Indonesia Bisa Kembangkan Mobil Listrik, Ini Caranya

mobil listrik

Energi dan Lingkungan
Typography

Penilaian: 5 / 5

Aktifkan BintangAktifkan BintangAktifkan BintangAktifkan BintangAktifkan Bintang
 

Keinginan melihat mobil listrik beroperasi di jalan-jalan Indonesia telah muncul dalam dua periode pemerintahan terakhir. Target utama tentu saja untuk memproduksi mobil listrik dan industri pendukungnya seperti baterai ion-litium made-in Indonesia. Pertama kali ide ini dikemukakan oleh Dahlan Iskan, menteri BUMN era Presiden Susilo Bambang Yudhoyono pada tahun 20121. Tetapi kemudian ide ini tenggelam oleh berbagai isu kontroversial yang menyertainya. Terakhir, Presiden Joko Widodo menyatakan dukungannya terhadap mobil listrik (Kompas2, Republika3, CNN Inodnesia4). Tidak sedikit yang mencibir ide ini dengan berbagai alasan seperti kesinambungan ketersedian baterai ion-lithium sebagai alat penyimpan dan pengubah energi kimia ke energi listrik dan sebaliknya; belum siapnya infrastruktur pengisian ulang baterai; dan masalah pajak impor mobil listrik. Dengan timbul tenggelamnya ide mobil listrik, sangat wajar jika para pemangku kepentingan dalam bidang ini bertanya, apa yang berbeda dalam wacana mobil listrik kali ini, dibandingkan dengan era Dahlan Iskan?

Electric Car Batteries
Pertama-tama harus diakui bahwa di antara negara-negara yang mengembangkan mobil listrik dan komponen pendukungnya, posisi Indonesia tertinggal cukup jauh. Sebagai gambaran, dibandingkan negara Asia lainnya, jumlah publikasi ilmiah mengenai baterai ion-litium yang berasal dari Indonesia jauh lebih sedikit dibandingkan yang berasal dari Cina atau India, misalnya. Cina pun diuntungkan dengan sudah adanya industri yang memproduksi mobil listrik maupun baterai ion-litium5. Indonesia mungkin mengejar ketertinggalan ini jika dan hanya jika semua pihak mau berbenah, mengerahkan berbagai sumber daya untuk fokus mengembangkan industri mobil listrik. Perlu dipahami bahwa pengembangan mobil listrik memerlukan sinergi serta komitmen yang terus menerus, gigih dan konsisten dari berbagai pemangku kepentingan seperti perguruan tinggi dan lembaga penelitian sebagai ujung tombak kemajuan penelitian dan perekayasaan serta bertanggungjawab untuk mendidik generasi yang memiliki pemahaman yang baik di bidang mobil listrik maupun baterai ion-litium; industri yang melakukan pemassalan produk; perguruan tinggi dan pemerintah sebagai pihak pembuat kebijakan.

Salah satu komponen penting dalam mobil listrik adalah adalah alat penyimpan dan pengubah energi, yaitu baterai ion-litium. Tulisan ini akan membahas berbagai aspek dari baterai ion-litium termasuk permasalahan teknisnya, untuk menunjukkan bahwa kompleksitas sistem baterai ion-litium membuat pengembangan industri di bidang ini butuh usaha yang intensif dan berkelanjutan, dimulai dari penelitian dasar di tingkat laboratorium sampai proses fabrikasi. Seperti dikatakan sebuah peribahasa, Roma tidak dibangun dalam sehari.

Mekanisme kerja baterai ion-litium

Baterai adalah sebuah alat yang dapat menyimpan dan mengonversi energi dengan komponen utama terdiri dari elektroda positif (katoda), elektroda negatif (anoda) dan elektrolit yang memisahkan keduanya. Gambar 1 sebelah kiri mengilustrasikan proses pengisian (charging) baterai yang menggunakan LiMn2O4 sebagai katoda dan grafit sebagai anoda. Pada saat charging, ion Li+ berdifusi ke luar dari bahan katoda menuju anoda dengan bantuan elektrolit. Proses pelepasan litium dari katoda ini disertai oksidasi elemen mangan (Mn) yang menghasilkan elektron. Elektron kemudian ditransportasikan melalui sirkuit luar, menuju anoda. Pada anoda, elektron bersama dengan ion Li+ mereduksi grafit (Carbon). Kebalikan reaksi ini terjadi pada proses penggunaan baterai (discharging). Kapasitas baterai, didefinisikan sebagai jumlah muatan listrik pada voltase tertentu, berbanding lurus dengan jumlah ion Li+ yang dapat ditransprotasikan antara katoda dan anoda.

Prinsip Kerja Baterai

Gambar 1. Kiri: Prinsip kerja baterai litium. Kanan: Profil dari potensial vs. kapasitas.
(Klik untuk gambar ukuran penuh)

Untuk digunakan sebagai sumber energi pada mobil listrik, baterai harus memiliki energi spesifik dan tenaga spesifik yang tinggi. Dalam bahasa sehari-hari, energi spesifik memengaruhi jarak yang dapat ditempuh oleh baterai per satuan massa sementara tenaga spesifik berkorelasi dengan kemampuan baterai untuk diisi ulang/dipakai (charging/discharging) secara cepat. Selain itu, baterai juga harus memiliki masa daya tahan siklus (cycle durability) yang panjang, dan tentu saja harus aman digunakan.

Untuk memastikan energi dan tenaga spesifik yang tinggi, material elektroda harus memiliki kapasitas spesifik yang sebesar-besarnya dan memiliki kinetika reaksi (kecepatan reaksi) yang cepat. Kapasitas spesifik (dinyatakan sebagai Ah/kg) merupakan kapasitas maksimum (secara teoritis) yang bisa diperoleh dari material elektroda per satuan massa. Dalam prakteknya kapasitas spesifik yang dihasilkan oleh baterai dibatasi oleh kecepatan reaksi elektrokimia (oksidasi dan reduksi) dari material elektroda relatif pada kecepatan charging/discharging (cycling rate); komposisi material pengikat dan bahan konduktif; jenis dan ketebalan material pembungkus (packaging); dimensi baterai (cylindric atau prismatic) dan disain kutub positif dan negatifnya.  

Seperti diuraikan di atas, idealnya, material elektroda harus memiliki kapasitas spesifik yang besar, dapat dioperasikan pada voltase yang tinggi, memiliki kecepatan reaksi elektrokimia yang tinggi, tidak mudah terdegradasi dan aman untuk digunakan. Tetapi dalam prakteknya, tidak ada satu material pun yang memiliki semua sifat tersebut. Beberapa material katoda seperti LiNixCoyMn1-x-yO2 (NCM) dan LiNixCoyAl1-x-yO2 (NCA) dikategorikan sebagai material dengan kapasitas spesifik yang besar sementara LiMn2O4 (LMO) memiliki kapasitas spesifik yang lebih rendah tetapi memiliki kinetika reaksi yang lebih baik daripada NCM dan NCA. Hasil penelitian terakhir menunjukkan bahwa bahan katoda LMO tidak mengalami penurunan kapasitas yang signifikan ketika digunakan selama 1600 siklus charging/discharging pada temperatur 25 °C dengan kecepatan pengisian/pemakaian yang cukup tinggi6. Artinya, apabila baterai berbahan LMO tersebut dipakai satu kali per hari, hampir tidak ada penurunan kapasitas selama 4.5 tahun. Dengan menggunakan prosedur pemakaian yang sama dengan LMO; NCM dan NCA mengalami penurunan kapasitas yang cukup signifikan. Bahan katoda lainnya adalah LiFePO4 (LFP), merupakan bahan yang paling aman, tetapi memiliki energi spesifik yang kecil karena material ini hanya dapat dioperasikan pada voltase yang rendah. Saat ini, sebagian besar baterai ion-litium yang beredar di pasaran (termasuk untuk digunakan dalam mobil listrik) menggunakan material NCM, NCA, LMO dan LFP sebagai katoda dan grafit sebagai anoda.

Masa hidup baterai ion-litium

Pemakai perangkat elektronik seperti laptop dan telepon genggam pasti memiliki pengalaman menurunnya fungsi baterai seiring dengan bertambahnya umur pemakaian. Dalam terminologi ilmiah, dikatakan bahwa baterai telah terdegradasi. Sebagai contoh, pada awal pemakaian, baterai yang terisi 100 % (fully charged battery) dapat digunakan selama 10 jam. Setelah satu tahun pemakaian, baterai tersebut hanya dapat digunakan selama 5 jam, meskipun perangkat elektronik tersebut mengindikasikan bahwa baterai ini telah terisi 100 %. Hal ini dapat dijelaskan secara sederhana sebagai berikut.

Pada umumnya proses pengisian ulang baterai dilakukan dalam rentang potensial yang telah ditentukan oleh pabrik pembuat baterai, disebut cut-off voltage. Gambar 1 sebelah kanan mengilustrasikan profil potensial vs. kapasitas di mana potensial baterai meningkat pada saat proses charging. Tampak dalam Gambar ini bahwa profil baterai baru (abu-abu) dan terdegradasi (merah) tidak identik dikarenakan adanya over-voltage (disebabkan antara lain oleh adanya perubahan struktur mikro pada material elektroda).

Dalam praktek seari-hari, perangkat elektronik memberikan informasi mengenai tingkat keterisian baterai semata-mata berdasarkan potential perangkat tersebut. Padahal, seperti ditunjukkan oleh Gambar 1, ada perubahan profil potensial vs. kapasitas yang siginifkan pada baterai yang terdegradasi (merah), relativ pada baterai baru (abu-abu). Karenanya, meskipun baterai baru dan terdegradasi diisi ulang dengan cut-off voltage yang sama (lihat panah berwarna hijau), kedua baterai tersebut menyimpan kapasitas yang berbeda. Bagi pengguna mobil listrik, informasi mengenai kapasitas tersimpan tentu sangat penting karena   berkaitan dengan jarak maksimal yang dapat ditempuh sebelum pengisian baterai berikutnya. Permasalahannya adalah bagaimana mengukur kapasitas baterai secara akurat. Seperti diuraikan di atas, kapasitas baterai berkorelasi langsung dengan jumlah ion-litium yang aktif terlibat dalam proses elektrokimia. Ada berbagai cara untuk menentukan jumlah ion-litium aktif, salah satunya menggunakan hamburan neutron. Cara lain untuk menentukan jumlah ion-litium aktif adalah dengan membuka baterai tersebut dan melakukan analisa kuantitatif komposisi elektroda. Secara elektrokimia, metode yang paling mendekati untuk menghitung kapasitas tersisa pada baterai adalah dengan mengisi ulang baterai tersebut dengan kecepatan yang sangat rendah, mendekati kondisi stabil secara termodinamika. Metode yang diuraikan di sini tidak praktis karena membutuhkan waktu yang cukup lama dan mahal. Penentuan kapasitas baterai secara real-time adalah tantangan yang dihadapi oleh semua produsen baterai dan mobil listrik. Simulasi yang dapat memprediksi jumlah kapasitas pada baterai yang terdegradasi perlu dikembangkan dan diintegrasikan dalam mobil listrik. Hal ini bukanlah pekerjaan yang mudah karena mekanisme degradasi sebuah baterai sangat dipengaruhi oleh banyak faktor seperti temperatur pemakaian; kecepatan mengemudikan mobil listrik dan pengisian ulang baterai; juga pola penggunaan baterai, apakah pengisian ulang dilakukan ketika baterai dalam keadaan tidak terisi sama sekali (dalam bahasa sehari-hari: sampai baterai ‘habis’) atau dalam keadaan terisi setengah penuh.

Skema pembiayaan baterai ion-litium

Salah satu komponen biaya terbesar mobil listrik adalah harga baterai ion-litium, yang dapat mencapai kisaran 50% harga mobil. Dengan produksi skala besar, diharapkan harga baterai ion-litium akan menurun secara signifikan. Isu lain yang menyertai mobil listrik adalah lamanya waktu pengisian ulang baterai. Berkaitan dengan ini, ada wacana menarik yang diberikan menteri Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM) Ignasius Jonan (Kompas, 30 Juli 2017)2:

"Ide teknisnya adalah baterai mobil listrik, bila tenaganya habis, bisa ditukar dengan yang sudah terisi penuh. Sistemnya semacam penukaran tabung elpiji. Soal perakitan di mana dan impor segala macamnya itu di Kementerian Perindustrian," ujar Jonan.

Sejauh pengetahuan penulis, ide ini belum pernah diterapkan di mana pun, karenanya menjadi tantangan tersendiri. Peneliti, perekayasa dan pihak industri tentu perlu memberikan masukan mengenai kemungkinan melaksanakan ide ini baik dari aspek teknis maupun bisnis. Jika para sarjana teknik mampu merancang mobil listrik yang memungkinkan penggantian baterai secara cepat seperti yang dimaksud oleh menteri Jonan, tentu saja, adanya stasiun penukar baterai akan memberikan kenyamanan bagi pengguna mobil listrik karena bisa menghemat waktu pengisian baterai.

Jika ide ini memungkinkan secara teknis, perlu perhitungan ekonomi yang matang sehingga ide ini menguntungkan pihak konsumen dan industri. Perhitungan aspek bisnis harus dilakukan berdasarkan pemahaman akan karakter baterai, utamanya adalah adanya penurunan kapasitas (degradasi), baik karena pemakaian maupun akibat penyimpanan baterai. Tingkat terdegradasi baterai dapat berbeda-beda dari konsumen yang satu dengan lainnya tergantung dari pola pemakaian dan jenis baterai yang digunakan. Karenanya, akhir masa hidup baterai (End of Life, EOL) dapat bervariasi tergantung dari faktor tersebut. Sebagai catatan, baterai untuk mobil listrik dinyatakan mencapai akhir masa hidupnya jika kapasitas baterai tinggal 80% dari kapasitas awal. Konsumen dan industri tentu menginginkan skema penggunaan dan pembiayaan baterai yang paling menguntungkan.

Berkaitan dengan wacana dari menteri Jonan, ada beberapa skema pembiayaan yang bisa diajukan. Sekema pertama, konsumen membayar harga baterai ketika membeli mobil listrik, tetapi pihak produsen harus memberikan jaminan bahwa baterai yang dibeli dapat digunakan untuk jangka waktu dan jumlah energi (atau waktu tempuh) tertentu sesuai kesepakatan bersama. Skema kedua, pemilik mobil listrik tidak perlu membeli baterai di awal tetapi „dipinjamkan“ oleh pihak produsen. Konsumen cukup membayar harga energi sesuai dengan pemakaian, tentu dengan memperhitungkan harga „sewa“. Apa pun skema pembiayaan yang dipilih, pihak penyedia baterai tentu akan memperhitungkan lamanya masa hidup baterai (cycle-life) dalam harga jual.

Masa depan baterai ion-litium

Pada bagian ini, akan dipaparkan berbagai kegiatan penelitian yang sedang tren dalam komunitas baterai ion-litium (utamanya pada tingkat laboratorium) untuk memberikan sedikit perspektif mengenai arah perkembangan baterai di masa yang akan datang. Apabila pemerintah ingin mengembangkan industri baterai ion-litium yang berkelanjutan, mau tidak mau pemerintah harus memberikan dukungan terhadap penelitian dasar seperti yang dirangkum berikut ini.

Para peneliti telah menyadari pentingnya mengembangkan baterai untuk mengatasi keterbatasan kapasitas spesifik dari material elektroda pada baterai litium yang saat ini beredar luas di pasaran. Penggunaan produk-produk modern seperti internet of things (IoT) dan radio frequency identification (RFID) membutuhkan baterai dengan spesifikasi kusus, karenanya ikut mendorong penelitian baterai dengan konsep yang „baru“. Di masa yang akan datang, perkembangan teknologi seperti 3D printing mungkin juga dapat memiliki peran yang lebih besar pada proses produksi baterai untuk tujuan tertentu.

Salah satu penelitian yang dilakukan secara intensif adalah pengembangan material elektroda yang memiliki kapasitas spesifik yang lebih besar dan dapat dioperasikan pada potensial yang lebih tinggi untuk meningkatkan energi spesifik baterai. Selain itu, penelitian juga dilakukan untuk mengembangkan elektrolit yang lebih stabil pada rentang potensial yang lebih lebar.

Saat ini, pada umumnya baterai ion-litium menggunakan bahan elektrolit cair. Sifat negatif elektrolit cair adalah mudah terbakar. Salah satu kegairahan baru dalam dunia penelitian baterai litium adalah penelitian baterai padat (all-solid-state batteries) di mana seluruh komponen baterai berbahan padat. Sebenarnya, penelitian mengenai baterai padat bukanlah kegiatan yang baru-baru ini dilakukan, tetapi penemuan elektrolit padat yang memiliki hantaran listrik yang setara dengan elektrolit cair memberikan gairah baru untuk mengembangkan jenis baterai ini. Beberapa keuntungan penggunaan elektrolit padat diantaranya lebih stabil dan lebih aman karena tidak mudah terbakar. Tetapi seperti umumnya sistem material yang baru, tentu ada banyak tantangan untuk mengembangkan jenis baterai ini. Salah satu tantangan terbesar adalah tingginya hambatan pada permukaan batas antara material elektroda dan elektrolit (interface) yang menghambat proses elektrokimia. Keterbatasan ini tampaknya tidak akan dapat diatasi dalam rentang 1-2 tahun. Kalau pun para peneliti berhasil merekayasa interface untuk menurunkan hambatan pada baterai padat di laboratorium, proses pemassalan dan optimisasi baterai akan selalu membutuhkan waktu yang tidak sedikit.

Jenis baterai lain yang juga dikembangkan adalah thin film batteries (TFB), yaitu baterai berbahan padat di mana seluruh komponen aktifnya memiliki ketebalan dengan rentang mikrometer saja. Pada umumnya TFB diproduksi menggunakan physical vapor deposition seperti sputtering atau pulsed-laser deposition. Baterai jenis ini pun bukan merupakan konsep yang baru, tetapi maraknya pengembangan produk-produk modern seperti smart card dan wireless sensor telah mendorong lebih intensifnya penelitian TFB. Penggunaan baterai yang terintegrasi dengan sel tenaga surya tentu layak untuk ditunggu.

Perlu disadari bahwa tidak mungkin mengembangan baterai-ion litium yang dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan semua jenis peralatan. Karenanya, penelitian dan pengembangan berbagai jenis baterai diperlukan, bahkan mencakup baterai non-litium seperti baterai magnesium dan sodium.

Pemaparan singkat mengenai kompleksitas sistem baterai-ion litium dan beragamnya pilihan baterai yang dapat diproduksi secara tidak langsung memberikan gambaran adanya peluang untuk membuka lapangan kerja baru dalam bidang ini. Semakin luas dan mendalamnya pengetahuan yang dimiliki, akan semakin besar dan beragam pula jenis lapangan kerja baru yang bisa dibuka.

Baterai ion-litium sebagai penyimpan dan pengubah energi ramah lingkungan: Ilusi atau Fakta?

Bagian akhir penulisan ini akan membahas sedikit mengenai aspek lingkungan dari mobil listrik dan baterai ion-litium, dengan harapan agar konsumen tidak terlena oleh label ‚ramah lingkungan‘ yang sering disematkan pada mobil listrik. Klaim ramah lingkungan ini perlu dipahami dengan lebih cermat dan kritis, meliputi keseluruhan proses produksi, pemakaian mobil listrik dan pengisian ulang baterai sampai akhir masa hidup baterai.

Pada saat digunakan, mobil listrik tidak menghasilkan emisi gas CO2. Tetapi harus diingat bahwa proses pengisian ulang baterai memerlukan energi dari jaringan listrik. Tergantung dari sumber energi primernya (batu bara, gas alam, nuklir), proses produksi energi untuk jaringan listrik (grid) dapat menghasilkan emisi gas CO2. Sebuah studi mengindikasikan bahwa apabila sumber energi adalah batu bara, rangkaian dari proses produksi - penggunaan berulang mobil listrik - pembuangan pada akhir masa hidup baterai bahkan menghasilkan emisi gas CO2 yang lebih besar daripada mobil konvensional7.

Di sisi lain, penambangan bahan dasar (raw material) baterai seperti nikel, cobalt, mangan, litium, dan aluminium dapat memberikan dampak negatif pada lingkungan. Lebih jauh, apa yang harus dilakukan pada baterai ion-litium yang telah mencapai EOL-nya? Selain mengandung komponen yang berbahaya bagi lingkungan dan sangat energetik, baterai yang sudah tidak terpakai ini pasti membutuhkan tempat pembuangan yang luas. Untuk menekan dampak negatif terhadap lingkungan akibat penumpukan baterai mobil listrik yang tidak dapat digunakan lagi, usaha memperpanjang penggunaan baterai, bahkan setelah baterai mencapai EOL, harus mulai dipikirkan. Kelangkaan bahan dasar harus diantisipasi jika mobil listrik telah digunakan dalam skala yang besar.

Secara umum, apa pun jenis sumber energi terbarukan atau alat penyimpan energi yang dipilih, apakah fuel cell, solar cell, baterai litium atau pun supercapacitor, kita harus menyadari bahwa tidak ada teknologi yang dapat menghasilkan sampah 0 %. Untuk memastikan kualitas lingkungan yang baik dan berkelanjutan, terminologi teknologi ramah lingkungan perlu didudukkan pada porsi yang lebih mendekati kenyataan sehingga konsumen semakin bijak dalam menggunakan energi: Berhematlah!

Referensi

  1. https://oto.detik.com/modifikasi-mobil/2032649/dahlan-iskan-segera-tancap-gas-mobil-listrik-super-
  2. http://nasional.kompas.com/read/2017/07/30/13571191/jokowi-berkomitmen-kembangkan-mobil-listrik
  3. http://nasional.republika.co.id/berita/nasional/umum/17/07/30/otwa93348-preside-jokowi-minta-mobil-listrik-dikembangkan
  4. https://www.cnnindonesia.com/teknologi/20170730190229-384-231326/jokowi-angkat-bicara-soal-mobil-listrik/
  5. http://chinaautoweb.com/electric-cars/
  6. http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0378775316309934
  7. http://berc.berkeley.edu/is-the-electric-car-really-helping-the-environment/
Silakan berlangganan pada layanan Newsletter kami, untuk mendapatkan kabar apabila ada artikel baru yang diunggah.

"Dunia ini menjadi tempat yang berbahaya bukan karena di dalamnya ada orang-orang jahat, tapi karena sebagian orang tidak cukup peduli untuk mengatasi kejahatan itu."

Albert Einstein