keamanan tertinggi serta umur baterai terlama walau dengan kerapatan energi lebih rendah. NCA dan NMC berada di antara keduanya.

Segmen energi baru dan terbarukan (EBT) yang juga berkembang pesat tidak bisa dilepaskan dari LiB. LiB pada EBT diperlukan sebagai media sistem penyimpan energi (ESS) di mana dalam operasinya tidak terpengaruh oleh kerapatan energi dari material katode tapi lebih kepada daya tahan dan keselamatan operasi.

Dalam rencana strategisnya, pada 2030 Tesla akan menghasilkan energi berbasis baterai dengan kapasitas 3 Tera Wh (3.000 Giga Wh) per tahun. Kapasitas yang luar biasa besar.

Jumlah energi ini cukup untuk digunakan pada 30 juta mobil listrik berkapasitas 100 KWh. Pada 2021, total kapasitas pabrik LiB Tesla diperkirakan 375 GWh.

Jika material katode yang digunakan adalah NCMA, kapasitas baterai sebesar 3 TWh/tahun tersebut memerlukan 2 juta ton nikel/tahun dalam 8,8 juta ton Nikel Sulfat Heksahidrat. Bila yang digunakan adalah katode LFP, kapasitas tersebut memerlukan 1,75 juta ton besi dalam 2,75 juta ton besi oksida. Jumlah 2 juta ton nikel tersebut jelas tidak kecil.

Pengadaannya jauh lebih sulit dibanding pengadaan untuk 2,75 juta ton besi. Belum lagi Tesla harus bersaing dengan kompetitor lain. Besi sebagai bahan dasar LFP memang lebih mudah didapatkan tetapi tidak semua kebutuhan kendaraan listrik dengan performa tertentu bisa dipenuhi oleh LFP.

Jadi, perhatian sekaligus kerisauan Elon Musk atas nama Tesla bukan hal yang dibuat-buat, apalagi disebarkan hanya untuk membuat spekulasi seperti diduga beberapa kalangan. Kerisauannya lebih ke arah mitigasi risiko akan jaminan suplai nikel untuk mencapai target rencana strategis Tesla, yakni menghasilkan LiB dengan kapasitas 3 TWh/tahun pada 2030.

Untuk mengantisipasinya, sangat wajar jika Tesla melakukan diversifikasi dalam pemakaian katode material antara yang berbasis besi dan nikel. LFP diperuntukkan bagi kendaraan listrik dengan daya jelajah standar, motor listrik, sepeda listrik dan ESS untuk mendukung EBT.

NMC dan NCA dikhususkan bagi kendaraan listrik premium berdaya jelajah tinggi serta media penyimpan power wall. Adapun untuk kendaraan berbobot berat dan memerlukan performa super, NCMA merupakan pilihan terbaik.

Alhasil, masa depan nikel untuk LiB khususnya untuk mendukung kendaraan listrik masih tatap memiliki tempat. Belum lagi LiB untuk keperluan lain seperti perangkat komunikasi, elektronika, pesawat tanpa awak dan lainnya.

*) Arief S. Tiammar adalah Dewan Penasihat Asosiasi Profesi Metalurgi Indonesia

Sumber: bisnis.com

Artikel / Berita International / Nikel

Baterai Sumber Tenaga Mobil Listrik Telah Ditemukan Sejak 120 Tahun Lalu

Pada awal abad ke-20, Thomas Edison menemukan sebuah baterai dengan kemampuan unik: menghasilkan hidrogen. Sekarang, 120 tahun kemudian, baterai itu baru menjadi populer.

NIKEL.CO.ID – Para pejalan kaki di jalanan West Orange, New Jersey, terkaget-kaget saat sebuah mobil listrik melesat melewati mereka.

Mobil itu menderu di atas jalanan berkerikil. Dari luar, tampak ruang interiornya lapang, yang cukup mengejutkan bagi sebagian orang.

Ia melaju dua kali lebih cepat dari mobil-mobil konvensional yang disalipnya, meninggalkan debu-debu beterbangan di permukaan jalan.

Kuda-kuda yang menarik kereta di jalanan itu mungkin merasa terganggu dengan kepulan debu tadi.

Adegan ini terjadi di awal tahun 1900-an, dan sang pengendara mobil adalah Thomas Edison. Mobil listrik bukan hal baru di wilayah itu, tapi sebagian besar masih mengandalkan baterai timbal-asam yang berat dan tidak praktis.

Edison melengkapi mobilnya dengan sejenis baterai baru yang, ia harap, suatu saat nanti bisa dipakai sebagai bahan bakar kendaraan di seluruh negeri: baterai nikel-besi.

Ia membangun temuannya dari hasil kerja penemu Swedia, Ernst Waldemar Jungner, yang pertama kali mematenkan baterai nikel-besi pada 1899. Edison menyempurnakan baterai itu untuk digunakan di mobil.

Edison mengklaim baterai nikel-besi sangat tangguh, dan bisa diisi dua kali lebih cepat daripada baterai timbal-asam.

Dia bahkan membuat kesepakatan dengan Ford Motors untuk memproduksi kendaraan listrik yang diyakini akan lebih efisien ini.

Memang, masih ada beberapa masalah dengan penggunaan baterai nikel-besi. Ukurannya lebih besar dari baterai timbal-asam yang lebih umum digunakan, dan harganya lebih mahal.

Juga, ketika diisi, baterai ini akan melepaskan hidrogen, yang dianggap mengganggu dan bisa berbahaya.

Sayang, pada saat Edison berhasil membuat prototipe yang lebih baik, mobil-mobil listrik mulai tergantikan oleh mobil berbahan bakar fosil yang dapat menempuh jarak lebih jauh sebelum harus diisi ulang.

Kesepakatan yang dibuatnya dengan Ford Motors berantakan, meski baterai Edison terus digunakan di beberapa hal khusus, seperti untuk sistem persinyalan kereta api, yang tak masalah dengan ukuran besarnya.

Lebih dari seabad kemudian, para insinyur menemukan kembali nilai baterai nikel-besi, yang mereka sebut sebagai berlian yang masih kasar.

Sekarang, baterai ini diteliti sebagai jawaban dari tantangan panjang pencarian sumber energi terbarukan: sebuah alternatif dari sumber energi alami yang sifatnya terputus-putus seperti angin dan matahari.

Hidrogen, produk sampingan yang dulu dianggap membahayakan, justru bisa menjadi salah satu hal paling berguna tentang baterai ini.

Mari kita percepat kisah ini ke 2010. Sebuah tim riset dari Delft University of Technology di Belanda menemukan penggunaan baterai nikel-besi berdasarkan hidrogen yang diproduksinya.

Saat listrik melewati baterai kala diisi ulang, ia mengalami reaksi kimia yang melepaskan hidrogen dan oksigen. Tim tersebut menemukan bahwa reaksi ini mirip dengan proses yang dipakai untuk memisahkan hidrogen dari air, yang dikenal sebagai elektrolisis.

“Bagi saya, proses kimianya sama,” kata Fokko Mulder, pemimpin tim riset Delft University.

Reaksi pemisahan air ini merupakan salah satu cara memproduksi hidrogen menjadi bahan bakar — bahan bakar yang sepenuhnya bersih, bila energi yang dipakai untuk menciptakan reaksi kimia tersebut juga energi bersih.

Mulder dan timnya tahu bahwa elektrode dalam baterai nikel-besi mampu memisahkan diri dari air, namun mereka terkejut saat mendapati elektroda tersebut memiliki energi lebih tinggi daripada sebelum hidrogen diproduksi.

Dengan kata lain, baterai ini akan bekerja dengan lebih baik bila digunakan sebagai elektrolisis juga.

Mereka juga terkejut melihat seberapa baik elektrode di baterai ini menahan elektrolisis, yang dapat membebani dan merusak baterai tradisional pada umumnya.

“Dan, tentu saja, kami cukup puas karena efisiensi energinya tampak bagus,” ujar Mulder, mengacu pada level 80-90%.

Mulder menyebut penemuan ini “battolyser”, dan mereka berharap temuan mereka bisa memecahkan dua tantangan utama energi terbarukan: penyimpanan energi dan produksi bahan bakar bersih.

“Anda akan mendengar diskusi tentang baterai di satu sisi, dan hidrogen di sisi lain,” ujar Mulder. “Selalu ada semacam persaingan di antara keduanya, tapi pada dasarnya Anda membutuhkan keduanya.”

Nilai Terbarukan

Salah satu tantangan terbesar sumber energi terbarukan seperti angin dan matahari adalah tak dapat diprediksi dan terbatas waktu.

Dengan tenaga surya, misalnya, Anda harus memiliki simpanan daya yang diproduksi selama siang hari dan musim panas, tapi pada malam hari dan musim dingin, pasokannya menyusut.

Baterai konvensional, seperti yang berbahan litium, dapat menyimpan energi dalam jangka pendek. Tapi saat mereka terisi penuh, mereka harus melepaskan kelebihannya atau mereka menjadi terlalu panas dan rusak.

Battolyser nikel-besi, di sisi lain, akan tetap stabil saat terisi penuh, dan di titik itu ia beralih membuat hidrogen.

“Baterai nikel-besi tangguh, mampu bertahan dari pengisian yang kurang atau berlebihan lebih baik dari baterai lain,” kata John Barton, rekan peneliti di Sekolah Teknik Mesin, Listrik dan Manufaktur, Universitas Loughborough di Inggris, yang juga meneliti battolyser.

“Dengan produksi hidrogen, battolyser mampu menambah simpanan daya selama berhari-hari bahkan saat pergantian musim.”

Selain memproduksi hidrogen, baterai nikel-besi juga mempunyai sifat berguna lainnya. Yang utama, ia sangat mudah dirawat. Baterai ini juga awet, seperti yang telah dibuktikan oleh Edison dengan mobil listriknya. Beberapa bahkan bisa bertahan hingga 40 tahun.

Logam yang dibutuhkan untuk membuat baterai — nikel dan besi — juga lebih umum dari, katakanlah, kobalt yang digunakan untuk membuat baterai konvensional.

Ini berarti, battolyser dapat membantu membuat energi terbarukan lebih menguntungkan.

Seperti industri lainnya, harga energi terbarukan berfluktuasi berdasarkan penawaran dan permintaan. Pada hari-hari yang cerah, bisa jadi ada banyak energi surya yang menyebabkan surplus dan penurunan harga jual. Battolyser dapat membuat kurva lebih simbang.

“Saat harga listrik naik, Anda bisa melepaskan baterai. Namun saat harga listrik rendah, Anda bisa mengisi daya baterai dan membuat hidrogen,” ujar Mulder.

Dalam hal ini, battolyser tidak sendiri. Elektrolisis alkali tradisional yang digabungkan dengan baterai juga bisa melakukan fungsi yang sama, dan jamak digunakan di industri penghasil hidrogen.

Dan meski hidrogen adalah produk langsung dari battolyser, sejumlah zat berguna lainnya dapat dihasilkan dari baterai tersebut, seperti amonia atau metanol, yang lebih mudah disimpan dan dipindahkan.

Meningkatkan Skala

Saat ini battolyser terbesar yang ada memiliki daya 15kW/15kWh, memiliki kapasitas baterai yang cukup besar dan simpanan hidrogen untuk memberi daya pada 1,5 rumah tangga.

Battolyser yang lebih besar dengan daya 30kW/30kWh terdapat di pembangkit listrik Magnum di Eemshaven, Belanda, yang menyediakan daya cukup untuk memenuhi kebutuhan pembangkit listrik tersebut.

Setelah menjalani pengujian ketat di sana, battolyser akan diproduksi lebih banyak dan didistribusikan pada produsen energi terbarukan, seperti pembangkit tenaga surya dan angin.

Pada akhirnya, battolyser diharapkan mampu mencapai daya skala gigawatt — atau setara dengan daya yang dihasilkan sekitar 400 turbin angin.

Barton juga melihat peranan battolyser yang lebih kecil, yang bisa dipakai untuk menyediakan energi bagi komunitas yang hidup di wilayah terpencil dan tak punya jaringan listrik utama.

Fakta bahwa elektroda battolyser terbuat dari logam yang cukup umum dan murah membuat semuanya mungkin lebih mudah. Tak seperti litium, nikel dan besi tak membutuhkan banyak air saat ditambang. Kedua logam ini juga tak dihubung-hubungkan dengan kerusakan lingkungan.

Tetap saja, Mulder dan Barton melihat akan ada kesulitan dalam hal efisiensi dan kapasitas.

“Battolyser sangat butuh peningkatan kapasitas daya sebagai baterai, atau pengurangan resistensi internal,” kata Barton. Semakin tinggi resistansi internal, maka semakin rendah efisiensi sebuah baterai.

Meningkatkan kedua hal itu adalah sesuatu yang sedang dikerjakan oleh tim Mulder.

Sebagian besar potensi battolyser sesungguhnya tersembunyi di depan mata selama ini, sejak Thomas Edison pertama kali bereksperimen dengan baterai nikel-besi pada pergantian abad ke-20.

Edison mungkin salah karena meyakini baterainya akan mampu menggantikan kendaraan lain di jalanan. Tapi baterai nikel-besi mungkin memiliki peran besar dalam menggantikan bahan bakar fosil, dengan membantu mempercepat transisi menuju energi terbarukan.

Anda dapat membaca artikel ini dalam bahasa Inggris dengan judul The battery invented 120 years before its time pada laman BBC Future.

Sumber: BBC.com