Baterai Aliran dengan Nanofluida yang Hasilkan Kepadatan Tinggi

Baterai aliran sejauh ini terlalu besar untuk diaplikasikan. Berkat penggunaan fluida berukuran nano, teknologi baterai nanoelectrofuel memiliki kepadatan 15 hingga 25 kali lebih banyak dari baterai aliran biasa.

i tengah perdebatan penggunaan baterai baterai berbasis nikel-mangan-kobalt (NMC) dan baterai berbasis lithium ferro fosfat (LFP), muncul satu pilihan baterai teknologi baru bernama nanoelectrofuel (NEF).

Teknologi tersebut termasuk dalam baterai aliran (flow battery) yang dapat diisi ulang. Cairan elektrolitnya mengalir melalui satu atau lebih sel elektrokimia dari satu atau lebih wadah. Model ini membuat baterai mudah untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan energi dengan meningkatkan jumlah elektrolit yang disimpan di dalam wadah.

Baterai aliran itu menggunakan jenis cairan yang benar-benar baru yang disebut NEF. Dibandingkan dengan baterai aliran tradisional dengan ukuran yang sebanding, baterai ini dapat menyimpan energi 15 hingga 25 kali lebih banyak.

Dengan kapasitas yang lebih besar memungkinkan sistem baterai yang cukup kecil untuk digunakan pada kendaraan listrik dan cukup padat energi yang bisa menempuh jangkauan lebih jauh dan isi ulang energi yang cepat serta performa kendaraan yang meningkat.

Teknologi baterai ini merupakan proyek yang diharapkan dapat dilakukan oleh pihak sipil dan kini sedang diupayakan oleh Kantor Teknologi Strategis Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan (DARPA) Amerika Serikat. DARPA sendiri mengembangkan teknologi ini sebagai bagian dari upaya untuk memudahkan pengoperasiaan kendaraan listrik militer pada 2030 dan kendaraan listrik taktis pada 2050.

Baterai NEF sejauh ini dapat menghindari kelemahan yang dimiliki oleh baterai berbasis litium. Masalah pada baterai ini adalah memerlukan infrastruktur pengisian daya, yang bagi militer AS berarti harus mengerahkan infrastruktur. Padahal kendaraan militer biasanya ditugaskan di lokasi yang tidak ramah.

Pengisian waktu yang lama dan bahaya pelepasan panas seperti kebakaran, masa pakai baterai lithium yang relatif singkat, dan kesulitan memperoleh bahan baterai serta mendaur ulangnya ketika baterai lama sudah tidak berguna lagi, merupakan masalah lain.

Baterai yang mampu mengatasi masalah yang melekat pada baterai berbasis litium adalah tujuan DARPA. Baterai aliran baru tampaknya bisa memenuhi setiap permintaan itu dan jika berhasil maka manfaat elektrifikasi transportasi akan sangat besar.

Baterai NEF adalah versi baru dari baterai aliran reduksi-oksidasi (redoks), yang pertama kali diusulkan hampir satu setengah abad yang lalu. Desain tersebut kembali digunakan pada pertengahan abad ke-20, dikembangkan untuk kemungkinan digunakan di pangkalan Bulan, dan selanjutnya ditingkatkan untuk digunakan dalam penyimpanan jaringan.

Sel baterai aliran menggunakan dua larutan kimia yang mengandung ion, satu bertindak sebagai anolit, yang lainnya sebagai katolit. Reaksi elektrokimia antara dua larutan mendorong elektron melalui suatu rangkaian. Baterai aliran redoks tipikal menggunakan ion berdasarkan kimia besi kromium atau vanadium.

Pada sisi reaksi kimia, setiap larutan secara terus menerus dipompa ke sisi sel baterai yang terpisah. Ion berpindah dari satu larutan ke larutan lainnya dengan melintasi membran, sehingga larutan tetap terpisah. Di sisi kelistrikan, arus berpindah dari satu elektroda ke rangkaian eksternal, berputar sebelum kembali ke elektroda yang berlawanan.

Baterai dapat diisi ulang dengan dua cara. Pertama kedua larutan diisi di tempatnya dengan arus yang bergerak berlawanan arah, seperti cara pengisian baterai konvensional. Kedua larutan bekas dapat diganti dengan larutan yang sudah terisi daya.

Selain mengalahkan baterai lithium dalam hal kinerja dan keamanan, aliran baterai juga dapat ditingkatkan dengan lebih mudah. Jika ingin menyimpan lebih banyak energi, cukup tambah ukuran tangki penyimpanan larutan atau konsentrasi larutan. Jika ingin memberi lebih banyak daya, cukup susun lebih banyak sel di atas satu sama lain atau tambahkan tumpukan baru.

"Skalabilitas ini membuat baterai aliran cocok untuk aplikasi yang membutuhkan sebanyak 100 megawatt," ujar Kepala teknis di Volta Energy Technologies, di Naperville, Illinois, dan pakar baterai aliran, Kara Rodby, dikutip dari lamanIEEE Spectrum.

Nanofluida

Saat ini baterai aliran konvensional mengemas sangat sedikit energi ke dalam volume dan massa tertentu. Kepadatan energinya hanya 10 persen dari baterai lithium-ion. Hal ini ada hubungannya dengan jumlah bahan yang dapat ditampung oleh larutan air.

Oleh karena itu, aliran baterai sejauh ini terlalu besar untuk sebagian besar aplikasi. Untuk mengecilkannya agar muat di kendaraan listrik, maka perlu meningkatkan kepadatan energinya hingga setara dengan baterai lithium-ion. Partikel nano dapat meningkatkan kepadatan energi aliran baterai.

Salah satu cara yang baik untuk menambah kapasitas baterai aliran adalah dengan nanofluida, yang menahan partikel nano dalam suspensi. Partikel-partikel ini mengalami reaksi redoks pada permukaan elektroda serupa dengan bagaimana ion terlarut bereaksi dalam baterai aliran konvensional, namun nanofluida lebih padat energi.

Yang penting, nanofluida dirancang untuk tetap tersuspensi tanpa batas waktu, tidak seperti suspensi lainnya. Suspensi yang tidak terbatas tersebut membantu partikel bergerak melalui sistem dan melakukan kontak dengan elektroda. Partikel-partikel tersebut dapat menyusun hingga 80 persen berat cairan dan menjadikannya tidak lebih kental daripada oli motor.

Nanofluida yang tersuspensi dalam elektrolit berbasis air pertama kali diselidiki untuk aplikasi ini pada 2009 oleh para peneliti di Argonne National Laboratory dan Illinois Institute of Technology. Para ilmuwan menemukan nanofluida dapat digunakan dalam sistem dengan potensi penyimpanan energi yang mendekati baterai lithium-ion dan dengan pengisian ulang baterai aliran yang dapat dipompa.

Terlebih lagi, partikel skala nano dapat dibuat dari mineral murah yang tersedia, seperti besi oksida dan gamma mangan dioksida untuk bahan anoda dan katoda. Selain itu, karena NEF merupakan suspensi berair, bahan tersebut tidak terbakar atau meledak, dan bahan tersebut juga tidak berbahaya jika baterai bocor. Baterai memiliki jangkauan operasional yang luas antara -40 derajat Celsius dan 80 derajat Celsius.

Pada 2013, tim ini menerima hibah tiga tahun senilai 3,44 juta dollar AS dari Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) Kementerian Energi AS untuk membangun prototipe baterai NEF berkapasitas 1 kilowatt-jam. Keberhasilan prototipe ini mendorong beberapa peneliti utama untuk memisahkan diri dari sebuah perusahaan bernama Influit Energy, untuk mengkomersialkan teknologi tersebut. hay/I-1