Lithium Iron Phosphate merupakan Alternatif Bahan baterai Lithium-Ion yang lebih ramah lingkungan

07/03/2017

Baterai isi ulang lithium ion merupakan baterai generasi baru yang memiliki sejumlah kelebihan dibanding baterai isi ulang generasi sebelumnya. Keunggulan tersebut diantaranya adalah bobot baterai lebih ringan (seperlima bobot lead acid dengan kapasitas yang sama), memiliki densitas energi besar, self discharge (energi yang hilang) sangat kecil, tidak bersifat memory effect, umur pakainya lama (siklibilitasnya puluhan ribu kali), tidak memerlukan perawatan khusus, aman dalam penggunaan dan limbahnya lebih ramah terhadap lingkungan. Berkat sejumlah keunggulan tersebut, baterai lithium-ion sangat potensial untuk terus dikembangkan karena aplikasinya sangat luas mulai dari perangkat elektronika mobile, mobil listrik dan sistem penyimpan energi pada pembangkit listrik energi terbarukan.

Secara umum bagian utama dari sistem baterai lithium-ion terdiri dari anoda, katoda, separator dan elektrolit seperti diperlihatkan pada Gambar. Pada saat baterai diisi, ion lithium dilepaskan dari katoda dan berdifusi menuju anoda melewati media elektrolit dan separator. Selama proses tersebut, elektron mengalir dari katoda menuju anoda dengan bantuan sumber tegangan eksternal. Pada proses ini terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Sebaliknya pada proses pengosongan, ion lithium dilepaskan dari anoda dan berdifusi menuju katoda. Pada proses tersebut elektron mengalir melalui rangkaian luar dari anoda menuju katoda, sehingga terjadi konversi energi dari kimia menjadi listrik. Reaksi kimia selama berlangsungnya proses pengisian pengosangan adalah sebagai berikut .

  • Katoda           : Li1-xFePO4 + xLi+ + xe   «  LiFePO4
  • Anoda         : LiC6    «   Li+ + e + 6

gambar1

Densitas energi baterai ditentukan oleh banyaknya ion lithium yang terkandung di dalam material katoda. Semakin banyak ion lithium yang dimiliki oleh material katoda maka densitas energinya semakin besar. Pada baterai lithium-ion komerisal, bahan katoda yang digunakan adalah LiCoO2. Bahan tersebut memiliki keunggulan dari segi kapasitas energinya yang cukup besar, yaitu 145 mA.h/g. Pengembangan bahan LiCoO2 sebagai elektroda baterai terhambat oleh isu lingkungan dan mahalnya biaya produksi karena tersedia dalam jumlah sedikit di alam. Bahan LiCoO2 mengandung logam berat, sehingga sangat beracun jika terkontaminasi tubuh manusia dan limbahnya dapat mencemari lingkungan. Para peneliti berusaha mencari bahan alternatif pengganti LiCoO2 yang memiliki karakteristik lebih baik dan lebih ramah terhadap lingkungan. Bahan-bahan yang menjadi kandidat menggantikan LiCoO2 diantaranya adalah lithium nickel oxides (LiNiO2), lithium manganese (LiMn2O4), lithium vanadium oxides (LiV3O8) dan lithium iron phosphate (LiFePO4).

Diantara beberapa alternatif bahan pengganti LiCoO2, bahan LiFePO4 mendapat perhatian khusus dari para peneliti karena tersedia dalam jumlah melimpah di alam. Selain itu bahan LiFePO4 telah diketahui memiliki tegangan operasional cukup tinggi (3,4 V terhadap pasangan Karbon), kapasitas energi secara teoritik besar (170 mA.h/g), memiliki stabilitas termal yang baik, tidak beracun dan limbahnya lebih ramah terhadap lingkungan. Disamping kelebihan tersebut, bahan LiFePO4 memiliki kelemahan dalam nilai konduktivitasnya yang rendah sekitar 10-9 S/cm. Nilai konduktivitas yang rendah berdampak pada mobilitas ionik lithium juga rendah dan kapasitas energinya menurun.

Untuk mengatasi masalah tersebut para peneliti mengusulkan dua pendekatan, yaitu metode doping dan metode reduksi ukuran bulir. Metode doping dilakukan dengan memberikan pengotor berupa bahan kation supervalent sehingga konduktivitas pada level kristalnya meningkat. Pendekatan lain yang dapat dilakukan adalah memperkecil ukuran bulir sehingga jarak lintasan difusi ion lithium menjadi pendek.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa metode doping cukup efektif untuk menaikan level konduktivitas bahan LiFePO4. Proses doping dapat dilakukan dengan berbagai cara diantaranya dengan metode mechanical activation menggunakan sukrosa sebagai sumber karbon. Dengan metode tersebut diperoleh sel baterai dengan kapasitas energi bervariasi antara 117 mAh/g sampai 174 mAh/g yang berkorelasi dengan suhu kalsinasi antara 500°C sampai 900°C. Semakin besar suhu kalsinasi semakin semakin besar pula kapasitas energi baterai yang dihasilkan. Metode doping lain yang banyak digunakan untuk menghasilkan komposit C-LiFePO4 adalah metode pelapisan, yaitu serbuk LiFePO4 dicampur langsung dengan serbuk karbon di dalam pelarut plastisizer (NMP). Menurut studi literatur, sintesis bahan komposit dengan metode tersebut dapat diperoleh baterai dengan kapasitas energi antara 149 mAh/g sampai 164 mAh/g. Berdasarkan studi literature tersebut dapat diperoleh informasi bahwa metode doping cukup efektif dalam menaikan kapasitas energi beterai lithium-ion berbahan LiFePO4 dari 20 mAh/g (kondisi tanpa doping) menjadi sekitar 140-170 mAh/g (pada kondisi terdoping).

Pendekatan lain yang banyak diusulkan para peneliti untuk menaikan kapasitas energi baterai lithium-ion adalah dengan metode reduksi ukuran bulir. Ada berbagai metode yang dapat dilakukan untuk mereduksi ukuran bulir sampai orde nanopartikel, diantaranya adalah metode solvothermal. Dengan metode tersebut dapat diperoleh LiFePO4 dalam bentuk nano-rod yang berukuran sekitar 40 nm. Aplikasinya sebagai elektroda pada sistem baterai lithium-ion dapat diperoleh kapasitas energi sekitar 154 mAh/g. Metode lain yang banyak digunakan untuk mereduksi ukuran bulir adalah metode spray pyrolysis. Dengan metode tersebut dapat diperoleh ukuran bulir bervariasi antara 10-25 nm dengan bentuk tidak beraturan. Hasil pengujiannya sebagai elektroda baterai diperolah kapasitas energi sekitar 142 mAh/g.