2.2 Bahan Elektroda
Keunggulan suatu bahan anoda dan katoda terletak pada stabilitas kristal dalam proses interkalasi. Sehingga bahan elektroda harus mempunyai tempat bagi
perpindahan ion lithium yang sering disebut
host
. Oleh karena itu bahan elektroda harus mempunyai struktur
host
dengan variasi interkalasi yang berbeda-beda. Pada umumnya, bahan memiliki tiga model interkalasi berdasarkan struktur dari
hostnya
, yaitu interkalasi satu dimensi, dua dimensi dan tiga dimensi seperti pada Gambar 2.2 Prihandoko, 2010 .
Gambar 2.2 Tiga Model
Host
dari Bahan Anoda dan Katoda. Prihandoko, 2010 .
2.2.1 Material Katoda
Dalam baterai ion lithium yang dapat diisi ulang, katoda sebagai material utuh menyediakan sumber ion lithium untuk reaksi interkalasi. Jadi, sifat fisik, struktur
dan elektrokimia bahan katoda sangat penting untuk kinerja baterai. Sifat utama yang diperlukan bahan katoda adalah sebagai berikut:
1. Reaksi
discharge
harus memiliki energi yang besar tegangan
discharge
yang tinggi.
2. Struktur
host
harus memiliki kemampuan interkalasi yang besar pada jumlah ion lithium kapasitas energinya tinggi.
3. Struktur
host
harus memiliki koefisien difusi lithium yang besar densitas dayanya tinggi.
4. Perubahan struktur
host
selama interkalasi dan deinterkalasi harus sekecil mungkin siklus hidupnya panjang.
5. Material harus memiliki sifat kimia yang stabil, tidak beracun dan murah.
6. Cara pengerjaanya mudah
Yao, 2003.
Universitas Sumatera Utara
Secara umum, material katoda ini berfungsi sebagai sumber ion lithium penghantar arus yang dapat berpindah dari katoda ke anoda dan sebaliknya,
sehingga sangat menentukan performa dari baterai lithium itu sendiri. Jumlah ion yang dilepaskan material katoda saat
charging
dan jumlah ion yang kembali pada saat
discharging
menghasilkan densitas energi dan densitas power baterai. Semakin banyak lithium dari katoda menuju anoda maka densitas energi sel
baterai semakin besar dan semakin banyak lithium yang kembali ke katoda dari anoda maka densitas powernya semakin besar Triwibowo, 2011.
Performa sel baterai sangat bergantung pada kondisi tranfer muatan
charge
transfer. Mekanisme ini berkaitan erat dengan proses difusi dan konduktifitas elektronik dan ionik dari komponen pembentuk sel baterai. Saat
proses
charging
ion lithium akan dilepaskan dari katoda ke anoda melalui elektrolit, maka begitu katoda bersifat konduktif ionik. Dengan keadaan yang
sama, elektron akan dilepaskan melewati rangkaian luar menuju anoda sehingga katoda juga harus bersifat konduktif elektronik. Proses ilustrasi ini dapat dilihat
pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Fenomena Konduktifitas Ionik dan Elektronik pada Material Katoda Park, 2010
Material katoda yang sering digunakan pada baterai ion lithium yaitu LiCoO
2
, LiMnO
4
, LiFePO
4
. Ketiga material tersebut memiliki bentuk struktur
host
yang berbeda yang dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4 Ilustrasi Skematis pada Struktur Host dari a LiCoO
2
Struktur
Layered
, b LiMn
2
O
4
Struktur
Spinel
, dan c LiFePO
4
Struktur
Olivine
Julien, 2014
Pada struktur
host layered
, ion lithium berinterkalasi dalam dua arah, pada struktur
host spinel
interkalasi ion lithium dalam tiga arah, sedangkan pada struktur
host olivine
interkalasi dalam satu arah. Karakteristik elektrokimia dari masing-masing material tersebut dapat dilihat perbandingannya pada Tabel 2.1
Tabel 2.1 Karakteristik Elektrokimia dari Beberapa Matrial Katoda Julien, 2014
Struktur Host Senyawa
Spesifik KapasitasmAhg
Beda Potensial V
Layered
LiCoO
2
272 4,2
Spinel
LiMn
2
O
4
148 4,1
Olivine
LiFePO
4
170 3,45
Dari Tabel 2.1 masing-masing memiliki karakteristik sendiri sebagai contoh, LiCoO
2
yang mahal, beracun, dan sumber daya yang tidak lagi melimpah AG Ritchie, 2001. LiMn
2
O
4
memiliki kapasitas yang jauh lebih rendah dan stabilitas siklus rendah Yuan Gao Dahn J. R, 1996. Senyawa berbasis besi ini
menjadi menarik karena Fe yang berlimpah, murah, dan kurang beracun daripada Co, Ni, Mn. LiFePO
4
saat ini sedang dalam penelitian yang luas karena biaya rendah, toksitas rendah, stabilitas termal tinggi dan spesifik kapasitas 170 mAhg.
Padhi
et al.
1997.
Universitas Sumatera Utara
2.2.1.1
Lithium Iron Phosphate
LiFePO
4
Bahan katoda yang sangat menjanjikan adalah LiFePO
4
dengan struktur phospo- olivine dengan kapasitas teoritis 170 mAhg, energi spesifik 0,59 Whg, dan
densitas 3,60 gcm3, voltage rata-rata 3,5 V, harga murah, tidak beracun, ramah terhadap lingkungan, dan memiliki stabilitas termal yang baik Gunawan, 2007.
Namun kelemahan dari material ini adalah konduktifitas listrik rendah yaitu berorde 10
-9
Scm dan difusi ion lithium yang lamban. Dua kelemahan tersebut membatasi aplikasi LiFePO
4
sebagai material katoda. Difusi ion lithium yang rendah dapat diatasi dengan menurunkan dimensi partikel sampai skala
nanometer. Untuk mengatasi konduktifitas listrik yang rendah dapat diatasi juga dengan
conductive agent
seperti penambahan karbon dan polimer yang dapat meningkatkan performance LiFePO
4
.Anies, 2011
2.2.1.2
Lithium Nickel Phosphate
LiNiPO
4
LiNiPO
4
Lithium Nickel Phosphate
terinspirasi oleh perkembangan komersial LiFePO
4
. Para peneliti berusaha untuk menemukan bahan fosfat lain dengan struktur
olivine
. LiNiPO
4
sangat terbatas karena potensi redoks tinggi yang melebihi batasan stabil elektrolit yang berjalan Qing, 2013. LiNiPO
4
memiliki potensi redoks yang lebih tinggi ≈ 5,2-5,4 V dari LiCoPO
4
. Deniard
et al.
2004; Padhi
et al.
1997.
2.2.2 Material Anoda