“Kami hanya dibatasi oleh imajinasi.” Demikian Leif Asp, pimpinan tim peneliti dari Universitas Chalmers, Swedia. Asp dan timnya beberapa bulan lalu telah berhasil menemukan baterai struktural tak bermasa (structural massless battery) atau BSTM
Inovasi dan karya monumental tersebut merupakan akumulasi dari beberapa rangkaian penelitian sebelumnya yang dimulai pada 2007 oleh Angkatan Udara Amerika.
Baterai struktural tak bermasa (BSTM) mengacu pada baterai isi ulang yang memiliki kekuatan menahan beban pada suatu struktur. Karenanya, ketika baterai tersebut merupakan bagian dari penyangga struktur beban bisa dikatakan bobot massa baterai tersebut bisa diabaikan.
BSTM terbuat dari serat karbon untuk kutub negatif (anode) dan material litium ferofosfat (LFP) pada substrat aluminium sebagai kutub positif (katode). Kedua lapisan bahan utama tersebut dipisahkan oleh serat kaca pada matriks elektrolit padat. Ketiga jenis material tersebut membentuk tiga lapisan utuh sangat kuat walau dengan ketebalan hanya 0,5 mm.
Para peneliti dari institusi lain terus berlomba mendapatkan BSTM dengan karakter ganda: berkekuatan tinggi walau ringan sekaligus berfungsi sebagai sumber energi listrik. Leif Asp dan tim telah menghasilkan BSTM dengan kekuatan 25 GA dan densitas energi listrik 24 Wh/kg.
Rekayasa lanjutan dan formulasi yang sedang dilakukan memproyeksikan target pada 2023 akan dihasilkan BSTM dengan kekuatan lebih tinggi (75 GPa, setara dengan aluminium) sekaligus dengan densitas energi listrik lebih besar (75 Wh/kg).
Adapun baterai ion litium (LiB) konvensional berbentuk tabung atau kotak pipih. LiB yang terbaru memiliki densitas energi listrik rerata 250 Wh/kg (level sel baterai). Jadi, dari segi densitas energi LiB lebih unggul daripada BSTM. Lalu, di mana letak istimewanya BSTM?
Pada LiB, baterai hanya berfungsi sebagai sumber energi dengan bobot masa yang besar. Sedangkan BSTM memiliki kekuatan yang layak dijadikan struktur penopang beban, sangat ringan (masa jenis: 0,9 gr/cm3) sekaligus menjadi sumber energi listrik yang bisa diisi ulang.
Bobot masa media yang bergerak sangat diperhitungkan karena memengaruhi performa dan efisiensi. Penurunan masa mobil listrik (EV) sebesar 10% bisa meningkatkan jarak jelajah 14% dalam satu kali cas.
Demikian juga pada pesawat terbang. Untuk penerbangan jarak pendek, setiap penurunan masa 10 kg bisa menghemat bahan bakar hingga 0,4 kg. Untuk penerbangan jarak jauh, setiap penurunan masa 10 kg menghemat bahan bakar hingga 1,2 kg.
Mobil listrik Tesla Model 3 memiliki total masa 1.730 kg di mana 480 kg atau 28% di antaranya adalah baterai. Jumlah baterainya mencapai 4.416 buah setara energi 54 kWh. Baterai tersebut memiliki densitas energi relatif tinggi yakni 150 Wh/kg (pack level).
Kasus menarik terjadi jika BSTM digunakan menggantikan baterai ion litium konvensional di atas. Dimensinya yang sangat tipis dengan kekuatan tinggi (75 GPa) sangat memungkinkan digunakan sebagai bagian utama struktur mobil listrik pada kap mesin, atap, sebagian pintu dan sebagian sasis hingga beberapa lapis.
Pada luas bentangan 25 m2 dengan densitas energi 10,2 Wh/kg atau 211 Wh/m2 bisa disusun BSTM hingga 10 lapis dengan ketebalan total 5 mm. Total energi listrik yang dihasilkan mencapai 53 kWh, hampir setara dengan energi listrik dari 480 kg baterai konvensional. Tentu dengan bobot masa mobil yang lebih ringan.
Pesawat bertenaga baterai sudah diperkenalkan. Tahap uji cobanya dilakukan terhadap pesawat terbang mini dengan jelajah pendek. Akan tetapi, bobot masa baterai konvensional sebagai sumber energi menjadi kendala tersendiri. Cesna contohnya. Bahan bakar avtur 208 liter (setara 155 kg) pada pesawat Cesna membuatnya bisa terbang dengan jelajah 1.290 km.
Energi pada avtur dengan jumlah tersebut setara dengan 72.000 baterai dengan masa sekitar 3.000 kg. Jika dipaksakan menggunakan baterai dengan jumlah tersebut daya jelajahnya turun drastis menjadi 200 km.
Ceritanya akan lain jika BSTM digunakan sebagai bagian dari struktur pesawat itu sendiri (terutama bagian sayap) sekaligus sebagai sumber energi listrik. Jika diasumsikan bahwa rentang pesawat memiliki luas 46 m2, artinya untuk satu lapis saja akan memuat 956 baterai.
Jumlahnya akan mencapai hampir 10.000 baterai dengan total kandungan energi 102 kWh jika 10 lapis BSTM digunakan pada struktur sayap pesawat tersebut. Jika ditambahkan menjadi 20 lapis maka total energi akan menjadi sekitar 200 kWh, cukup untuk menempuh jarak hingga 340 km.
Energi listrik yang bisa digunakan dan jelajah akan makin meningkat jika ada struktur pesawat bagian lain menggunakan BSTM.
Selain ringan dan kuat, BSTM juga bersifat piezoelektrik yang bisa mengubah getaran atau tekanan menjadi listrik. Getaran yang timbul selama sebuah wahana bergerak bisa menjadi sumber energi listrik di samping dari catu daya eksternal ketika dicas.
Fungsi ganda BSTM sebagai struktur penopang dan sumber energi listrik memiliki potensi penggunaan lebih beragam di masa mendatang. Beberapa di antaranya adalah telepon genggam, sepeda listrik, satelit, drone, jam tangan pintar, peralatan medis, perangkat Internet of Things, dan lainnya.
Tampaknya, inovasi dan karya monumental tim Leif Asp dan para pendahulunya, termasuk di dalamnya inovasi lanjutan, siap diaplikasikan pada berbagai peralatan yang bakal memengaruhi beberapa aspek kehidupan.
