Akankah Baterai Ion Natrium Menggantikan Baterai Ion Litium?

Tahun 2021, yang baru saja berakhir, kita dikejutkan oleh beberapa perusahaan ponsel merelakan kehilangan pasar di beberapa negara dikarenakan kelangkaan bahan baku pembuatan ponsel seperti nikel dan litium. Litium dan nikel merupakan bahan baku utama dalam pembuatan baterai ion litium. Sejauh ini baterai ion litium masih mendominasi penggunaanya dimana-mana seperti digunakan pada ponsel, laptop, dan kendaraan listrik.

Apakah baterai berbasis litium tidak cukup sehingga harus menggunakan baterai ion natrium? Baterai berbasis litium mengancam keberlanjutan lingkungan karena praktik penambangan material dasarnya yang sangat massif di negara penghasil litium. Baterai ion litium membutuhkan bahan seperti kobalt, nikel, dan litium, yang langka, mahal, dan harus diekspor dari negara penghasil bahan tersebut sehingga biaya produksinya mahal. Di masa yang akan datang, baterai berbasis litium akan menjadi masalah dalam memenuhi permintaan yang luar biasa untuk penyimpanan energi listrik.

Beberapa tahun terakhir, para ilmuwan melakukan serangkaian penelitian tentang kemungkinan penggunaan material baru pengganti litium dalam pembuatan baterai. Salah satu material yang menjadi kandidat yang baik dalam penyimpanan energi skala besar adalah unsur natrium. Unsur natrium memiliki sifat kimia yang mirip dengan unsur litium yang terletak pada golongan yang sama dalam tabel periodik unsur yaitu golongan alkali. Selain itu natrium sangat berlimpah dibandingkan dengan litium, lebih murah, dan berkelanjutan (sustainable) yang dapat diperoleh dari lautan ataupun kerak bumi.

Sebuh hasil studi yang dipublikasikan pada tahun 2018 menyebutkan bahwa tim peneliti dari Mechanical and Materials Engineering-Washington State University (WSU) yang dipimpin oleh Professor Yuehe Lin bekerja sama Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) yang dipimpin oleh Xiaolin Li, telah berhasil memproduksi baterai ion natrium (sodium-ion battery) yang dapat menyimpan energi sebanyak baterai ion litium (lithium-ion battery). Hasil penelitian ini merupakan lompatan besar dalam produksi baterai ion natrium.

Lebih lanjut, hasil penelitian yang dipimpin oleh Yuehe Lin dan Xiao Lin mampu menciptakan katoda oksida logam berlapis dan elektrolit cair yang mencakup ion natrium ekstra, menciptakan elektrolit yang memiliki interaksi yang lebih baik dengan katodanya. Desain katoda dan sistem elektrolitnya memungkinkan pergerakan ion natrium yang berkelanjutan, mencegah pembentukan kristal permukaan yang tidak aktif dan memungkinkan pembangkitan listrik tanpa hambatan. Penelitian ini berhasil mengungkap hubungan penting antara evolusi struktur katoda dan interaksi permukaan dengan elektrolit. Penelitian ini mendapatkan hasil yang sangat baik dalam pengembangan baterai ion natrium dengan katoda berlapis.

Terkait dengan pengembangan baterai ion natrium, di akhir Juli 2021, sebuah perusahaan yang fokus pada pengembangan penyimpanan energi dalam bentuk baterai, Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) telah berhasil membuat baterai ion natrium dalam skala industri yang akan segera dilempar ke pasaran. Untuk mengembangkan produksinya, perusahaan ini tengah bekerjasama dengan Indonesia dan telah memulai proses pembangunan pabrik baterai listriknya di Indonesia di akhir tahun 2021.

Berdasarkan serangkaian inovasi dalam sistem kimia, baterai ion natrium generasi pertama CATL menunjukkan keunggulan kepadatan energi tinggi, kemampuan pengisian cepat, stabilitas termal yang sangat baik, kinerja suhu rendah yang hebat, dan efisiensi integrasi tinggi. Kepadatan energi sel baterai ion natrium CATL dapat mencapai hingga 160 Wh/kg pada produksi awal dan diprediksi pada produksi generasi kedua akan menghasilkan 200 Wh/kg, dan baterai ini dapat mengisi daya dalam 15 menit hingga 80% SOC (State of Charge) pada suhu kamar. Selain itu, dalam lingkungan bersuhu rendah -20°C, baterai ion natrium memiliki tingkat retensi kapasitas lebih dari 90%, dan efisiensi integrasi sistemnya dapat mencapai lebih dari 80%. Stabilitas termal baterai ion natrium melebihi persyaratan keselamatan nasional untuk baterai traksi. Baterai ion natrium generasi pertama dapat digunakan dalam berbagai skenario elektrifikasi transportasi, terutama di daerah dengan suhu yang sangat rendah, di mana keunggulannya yang luar biasa menjadi jelas. Selain itu, dapat secara fleksibel disesuaikan dengan kebutuhan aplikasi semua skenario di bidang penyimpanan energi.

Prinsip kerja baterai ion natrium memiliki prinsip kerja yang mirip dengan perangkat ion litium. Ion bergerak antara anoda dan katoda, mendonorkan atau menyerap elektron. Pada baterai litium, ion litium yang berpindah, sedangkan pada baterai natrium, ion natrium yang berpindah. Baterai natrium ion sekunder (dapat diisi ulang) memiliki prinsip charge dan discharge yang mirip dengan baterai ion litium. Ketika proses discharge, ion natrium akan berpindah dari anoda menuju katoda melalui elektrolit dan elektron akan menuju katoda melalui sirkuit luar. Sedangkan pada proses charge, ion natrium akan berpindah dari katoda menuju anoda melalui elektrolit dan elektron akan menuju anoda melalui sirkuit luar.

Gambar Ilustrasi prinsip kerja baterai ion Na (diadopsi dari Abraham K. M., 2020)

Keuntungan utama dari baterai ion natrium adalah keberlanjutan. Hal ini penting bagi dunia yang sedang berjuang untuk bebas dari sumber energi berbasis karbon. Kedepannya, baterai ion natrium dengan anoda karbon keras dan katoda bebas kobalt akan menjadi alternatif hemat biaya yang berkelanjutan dibandingkan dengan baterai ion litium. Kebutuhan akan penyimpanan daya seperti untuk kendaraan listrik dan penyimpanan energi skala besar di dunia yang telah berubah menjadi tenaga angin, matahari, dan pembangkit listrik tenaga air, yang sangat bergantung pada penyimpanan energi baterai untuk kinerja tanpa gangguan sepanjang waktu.

Sepertinya tidak menunggu waktu yang lama lagi baterai ion litium akan tergantikan oleh baterai ion natrium yang akan tersedia secara komersial dalam skala global.

Sumber Pustaka

Abraham K. M., 2020, How Comparable Are Sodium-Ion Batteries to Lithium-Ion Counterparts?, ACS Energy Lett., 2020 5(11), 3544-3547.

Song J., Xiao B., Lin Y., Xu K., dan Li X., 2018, Interphases in Sodium-Ion Batteries, Adv. Energy Mater., 2018, 1703082, 1-24.

https://www.catl.com/en/news/665.html diakses tanggal 5 September 2021.