Baterai ada di mana-mana. Mereka ada di ponsel kita, pesawat terbang kita, mobil bertenaga bensin kita, bahkan — dalam kasus orang dengan alat pacu jantung atau perangkat medis implan lainnya — tubuh kita.
Baterai yang benar-benar akan menjadi masalah di masa depan, bukan yang akan membantu Anda memainkan Angry Birds di ponsel Anda selama 12 jam berturut-turut atau memulai kendaraan Anda di pagi musim dingin yang sangat dingin. Baterai yang berpotensi mengubah prospek energi dunia akan memberi daya pada kendaraan listrik dan menyediakan penyimpanan untuk jaringan listrik.
"Jika Anda dapat melambaikan tongkat ajaib dan memecahkan masalah energi dunia, Anda hanya perlu mengubah satu hal: baterai, " kata Ralph Eads, wakil ketua perusahaan perbankan investasi Jeffries LLC, yang berinvestasi dalam teknologi energi baru.
Masalah dengan energi bukanlah bahwa kita tidak memiliki cukup energi; teknologi baru seperti pengeboran horizontal dan rekahan hidrolik, atau “fracking, ” baru-baru ini membuka jumlah bahan bakar fosil yang tak terbayangkan hanya satu dekade lalu. Masalahnya adalah bahwa ketergantungan kita pada bahan bakar fosil untuk sebagian besar energi kita sangat tidak sehat, menyebabkan jutaan kematian dini setiap tahun dan mengubah iklim dengan cara yang drastis dan tak terduga.
Tetapi bahan bakar fosil bukan sumber energi populer hanya karena sangat berlimpah. Mereka populer karena mereka dapat menyimpan banyak energi di sejumlah kecil ruang. Baterai juga menyimpan energi, tetapi dalam perbandingan pound per pon, mereka tidak bisa bersaing. Tempat termudah untuk menunjukkan perbedaan ini adalah di dalam mobil:
Baterai dalam hibrida Toyota Prius memiliki sekitar 225 watt-jam energi per pon. Itulah kepadatan energi aki mobil - jumlah energi yang dapat disimpan per unit volume atau berat. Bensin dalam Prius itu mengandung 6.000 watt-jam per pon. Perbedaan kepadatan energi antara bahan bakar minyak cair dan bahkan baterai yang paling canggih menciptakan skenario di mana Chevrolet Suburban seberat 7.200 pound bisa menempuh 650 mil dengan tangki gas dan Nissan Leaf yang semuanya listrik, yang beratnya kurang dari setengahnya., memiliki jangkauan hanya sekitar 100 mil.
Dan meskipun sekitar 80 persen dari perjalanan mobil orang Amerika pergi kurang dari 40 mil, penelitian konsumen menunjukkan bahwa pengemudi menderita "kecemasan jarak jauh". Mereka menginginkan mobil yang dapat melakukan perjalanan jauh serta bolak-balik untuk bekerja dan melakukan tugas di sekitar kota.
Kepadatan energi tetap menjadi bire noire baterai selama 100 tahun. Setiap kali ada teknologi atau desain baru yang meningkatkan densitas energi, aspek penting lain dari kinerja baterai — katakanlah, stabilitas pada suhu tinggi, atau berapa kali itu dapat dikeringkan dan diisi ulang — menderita. Dan ketika salah satu dari aspek-aspek tersebut ditingkatkan, kepadatan energi menderita.
Teknologi lithium-besi fosfat adalah contoh yang baik. Baterai ini, dari BYD pabrikan Cina, banyak digunakan pada kendaraan listrik dan hibrida di Cina selatan. Mereka mengisi daya lebih cepat daripada baterai lithium-ion yang umum di kendaraan listrik lainnya, seperti Leaf, tetapi mereka kurang padat energi.
Aspek lain yang sangat dihargai dalam desain baterai adalah berapa kali baterai dapat diisi dan dikeringkan tanpa kehilangan kemampuan mereka untuk menyimpan energi. Nickel-metal hydride, atau NiMH, baterai, yang telah menjadi pekerja keras untuk kendaraan hibrida termasuk Prius dan Ford's Escape hybrid selama lebih dari satu dekade, berhasil dalam kategori ini. Ted J. Miller, yang bekerja pada teknologi baterai canggih untuk Ford Motor Company, mengatakan bahwa Ford telah mengeluarkan baterai dari Escape hybrids yang digunakan untuk 260.000 mil layanan taksi di San Francisco dan menemukan mereka masih memiliki 85 persen dari kemampuan daya asli mereka . Daya tahan itu merupakan keuntungan, tetapi untuk kendaraan listrik murni, baterai NiMH jauh lebih berat untuk jumlah energi yang sama yang disimpan oleh baterai lithium-ion; bobot ekstra menurunkan jangkauan kendaraan. Baterai NiMH juga beracun — jadi jangan membuangnya ke tempat sampah saat kehabisan jus — harus didaur ulang. Dan karena nikel mungkin lebih langka di masa depan daripada lithium, baterai ini bisa menjadi lebih mahal.
Baterai polimer lithium-ion memiliki kepadatan energi yang sedikit lebih tinggi daripada versi lithium-ion biasa — prototipe kendaraan Audi menempuh 372 mil dengan sekali pengisian daya — tetapi baterai tidak dapat diisi ulang dan dihabiskan berkali-kali, sehingga daya tahannya lebih rendah.
Perlu diingat bahwa meskipun ada batasan-batasan ini, baterai yang dirancang untuk menggerakkan mobil telah menempuh perjalanan jauh dalam waktu yang relatif singkat — hanya 40 tahun yang lalu, baterai dengan kepadatan energi kurang dari setengah yang ditemukan pada hibrida dan kendaraan listrik saat ini adalah dianggap sebagai mimpi eksotis — dan mereka terikat untuk meningkatkan lebih lanjut. "Kami melihat jalur yang jelas untuk menggandakan kemampuan baterai, " kata Ford, Miller. “Itu tanpa mengubah teknologinya secara dramatis, tetapi meningkatkan prosesnya sehingga kami memiliki baterai otomotif berkualitas tinggi dengan kandungan energi yang sama seperti yang kami temukan pada perangkat portabel saat ini.”
Baterai seperti itu untuk kendaraan listrik akan mengubah transportasi, membuatnya jauh lebih ramah iklim. Transportasi menyumbang sekitar 27 persen dari emisi gas rumah kaca AS, dan sekitar 14 persen dari emisi di seluruh dunia. Sembilan puluh lima persen kendaraan penumpang AS menggunakan minyak bumi. Jika mobil dan truk itu dapat diganti dengan kendaraan listrik, jika akan secara signifikan mengurangi polusi bahkan jika listrik terus datang terutama dari batubara, Departemen Energi telah menemukan. Itu karena mesin pembakaran internal sangat tidak efisien, kehilangan sebanyak 80 persen energi dalam bahan bakar mereka menjadi panas, sementara motor listrik menempatkan hampir semua energi mereka untuk mendorong kendaraan.
Baterai dapat berperan dalam mengubah sumber listrik kita, juga, dengan menyimpan energi yang dihasilkan dari sumber terbarukan seperti angin dan matahari. Karena utilitas telah meningkatkan persentase listrik yang mereka hasilkan dari sumber-sumber ini, prinsip panduannya adalah bahwa pembangkit listrik berbahan bakar gas akan diperlukan untuk memenuhi permintaan ketika turbin angin dan sel fotovoltaik tidak berproduksi. Jika kelebihan energi terbarukan yang diproduksi ketika permintaan rendah dapat ditransfer ke baterai, disimpan tanpa kehilangan yang signifikan dan dikeringkan dengan cepat ketika permintaan naik — dan jika sistem itu cukup murah — itu akan meniadakan kebutuhan untuk kedua pembangkit listrik tenaga batu bara yang terbarukan akan ganti, dan pabrik gas alam dianggap penting untuk menemani angin dan matahari.
"Baterai volume besar yang dapat menggeser waktu energi akan menjadi pengubah permainan, " kata Peter Rothstein, presiden New England Clean Energy Council.
Baterai yang menyimpan energi untuk jaringan memiliki persyaratan yang berbeda dengan yang masuk ke mobil, karena kendaraan membutuhkan baterai yang relatif kompak yang dapat mentransfer energi mereka hampir secara instan. Jadi teknologi yang tidak bekerja dengan baik untuk menyalakan kendaraan listrik bisa menjadi sangat baik dalam menyimpan daya untuk jaringan.
Baterai Lithium-air, sebuah teknologi yang relatif baru yang telah menghasilkan banyak kegembiraan, dapat memiliki kepadatan energi yang lebih besar daripada baterai lithium yang ada, tetapi mereka memberikan jauh lebih sedikit daya yang dibutuhkan untuk mempercepat kendaraan, kata Ford Miller. "Jika Anda membutuhkan daya 120 kilowatt, dengan lithium-air Anda mungkin memerlukan 80 hingga 100 kilowatt-jam energi baterai untuk memenuhi persyaratan itu, " jelas Miller. "Itu baterai yang sangat rumit, sangat besar." Itu tidak akan bekerja dengan baik di dalam mobil - Ford Focus EV, sebagai perbandingan, menggunakan sedikit lebih dari 100 kilowatt daya dengan baterai 23 kilowatt jam - tetapi mungkin ketika duduk di sebelah ladang angin.
Baterai aliran vanadium, perkembangan menjanjikan lainnya, juga memiliki kepadatan energi yang tinggi, dan mereka memiliki waktu pengosongan yang cepat, yang membuatnya ideal untuk penyimpanan. Itulah aplikasi yang Ron MacDonald, CEO American Vanadium, ajukan kepada mereka. “Ada banyak opsi penyimpanan yang bagus, tetapi setiap orang memiliki masalah, ” MacDonald mengakui. "Masalah kami selalu merupakan biaya dimuka, karena kami lebih mahal." Baterai aliran vanadium dapat bertahan 20 tahun, "jadi kami berada di bawah sebagian besar lainnya jika Anda melihat biaya selama masa pakai baterai, " dia berkata.
Tetapi pengembangan dari apa yang disebut "smart" grid - yang akan menggunakan algoritma dan teknologi komunikasi canggih untuk merespon dengan cepat ketika pasokan listrik dan permintaan konsumen surut dan mengalir - dan penyimpanan terdistribusi mungkin membuat lebih banyak baterai padat energi lebih tidak diperlukan daripada para ahli berpikir di masa lalu. Dengan puluhan ribu baterai kecil di mobil, lampu lalu lintas, dan tempat lain di seluruh kota, sebuah utilitas listrik secara teoritis dapat menarik daya dari baterai ini selama masa permintaan tinggi, dan mengembalikan energi ke pelanggan beberapa jam kemudian.
Utilitas juga dapat mencoba mengubah kapan dan bagaimana orang menggunakan energi dengan membebankan tarif selangit untuk pembelian listrik pada tingkat tertentu selama periode permintaan tinggi. Pelanggan akan berkecil hati untuk menempatkan beban tinggi pada sistem, seperti dengan mengoperasikan peralatan besar atau mengisi mobil listrik mereka, pada saat-saat itu. Seperti baterai, praktik semacam itu akan meratakan kurva kebutuhan produksi listrik yang dibebankan pada utilitas.
"Respons permintaan akan memainkan peran yang sama pentingnya dengan penyimpanan, " kata Randy Howard, direktur perencanaan dan pengembangan sistem tenaga untuk Departemen Air & Tenaga Los Angeles.
Meskipun demikian, Howard ingin melihat baterai membawa ke jenis utilitas kemajuan yang telah dilihat produsen minyak dan gas. "Kita semua berharap bahwa pada titik tertentu akan ada lompatan teknologi dalam baterai, tetapi itu belum terjadi, " kata Howard. "Kami sedang mencari fracking kami di dunia baterai."
