Material Katoda Bahan Elektroda

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