Prinsip Kerja Baterai Lithium Ion. Bahan Elektroda

Standart potensial pada Alumunium foil pada suhu 25 C yaitu –1,66 V sedangkan pada Cupper foil sebesar sebesar 0,52 VLinden,2002

2.2. Prinsip Kerja Baterai Lithium Ion.

Dalam kondisi charge dan discharge baterai ion lithium 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 Prihandoko, 2010 . Proses interkalasi pada baterai ion lithium saat charge dan discharge dapat dilihat pada Gambar 2.1. Gambar 2.1. Proses interkalasi pada baterai ion lithium saat charge dan discharge Nakanishi, 2014 . Selama proses charge baterai, terjadi pergerakan ion lithium dari elektroda positif katoda melalui seperator dan elektrolit ke elektroda negatif anoda. Baterai menyimpan energi selama proses ini densitas energi. Selama discharge , ion lithium bergerak dari elektroda negatif anoda ke elektroda positif katoda melalui seperator dan elektrolit, menghasilkan densitas daya pada baterai. Dalam proses interkalasi elektron mengalir dalam arah yang sama dengan ion di sekitar sirkuit luar. Pergerakan ion dan elektron adalah proses yang saling berhubungan dan jika salah satu dari mereka berhenti maka yang lain juga berhenti.Reaksi yang terjadi pada sistem baterai ion lithium merupakan reaksi reduksi dan oksidasi yang terjadi pada katoda dan anoda baterai. Reaksi reduksi Universitas Sumatera Utara adalah reaksi penambahan elektron oleh suatu molekul atau atom sedangkan reaksi oksidasi adalah reaksi pelepasan elektron pada suatu molekul atau atom.

2.3. Bahan Elektroda

Pemilihan kombinasi material katoda dan anoda dilakukan sedemikian rupa hingga didapatkan beda potensial yang tinggi. Pemilihan material elektroda dengan kapasitas listrik yang besar sangat diperlukan untuk dapat menghasilkan sel baterai dengan power yang memadai. Mengingat elektron akan dilepaskan terima oleh elektroda saat pengoperasian baterai, maka material katoda dan anoda juga harus bersifat elektron konduktif. Berbeda dengan material elektrolit yang merupakan media transfer ion, material ini harus bersifat ion konduktif semata. Sifat terakhir ini diperlukan agar tidak terjadi hubungan pendek antara katoda dan anoda yang menyebabkan terbuangnya energi listrik yang tersimpan berupa panas. Suatu material elektrokimia dapat berfungsi dengan baik sebagai elektroda anoda maupun katoda bergantung pada pemilihan material yang akan menentukan karakteristik perbedaan nilai tegangan kerja dari kedua material yang dipilih. Untuk memperoleh perbedaan potensial yang besar maka material katoda harus memiliki tegangan kerja yang besar dan material anoda harus memiliki tegangan kerja yang kecil ~0. Keunggulan bahan anoda dan katoda terletak pada stabilitas kristal dalam proses interkalasi. Pada umumnya bahan mempunyai tiga kategorimodel dalam melakukan interkalasi, yaitu interkalasi dalam satu dimensi, dua dimensi dan tiga dimensi, seperti Gambar 2.2. Gambar 2.2. Tiga model host dari bahan katoda dan anoda Munshi,1995

2.3.1. Material Katoda

Dalam teknologi baterai lithium ion, tegangan sel dan kapasitasnya sangat ditentukan oleh bahan katoda yang juga merupakan faktor pembatas dalam laju Universitas Sumatera Utara migrasi lithium. Untuk setiap berat material katoda, jumlah ion lithium yang dilepaskan material katoda saat charge dan jumlah ion lithium yang kembali dalam waktu tertentu ke material katoda saat discharge menggambarkan densitas energi dan densitas power sel baterai. Triwibowo,2011 Semakin banyak ion Lithium dipindahkan dari katoda ke anoda maka semakin besar pula densitas energi sel baterai. Semakin banyak ion lithium yang kembali ke katoda dari anoda setiap detiknya, maka semakin besar densitas power-nya. Performa rate capability sel baterai sangat bergantung pada kondisi transfer muatan charge transfer . Mekanisme ini berkaitan erat dengan proses difusi dan konduktifitas elektronik dan ionik dari komponen pembentuk sel baterai. Berbeda dengan material elektrolit yang semata-mata hanya memfasilitasi ion lithium menyeberang dari katoda ke anoda dan sebaliknya, hingga harus bersifat konduktif ionik saja. Triwibowo,2011 Material katoda tidak saja harus bersifat konduktif ionik, namun juga harus bersifat konduktif elektronik. Saat proses charge ion lithium akan dilepaskan dari kathoda ke anoda melalui elektrolit, dengan begitu katoda harus bersifat konduktif ionik. Bersamaan dengan itu elektron akan dilepaskan melewati rangkaian luar menuju anoda, ini berarti katoda juga harus bersifat konduktif elektronik. Proses ini diilustrasikan pada Gambar 2.3. Gambar 2.3. Fenomena konduktifitas ionik dan elektronik pada material katoda Park et al .2010 Beberapa karakteristik yang harus dipenuhi suatu material yang digunakan sebagai katoda antara lain : Universitas Sumatera Utara 1. Material tersebut terdiri dari ion yang mudah melakukan reaksi reduksi dan oksidasi. 2. Memiliki konduktifitas yang tinggi seperti logam. 3. Memiliki kerapatan dan kapasitas energi yang tinggi. 4. Memiliki kestabilan yang tinggi tidak mudah berubah strukturnya atau terdegradasi baik saat pemakaian maupun pengisian ulang, harganya murah dan ramah lingkungan. Ohzuku.T,1994 Pada material katoda dikenal struktur NASICON Na-Super Ionic Conductive, Spinel dan Olivine. Pada struktur NASICON, Li-ion dapat berinterkalasi dalam 2 arah, pada Spinel 3 arah, sementara pada struktur Olivine Li-ion berinterkalasi dalam 1 arah.Bahan katoda konvensional mencakup senyawa lapisan oksida LiMO 2 M adalah logam yang dapat berupa Co, Ni, Mn, dll, senyawa spinel LiM 2 O 4 M = Mn, dll, dan senyawa olivine LiMPO 4 M = Fe, Mn, Ni, Co,dll. Sebagian besar penelitian yang dilakukan berkisar pada bahan- bahan dan turunannya. Buchmann,2001 Material katoda yang sedang banyak dilakukan penelitian salah satunya adalah senyawa phosphate LiMPO 4 . Contoh dari senyawa ini adalah LiFePO 4 . senyawa ini memiliki kestabilan yang baik pada temperature tinggi, relatif lebih murah dibandingkan material katoda lainnya. Senyawa phosphate lainnya adalah LiMnPO 4 dan LiNiPO 4 . Material ini dilaporkan mampu menghasilkan voltase yang tinggi, yaitu masing-masing 4.1 dan 5 V , lebih tinggi dibandingkan LiFePO 4 3.5 V, namun sayangnya memiliki kapasitas energi yg rendah. Padhi,1997.Berbagai cara dilakukan untuk meningkatkan konduktifitas sekaligus memperbaiki performa baterai, termasuk didalamnya untuk mencapai nilai teoritik kapasitas baterai. Cara yang umum dilakukan diantaranya adalah : 1. Memberikan lapisan karbon pada butir serbuk material katoda carbon coating . Dengan cara ini konduktifitas elektronik akan meningkat. 2. Doping dengan elemen hingga terbentuk defects dalam struktur kristal dimana lithium ion dapat dengan mudah berinterkalasi dalam jumlah yang besar kedalam host material. 3. Pemilihan material matriks yang tepat sesuai dengan peruntukannya, apakah konduktif ionik atau elektronik. Padhi, 1997 Universitas Sumatera Utara Karakteristik material katoda senyawa phosphate LiMPO 4 M = Fe, Mn, Ni dan Co dapat dilihat pada Tabel 2.1. Tabel 2.1. Karakteristik Elektrokimia dari beberapa material katoda. Katoda LiFePO 4 LiMnPO 4 LiNiPO 4 LiCoPO 4 Potential V 3,5 4 5,1 4,7 Specific capacity mAhg 169 160 140 170 Konduktifitas Scm 10 -9 10 -10 10 -14 10 -9 Sumber : Sanusi,2010 Penelitian ini memadukan LiFePO4, LiMnPO 4 dan LiNiPO 4 yang telah disintesis oleh Elma 2015 untuk menghasilkan voltase dan kapasitas energi yang cukup tinggi. Campuran ini diharapkan merupakan salah satu calon kuat bahan katoda baterai litium ion. Dengan tingginya voltase yang dihasilkan dapat mengurangi jumlah baterai yang dibutuhkan.

2.4. Bahan Pembentuk Lembaran Katoda LiFe