Mengapa Belum Ada Terobosan Teknologi Untuk Baterai

“Satu hal yang pasti bahwa semakin canggih suatu perangkat, maka semakin banyak pula daya listrik yang diperlukan. Namun sayangnya teknologi baterai yang berperan sebagai salah satu penyedia daya listrik masih belum mengalami kemajuan yang signifikan”

– catatan editor –

Artikel asli dalam Bahasa Inggris oleh: Kevin Bullis

Ditranslasikan ke dalam Bahasa Indonesia oleh: Edy Kesuma

Dicek dan ditinjau ulang oleh: Reopan editor

Mobil listrik adalah mobil yang cepat tanpa suara bising dan dengan jangkauan jarak pulang pergi jauh dari cukup. Jika anda menginginkan mobil dengan akselerasi yang sangat cepat, model S dari perusahaan Tesla sangat sulit dicari tandingannya. Dan tentu saja, mesin listrik jauh dari polusi tidak seperti mobil konvensional yang menghasilkan emisi karbondioksida dari proses pembakaran bensin. Namun ada sedikit kendala dalam penjualan kendaraan otomotif ini, dimana garis besarnya disebabkan oleh baterai yang menggerakkannya memiliki harga yang sangat mahal dan secara berkala perlu diisi ulang kembali.

Sebuah Baterai yang lebih baik dapat merubah segalanya. Namun begitu berbagai terobosan yang diperkenalkan pada dekade terakhir ini, telah gagal mengkonversinya menjadi baterai komersial yang dijanjikan memiliki peningkatan kapasitas penyimpanan energi dan penghematan dari segi biaya. Beberapa startup yang memiliki pendanaan yang cukup baik, salah satunya yang paling diingat yaitu Systems A123, memulai dengan pernyataan berani namun gagal memberikan hasil. Kisahnya dapat dibaca pada tautan ini.

The Powerhouse, sebuah buku yang ditulis oleh seorang jurnalis Steve LeVine, menceritakan kisah tentang salah satu pengumuman teknologi baterai paling dramatis baru-baru ini dan menjelaskan bagaimana hal ini akhirnya tidak menghasilkan apapun (lihat juga kisahnya pada artikel ini). Diumumkan pada Februari 2012 pada sebuah konferensi di Washington DC, dimana tempat berkumpulnya para peneliti, pengusaha, dan investor yang datang untuk mendengar pengumuman layaknya seperti Bill Gates dan Bill Clinton yang menjelaskan secara terperinci mengenai pentingnya teknologi energi baru, dan juga memulai proyek sumber pendanaan terbaru di Washington, The Advanced Research Projects Agency for Energy, atau yang disebut ARPA-E. Didirikan pada tahun 2009, ARPA-E ditugaskan mengidentifikasi penelitian yang memiliki potensi transformasi. Kepala dari badan ini adalah Arun Majumdar, telah siap membuka selubung satu dari kesuksesan besar: sebuah sel baterai, dikembangkan oleh startup Envia, yang dapat menyimpan dua kali lebih banyak dari teknologi konvensial yang sudah ada. Penggunaan baterai ini dapat membawa sebuah mobil dari Washington ke New York tanpa perlu diisi ulang, kata Majumdar, dan akan menghemat biaya dari 30 Dolar menjadi 15 Dolar. Mobil listrik akan menjadi semakin terjangkau dan semakin praktis (lihat juga pada artikel ini).

Dalam sebulan, General Motors melisensikan teknologi tersebut dan menandatangani perjanjian dukungan pada pengembangannya, mengumpulkan hak agar dapat menggunakan apapun hasil terobosan baterai yang didapatkan. Perjanjian ini berpotensi memiliki nilai ratusan juta Dolar bagi Envia, tulis LeVine. Namun dalam waktu singkat Envia mulai mendapatkan pesan kekecewaan dari para insinyur GM yang tidak dapat memproduksi ulang hasil dari yang diperoleh oleh startup ini. Setahun setelah pengumuman, perjanjian dibatalkan. Terobosan baterai dari Envia hanyalah kebetulan belaka.

LeVine memperhitungkan apa yang dikerjakan Envia menunjukkan mengapa kemajuan besar pada baterai begitu sulit diraih dan mengapa startup-startup yang menjanjikan terobosan yang dapat merubah dunia berjuang menghadapi tekanan yang berat. Dalam beberapa tahun terakhir, kami telah menyaksikan beberapa peningkatan yang patut diperhitungkan pada industri ini, mereka datang begitu besar dari sebuah perusahaan yang mapan dan kemudian terus-menerus hanya menghasilkan kemajuan yang kecil.

Sel Envia merupakan tipe baru dari baterai litium ion. Diciptakan di akhir tahun 1970-an dan awal 1980-an dan dikomersialkan pada tahun 1990-an, baterai ini menghasilkan arus listrik ketika ion litium bergerak diantara dua elektroda. Menyala dan efektif, mereka berubah menjadi komponen elektronik portabel. Penggunaannya dalam mobil listrik, baru terjadi belakangan ini. Pada tahun 1990-an, GM menggunakan baterai asam timbal yang lebih murah untuk mobil listrik EV-1. Setiap baterai memiliki berat sekitar 600 kilogram dan hanya mampu menempuh dari 55 sampai 95 mill sebelum perlu diisi ulang kembali. Ketika Tesla Motors memperkenalkan salah satu mobil listrik bertenaga ion litium pertamanya pada tahun 2008, mobil ini dapat menempuh jarak 250 mill sekali isi ulang. Secara kasar tiga kali lebih jauh dibandingkan EV-1. Namun dengan harga lebih dari 100.000 Dolar, yang sebagian besar disebabkan penggunaan baterai yang sangat mahal. Agar dapat menurunkan harga jual, mobil listrik bertenaga litium ion yang saat ini dibuat oleh perusahaan Nissan dan GM menggunakan kotak baterai yang lebih kecil dengan jarak tempuh kurang dari 100 mill.

Salah satu kesulitan dalam mengembangkan baterai yang lebih baik adalah teknologi ini masih kurang dimengerti. Perubahan salah satu komponen dalam baterai, salah satunya dengan memperkenalkan komponen elektroda baru akan dapat menghasilkan masalah yang tidak terduga, beberapa diantaranya tidak dapat dideteksi tanpa pengujian bertahun-tahun. Untuk mencapai kemajuan yang dicari oleh kapitalis ventura dan ARPA-E, Envia menggabungkan tidak hanya satu tapi dua eksperimen material elektroda.

LeVine mendeskripsikan apa yang menjadi sumber masalahnya. Pada tahun 2006 Envia telah melisensikan materi yang menjanjikan yang dikembangkan oleh para peneliti di Argonne National Laboratory. Setelah itu, sebuah masalah besar ditemukan. Masalah tersebut – yang disebut para eksekutif perusahaan baterai dengan nama “doom factor” – Pada saat itu voltase dimana baterai dioperasikan mengalami perubahan dalam suatu cara yang menyebabkannya tidak bisa digunakan. Para peneliti Argonne menginvestigasi masalah tersebut namun tidak dapat memberikan jawaban yang pasti. Mereka tidak memahami dasar-dasar kimia dan fisika material dengan baik, demi mencapai secara tepat dari apa yang menjadi penyebab masalah tersebut. Biarkan waktu yang menjawabnya, tulis LeVine.

Melalui percobaan material dengan elektrode yang bertolak belakang, dimana di sisi ini berdasarkan pada silicon, Envia menghadapi tantangan lain lagi. Para peneliti tampaknya telah berhasil memecahkan masalah utama pada elektroda silikon. Namun pemecahan masalah ini memerlukan teknik manufaktur yang tidak praktis.

Ketika Envia membuat pengumumannya pada tahun 2012, terlihat seperti membayangkan bagaimana membuat kedua eksperimen material ini dapat bekerja. Eksperimen ini mengembangkan sebuah versi elektroda silikon yang dapat dibuat dengan biaya lebih murah. Dan melalui berbagai percobaaan dan kegagalan, perusahaan dihadapkan lagi dengan penggabungan proses pelapisan yang dapat menstabilkan voltase pada material Argonne. Salah satu pendiri Envia Sujeet Kumar “mengerti bahwa jawabannya adalah campuran proses pelapisan,” tulis LeVine. “Namun dia tetap tidak mengetahui campuran apa yang menariknya atau mengapa hal itu bisa berjalan sukses.” Semenjak Envia merupakan sebuah startup dengan pendanaan terbatas, mereka tidak memiliki instrumen peralatan yang dapat digunakan untuk memecahkannya.” Namun satu hal yang menjadi jelas bahwa hasil yang dilaporkan Envia untuk produk baterainya adalah tidak tidak bisa diproduksi ulang, dan mereka memahami masalahnya menjadi semakin krusial. Bahkan perubahan kecil pada campuran material dapat menyebabkan dampak signifikan pada performanya. Sejauh yang diketahui oleh Envia, baterai yang berhasil bekerja dikarenakan suatu kontaminasi pada sejumlah material yang berasal dari salah satu supliernya.

Kisah dari Envia kontras berbanding terbalik dimana menjadi usaha paling sukses dalam memotong biaya pembuatan baterai dan peningkatan performanya. Kesuksesan ini tidak datang dari terobosan yang dihasilkan tapi dari pendekatan kerjasama dengan Tesla Motors dan suplier besar sel baterai Panasonic. Sejak tahun 2008, biaya pembuatan pak baterai Tesla berkurang menjadi hanya setengahnya saja, dimana kapasitas penyimpanan mengalami peningkatan sekitar 60 persen. Tesla tidak secara radikal mengubah proses kimiawi material pada baterai litium ion. Melainkan dengan menambah tenaga ahli teknik dan peningkatan pada proses manufaktur. Melalui pendekatan kerja sama dengan Panasonic diharapkan akan ditemukan penyesuaian proses kimiawi pada material baterai yang ada agar sesuai dengan kebutuhan yang diperlukan oleh sebuah mobil.

Tesla mengklaim telah berada pada jalur yang tepat untuk memproduksi sebuah mobil listrik seharga 35.000 dolar yang dapat menempuh jarak sejauh 200 mil pada tahun 2007. Sebuah prestasi yang sebanding dengan apa yang General Motor ingin capai pada baterai baru Envia. Perusahaan menantikan dapat menjual sekitar seratus ribu unit mobil listrik ini per-tahun, yang mana dapat menjadi lompatan besar dari penjualan sepuluh ribu unit pada tahun ini. Namun bagi mobil listrik agar dapat memiliki porsi signifikan dari sekitar 60 juta mobil yang terjual tiap tahun diseluruh dunia, unit baterai mungkin perlu dipertimbangkan agar menjadi lebih baik lagi. Karena secara keseluruhan, 200 mil masih lebih pendek dari 350-an mil bagi orang-orang yang masih menggunakan mobil berbahan bakar bensin. Dan 35.000 dolar masih tetap lebih mahal dari 15.000 dolar harga mobil berbahan bakar gas.

Bagaimana kita dapat menjembatani lebar masalah ini? Mungkin masih ada beberapa ruang untuk meningkatkan baterai litium ion, walaupun sulit dibayangkan kesuksesan Tesla pada perubahan kecil proses kimiawi baterai akan terus berlanjut. Pada suatu titik, perubahan radikal seperti yang dibayangkan Envia mungkin diperlukan. Namun pelajaran yang didapat dari kegagalan Envia yaitu setiap perubahan yang akan dilakukan harus terintegrasi dekat dengan proses manufaktur dan keahlian dari para teknisinya.

Pendekatan tersebut telah memberikan hasil yang menjanjikan pada material Argonne yang dilisensikan Envia. Baterai Envia bekerja pada voltase tinggi agar dapat mencapai tingkat atas dari kapasitas penyimpanan. Saat ini dalam proses pembuatan baterai menemukan bahwa dengan menggunakan tingkat voltase sederhana dapat secara signifikan meningkatkan kapasitas penyimpanan energi tanpa mengalami masalah yang pernah dialami Envia. Sementara itu, para peneliti baterai mempublikasikan paper yang menunjukkan bagaimana melacak sejumlah perubahan aditif tingkah laku pada material, yang memungkinkan mempertajam peningkatan voltase dan kapasitas penyimpanan energi. Kuncinya adalah mengkombinasikan penelitian yang menerangkan detail tentang proses kimia dan fisika baterai dengan kepiawaian proses manufaktur baterai yang telah dicapai dalam pembuatan produk yang praktis.

Ini adalah sebuah industri yang sangat sulit bagi sebuah startup, bagaimanapun menariknya teknologi ini, jika hanya menjalaninya seorang diri. Andy Chu, mantan eksekutif dari Systems A123, yang mengalami kebangkrutan tahun 2012, baru-baru ini memberitahu saya mengapa perusahaan-perusahaan besar mendominasi industri baterai. “Kapasitas penyimpanan baterai adalah sebuah permainan besar yang dimainkan oleh para pemain besar karena disana terdapat begitu banyak hal yang dapat berjalan ke arah yang salah dalam teknologi baterai,” katanya. “Saya berharap para startup dapat menjadi sukses. Tapi anda dapat melihat kembali ke sejarah pada beberapa tahun belakangan ini, dan hal itu tidaklah terlalu baik.”