Jepang Kembangkan Baterai Hidrogen 90 C untuk Penyimpanan yang Lebih Aman dan Efisien

Mengapa baterai hidrogen 90 C penting saat ini

Para peneliti di Jepang memperkenalkan baterai hidrogen yang menyimpan dan melepaskan hidrogen pada suhu sekitar 90 C, atau 194 F. Suhu operasional ini jauh lebih rendah daripada 300 hingga 400 C yang biasanya diperlukan sistem penyimpanan hidrogen padat berbasis magnesium hidrida. Hasil ini mengatasi bagian tersulit dari sistem energi hidrogen: penyimpanan yang andal dan aman, efisien, serta dapat dibalik. Tim dari Institute of Science Tokyo, yang dipimpin Dr. Takashi Hirose bersama Asisten Profesor Naoki Matsui dan Profesor Institut Ryoji Kanno di Research Center for All Solid State Battery, Science Tokyo, melaporkan terobosan ini dalam jurnal Science tertanggal 18 September 2025.

Hidrogen dapat memindahkan energi melintasi waktu dan tempat tanpa menghasilkan karbon dioksida saat digunakan. Namun, penyimpanannya selama ini menjadi kendala yang sulit diatasi. Tangki untuk menampung gas bertekanan memiliki bobot besar dan mahal, sedangkan hidrogen cair memerlukan suhu kriogenik mendekati minus 253 C. Sistem penyimpanan padat yang praktis dan beroperasi mendekati titik didih air akan mengubah pilihan desain untuk kendaraan, pabrik industri, dan penyimpanan energi terbarukan. Sel baru ini menggunakan magnesium hidrida sebagai media penyimpanan dan elektrolit padat khusus yang menghantarkan ion hidrida, sehingga memungkinkan siklus kapasitas penuh pada suhu yang dapat ditangani peralatan nyata.

Rancangan para peneliti

Perangkat ini merupakan sel elektrokimia yang menjadikan hidrogen sebagai pembawa muatan aktif. Magnesium hidrida, yang ditulis sebagai MgH2, berfungsi sebagai anoda tempat hidrogen disimpan. Gas hidrogen menjadi katoda. Di antara keduanya terdapat elektrolit padat yang baru direkayasa dan mampu menghantarkan ion hidrida dengan cepat, bahkan pada suhu ruang. Komposisi elektrolit, Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85, memiliki struktur kristal tipe anti alpha AgI yang dikenal memiliki sifat superionik, sehingga menyediakan jalur bagi ion hidrida untuk bergerak menembus padatan.

Cara sel diisi dan dikosongkan

Saat pengisian, anoda melepaskan ion hidrida dari MgH2. Ion-ion tersebut bergerak melalui elektrolit padat menuju elektrode hidrogen, tempat ion teroksidasi membentuk gas hidrogen. Saat pengosongan, gas hidrogen di katoda direduksi menjadi ion hidrida. Ion-ion ini bergerak kembali melalui elektrolit ke sisi anoda, lalu bereaksi dengan magnesium untuk membentuk kembali MgH2. Proses ini sepenuhnya dapat dibalik, sehingga material yang sama dapat menyimpan dan melepaskan hidrogen berulang kali pada suhu sekitar 90 C tanpa memerlukan panas ekstrem.

Dalam istilah elektrokimia, sel ini menggantikan gambaran umum yang hanya melibatkan elektron dengan proses yang melibatkan hidrogen secara langsung. Tegangan dan arus yang diberikan saat pengisian dan pengosongan menggerakkan ion hidrida. Kendali ini menggantikan masukan panas besar yang dibutuhkan banyak metode penyimpanan termal, sehingga mengurangi kehilangan energi dan menyederhanakan desain sistem.

Mengapa penyimpanan hidrogen sulit

Tangki hidrogen bertekanan beroperasi pada tekanan yang kerap mencapai 350 hingga 700 bar. Energi yang dibutuhkan untuk kompresi mengurangi efisiensi bersih, sementara tangki menambah bobot dan biaya untuk penggunaan bergerak. Hidrogen cair tidak memerlukan tangki besar, tetapi menghadirkan kendala tersendiri. Hidrogen harus didinginkan hingga di bawah 21 K agar mencair, yang membutuhkan peralatan kriogenik boros energi. Kehilangan akibat penguapan terus menjadi tantangan, terutama di lingkungan hangat dan selama penggunaan yang lambat.

Material padat menawarkan pilihan lain. Material ini dapat menampung hidrogen dalam bentuk ringkas pada tekanan rendah. Banyak hidrida yang paling banyak diteliti hanya melepaskan hidrogen saat dipanaskan hingga suhu sangat tinggi. Masukan panas membuat sistem menjadi rumit dan mengurangi efisiensi siklus penuh. Pendekatan elektrokimia bersuhu lebih rendah dengan elektrolit cair menghadapi kendala karena ion hidrida tidak bergerak dengan baik dalam cairan yang dirancang untuk baterai litium atau natrium. Akibatnya, kapasitasnya jauh di bawah kemampuan penyimpanan material padat secara teoretis. Tim Jepang mengatasi hambatan transportasi ion dengan menggunakan material padat yang dirancang untuk menggerakkan ion hidrida dengan cepat.

Mengenal elektrolit padat baru

Elektrolit ini merupakan penghantar ion hidrida dengan kerangka tipe anti alpha AgI. Dalam struktur ini, barium, kalsium, dan natrium menempati posisi yang membentuk jaringan titik dan saluran. Ion hidrida dapat berpindah di antara posisi tetrahedral dan oktahedral dengan hambatan kecil, sehingga menghasilkan konduktivitas ionik tinggi bahkan pada suhu ruang. Pergerakan cepat inilah yang memungkinkan sel magnesium hidrida beroperasi pada suhu 90 C.

Selain cepat, material ini juga menunjukkan kestabilan elektrokimia. Elektrolit padat mencegah masalah pencampuran dan reaksi samping yang dapat mengganggu sistem cair. Pemisah padat mengisolasi elektrode hidrogen dari magnesium hidrida sekaligus tetap memungkinkan ion hidrida melintas. Susunan ini mendukung siklus berulang dan mengurangi risiko keselamatan terkait kebocoran atau sifat mudah menguap. Komposisinya dapat disesuaikan dengan mengubah rasio barium, kalsium, dan natrium, sehingga membuka jalur penelitian untuk meningkatkan konduktivitas, kestabilan, dan kemudahan produksi.

Kinerja dan arti angka-angkanya

Prototipe ini mencapai kapasitas penyimpanan teoretis penuh magnesium hidrida, sekitar 2.030 miliampere jam per gram, yang setara dengan 7,6 persen hidrogen berdasarkan berat. Angka tersebut merupakan tolok ukur tinggi bagi media penyimpanan hidrogen praktis. Pencapaian ini pada sel yang beroperasi mendekati 90 C menandai perubahan besar karena menggabungkan kapasitas tinggi dengan kondisi operasional yang layak direkayasa.

Kuncinya adalah kemampuan elektrolit mendukung pergerakan ion hidrida yang cepat pada suhu ruang. Sel hanya memerlukan pemanasan sedang untuk menjaga kinetika magnesium hidrida tanpa membuang energi. Suhu operasi di bawah 100 C menyederhanakan pemanas, insulasi, segel, dan langkah keselamatan dibandingkan dengan sistem yang membutuhkan suhu beberapa ratus derajat Celsius. Panas operasi yang lebih rendah juga mempermudah integrasi termal. Panas buangan dari tumpukan sel bahan bakar atau mesin dapat membantu menjaga sel penyimpanan tetap dalam rentang operasinya.

Kemampuan untuk berbalik proses penting bagi penggunaan nyata. Tim melaporkan penyimpanan dan pelepasan berulang pada kapasitas penuh dan suhu rendah, sesuatu yang belum dicapai metode termal atau elektrolit cair sebelumnya. Kombinasi kepadatan energi tinggi, suhu lebih rendah, dan siklus berulang inilah yang membawa gagasan tersebut dari sekadar eksperimen laboratorium menuju platform yang dapat diintegrasikan pengembang ke kendaraan atau peralatan penyimpanan stasioner.

Potensi penggunaan, dari kendaraan hingga penyimpanan jaringan listrik

Kendaraan sel bahan bakar hidrogen di jalan raya membutuhkan penyimpanan yang ringkas, aman, ringan, dan efisien. Sistem penyimpanan padat yang beroperasi mendekati titik didih air dapat mengurangi ketergantungan pada tangki bertekanan tinggi. Modul baterai hidrogen dapat diisi di stasiun dengan menyerap hidrogen yang diproduksi di lokasi, lalu melepaskan gas sesuai kebutuhan untuk memasok tumpukan sel bahan bakar. Desain padat yang dapat dibalik ini mengurangi kebutuhan akan sistem kriogenik yang rumit atau sistem bertekanan sangat tinggi, sehingga dapat menekan biaya dan memberi lebih banyak pilihan tata letak untuk mobil, truk, dan bus.

Di sektor ketenagalistrikan, baterai hidrogen cocok dipadukan dengan sumber energi yang pasokannya berubah-ubah. Energi surya atau angin dapat menggerakkan elektroliser untuk menghasilkan hidrogen saat listrik berlimpah. Baterai hidrogen dapat menyerap dan menampung gas pada tekanan rendah, lalu melepaskannya ke sel bahan bakar atau turbin saat permintaan puncak atau produksi energi terbarukan rendah. Pendekatan ini cocok untuk jaringan mikro, sistem yang terisolasi dari jaringan utama, dan fasilitas terpencil yang tidak memungkinkan penggunaan kompleks tangki besar.

Pengguna industri membutuhkan pasokan hidrogen yang andal dan fleksibel. Proses pembuatan baja, produksi amonia, dan pengolahan di kilang membutuhkan aliran yang stabil agar proses tetap terkendali. Unit penyimpanan padat modular dapat berfungsi sebagai penyangga untuk mengatasi fluktuasi pasokan dan keluaran jangka pendek. Suhu operasi yang lebih rendah dan konstruksi padat dapat menyederhanakan penempatan di dalam pabrik serta mengurangi hambatan perizinan dibandingkan penyimpanan kriogenik.

Tantangan rekayasa dan peningkatan skala

Menjaga sel pada suhu mendekati 90 C lebih mudah daripada mengoperasikannya pada 300 C, tetapi tetap memerlukan pengelolaan termal. Perancang harus menambahkan pemanas, insulasi, dan logika kendali untuk mempertahankan suhu di iklim dingin serta mencegah panas berlebih dalam kondisi panas. Perubahan suhu saat pengisian dan pengosongan cepat perlu ditangani dengan cermat agar material tidak retak atau mengalami degradasi.

Material dan proses produksi akan berperan penting. Elektrolit ini merupakan hidrida multikomponen yang sensitif terhadap oksigen dan kelembapan. Produksi serbuk dengan stoikiometri, ukuran partikel, dan kemurnian yang tepat, lalu membentuk pemisah padat yang rapat dan bebas cacat, akan membutuhkan lingkungan terkendali serta pengendalian mutu. Magnesium hidrida reaktif terhadap air dan oksigen, sehingga desain kemasan harus mencegah udara dan kelembapan masuk. Ketahanan mekanis terhadap perubahan volume selama siklus juga perlu diuji karena hidrida mengembang dan menyusut. Pengembang akan meneliti pelapis, bahan pengikat, dan kendali tekanan tumpukan untuk menjaga hambatan tetap rendah dan masa pakai panjang.

Integrasi sistem juga menghadirkan persoalan keselamatan hidrogen yang lazim. Perangkat pengelolaan gas harus mencegah kebocoran dan memungkinkan pelepasan gas secara aman. Sensor, katup, dan regulator harus bekerja dengan tumpukan penyimpanan padat agar sistem secara keseluruhan memenuhi kode dan standar. Ukuran, bobot, dan biaya akan menentukan peluang penggunaannya di kendaraan. Untuk aplikasi stasioner, seluruh perangkat pendukung, mulai dari elektroliser hingga sel bahan bakar dan elektronika daya, harus disesuaikan agar efisiensi siklus penuhnya mengungguli alternatif. Proyek percontohan dengan skala yang terus meningkat akan penting untuk mengungkap kinerja jangka panjang dan kebutuhan pemeliharaan.

Perbandingan dengan pilihan penyimpanan lain

Sistem gas bertekanan tergolong sederhana, tetapi membutuhkan energi untuk kompresi dan tangki yang kuat serta berat. Hidrogen cair memiliki kepadatan energi tinggi, tetapi memerlukan peralatan kriogenik dan penanganan cermat untuk menghindari kehilangan akibat penguapan. Baterai hidrogen mengubah kompromi tersebut. Sistem ini menggunakan panas dan listrik dalam jumlah sedang untuk menggerakkan ion hidrida dan menyimpan hidrogen dalam padatan berkapasitas tinggi. Tidak adanya perangkat kriogenik dan bejana bertekanan sangat tinggi dapat menyederhanakan aspek keselamatan dan mengurangi beban tambahan.

Material penyimpanan padat lainnya, seperti hidrida kompleks berupa alanat atau borohidrida, sering kali memerlukan katalis dan tetap beroperasi pada suhu tinggi dengan kinetika yang lambat. Magnesium hidrida berbobot ringan dan tersedia melimpah. Memadukannya dengan penghantar ion hidrida yang cepat mengubah tahap yang membatasi laju proses. Elektrolit menangani transportasi ion, sementara panas sedang mendukung reaksi kimia pelepasan dan penyerapan hidrogen. Pembagian peran inilah yang memungkinkan kapasitas penuh dicapai pada suhu yang terjangkau.

Hal yang perlu diperhatikan pada tahap berikutnya

Replikasi independen dan peningkatan skala melampaui sel laboratorium berukuran kecil akan menjadi tonggak berikutnya. Sel dan tumpukan berformat lebih besar perlu menunjukkan kapasitas dan kemampuan reversibel yang sama, serta operasi stabil selama ratusan atau ribuan siklus. Kemampuan beroperasi saat pengisian dan pengosongan cepat, respons terhadap penggunaan dengan pola hidup-mati, dan keselamatan dalam kondisi penyalahgunaan akan menjadi perhatian utama industri.

Jalur komersial sering kali bergantung pada kemitraan. Produsen mobil, pengembang energi, dan pemasok gas industri akan mencermati biaya per kilogram hidrogen yang disimpan, efisiensi energi sistem selama pengisian dan pengosongan, serta kebutuhan pemeliharaan. Jika metode produksi elektrolit dan perangkat kemasan distandardisasi serta masa pakai siklus terbukti panjang, teknologi ini dapat berlanjut ke penerapan percontohan yang memadukan elektroliser, modul baterai hidrogen, dan sel bahan bakar dalam kondisi nyata.

Poin Penting

• Peneliti Jepang melaporkan baterai hidrogen yang beroperasi pada suhu sekitar 90 C, jauh lebih rendah daripada sistem magnesium hidrida terdahulu yang membutuhkan 300 hingga 400 C.
• Sel ini menggunakan magnesium hidrida sebagai anoda, gas hidrogen sebagai katoda, dan elektrolit padat yang menghantarkan ion hidrida dengan cepat.
• Elektrolit Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85 memiliki struktur tipe anti alpha AgI yang memungkinkan konduktivitas ionik tinggi pada suhu ruang.
• Pengujian mencapai kapasitas teoretis penuh magnesium hidrida, sekitar 2.030 mAh per gram, setara dengan 7,6 persen hidrogen berdasarkan berat.
• Operasi di bawah 100 C mengurangi kehilangan energi serta menyederhanakan pengelolaan termal, segel, dan langkah keselamatan dibandingkan sistem bersuhu tinggi.
• Siklus reversibel ini menyimpan dan melepaskan hidrogen berulang kali tanpa panas ekstrem yang dibutuhkan metode termal konvensional.
• Potensi penggunaan mencakup modul penyimpanan kendaraan, penyimpanan energi skala jaringan yang dipadukan dengan elektroliser, dan penyangga pasokan industri.
• Tantangan utama meliputi pengelolaan termal, perlindungan dari udara dan kelembapan, masa pakai siklus, kemudahan produksi, dan integrasi sistem.
• Penelitian ini dipimpin Dr. Takashi Hirose bersama Asisten Profesor Naoki Matsui dan Profesor Institut Ryoji Kanno di Institute of Science Tokyo.
• Temuan ini diterbitkan dalam Science pada 18 September 2025 dan selanjutnya akan menghadapi pengujian replikasi serta peningkatan skala.