Green-Bat: Solusi Sustainable Battery Kompatibel dan Berdensitas Tinggi

Penyimpanan energi seperti kapasitor, superkapasitor, baterai, dan bahan bakar merupakan objek paling efektif untuk meningkatkan transmisi energi. Riset mengenai baterai di Indonesia berkembang secara perlahan dan pelaksanaannya masih minim walaupun riset mengenai penggunaan baterai kian beragam. Baterai dengan kandungan nikel dan kobalt terbatas untuk perangkat elektronik rumah tangga sedangkan baterai lithium yang digunakan pada kendaraan listrik. Perkembangan teknologi kian berkembang sehingga dalam aplikasi banyak memerlukan riset mengenai baterai lithium sehingga tidak hanya digunakan dalam struktur kendaraan listrik. Menurut BBC, limbah yang dihasilkan dari ion Li susah terurai dengan menggunakan metode baterai timbal-asam. Untuk proses penghancuran dan pemisahan berbagai dalam komponen baterai Li membutuhkan biaya yang besar sehingga potensi baterai Li menjadi limbah sampah akan meningkat. Kondisi ini menjadi perbincangan hangat masyarakat Indonesia dan media massa. Berbagai kalangan mengkhawatirkan biaya yang dibutuhkan untuk mengolah limbah baterai Li menjadi mudah terurai. 

Baterai ion polymer (thin film lithium ion polymer) merupakan polimer dari ion Li yang memiliki ketebalan kurang dari 15 μm. Baterai udara logam (thin film metal air batteries) mewakili jenis sel elektrokimia melalui proses oksidasi logam dan reduksi oksigen disertai dengan pencapaian kepadatan energi tinggi, 3-30 kali lebih besar dari baterai Li-ion yang menguntungkan (Yaqoob et al., 2022). Memiliki tiga komponen utama yakni katoda udara berpori untuk pasokan oksigen, anoda logam, dan elektrolit yang mengisolasi dua elektroda. Kedua baterai tersebut memiliki potensi besar sebagai bentuk pengembangan inovasi teknologi baterai karena memiliki kapasitas penyimpanan energi yang besar, berukuran kecil, dan dapat diintegrasikan satu sama lain.

Hybrid battery merupakan solusi dari permasalahan yang dipaparkan. Konsep hybrid battery menawarkan penggabungan thin film lithium ion polymer dan thin film metal air. Dengan menggabungkan teknologi tersebut, baterai yang didesain memiliki kinerja dan karakteristik lebih baik daripada diwujudkan dalam konsep satuan. Baterai yang didesain memiliki densitas energi yang tinggi karena menggunakan lithium ion polymer yang terbuat dari silicon graphene. Penggunaan polymer memungkinkan baterai memiliki bobot yang ringan. Sementara Metal air memiliki kapasitas energi yang tinggi sehingga dapat menyimpan banyak energi. Fleksibilitas dari kedua bahan memungkinkan baterai dibuat dalam bentuk tipis yang sesuai untuk aplikasi perangkat wearable. Selain itu, penggunaan teknologi thin film dalam baterai yang didesain dapat menurunkan biaya produksi dan bahan baku. 

Baca juga : Gibran: Kompetisi Selesai, Waktunya Bergandengan

Penggabungan sistem elektrokimia yang berbeda (lithium ion polymer dan metal air) dalam satu unit baterai menggunakan membran penukar ion atau ion exchange membrane. Selain berfungsi sebagai pemisah kedua sistem elektrokimia, membran penukar ion memungkinkan perpindahan ion antarsistem. Dalam desain hybrid battery ini, membran nafion digunakan sebagai ion exchange membrane. Membran nafion merupakan membran polimer pertukaran proton yang terdiri dari struktur perfluorosulfonat isonomer (Palani et al.,2014). Membran nafion berperan sebagai penukar ion yang memungkinkan transfer proton (H+) antara kedua sistem baterai (Caretto, L. 2002). Struktur perfluorosulfonat dari nafion memiliki asam yang dapat menghantarkan proton namun tidak dapat menghantarkan spesi seperti logam atau elektron. Struktur perfluorosulfonat dapat mencegah migrasi spesi aktif yang dapat menyebabkan degradasi kinerja dan massa pakai baterai.

Struktur baterai akan terbagi menjadi tiga kompartemen yaitu, kompartmen lithium ion polymer, kompartemen nafion, dan kompartemen metal air. Reaksi elektrokimia pada kompartemen lithium ion polymer menggunakan reaksi reduksi oksidasi yang melibatkan transfer ion lithium (Li+) antara elektroda lithium dan elektroda karbon. Pada kompartemen metal air, reaksi redoks melibatkan transfer proton (H+) dan oksigen dari udara di elektroda udara. Selain itu, transfer muatan membran nafion memungkinkan transfer proton dari kompartemen metal air menuju kompartemen lithium ion polymer selama proses discharge dan proses sebaliknya yang terjadi ketika proses pengisian. Dengan adanya proses transfer proton pada kedua sistem elektrokimia yang berbeda, muatan pada kedua sitem elektrokimia akan terjaga kesetimbangannya. 

Pengaruh membran nafion dalam manajemen pengelolaan air yang dihasilkan dari reaksi kompartemen metal air. Air yang bermigrasi melalui membran akan diserap oleh elektroda lithium ion polymer dan dikeluarkan dari sistem secara terkontrol. Fabrikasi yang dilakukan dalam model sistem hybrid battery menggunakan teknik fabrikasi thin film untuk membuat struktur berlapis yang presisi dengan ketebalan nafion yang sesuai dan terintegrasi dengan kedua bagian elektrokimia. 

Baca juga : Gempa M6,1 Guncang Ransiki Papua Barat, Tidak Berpotensi Tsunami

Manajemen termal pada hybrid battery tersebut memerlukan sistem pendingin yang optimal karena pelepasan reaksi elektrokimia dalam baterai selalu disertai pelepasan panas. Dalam desain baterai ini, terdapat dua sumber panas utama. Untuk mengatasi panas yang berlebih, heat spreader atau pelat penyerap panas diletakkan pada permukaan baterai untuk menyebarkan panas secara merata di permukaan baterai untuk mencegah titik panas yang terpusat di daerah tertentu. Selain itu, microchannels juga diterapkan pada desain hybrid battery untuk menyalurkan panas yang dihasilkan.

Pemilihan bahan yang memiliki konduktivitas termal yang baik akan mempengaruhi distribusi panas yang dihasilkan dari baterai. Paduan aluminium dan tembaga digunakan sebagai bahan untuk pelat penyerap panas karena untuk desain hybrid battery ini membutuhkan konsep rekayasa untuk memperoleh bahan yang memiliki sifat termal yang baik namun tetap ringan. Penggunaan paduan tersebut untuk menyebarkan panas secara merata di permukaan baterai dan mencegah berkumpulnya hot spot untuk memperpanjang umur baterai.

Manajemen kelembapan dan kebocoran pengelolaan kelembapan yang sesuai serta pencegahan kebocoran elektrolit merupakan hal yang penting dalam rangka memperpanjang kerja dan masa pakai baterai. Pada sambungan dan celah dalam struktur baterai digunakan sealant dan gasket untuk mencegah kebocoran dan masuknya kelembapan. Ketahanan sealant dan gasket bertahan terhadap rentang suhu operasi baterai untuk mencegah degradasi atau kebocoran akibat perubahan bentuk atau sifat material. Desain alur dan celah pada sambungan komponen baterai harus presisi untuk penempatan sealant dan gasket. Untuk menjaga integritas dan keandalan baterai, sealant dan gasket harus dapat diganti dengan mudah dan efisien jika diperlukan pemeliharaan dan penggantian sealant atau gasket.

Baca juga : Garuda Kobarkan Semangat Tinggi

Dalam aspek ekonomi, hybrid battery memiliki keunggulan daripada baterai konvensional. Selain itu, penggunaan bahan yang memiliki kapasitas dan densitas energi yang tinggi dapat memperpanjang massa pakai baterai dan mengurangi biaya penggantian. Peningkatan densitas energi dan kapasitansi baterai dapat mengurangi dampak lingkungan dari produksi baterai secara keseluruhan. Pengintegrasian dua sistem dalam satu unit akan menghemat biaya perakitan dan komponen karena beberapa komponen dapat diberlakukan satu untuk dua sistem elektrokimia.

Arief Putra Pratama
Mahasiswa

Update berita dan artikel RM.ID menarik lainnya di Google News

Dapatkan juga update berita pilihan dan breaking news setiap hari dari RM.id. Mari bergabung di Grup Telegram "Rakyat Merdeka News Update", caranya klik link https://t.me/officialrakyatmerdeka kemudian join. Anda harus install aplikasi Telegram terlebih dulu di ponsel.