Advanced Materials for Complexity Electric Car Applications
Halo Sob, lama tak berjumpa! Pada kali ini, CHIMP mau cerita tentang advanced materials pada kendaraan listrik, khususnya mobil listrik. Tahukah Sobat Solid tentang mobil listrik? Kalau belum, mimin bakal jelasin ya!
Mobil listrik adalah kendaraan roda empat yang berjalan menggunakan motor listrik. Motor tersebut ditenagai oleh listrik dari baterai atau sel bahan bakar. Kendaraan ini berbeda dengan kendaraan konvensional yang umumnya menggunakan mesin bertenaga bensin atau diesel [1].
Gimana sih Cara Mobil Listrik Bekerja?
Jadi Sob, secara umum, mobil listrik bekerja melalui mekanisme berikut.
- Ketika pedal pada mobil ditekan, controller akan mengatur daya listrik dari baterai, lalu menyalurkan ke inverter, dan mengatur traksi dari ban kendaraan
- Dengan pengaturan dari controller, inverter kemudian mengirimkan sejumlah energi listrik ke motor sesuai dengan kedalaman tekanan pada pedal
- Motor traksi listrik mengubah energi listrik menjadi energi mekanik (rotasi/putaran)
- Putaran dari rotor pada motor akan memutar transmisi sehingga roda berputar, lalu mobil pun bergerak
Secara garis besar, mobil listrik diklasifikasikan menjadi 4 jenis nih, Sob yaitu Battery Electric Vehicle (BEV), Hybrid Electric Vehicle (HEV), Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV), Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV).
Apa Aja Sih Komponen Mobil Listrik?
Secara umum Sob, komponen penting dalam mobil listrik terbagi menjadi yaitu baterai kendaraan listrik, sistem kelistrikan dan motor penggerak, serta struktur ringan dari mobil listrik tersebut. Pembahasan mimin mulai dari baterai kendaraan listrik, khususnya mobil listrik.
- Baterai Mobil Listrik
Jenis baterai yang digunakan pada mobil listrik yaitu Lithium-Ion Battery (Li-Ion Battery), bukan baterai AA ya sob:v. Lithium-Ion Battery merupakan salah satu jenis baterai yang dapat diisi ulang [3]. Bagian utama yang menyusun Lithium-Ion Battery yaitu elektroda negatif (anoda), elektroda positif (katoda), elektrolit dan separator.
Komponen penyusun baterai
Anoda adalah elektroda negatif yang bertindak sebagai pengumpul ion lithium. Material yang digunakan sebagai anoda harus memiliki sifat seperti kapasitas energi yang tinggi, kapasitas penyimpanan dan pelepasan muatan/ion yang baik, masa pakai yang lama, mudah diproses/dibuat, aman digunakan (tidak beracun) dan murah. Salah satu material yang berfungsi sebagai anoda adalah lithium titanium oksida (LTO) dan material berbasis karbon seperti LiC6 atau grafit, Soft Carbon, dan graphene.
Katoda adalah elektroda positif yang bertindak sebagai pengumpul ion negatif. Material yang digunakan sebagai katoda harus memiliki sifat seperti terdiri dari ion yang mudah melakukan reaksi reduksi dan oksidasi, memiliki konduktivitas yang tinggi seperti logam, memiliki kerapatan energi dan kapasitas energi yang tinggi, memiliki kestabilan yang tinggi (tidak mudah berubah strukturnya atau terdegradasi baik saat pemakaian maupun pengisian ulang), harganya murah dan ramah lingkungan. Material yang biasa digunakan sebagai katoda dibentuk dalam bentuk spinel LiMn2O4, LiCoO2, serta olivine LiFePO4F.
Elektrolit adalah suatu larutan yang berfungsi sebagai penghantar ion lithium dari anoda ke katoda atau sebaliknya. Karakteristik elektrolit yang digunakan harus memiliki sifat konduktivitas listrik yang baik karena harus dapat mengalirkan ion Lithium, aman (tidak beracun) serta harganya murah. Elektrolit ini terbagi dalam dua jenis yaitu elektrolit cair dan elektrolit padat. Keunggulan dari elektrolit cair antara lain memiliki konduktivitas ionik yang besar, harga yang murah, dan aman. Namun kekurangannya adalah memiliki performa siklus pemakaian yang rendah (tidak tahan lama) yaitu hanya berkisar 25 kali siklus dan dapat mengurangi kerapatan energi. Beberapa material yang sering digunakan sebagai elektrolit cair antara lain LiNO3 , LiClO, Li2SO4, dan LiPF6. Sedangkan, Elektrolit padat sendiri memiliki kelebihan loh Sob yaitu memiliki konduktivitas yang besar serta dapat tahan lama dibandingkan dengan elektrolit yang cair. Jenis elektrolit padat ini berupa keramik atau polimer organik. Contoh material yang dipakai untuk elektrolit padat antara lain yaitu (La,Li)TiO3.
Separator adalah suatu material berpori di antara anoda dan katoda yang fungsinya untuk mencegah terjadinya hubungan kontak antara katoda dan anoda sehingga arus listrik dapat mengalir dengan aman saat proses pengisian ulang. Beberapa hal yang penting untuk memilih material sebagai separator antara lain bersifat insulator, memiliki resistansi listrik yang kecil, stabilitas mekanik yang tinggi (tidak mudah rusak), memiliki ketahanan kimia yang baik agar tidak mudah terdegradasi/rusak karena kontak dengan elektrolit serta memiliki ketebalan lapisan yang seragam di seluruh permukaan. Beberapa material yang dapat digunakan sebagai separator antara lain polyolefins (PE dan PP), Polyvinylidene fluodire (PVdF), PTFE (teflon), PVC, dan polyethylene oxide.
**Gimana sih cara kerja baterai Li-Ion??**
Cara kerja baterai Lithium Ion terbagi menjadi 2 yaitu Charging dan Discharging.
- Proses Pemakaian Listrik (Discharging)
Elektron mengalir dari anoda ke katoda melalui rangkaian kabel konektor, sedangkan ion lithium yang berada pada sistem (di dalam baterai) bergerak dari anoda menuju katoda karena kekurangan elektron melalui elektrolit.
- Proses Pengisian Listrik (Charging)
Elektron mengalir dari katoda menuju ke anoda, sedangkan ion lithium dalam sistem berpindah dari katoda menuju anoda melalui elektrolit.
- Proses charge dan discharge baterai lithium-ion bekerja menurut fenomena interkalasi, yaitu proses pelepasan ion lithium dari tempatnya di struktur kristal suatu bahan elektroda dan penyisipan ion lithium pada tempat di struktur kristal bahan elektroda yang lain.
Reaksi yang terjadi pada sistem Lithium-Ion Battery merupakan reaksi reduksi dan oksidasi. Reaksi reduksi adalah reaksi penambahan elektron oleh suatu molekul atau atom sedangkan reaksi oksidasi adalah reaksi pelepasan elektron pada suatu molekul atau atom. Sebagai contoh, misalkan mimin memakai LiCoO2 sebagai katoda, LiC6 sebagai anoda dan LiPF6 sebagai elektrolit pada Lithium-Ion Battery. Maka reaksi yang terjadi adalah :
2. Struktur Bodi Mobil Listrik
Yang terakhir, mimin akan membahas frame atau struktur body mobil listrik. Di beberapa part body mobil listrik, biasanya digunakan material berupa paduan Aluminium. Paduan Aluminium dipilih karena memiliki kemampuan bentuk yang baik (ekstrusi, deep-drawing), kemampuan mesin, kemampuan las, dan ketahanan korosi yang sangat baik. Selain itu, aluminium juga digunakan sebagai casing dari baterai pada mobil listrik karena memiliki sifat ringan (densitas = 2,7 gr/cm³), tahan guncangan, serta mendukung sistem manajemen temperatur baterai dengan konduktivitas termal yang tinggi (K = 237 W/mK). Selain Aluminium, ternyata beberapa part body mobil listrik, biasanya digunakan juga material berupa paduan Magnesium loh Sob. Paduan Magnesium dipilih karena memiliki rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi, kemampuan dicetak (castability) yang baik, deformabilitas, daur ulang dan kapasitas redaman tinggi.
Potensi Sumber Daya Alam Indonesia
Oiya Sob, kalo berbicara SDA Indonesia, ternyata untuk aplikasi kendaraan listrik sangat melimpah loh Sob. Salah satu mineral alami yang terkandung sebagai salah satu material penyusun katoda dalam baterai mobil listrik adalah Nikel. Nikel dapat dijadikan sebagai material penyusun katoda dalam baterai mobil listrik karena nikel memiliki densitas energi/Kemampuan material dalam baterai untuk menyimpan energi yang lebih baik dibandingkan Lithium [6]. Pada penerapannya, baterai yang menggunakan lithium sebagai bahan baku pembuatan katoda kurang memiliki kapasitas energi yang tinggi sehingga penggunaan mobil listrik yang bersumber bahan bakar baterai ini tidak menjadi efektif karena jarak tempuhnya yang relatif kecil sehingga dalam katoda ditambahkan unsur Nikel untuk menambah kapasitas energi yang dapat disimpan oleh baterai sehingga meningkatkan jarak tempuh dari mobil. Namun, Nikel memiliki beberapa kekurangan yaitu tidak stabil sehingga densitas energi yang dihasilkan akan cepat turun atau dengan kata lain, baterai akan cepat rusak. Oleh karena itu, unsur Co dan Mn dibutuhkan untuk menjaga stabilitas strukturnya.
Menurut data dari BKPM, Indonesia memiliki 30% cadangan nikel dunia, yaitu sebesar 21 juta ton. Nikel dapat ditemukan di berbagai wilayah, seperti Halmahera Timur di Maluku Utara, Morowali di Sulawesi Tengah, Pulau Obi di Maluku Utara, dan Pulau Gag di Kepulauan Raja Ampat. Bijih nikel laterit (limonit dan saprolit) merupakan komoditas umum di industri nikel di Indonesia [5]. Kendala yang ditemukan saat memproses permurnian nikel dari alam menjadi nikel murni yaitu harus melalui proses High-pressure Acid Leaching (HPAL), yaitu proses pencucian mineral nikel dari pengotor menggunakan tekanan tinggi dan konsentrasi asam sulfat secara kimiawi yang tinggi dalam jumlah yang banyak sekitar 100 ton per hari dan dapat merusak lingkungan limbahnya Sob. Oleh karena itu, pengembangan nikel sebagai katoda masih terus dilakukan agar dihasilkan komposisi unsur penyusun baterai yang baik sehingga menghasilkan performa baterai yang optimum dengan memperhatikan kelestarian lingkungan.
Selain itu, unsur Mangan (Mn) sering ditambahkan pada kandungan Katoda yaitu pada Baterai Lithium Ion jenis nikel-kobalt-mangan (NMC), karena Mangan memiliki kapasitas energi tinggi dan Densitas daya(kemampuan menghantarkan energi) yang tinggi sehingga daya baterai menjadi lebih cepat terisi dan tahan lama [8]. Ketersediaan bijih mangan (Pirolusit) dapat ditemukan hampir diseluruh wilayah Indonesia, mulai dari Aceh hingga Papua Barat, dengan tingkat pasokan yang beragam. Persediaan pirolusit yang cukup besar ditemukan di Nusa Tenggara, Tasikmalaya (Jawa Barat), Sleman (Yogyakarta), Trenggalek (Jawa Timur), Kalimantan Selatan, serta Nusa Tenggara Timur dengan tingkat kemurnian mangan tertinggi, yaitu 56%. Menurut data Badan Geologi Kementerian ESDM, Indonesia memiliki 142.734.023 ton bijih mangan pada 2019, dengan persediaan yang mencapai 108.623.328 ton. Nusa Tenggara Timur memegang pasokan mangan terbesar, menyumbang 61,89% dari keseluruhan persediaan negara di dunia.
Wah, ternyata penggunaan material pada kendaraan listrik sangat kompleks juga yah, Sob! Kira-kira fakta unik apalagi yang bakal dibahas? Simak terus CHIMP yah!
Penulis
Prasetyo Wibisono (Teknik Material 2020)
Editor
Rizkynadifa Anggarine (Teknik Material 2019)
Annisa Yudiani (Teknik Material 2019)
Sumber:
- https://wartaekonomi.co.id/read241106/apa-itu-mobil-listrik Jumat, 19 Agustus 2022
- https://www.omazaki.co.id/jenis-mobil-listrik-dan-prinsip-kerjanya/ Selasa, 23 Agustus 2022
- P. Maier, “Advanced materials supply considerations for electric vehicle applications,” MRS Bulletin, vol. 46, pp. 1–12, 2022.
- https://staff.blog.ui.ac.id/chairul.hudaya/2012/12/26/material-baterai-lithium-ion/
- https://www.bkpm.go.id/id/publikasi/detail/berita/nikel-untuk-kesejahteraan-bangsa
- https://itb.ac.id/berita/detail/58295/kembangkan-teknologi-baterai-berbasis-nikel-dosen-teknik-material-itb-berharap-harga-jual-mobil-listrik-turun
- https://nikel.co.id/proses-nikel-murni-jadi-tantangan-bahan-baku-baterai-listrik/
- https://www.bkpm.go.id/id/publikasi/detail/berita/mangan-sumber-energi-bangsa
- http://geoenviron.blogspot.com/2013/02/persebaran-barang-tambang-di-indonesia.html
