Sulit didaur ulang dan menguras banyak air - Mungkinkah mencari alternatif baterai litium yang murah dan ramah lingkungan?

Baterai litium sangat sulit untuk didaur ulang dan membutuhkan air serta energi dalam jumlah besar untuk memproduksinya. Alternatif yang muncul bisa lebih murah dan ramah lingkungan.

Di Lembah Yarra, Australia, teknologi baterai yang baru membantu memberi daya untuk bangunan tempat tinggal dan usaha komersial di wilayah tersebut – tanpa menggunakan litium.

Baterai-baterai ini mengandalkan natrium atau sodium – elemen yang ditemukan dalam garam dapur. Terobosan ini bisa menjadi langkah baru dalam upaya menemukan baterai yang benar-benar ramah lingkungan.

Permintaan global akan baterai meningkat seiring dengan upaya dunia untuk melakukan elektrifikasi kendaraan dengan cepat dan menyimpan energi terbarukan.

Baterai litium-ion, yang biasanya digunakan pada kendaraan listrik, sulit untuk didaur ulang dan memerlukan energi dan air dalam jumlah besar untuk mengekstraksinya.

Perusahaan-perusahaan dengan panik mencari alternatif lebih berkelanjutan dari litium yang dapat membantu mendorong transisi dunia menuju energi ramah lingkungan.

“Sodium adalah sumber baterai yang jauh lebih berkelanjutan [dibandingkan litium],” kata James Quinn, kepala eksekutif Faradion, perusahaan teknologi baterai berbasis di Inggris yang memproduksi baterai natrium-ion untuk perusahaan utilitas Yarra Valley, Nation Energie.

“Sodium tersedia secara luas di seluruh dunia, yang berarti sumbernya lebih murah, dan ekstraksi airnya lebih sedikit,” kata Quinn.

“Dibutuhkan 682 kali lebih banyak air untuk mengekstraksi satu ton litium dibandingkan satu ton natrium. Itu jumlah yang signifikan.”

Baterai natrium-ion Faradion sudah digunakan oleh perusahaan-perusahaan energi di seluruh dunia untuk menyimpan listrik terbarukan.

Baterai tersebut hanyalah salah satu alternatif dari ketergantungan kita yang besar dan terus meningkat terhadap litium, yang terdaftar oleh Uni Eropa sebagai “bahan mentah penting” pada tahun 2020.

Ukuran pasar baterai litium diperkirakan akan tumbuh dari $57 miliar (Rp900 triliun) pada tahun 2023, menjadi $187 miliar (Rp3032 triliun) pada tahun 2032.

Untuk menemukan alternatif yang menjanjikan selain baterai litium, ada baiknya kita mempertimbangkan apa yang membuat baterai litium begitu populer.

Beberapa faktor yang membuat baterai ini bagus adalah masa pakai, daya, kepadatan energi, keamanan, dan harga yang terjangkau.

Namun kerugiannya juga banyak. Di akhir masa pakainya, mendaur ulang baterai litium masih merupakan proses yang rumit. Mengekstraksi logam individu dalam baterai untuk didaur ulang melibatkan pelepasan logam, kemudian memisahkannya dalam cairan untuk mengekstrak logam yang diinginkan.

“Mendaur ulang baterai litium-ion menghabiskan lebih banyak energi dan sumber daya dibandingkan memproduksi baterai baru, hal ini menjelaskan mengapa hanya sejumlah kecil baterai litium-ion yang didaur ulang,” kata Aqsa Nazir, peneliti postdoctoral di laboratorium penelitian baterai Florida International University.

Ekstraksi litium menggunakan kolam evaporasi, seperti yang dilakukan di negara-negara seperti Chili, memiliki jejak kerusakan atas air yang tinggi.

Studi menunjukkan bahwa kontaminan mungkin terlepas ke lingkungan selama proses penguapan, sehingga berpotensi berdampak pada masyarakat sekitar.

Kelangkaan air akibat pertambangan juga dapat mengancam penghidupan masyarakat adat.

Tumpang tindihnya lokasi pertambangan dengan wilayah tempat tinggal masyarakat adat juga menyebabkan migrasi paksa dan ditinggalkannya desa leluhur.

Alternatif metode evaporasi adalah penambangan batuan keras, seperti yang dilakukan di Australia. Namun hal ini mempunyai kelemahan tersendiri. Untuk setiap ton litium yang ditambang selama penambangan batuan keras, sekitar 15 ton CO2 dilepaskan ke atmosfer.

Jadi, apakah ada alternatif lain selain baterai litium-ion?

Baterai natrium-ion

Dalam baterai natrium-ion, natrium langsung menggantikan litium.

Tidak seperti baterai litium-ion, baterai natrium mengandung empat komponen utama – anoda, katoda, elektrolit, dan pemisah.

Keadaan elektrolit bervariasi tergantung pada produsennya.

Rasio natrium terhadap litium di kerak bumi adalah 23.600 bagian per juta (ppm) hingga 20 ppm.

Kelimpahan alami natrium menyebabkan biaya ekstraksi jauh lebih rendah.

Faktor lain untuk baterai natrium adalah baterai ini dapat menggunakan bahan lain yang berbiaya lebih rendah, misalnya menggantikan foil tembaga dengan aluminium foil.

Maria Forsyth, ketua ilmu elektromaterial dan korosi di Deakin University, Australia, mengatakan bahwa peralihan dari produksi baterai litium ke natrium akan memakan biaya yang cukup rendah.

“Dari segi manufaktur, transisi ini mudah karena pabrik yang sama, yang saat ini memproduksi baterai litium-ion, juga dapat memproduksi baterai natrium,” kata Forsyth.

“Ini berarti produksi dapat ditingkatkan dengan cepat.”

• Limbah tambang logam berdampak pada 23 juta orang di seluruh dunia

Salah satu manfaat baterai natrium adalah keamanannya dalam perjalanan.

“Fitur unik dari teknologi ion natrium adalah kemampuannya melepaskan natrium hingga nol volt untuk penyimpanan dan transportasi,” kata Quinn, kepala eksekutif Faradion.

Artinya, baterai ini dapat disimpan dan diangkut dalam kondisi yang lebih aman. Tingkat risiko mudah terbakar yang lebih rendah menjadikannya pilihan yang lebih aman dibandingkan dengan baterai litium, kata Quinn.

Namun, satu kelemahannya adalah kepadatan energi yang rendah.

Bagi produsen kendaraan listrik, baterai dengan kepadatan energi yang rendah merupakan masalah karena mempengaruhi jangkauan kendaraan.

Baterai litium memiliki kepadatan energi antara 150-220 Wh/kg (watt-jam per kilogram).

Sementara itu, baterai natrium memiliki kepadatan energi yang lebih rendah yaitu 140-160 Wh/kg.

Meng mengatakan hal ini berarti kecil kemungkinan baterai natrium akan digunakan secara komersial pada kendaraan listrik yang memerlukan jarak pengisian daya yang jauh.

Kendala lainnya adalah baterai natrium hanya dapat melakukan beberapa siklus pengisian daya selama masa pakainya.

Saat ini, baterai ini memiliki siklus pengisian sekitar 5.000 kali, sedangkan baterai litium-iron phosphate (sejenis baterai litium-ion) dapat diisi antara 8.000-10.000 kali.

Para peneliti berupaya memecahkan masalah ini. Pada tahun 2023, para ilmuwan dan insinyur di Tiongkok mencapai 6.000 siklus menggunakan jenis elektroda yang berbeda.

Perusahaan teknologi baterai Tiongkok, HiNa, meluncurkan pembangkit listrik penyimpanan energi 100 kWh pada tahun 2019, yang menunjukkan kelayakan baterai natrium untuk penyimpanan energi skala besar.

HiNa juga baru-baru ini menguji coba sejumlah kendaraan listrik bertenaga baterai natrium.

Baterai padat

Baterai solid-state (keadaan padat) menggunakan elektrolit padat, bukan elektrolit cair atau berair yang umum ditemukan pada baterai tradisional.

Dua jenis elektrolit padat yang paling populer adalah elektrolit padat anorganik (oksida dan sulfida) dan polimer padat (garam polimer, atau polimer gel).

Penggunaan elektrolit padat mengurangi risiko pembentukan dendrit – struktur seperti pohon di dalam baterai yang dapat menyebabkan kegagalan baterai.

Baterai solid-state juga memiliki risiko yang lebih rendah untuk terbakar, kepadatan energi yang lebih tinggi, dan siklus pengisian daya yang lebih cepat.

Namun, baterai solid-state mungkin lebih sulit untuk diukur dengan cepat dibandingkan baterai natrium, kata Shirley Meng, profesor teknik molekuler di Pritzker School of Molecular Engineering di Universitas Chicago.

“Baterai natrium memiliki biaya yang lebih rendah, dan lebih mudah diintegrasikan ke dalam pabrik produksi baterai litium saat ini.”

Berdasarkan model perhitungan tahun 2020, biaya produksi baterai solid state saat ini juga lebih tinggi dibandingkan baterai litium ion.

Untuk memajukan teknologi baterai padat, penting untuk menemukan elektrolit padat yang tahan lama.

Baca juga:

• Setumpuk masalah di balik investasi China - 'Demam nikel membuat pemerintah kehilangan akal sehat'
• Mineral di ponsel kita yang dapat membantu melawan perubahan iklim
• 'Tanah kami mengering, air kami tercemar', nasib masyarakat adat di Argentina yang terdesak tambang litium

Beberapa peneliti mengatakan elektrolit padat yang ideal belum ditemukan. Namun, Solid Power yang berbasis di Colorado telah merancang baterai berbasis elektrolit sulfida yang diklaim memiliki kepadatan energi 50-100% lebih tinggi dibandingkan baterai litium ion modern.

Solid Power bertujuan untuk meningkatkan teknologi solid-state untuk menggerakkan 800.000 kendaraan listrik per tahun pada tahun 2028.

Beberapa faktor yang membuat baterai bagus adalah masa pakai, daya, kepadatan energi, keamanan, dan harga yang terjangkau.

Baterai solid-state saat ini tersedia secara komersial dalam format film tipis, menjadikannya pilihan untuk perangkat elektronik yang dapat dipakai, perangkat "internet of things" (IoT), misalnya sistem keamanan rumah dan pencahayaan pintar. Mereka juga dapat digunakan pada perangkat medis, seperti Stereax M300 milik llika, perangkat implan pinggul.

Meskipun baterai ini memiliki kegunaan dalam skala kecil, baterai tersebut saat ini bukan merupakan pilihan untuk penyimpanan energi skala besar.

“Kita harus realistis,” kata Meng. “Saat ini, mungkin baterai solid-state dapat digunakan untuk IoT dan perangkat wearable. Namun untuk teknologi solid-state yang dapat berkontribusi pada transisi energi, baterai tersebut perlu ditingkatkan skalanya untuk menghasilkan energi Terawatt hour (TWh).”

Baterai litium-belerang

Baterai litium-belerang memiliki komposisi yang mirip dengan baterai litium-ion – dan, seperti namanya, baterai tersebut masih menggunakan sebagian litium.

Litium terdapat di anoda baterai, dan belerang digunakan di katoda. Baterai litium-ion menggunakan mineral tanah jarang seperti nikel, mangan, dan kobalt (NMC) di katodanya.

Belerang lebih melimpah di kerak bumi dibandingkan nikel, mangan, dan kobalt dan proses ekstraksinya tidak memerlukan banyak sumber daya.

Gas ini juga lebih banyak tersedia karena merupakan produk sampingan dari pengolahan gas alam dan penyulingan minyak. Meskipun pasokan belerang mungkin akan berkurang dalam beberapa dekade mendatang karena dekarbonisasi global, Amerika saja memproduksi 8,6 juta ton belerang per tahun.

Jadi meskipun baterai ini mengandung litium, kandungan sulfur yang melimpah menjadikannya pilihan yang berpotensi lebih ramah lingkungan dibandingkan baterai litium-ion konvensional, kata Aqsa.

“Saat dikomersialkan, baterai ini kemungkinan akan digunakan untuk penyimpanan jaringan listrik, meskipun penggunaan seluler juga dapat dilakukan dalam jangka panjang.”

Kemiripannya dengan baterai litium-ion membuat baterai litium-sulfur relatif mudah diproduksi.

“Mereka dapat diproduksi di pabrik produksi yang sama, sehingga menghemat biaya sumber daya teknis baru,” kata Nazir.

Baterai litium-sulfur juga memiliki keunggulan fungsional tambahan karena memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi, yang berarti menghasilkan lebih banyak daya, Nazir menambahkan.

“Belerang memiliki kapasitas untuk memindahkan lebih banyak elektron. Baterai litium-belerang memiliki kepadatan energi sembilan kali lipat dibandingkan baterai litium-ion.”

Namun baterai ini memiliki kemampuan pengisian daya yang buruk. Pembentukan struktur mirip pohon yang disebut dendrit dapat menyebabkan korsleting dan kegagalan baterai.

Dengan prototipe yang bekerja hanya dalam 50 siklus pengisian daya, misalnya, prototipe tersebut belum layak untuk digunakan pada kendaraan listrik.

Baterai litium-sulfur sudah banyak beredar di pasaran, digunakan untuk gawai yang membutuhkan baterai dengan bobot lebih ringan dan waktu pengisian tunggal yang lebih lama.

Pada tahun 2020, perusahaan kimia Korea LG Energy Solutions berhasil mengemudikan drone yang ditenagai oleh baterai litium-sulfur, dan memastikan bahwa baterai tersebut memiliki siklus pengisian dan pengosongan yang stabil.

Perusahaan tersebut berencana untuk memproduksi baterai litium-sulfur secara massal dengan intensitas dua kali lipat baterai litium-ion pada tahun 2027.

Sementara itu, startup baterai Jerman, Theion, juga berupaya menghadirkan baterai litium-sulfur ke kendaraan listrik.

Satu hal yang jelas, tidak ada satu jenis baterai pun yang akan menjadi jawaban universal untuk mengganti baterai litium ion.

Tapi seperti yang dikatakan Forsyth, itu bukanlah hal yang buruk.

“Kita tidak perlu mengganti litium di semua baterai, yang diperlukan adalah diversifikasi teknologi baterai,” kata Forsyth.

“Mungkin bukan hanya satu penggantinya, tapi alternatif lain yang bisa digunakan di tempat yang tepat untuk menerapkannya.”

Anda dapat membaca artikel bahasa Inggris berjudul We rely heavily on lithium batteries – but there's a growing array of alternatives di BBC Future.

• Bagaimana mendaur ulang baterai litium mobil listrik yang sudah tak terpakai?
• Bagaimana Australia menjadi pemasok litium terbesar di dunia
• Penambangan litium ramah lingkungan, 'demam emas' yang baru