Bagaimana Baterai Litium-Ion Menghidupkan Kembali Mobil Listrik?

Baterai litium-ion, dengan kepadatan energi tinggi dan biaya yang terus menurun, adalah kimia baterai yang menyelesaikan masalah jangkauan dan berat mobil listrik berusia seabad, sehingga membuat mobil listrik modern menjadi mungkin secara teknis. Artikel ini menceritakan kisah yang membentang dari tahun 1890-an hingga 1991 dan bagaimana revolusi ini membentuk ulang mobil.

Apakah mobil listrik sebenarnya dimulai sebelum bensin?

Berlawanan dengan dugaan banyak pembaca, ya. Sejarah mobil listrik dimulai hampir di era yang sama dengan mesin pembakaran dalam, dan pada paruh abad pertama, listrik sama sekali bukanlah teknologi yang terpinggirkan. Antara 1827-1828, pendeta Hungaria Ányos Jedlik membuat mesin listrik pertama dan menjalankan mobil model kecil. Antara 1832-1839, Robert Anderson dari Skotlandia mengembangkan mobil listrik yang sederhana; namun sel galvanik belum bisa diisi ulang, artinya kendaraan bergerak dengan penyimpan energi sekali pakai. Pada tahun 1837, Robert Davidson membuat prototip lokomotif listrik pertama di Aberdeen; Galvani versi besar pada tahun 1841 menarik beban 6 ton sejauh 1,5 mil dengan kecepatan 4 mil per jam. Pekerja kereta api menghancurkan mesin itu karena takut kehilangan pekerjaan - resistensi pertama terhadap teknologi terjadi pada tanggal yang begitu awal.

Titik balik datang pada tahun 1859: Baterai timbal-asid Gaston Planté untuk pertama kalinya memungkinkan penyimpanan energi yang dapat diisi ulang pada kendaraan. Kimia ini terbukti begitu tangguh sehingga hingga hari ini masih digunakan pada aki kendaraan bermesin pembakaran dalam. Sekitar tahun 1884, Thomas Parker mengoperasikan trem listrik di Inggris dan memproduksi mobil listrik prototipe.

Dari Morrison ke Jenatzy: zaman keemasan pertama

Di pihak AS, titik referensinya adalah William Morrison. Pada tahun 1890, dia mengajukan paten untuk mobil listriknya di Des Moines, Iowa; kendaraan itu berpenggerak roda depan, menghasilkan 4 tenaga kuda, mencapai kecepatan 20 mph, dan dengan 24 sel baterai memerlukan pengisian setelah 50 mil. Mobil itu menciptakan sensasi di Chicago World's Fair 1893. Di Philadelphia, Salom dan Morris mendapatkan paten Electrobat pada tahun 1894; Pada tahun 1896, kendaraan itu menawarkan jangkauan 25 mil dengan dua mesin 1,1 kW dan pada tahun yang sama memenangkan balapan sprint lima mil melawan mobil bensin Duryea.

Angka-angka dengan jelas menunjukkan popularitas era awal: Pada tahun 1900, 28% mobil di jalan di AS adalah listrik; sepertiga dari 160 mobil yang dipamerkan di pameran mobil pertama adalah listrik. Untuk penggunaan perkotaan, listrik memiliki keunggulan nyata - senyap, bersih, langsung menyala dengan memutar kunci, dan jarang rusak. Pada tahun 1899, Camille Jenatzy dengan La Jamais Contente yang bermesin ganda 25 kW dan bodi dari paduan aluminium partinium menjadi orang pertama yang menembus batas 100 km/jam dan 60 mph. Di New York, Electric Company mengoperasikan lebih dari 600 taksi listrik menggunakan stasiun penggantian baterai; pada 1897 layanan taksi listrik pertama didirikan di London.

Mengapa bensin menang? Anatomi persaingan listrik–bensin

Kekalahan pertama kendaraan listrik bukan kekalahan performans, melainkan kekalahan ekonomi rekayasa. Ada empat faktor yang menentukan, dan semuanya dapat diukur:

• Biaya: kendaraan listrik hampir dua kali lebih mahal daripada kendaraan bensin dan dianggap barang mewah. Pada 1908 Ford Model T dijual 850 dolar, sementara sebagian besar kendaraan listrik dijual dengan harga setidaknya dua kali lipat; ketika Model T turun di bawah 300 dolar pada 1923, banyak kendaraan listrik sepuluh kali lebih mahal.
• Jangkauan dan penyimpanan energi: kaleng bensin cadangan jauh lebih ringan daripada baterai cadangan - inti masalahnya justru rasio massa inilah.
• Infrastruktur: di daerah pedesaan tanpa listrik tidak ada kemungkinan pengisian daya; sementara bensin adalah energi yang dapat disimpan dan dijual di mana saja.
• Starter: pada 1912 motor starter listrik karya Charles Kettering (pada Cadillac pertama) menghapus handkran dan menghapus keunggulan penggunaan utama kendaraan listrik.

Singkatnya dalam satu kalimat, kepadatan energi baterai timbal-asit tidak mampu memenuhi tuntutan massa dan jangkauan otomobil. Detroit Electric tetap dapat memproduksi lebih dari 35.000 kendaraan antara 1907-1939; istri Henry Ford, Clara Ford, menggunakan satu Detroit Electric antara 1908-1914. Di Inggris, kendaraan distribusi susu listrik yang disebut "milk float" tetap beroperasi hingga era 1980-an dan negara itu selama sebagian besar abad ke- 20 menjadi pengguna kendaraan jalan listrik terbesar di dunia - tetapi ini adalah kendaraan dengan tugas terbatas, bukan otomobil serbaguna.

Percobaan-percobaan perantara abad kedua puluh: seberat apa pun baterainya, perjalanan berlanjut

sejak era 1920-an otomobil listrik menjadi marjinal tetapi tidak sepenuhnya mati; setiap percobaan sekali lagi membuktikan bahwa masalahnya selalu ada pada baterai. Di Jepang, Tama tahun 1947 menjalani tugas taksi dengan kecepatan 20 mph dan jangkauan 40 mil menggunakan baterai timbal-asit. Henney Kilowatt (1959-1960) meningkatkan tegangan dari 36 V menjadi 72 V dan mencapai kecepatan 60 mph serta jangkauan 60 mil; namun hanya sekitar 100 sasis yang diproduksi dan 47 mobil terjual.

Eksperimen Electrovair II milik GM (1966) adalah titik data yang menunjukkan betapa seriusnya situasi: baterai perak-seng, tegangan sistem 532 V, 115 hp dan jangkauan 40-80 mil - tetapi baterai hanya bertahan 100 siklus pengisian dan paketnya menelan biaya 160.000 dolar dengan nilai uang saat itu. Pada 1971-72, Lunar Roving Vehicle (LRV) melayani target yang berbeda, yaitu keandalan tertinggi: dengan motor GM Delco dan baterai perak-seng yang tidak dapat diisi ulang, dengan biaya 38 juta dolar. Setelah embargo OPEC 1973, minatan bangkit kembali: Citicar yang dijual mulai tahun 1974 memang sederhana dengan tenaga 2,5 hp dan kecepatan sekitar 25 mph, tetapi total produksinya mencapai 4.444 unit, menjadikannya hingga 2013 kendaraan listrik paling laris di AS sejak Perang Dunia II. II hingga tahun 2013. Prototip GM Electrovette tahun 1977 menggunakan baterai timbal-asida, menempuh 50 mil dengan kecepatan 30 mph; ketika ekspektasi harga bensin tidak terwujud, proyek itu diketahui.

GM EV1: kendaraan yang menghadapi masalah baterai lebih awal

Pada 1990-an, mandat kendaraan tanpa emisi California melahirkan EV pertama dari pabrikan mobil serius pada era modern. GM memindahkan konsep Impact ke produksi dan mulai menyewakan EV1 pada 1996-97; sewa tersebut mencapai penyewa pada 1997, dengan total sekitar 1.000 unit disewakan. Model awal menggunakan baterai timbal-asida; opsi nikel-logam hidrida (NiMH) yang datang kemudian menawarkan jangkauan 70-160 mil - lompatan yang cukup terasa dalam kimia baterai masa itu, tetapi tetap tidak cukup.

Mobil-mobil terakhir diproduksi pada 1999; GM membatalkan program pada 2003 dengan alasan biaya produksi yang tinggi dan pasar yang kecil, mengakhiri kontrak sewa, menarik kembali kendaraan-kendaraan tersebut, dan menghancurkan sebagian besarnya. Terjadi protes dari masyarakat; Francis Ford Coppola adalah salah satu dari sedikit orang yang dapat mempertahankan mobilnya. Apa yang sebenarnya menentukan akhir EV1 masih diperdebatkan hingga hari ini: narasi umum menonjolkan biaya dan ukuran pasar, sedangkan pembacaan alternatif menempatkan krisis keuangan GM pada 1992 dan pergantian manajemen (Jack Smith menjadi CEO) sebagai pusatnya. Titik temu adalah sebagai berikut: kimia timbal-asida maupun NiMH tidak mampu mencapai densitas energi yang membuat sebuah mobil menjadi menguntungkan dan praktis. Bagian yang kurang adalah lithium-ion.

Bagaimana revolusi lithium-ion dimulai?

Penelitian dasar baterai lithium-ion dipublikasikan pada 1970-an; John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, dan Akira Yoshino berbagi Nobel Kimia 2019 atas karya tersebut. Terobosan komersial datang pada 1991: Sony mulai memproduksi dan menjual baterai lithium-ion isi ulang pertama di dunia menggunakan desain Yoshino - nama "lithium-ion" juga diberikan pada produk ini. Baterai masuk ke kamera terlebih dahulu, lalu ke elektronik konsumen lainnya; kendaraan listrik belum ada di peta, tetapi penyimpan energi yang memungkinkannya kini dalam produksi massal.

Angka-angka awal menjelaskan dengan angka mengapa teknologi ini unggul. Sel komersial pertama menawarkan densitas energi volumetrik sekitar ~200 Wh/L - hampir dua kali lipat sistem kontemporer. Densitas gravimetrik naik dari kisaran 100-120 Wh/kg menjadi di atas 300 Wh/kg; sejak pertama kali dipasarkan, densitas volumetrik meningkat tiga kali lipat dalam tiga dekade. Kurva yang paling mencolok adalah biaya: baterai lithium-ion turun dari sekitar ~9.200 dolar per kWh menjadi 78 dolar - penurunan lebih dari 99%. Sebagian besar transisi teknologi memberikan kinerja atau penurunan biaya; lithium-ion melakukan keduanya secara bersamaan, dan itu cukup untuk mengubah sebuah mobil.

Dari laboratorium ke mobil: garis yang membentang dari tzero hingga Tesla Roadster

Ketika sel lithium-ion elektronik konsumen menjadi mudah diakses, insinyur otomotif termasuk yang pertama menyadarinya. Pada 1997, perusahaan AC Propulsion milik Alan Cocconi memperkenalkan tzero: 150 kW (201 hp) dengan baterai asam-timbal. Martin Eberhard memesan sebuah tzero dengan lithium-ion; hasilnya 0-60 mph dalam 3,7 detik - dengan perkiraan biaya 220.000 dolar. Prototipe ini menjadi bukti bahwa mobil sport lithium-ion bervolume rendah namun mahal dapat dipasarkan.

Pada 2003, Eberhard dan Marc Tarpenning mendirikan Tesla Motors; Elon Musk awalnya berusaha meyakinkan AC Propulsion untuk memproduksinya, lalu berinvestasi di Tesla. Pada 2008, produksi Tesla Roadster dimulai: mobil sport listrik produksi massal pertama di dunia yang menggunakan baterai lithium-ion. Generasi pertama menggunakan sistem tenaga berlisensi AC Propulsion, dibangun di atas komponen Lotus Elise. Tabel teknisnya adalah sebagai berikut:

• Jangkauan EPA: 244 mil (393 km) - salah satu kendaraan produksi pertama yang menunjukkan jangkauan 200 mil.
• 0-100 km/h: 3,9 detik; 288 hp.
• Paket: lithium-ion 53 kWh.
• Produksi: lebih dari 2.400 unit antara 2008-2012; harga tahun 2010 sebesar 109.000 $.
• Daya tahan: paket rata-rata diperkirakan mempertahankan 80-85% kapasitas awalnya setelah 100.000 mil.

Kontribusi utama Roadster bukan teknologi, melainkan bukti: jangkauan nyata, performa nyata, dan umur baterai yang wajar dapat hidup berdampingan dalam satu kendaraan dengan paket lithium-ion. Pada 2011, Nissan Leaf meluncur dengan paket lithium-ion 24,0 kWh sebagai EV produsen besar pertama dengan platform khusus, dan menjadi kendaraan listrik penuh terlaris dalam sejarah dengan melampaui 300.000 penjualan pada Januari 2018; rekor itu kemudian diambil alih oleh Tesla Model 3. Pengalaman rekayasa yang tersisa dari EV1 terus hidup dalam lini Chevrolet Volt dan Bolt.

Di mana transformasi berada hari ini?

Restrukturisasi industri otomotif oleh lithium-ion diukur dengan skala: Menjelang akhir 2020, penjualan kumulatif kendaraan listrik plug-in kelas ringan melampaui 10 juta unit. Kurva biaya terus menurun - harga paket baterai diperkirakan turun ke sekitar 80 $/kWh pada 2026; pada 2025, paket dengan kimia LFP lebih murah lebih dari rata-rata 40% per kWh dibandingkan kimia alternatif. Bab pertama revolusi ditulis oleh lithium-ion; apakah bab berikutnya akan ditulis dengan baterai solid-state (keadaan padat) tetap menjadi pertanyaan rekayasa yang terbuka.

Kesimpulan: bagaimana revolusi perangkat keras memungkinkan revolusi pasar?

Mobil listrik memiliki pangsa pasar pada 1900, tetapi baterainya tidak mampu mempertahankan pangsa tersebut; GM EV1 memproduksi produknya, tetapi baterainya tidak mampu menopang profitabilitas. Lithium-ion melampaui kedua ambang tersebut: kepadatan energi menyelesaikan jangkauan, kurva biaya menyelesaikan harga. Tesla Roadster adalah mobil pertama tempat kedua kurva itu berpotongan; armada 10 juta hari ini adalah perpanjangan dari rantai yang dimulai pada 1991 dengan baterai kamera. Perangkat keras disiapkan, pasar mengikutinya - urutannya selalu seperti itu, tidak pernah sebaliknya.

Sumber

• Garis Waktu: Sejarah Mobil Listrik
• Mobil Listrik Pertama: Sejarah Singkat EV, 1830 hingga Sekarang
• Sejarah kendaraan listrik
• Baterai lithium-ion
• Siaran pers Sony tentang komersialisasi lithium-ion
• Mengisi Daya Perkembangan Baterai Lithium-Ion
• Biaya baterai telah turun 99%
• General Motors EV1
• Mobil Listrik EV1 - Museum Nasional Sejarah Amerika
• Menjawarkan masa depan, dulu dan sekarang: kisah EV1
• Tesla Roadster (generasi pertama)
• Daya tahan baterai Tesla Roadster
• Baterai kendaraan listrik - IEA Global EV Outlook 2026
• Harga baterai kendaraan listrik