Macam-macam Katoda Baterai Lithium

Diantara tiga komponen utama baterai yang berupa katoda, anoda, dan elektrolit. Bahan katoda merupakan bahan yang paling mahal dan salah satu komponen terberat dalam baterai, sehingga dibutuhkan penelitian intensif untuk fokus pada katoda. Dalam teknologi baterai ion lithium, tegangan sel dan kapasitasnya sangat ditentukan oleh bahan katoda yang juga merupakan faktor pembatas dalam laju migrasi Li

Sejak tahun 1980 ketika LiCoO2 menjadi katoda komerisal untuk baterai lithium-ion, logam-logam transisi yang dapat menjadi interkalat merupakan subjek penelitan utama dalam studi katoda baterai lithium-ion. Struktur merupakan acuan untuk mengkategorisasikan katoda, bahan katoda konvensional mencakup senyawa lapisan oksida LiMO2 (M adalah logam yang dapat berupa Co, Ni, Mn, dll), senyawa spinel LiM2O4 (M = Mn, dll), dan senyawa olivin LiMPO4 (M = Fe, Mn, Ni, Co,dll). Sebagian besar penelitian yang dilakukan berkisar pada bahan-bahan dan turunannya.

Struktur interkalasi bahan baru seperti silikat, borat dan tavorit juga mendapatkan perhatian yang intensif dalam beberapa tahun terakhir. Dalam optimasi dan pengembangan baterai lithium-ion,terdapat beberapa kriteria yang harus dipertimbangkan yakni:

(1) kepadatan energi,

(2) tingkat kapasitas,

(3) kinerja cycling,

(4) keamanan,

(5) biaya.

Kepadatan energi ditentukan dengan kapasitas reversibel material dan tegangan operasi, yang sebagian besar ditentukan oleh bahan kimia intrinsik seperti pasangan redoks efektif dan konsentrasi lithium maksimum bahan aktif. Untuk tingkat kapasitas dan stabilitas cycling, mobilitas elektronik dan ion adalah faktor penentu utama, meskipun morfologi partikel juga faktor penting karena sifat anisotropik dari struktur dan bahkan memainkan penting peran dalam beberapa kasus. Oleh karena itu, optimasi bahan biasanya terbuat dari dua aspek penting, yakni untuk mengubah intrinsic kimia dan memodifikasi morfologi (sifat permukaan, ukuran partikel, dll) dari bahan.

Gambar 1. Gravimetri kepadatan energi katoda teoritis dan praktis pada bahan yang berbeda-beda

Gambar 1. membandingkan gravimetri kepadatan energi katoda teoritis dan praktis pada bahan yang berbeda-beda yang saat ini di banyak diteliti. Sementara beberapa bahan seperti LiFeBO3 dan LiFeSO4F sudah mendekati kepadatan energi teoretisnya, sementara untuk bahan lain, termasuk lapisan oksida konvensional dan senyawa spinel, perbedaan yang signifikan pada kepadatan energi masih ada antara teoritis dan praktis.

Untuk bahan-bahan tertentu seperti olivin LiFePO4, perbaikan properti yang signifikan telah dicapai selama dekade terakhir dengan bantuan teknologi baru yang telah dikembangkan.

Gambar 2. Yang berwarna biru adalah logam transisi, merah adalah lithium-ion, kuning adalah ion P/Si/B (a) Senyawa Lapisan Oksida LiMO2 (b) Senyawa Spinel LiM2O4 (c) Senyawa Olivin LiMPO4 (d) Senyawa Silicate Li2MSiO4 (e) Senyawa Tavorite LiMPO4F (f) Senyawa Borate LiMBO3

Diantara banyaknya bahan polyanion, Olivin LiFePO4 paling banyak diteliti dikarenakan sifat elektrokimianya yang memuaskan, berharga murah, tidak beracun, stabilitas termal yang bagus dan ramah lingkungan.

Bahan ini mendapatkan perhatian intensif dikarenakan stabilitas bawaan dalam kelompok polyanion, yakni kemampuan untuk menunda atau mengurangi hilangnya oksigen yang terjadi pada lapisan senyawa oksida dan senyawa spinel.

Bagaimanapun, harganya yang murah, tahan lama dan sifatnya yang ramah lingkungan menjadikan katoda dengan bahan ini sangat potensial untuk bahan katoda yang dapat dikomersialisasi. Namun, kendala terletak pada konduktivitas intrinsic dari bahan ini yang masih rendah, hal ini ditambah dengan pengurangan ukuran pelapisan dengan karbon dapat meningkatkan biaya sintesa katoda ini dengan sangat drastis.

LiFePO4 atau lithium iron phosphate dengan struktur seperti senyawa olivin (gambar 3) adalah salah satu bahan yang banyak digunakan dalam penelitian aplikasi baterai Li. Lithium memiliki elektron valensi +1, besi +2 dan phosphate -3. Atom besi berada ditengah dikelilingi dengan enam atom oksigen membentuk bentuk oktahedron FeO6. Atom phosphor dari phosphat dengan empat atom oksigen membentuk tetrahedron dengan phosphor ditengah. Kerangka zigzag dibentuk oleh oktahedral FeO6 yang memakai bersama atom O disisi pojok dengan tetrahedral PO4. Ion lithium terletak dalam struktur zigzag oktahedral. Oktahedral FeO6 dihubungkan melalui pemakaian bersama edge dari sisi bc. Group LiO6 membentuk rantai linier oktahedral paralel axis b. Oktahedral FeO6 berbagi edge dengan dua oktahedral LiO6 dan satu tetrahedron PO4. Dalam ilmu crystallografi, struktur ini termasuk dalam space group Pmnb dari sistem kristal orthorhombic.

LiFePO4, secara teoritis, memiliki kapasitas muatan 170 mAh/g dan voltage open – circuit sebesar 3,45 V. Struktur kristal olivin memiliki parameter kisi a = 0,6008, b = 1,0334 dan c = 0,4693. Dari stuktur itu ada terowongan satu dimensi yang dibentuk oleh edge shared Li oktahedral dimana Li+ bermigrasi melalui terowongan ini. Hambatan utama untuk mencapai kapasitas teoritis adalah konduktifitas elektronik intrinsik dan kecepatan difusi ion Li+ yang rendah. (Zhang, 2012)

Gambar 3. Struktur Kristal LiFePO4

Phosphat dari kristal LiFePO4 menstabilkan keseluruhan kerangka, memberikan stabilitas thermal dan performa cycling yang baik. Berbeda dari dua material katode yang lama (LiMnO4 dan LiCoO2) ion lithium dari LiFePO4 bergerak dalam free volume satu dimensi dari kisi – kisi. Selama charge/discharge, ion lithium masuk/keluar dalam LiFePO4 sedangkan ion Fe direduksi/dioksidasi. Proses ini reversible. Reaksi yang terjadi selama pemuatan dan pelepasan dari baterai lithium adalah LiFe(II)PO4 --> Fe(III)PO4 + Li+ + e-

Nur Abdillah Siddiq

Mahasiswa Jurusan Teknik Fisika ITS, sedang menggeluti NanoTeknologi dan dunia pengembangan diri.Memiliki misi besar untuk menjadi insan yang memberikan kontribusi nyata pada agama Islam, Negara Indonesia, dan Orang Tua Tercinta (H. Fajar Rahman dan Hj. Sri Tumiasih).