Bergaul dengan Baterai Litium-ion (Part 1)

Dewasa ini baterai menjadi barang yang tidak bisa dilepaskan dalam kehidupan sehari-hari kita. HP, digital kamera, laptop, bahkan Robot dan belakangan ini mobil hybrid, kesemuanya memerlukan baterai sebagai sumber penggerak. Harapan baterai untuk menjadi salah satu sumber energi masa depan, sangat lah tinggi.

Diantara banyak jenis baterai, baterai litium-ion lah yang mendapat perhatian utama. Selain memiliki daya yang tinggi, baterai ini ringan, dan bisa dipakai berkali-kali.

Bateri litium-ion tanpa cairan sebagai bahannya, pertama kali dikembangkan oleh ilmuwan Jepang, Yoshino Akira, yang memadukan karbon, litium dan polimer sebagai anoda. Dan di tahun 1991 untuk pertama kalinya baterai litium-ion diproduksi secara massal oleh Sony Corp berkerja sama dengan Asahi Kasei Corp. Sejak saat itu dan hingga saat ini, baterai litium-ion terus berkembang pesat terutama sebagai sumber energi pada hp dan komputer.

Seiring dengan perkembangan teknologi komputer, hp, dan belakangan ini mobil hybrid yang begitu cepat dan memerlukan daya yang tinggi, sehingga diperlukan baterai litium yang mampu menghasilkan energi lebih tinggi.

Selain itu, tentu kita masih ingat dengan peristiwa terbakarnya hp motorola yang menciderai pemiliknya. Sehingga tidak hanya energi yang tinggi, namun keamanan dan tentunya harga yang murah pun menjadi faktor yang sangat penting bagi pengembangan teknologi baterai litium-ion ini.

Prinsip kerja dari baterai Litium-ion

Pada table 1, memperlihatkan perbandingan 3 jenis baterai yang menjadi perhatian saat ini. Yaitu, fuel cells, baterai nikel-metal hydride dan baterai litium-ion. Terlihat pada table, ketiga jenis baterai ini sama-sama memanfaatkan reaksi redoks (reduksi dan oksidasi) pada kedua elektroda untuk menghasilkan listrik.

Fuel cells memanfaatkan reaksi antara hydrogen dan oksigen untuk menghasilkan listrik. Voltase yang dihasilkan, secara teoritis 1.23 V, namun pada kenyataannya hanya menghasilkan dibawah 1.0 V. Sedangkan baterai nikel-metal hydride, menggunakan material penyimpan hydrogen sebagai anoda, dan nikel hidroksida sebagai katoda. Baterai ini mampu menghasilkan 1.32 V.

Tabel 1. Reaksi utama yang terjadi pada beberapa baterai (Chemistry Today 2009, 463, pg 20)

a) Fuel cells
Katoda	H2O	↔	2H+ +1/2O2 + 2e-
Anoda	2H+ + 2e-	↔	H2
Reaksi keseluruhan	H2O	↔	H2 +1/2O2
Elektroda : C/Pt , voltase : (teori 1.23 V, kenyataannya ~1.0 V)
b) Baterai Nickel-Metal hydride
Katoda	NiII(OH)2 + OH-	↔	NiIIIOOH + H2O + e-
Anoda	M + H2O + e-	↔	MH + OH-
Reaksi keseluruhan	NiII(OH)2 + M	↔	NiIIIOOH + MH
Larutan elektrolit : KOH, voltase : 1.32V
c) Baterai Litium-ion
Katoda	LiCOIIIO2	↔	CoIVO2 + Li+ + e-
Anoda	Li+ +e-	↔	Li
Reaksi keseluruhan	LiCOIIIO2	↔	Li + CoO2
Larutan elektrolit : LiPF6 (larutan karbonat), voltase : 3.70V

Diantara ketiga jenis baterai ini, baterai litium-ion lah yang menghasilkan voltase tertinggi, 2 kali lipat dari yang dihasilkan baterai nickel-metal hydride. Baterai litium menggunakan komposit berstruktur layer, Litium Cobalt Oxide (LiCoO₂), sebagai katoda, dan material karbon (dimana litium disisipkan diantara lapisan karbon) sebagai anoda.

Susunan struktur dari baterai litium-ion bisa dilihat di gambar 1. Baterai litium ion sendiri terdiri atas anoda, separator, elektrolit, dan katoda. Pada katoda dan anoda umumnya terdiri atas 2 bagian, yaitu bagian material aktif (tempat masuk-keluarnya ion litium) dan bagian pengumpul elektron (collector current).

Proses penghasilan listrik pada baterai litium-ion sebagai berikut: Jika anoda dan katoda dihubungkan, maka elektron mengalir dari anoda menuju katoda, bersamaan dengan itu listrik pun mengalir. Pada bagian dalam baterai, terjadi proses pelepasan ion litium pada anoda, untuk kemudian ion tersebut berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Dan di katoda, bilangan oksidasi kobalt berubah dari 4 menjadi 3, karena masuknya elektron dan ion litium dari anoda. Sedangkan proses recharging/pengisian ulang, berkebalikan dengan proses ini.

Dari berbagai banyak jenis logam, kenapa litium yang sangat menjanjikan untuk anoda? Litium memiliki nilai potensial standar paling negatif (-3.0 V), paling ringan (berat atom:6.94 g), sehingga bila dipakai untuk anoda dapat menghasilkan kapasitas energi yang tinggi.

Gambar 1. Struktur Baterai Litium-ion (Chemistry Today 2009, 463, pg 21, dengan perubahan)

Berikut ini cara menghitung nilai teori dari kepadatan energi yang dihasilkan oleh baterai litium ion. Jika menggunakan logam litium pada anoda, maka dari 1 kg logam litium dapat menghasil kapasitas energi per 1 kg massa sebesar (Coulumb/second = Ampere) :

Bila dikalikan dengan potensial standar litium (3 V), menjadi 11583 W h/kg (W=Watt, h=hours). Sedangkan bila menggunakan senyawa karbon sebagai anoda, dan dianggap satu unit grafit ( 6 atom karbon) mampu menampung 1 atom litium, maka setiap 1 kg anoda secara teori memiliki kepadatan energi 339 A h/kg.

Sama halnya dengan anoda, kapasitas energi pada katoda bisa dihitung dengan cara yang sama. Untuk LiCoO₂, secara teori memiliki kepadatan energy 137 Ah/kg. Dengan mengetahui berat molekul dari material elektroda (disebut juga material aktif) dan setiap molekulnya berapa banyak elektron yang keluar masuk, nilai teori dari kepadatan energi dapat dihitung.

Karakteristik masing-masing bagian baterai litium ion

Anoda

Seperti yang sudah dijelaskan diawal, anoda terdiri dari 2 bagian yaitu bagian pengumpul elektron dan material aktif. Untuk bagian pengumpul elektron biasanya menggunakan lapisan film tembaga, selain stabil (tidak mudah larut), harganya pun murah. Sedangkan pada bagian material aktif, tidak menggunakan logam litium secara langsung, namun menggunakan material karbon (LiC₆).

Hal ini dikarenakan, sulitnya mengkontrol reaksi litium pada permukaan elektroda bila memakai logam litium secara langsung. Material LiC₆ adalah grafit dimana disetiap layer/lapisan disisipkan logam litium. Kepadatan energinya dari material ini berkisar 339~372 A h/kg.

Namun salah satu kelemahan utama pada material karbon ini, adalah terjadi irreversible capacity. Yaitu, jika baterai dialiri listrik dari luar untuk pertama kalinya dari keadaan kosong, maka ketika digunakan besar kapasitas/energi yang dilepas tidak sama ketika proses pengisian. Hal ini dikarenakan terbentuknya gas pada anoda, sehingga menghalangi pelepasan ion litium. Namun hal ini dapat dicegah dengan menambahkan zat adiktif seperti vinylene carbonate ke dalam larutan elektrolit [1].

Selain material karbon, material berbahan dasar silikon dan Sn merupakan kandidat besar untuk menjadi material anoda masa depan. Li_4.4Si dilaporkan memiliki kepadatan energy 4140 A h/kg, 8 kali lipat lebih tinggi dibanding LiC₆. Sedangkan Li_4.4Sn memeliki kepadatan energy 992 A h/kg. Walaupun memiliki kepadatan energy yang tinggi, material ini memiliki siklus pemakaian yang sedikit (tidak bisa dipakai berulang-ulang) akibat dari perubahan volume material yang signifikan dan terjadinya perubahan fase. Dengan memadukan silikon-karbon, atau komposit silikon (campuran dengan Cu, Sn, Zn, dan Ti) dilaporkan dapat meningkatkan siklus pemakaian anoda [2-3].

Kunci dari pengembangan anoda ini adalah tidak hanya pada kepadatan energi yang tinggi namun juga siklus pemakaian (cyclability). Seperti Li₄Ti₅O₁₂/C, walaupun hanya memiliki kepadatan energy 145 Ah/kg pada suhu 5C, namun bisa dipakai 500 kali siklus dengan kepadatan energy 142 Ah/kg dan menghasilkan potensial yang tinggi 1.5 V [4]. Ditambah dengan keamanan material ini yang tinggi, material ini bukan tidak mungkin dipakai sebagai anoda baterai litium-ion untuk mobil masa depan.

Bersambung...

Referensi

[1] D. Aurbach, K. Gamolsky, B. Markovsky, Y. Gofer, M. Schmidt, and U. Heider, Electrochim. Acta 2002, 47, 1423-1439

[2] H. Kim, B. Han, J. Choo, and J. Cho, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 10151 –10154

[3] W. M Zhang, J. S Hu, Y. G Guo, S.F Zheng, L.S Zhong, W.G.S, and L.J Wan, Adv. Mater. 2008, 20, 1160–1165

[4] J. Huang, Z. Jiyang, Electrochim. Acta 2008, 53, 7756-7759

[Selanjutnya]