Ilmuwan telah berhasil mengembangkan baterai yang terbuat dari sepotong kayu yang dilapisi logam, menghadirkan harapan suatu baterai yang akan menjadi sumber energi yang ramah lingkungan, murah, dan juga fleksibel. Kita tahu bahwa baterai konvensional saat ini sering menggunakan substrat yang kaku dan tidak fleksibel. Namun, ilmuwan mengetahui bahwa serat kayu dari pohon-pohon bersifat lentur/fleksibel dan secara alami dirancang untuk menahan air kaya mineral, prinsip yang mirip dengan elektrolit dalam baterai. Pada artikel ini akan dibahas berbagai logam yang digunakan sebagai komponen utama dalam baterai kayu tersebut yakni berbasis natrium, lithium, dan zinc.
Baterai Kayu Berbasis Natrium
Liangbing Hu, Teng Li, dan rekan-rekannya dari Universitas Maryland Amerika menjelajahi penggunaan kayu sebagai substrat dari baterai ion natrium. Menggunakan natrium daripada lithium akan membuat baterai menjadi ramah lingkungan. Hasil penelitian berdasarkan percobaan laboratorium menunjukkan bahwa perangkat baterai tersebut berhasil melewati 400 siklus pengisian-ulang, menjadikannya salah satu baterai nanobaterai ion natrium yang paling tahan lama. Selain itu, baterai kayu berbasis natrium tersebut juga memiliki kapasitas awal of 339 mAh/g.
Baterai yang menggunakan teknologi kayu dan natrium tersebut paling cocok untuk aplikasi penyimpanan energi berskala besar, seperti ladang angin atau instalasi energi surya, sebagaimana dituliskan dalam artikel ilmiah yang berjudul “Tin Anode for Sodium-Ion Batteries Using Natural Wood Fiber as a Mechanical Buffer and Electrolyte Reservoir”. Selain menggunakan logam natrium, baterai kayu tersebut juga menggunakan timah sebagai anoda.
Natrium belum bisa menyimpan energi seefisien lithium, oleh karena itu dalam aplikasinya tidak akan ditemukan baterai ini di ponsel atau gadget. Namun biayanya yang rendah dan bahan-bahannya mudah diperoleh membuatnya ideal untuk menyimpan jumlah energi besar sekaligus, seperti pada pembangkit listrik tenaga angin atau tenaga surya.
Jika kita menganalisis lebih lanjut, baterai natrium memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan baterai lithium, terutama terkait dengan sifat-sifat kimia dan ketersediaan bahan baku. Pertama, natrium jauh lebih melimpah di alam daripada lithium, sehingga membuatnya lebih mudah diperoleh dan lebih ekonomis. Hal t ersebut juga mengurangi risiko pasokan bahan baku yang terkait dengan industri baterai, terutama mengingat meningkatnya permintaan akan baterai untuk kendaraan listrik dan penyimpanan energi. Kedua, baterai natrium cenderung lebih aman daripada baterai lithium karena natrium tidak bersifat reaktif seperti lithium. Hal ini mengurangi risiko kebakaran atau ledakan yang terkait dengan penggunaan baterai lithium, membuatnya lebih sesuai untuk aplikasi di mana keamanan adalah prioritas, seperti kendaraan listrik dan penyimpanan energi di rumah tangga. Selain itu, baterai natrium memiliki potensi untuk memiliki umur siklus yang lebih panjang daripada baterai lithium karena natrium lebih mudah di-manipulasi secara kimia selama siklus pengisian dan pengosongan, sehingga mengurangi kemungkinan degradasi selama waktu penggunaan panjang.
Meskipun baterai natrium memiliki beberapa keunggulan, namun baterai natrium juga memiliki beberapa kekurangan yang perlu diteliti dan diatasi. Salah satu kekurangan utama baterai natrium adalah kinerja energinya yang masih kurang efisien dibandingkan dengan baterai lithium. Meskipun natrium memiliki potensi energi yang tinggi, namun saat ini teknologi baterai natrium belum sepenuhnya mengungguli baterai lithium dalam hal kapasitas energi dan densitas daya. Selain itu, masih ada tantangan terkait dengan pengembangan material katoda, anoda, dan elektrolit yang dapat memberikan kinerja yang stabil dan konsisten dalam jangka panjang. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk meningkatkan efisiensi dan kinerja baterai natrium, serta mengurangi biaya produksinya agar dapat bersaing dengan baterai lithium secara komersial. Oleh karena itu, penelitian terus dilakukan untuk mengatasi kekurangan ini melalui pengembangan teknologi baterai natrium yang lebih canggih dan dapat diandalkan untuk aplikasi masa depan.
Baca juga: Mengenal Baterai Natrium Ion dan Potensinya di Masa Depan (warstek.com)
Baterai Kayu Berbasis Lithium
Lithium telah menjadi bahan baterai utama dalam teknologi modern karena beberapa keunggulan. Pertama, sifat fisiknya yang ringan dan berat jenisnya rendah memungkinkan pembuatan baterai dengan kapasitas energi yang tinggi dalam desain yang compact. Hal tersebut sangat penting untuk perangkat portabel seperti ponsel cerdas dan laptop, yang membutuhkan daya tahan baterai yang baik tanpa menambah berat atau ukuran secara signifikan. Kedua, kemampuan lithium untuk mentransfer ion secara efisien dalam baterai memungkinkan proses pengisian dan pengosongan yang cepat serta stabil dalam jangka panjang. Daya tahan siklus yang baik dan potensi energi tinggi dari lithium menjadikannya pilihan utama untuk aplikasi daya tinggi seperti mobil listrik dan penyimpanan energi skala besar.
Tim peneliti yang merupakan gabungan dari China dan Amerika membuat baterai kayu berbasis lithium. Hasil penelitian tersebut diterbitkan dalam artikel ilmiah berjudul “Hierarchically Porous, Ultrathick, “Breathable” Wood-Derived Cathode for Lithium-Oxygen Batteries”. Selain lithium, digunakan pula logam ruthenium (Ru) sebagai material penyusun katodanya. Adapun kinerja dari baterai tersebut adalah baterai lithium yang dirakit dengan katoda kayu (ketebalan: ≈700 µm) menunjukkan kapasitas area spesifik yang tinggi sebesar 8.58 mA h cm−2 pada 0.1 mA cm−2. Selain itu, kapasitas areal dapat ditingkatkan lebih lanjut menjadi 56.0 mA h cm−2 dengan menggunakan katoda kayu yang tebal dengan ketebalan ≈3.4 mm.
Baterai Kayu Berbasis Zinc atau Seng
Baterai seng adalah jenis baterai yang menggunakan seng sebagai bahan anoda (elektroda negatif) dan biasanya digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan daya tahan tinggi dan kinerja yang stabil. Dalam baterai seng, reaksi kimia terjadi saat seng bereaksi dengan elektrolit untuk menghasilkan arus listrik. Pada saat baterai sedang diisi ulang, prosesnya berbalik, di mana seng dari elektrolit akan menempel kembali pada elektroda seng.
Tim peneliti dari China mengembangkan baterai kayu berbasis seng dan hasilnya diterbitkan dalam artikel ilmiah berjudul “Wood-based electrodes enabling stable, anti-freezing, and flexible aqueous zinc-ion batteries”. Elektroda berbasis kayu dalam baterai seng tersebut menunjukkan konduktivitas listrik yang besar, afinitas yang baik terhadap elektrolit berbasis air, kekuatan tarik yang tinggi, dan dapat menggabungkan keunggulan struktur unik dan kerangka selulosa dari kayu. Ditemukan bahwa elektroda kayu dapat secara signifikan membatasi difusi dua dimensi ion Zn2+, memfasilitasi proses desolvasi, meningkatkan kinetika deposisi Zn, dan menghambat korosi logam Zn, sehingga secara signifikan menstabilkan perilaku deposisi Zn. Dikarenakan hal tersebut, baterai kayu berbasis seng menghasilkan baterai dengan umur panjang yakni 900 jam pada 2 mA cm−2 dan 2 mAh cm−2. Baterai kayu berbasis seng juga memberikan kinerja superior bahkan pada suhu −20 °C dan saat dibengkokkan.
Keunggulan utama baterai seng adalah ketersediaan seng yang melimpah dan murah serta kemampuan baterai ini untuk menyimpan energi dalam jumlah besar per satuan beratnya. Selain itu, baterai seng memiliki potensi untuk kinerja yang stabil dan aman jika dirancang dengan baik. Namun, ada juga beberapa tantangan terkait dengan baterai seng, seperti rendahnya energi yang disimpan per satuan volume dibandingkan dengan baterai lain seperti baterai lithium-ion. Selain itu, beberapa baterai seng mengalami masalah korosi dan pembentukan dendrit seng selama siklus pengisian dan pengosongan, yang dapat mempengaruhi umur pakainya. Meskipun demikian, penelitian terus dilakukan untuk mengatasi masalah ini dan meningkatkan kinerja serta keamanan baterai seng agar dapat digunakan secara lebih luas dalam berbagai aplikasi.
Referensi
Zhu, H., Jia, Z., Chen, Y., Weadock, N., Wan, J., Vaaland, O., … & Hu, L. (2013). Tin anode for sodium-ion batteries using natural wood fiber as a mechanical buffer and electrolyte reservoir. Nano letters, 13(7), 3093-3100.
Song, H., Xu, S., Li, Y., Dai, J., Gong, A., Zhu, M., … & Hu, L. (2018). Hierarchically porous, ultrathick,“breathable” wood‐derived cathode for lithium‐oxygen batteries. Advanced Energy Materials, 8(4), 1701203.
Zhou, W., Wu, T., Chen, M., Tian, Q., Han, X., Xu, X., & Chen, J. (2022). Wood-based electrodes enabling stable, anti-freezing, and flexible aqueous zinc-ion batteries. Energy Storage Materials, 51, 286-293.