BATERAI LITIUM dalam REDOKS & ELEKTROKIMIA

BATERAI LITIUM dalam REDOKS & ELEKTROKIMIA

YUSUF ZIHNIXII IPA 5 / 33

Penggunaan Litium Dalam Elektrokimia

Baterai Lithium-ion atau disingkat Li-ion adalah salah satu dari tipe baterai rechargeable. Lithium-ion bergerak dari anoda (kutup positif) ke katoda (kutup negatif) saat digunakan. Dan Lithium-ion akan bergerak kembali dari katoda ke anoda, saat dilakukan proses charging. Baterai jenis ini banyak digunakan pada consumer electronic. Baterai lithium-ion memiliki bentuk dan ukuran yang berbeda-beda, tetapi semuanya memiliki kesamaan pada bagian dalamnya. Jika Anda membedah baterai notebook Anda akan menemukan elemen-elemen berikut: Sel lithium-ion yang bisa berbentuk silinder seperti baterai AA biasa, atau prismatik berbentuk kotak. Satu atau beberapa sensor suhu untuk memonitor suhu baterai. Penyesuai tegangan (voltage converter) dan sirkuit pengatur (regulator circuit) untuk mempertahankan tingkat keamanan tegangan dan arus listrik. Konektor yang menghubungkan baterai dengan notebook. Penyadap tegangan yang memonitor kapasitas energi dari masing-masing sel dalam baterai. Monitor pengisian baterai, komputer kecil yang menangani semua proses pengisian baterai untuk memastikan baterai diisi secepat dan sepenuh mungkin.

Litium merupakan logam yang memiliki potensial oksidasinya positif, unggul sebagai anoda dalam sel volta. Namun penggunaan litium diperlukan media bebas air, karena litium sangat reaktif, dan bereaksi hebat dengan air membentuk litium hidroksida dan gas hidrogen. Baterai litium ini dibagi menjadi dua, yaitu primer dan sekunder.1. Sel Primer / Un-rechargeable (Litium Mangan Oksida)Baterai ini tidak dapat diisi ulang, karena logam litium logam reaktif yang dapat meledak, terutama pada suhu yang relatif tinggi. Baterai ini menggunakan logam litium sebagai anoda dan MnO2 sebagai katoda, dengan garam litium (misalnya LiClO4) sebagai elektrolit dalam pelarut bebas air.I. Cara Kerja :Pada anode Litium menerima elektron dari katode, dan menghasilkan potensial reduksi sebesar -3,05 volt. Oleh karena kenegatifannya inilah, litium dimanfaatkan sebagai anode. Kemudian direaksikan dengan Mangan Oksida yang berpotensial reduksi +0,35 volt. Agar reaksi terjadi secara spontan, mangan oksida ditempatkan sebagai katode. Terjadilah proses antara anoda dan katoda akan mengalir arus, yaitu dari kutub positif (anoda) ke kutub negatif (katoda). Sedangkan elektron akan mengalir dari katoda menuju anoda. Proses ini adalah proses yang terjadi pada sel volta, dimana reaksi kimia dapat menghasilkan energi listrik.

II. Reaksinya (Jika pada kondisi standar) :(Oksidasi) Anode () : Li Li+ + e- Eo = 3,05 V(Reduksi) Katode (+) : MnO2 + + Li+ + e- Li MnO2+ Eo = 0,35 VReaksi Sel: Li + MnO2 Li MnO2 Esel = 3,40 V

Berdasarkan hasil reaksi tersebut, baterai Litium menghasilkan potensial 3,4 volt. Namun pada saat digunakan turun menjadi 2,8 volt. Penurunan potensial seperti ini mungkin saja terjadi seiring lamanya baterai digunakan karena elektron terus mengalir dan sel tidak pada kondisi standar, sesuai dengan percobaan Walther Nerst pada tahun 1889. (Kondisi standar 25oC, tekanan 1 atm, dan konsentrasi 1M).

2. Sel Sekunder / Rechargeable (Baterai Litium Kobalt & Mangan)

Ini adalah jenis baterai isi ulang dimana ion litium bergerak antara anoda dan katoda. Pada sel sekunder, anode dan katode bereaksi secara kimia. Namun sel dapat diisi ulang dengan proses elektrolisis untuk mengembalikan anode dan kaode ke kondisi awal. Ion litium sebagai anoda, bukan logam litium, maka reaksi sel didalamnya bukanlah reaksi redoks. Melainkan hanya pergerakan ion litium melalui elektrolit dari sati elektrode ke elktrode lainnya. Jenis baterai ini umum digunakan dalam perlatan elektronik portabel, karena tidak memiliki efek memori, dan daya hilang yang lambat sehingga tidak butuh perlakuan apapun jika tidak digunakan dan dapat menyimpan cadangan energi yang relatif besar dalam waktu yang relatif lama. Terbagi atas dua tipe, yaitu mangan (Mn) dan kobalt (Co).

I. Cara Kerja :Pada saat digunakan berkerja sebagai sel volta: Lithium akan mengantarkan elektron dari anoda menuju alat yang membutuhkan elektronseperti kapasitor dan processor di handphone atau laptop kemudian berakhir di katoda. Sedangkan proton dari katoda masuk menembus separator diantara anoda dan katoda (proses interkalasi).Proses ini berlangsung terus menerus hingga kapasitas penggunaan baterai habis (ditunjukkan dengangarisatau persentase kapasitas baterai di layar handphone atau laptop). Pada saat di-charge dia bekerja sebagai elektrolisis: Sedangkan bila baterai diisi ulang atau recharge maka elektron akan kembali dari katoda ke anoda melalui alat pengisi ulang (charger) dan dengan dibantu arus yang masuk dari charger, proton akan kembali menuju katoda. Sehingga kondisi kembali menjad seperti semula.II. Reaksinya :a) Discharging (pemakaian) :Elektroda positif ( + ) :Li1-x CoO2 + xLi + xe- LiCoO2Elektrodanegatif () : CnLi Cn + xLi + xe- +Reaksi keseluruhan :Li1-xCoO2 + CnLiX LiCoO2 + Cn E sel = 3.70V

b) Sebaliknya Charging (pengiisian ulang) :Elektroda positif ( + ) : LiCoO2 Li1-x CoO2 + xLi + xe- Elektrodanegatif () : Cn + xLi + xe- CnLi +Reaksi keseluruhan :LiCoO2 + Cn Li1-xCoO2 + CnLiX

Dimana x menyatakan jumlah ion litium yang berpindah dari LiCoO2 ke grafit.

Seperti yang telah dipaparkan sebelumnya bahwa baterai Li-ion terbagi atas dua tipe, yaitu Mangan (Mn) dan Kobalt (Co). Untuk tipe mangan, sel terdiri dari anode Li1-xMn2O4 dan katode grafit. Elektrolitnya adalah garam Li yang larut dalam pelarut organik. Reaksinya :Li1-xMn2O4 + CnLiX LiMn2O4 + Cn voltase : 3.50V Untuk tipe kobalt, sel terdiri dari anode Li1-xCoO2 dan katode grafit. Elektrolitnya adalah garam Li yang larut dalam pelarut organik. Reaksinya :Li1-xCoO2 + CnLiX LiCoO2 + Cn voltase : 3.70Vdimana x menyatakan jumlah ion litium yang berpindah dari LiCoO2 ke grafit.

Litium ion kobalt menghasilkan potensial yang relatif besar dibandingkan dengan litium ion mangan. Hal ini dikarenakan pada deret volta, kobalt bersifat lebih tereduksi dibanding mangan, sehingga menghasilkan beda potensial sel yang relatif besar terhadap litium dibandingkan dengan mangan.Proses penghasilan listrik pada baterai litium-ion sebagai berikut: Jika anoda dan katoda dihubungkan, maka elektron mengalir dari anoda menuju katoda, bersamaan dengan itu listrik pun mengalir. Pada bagian dalam baterai, terjadi proses pelepasan ion litium pada anoda, untuk kemudian ion tersebut berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Dan di katoda, bilangan oksidasi kobalt berubah dari 4 menjadi 3, karena masuknya elektron dan ion litium dari anoda. Sedangkan proses pengisian ulang, berkebalikan dengan proses ini.Karakteristik masing-masing bagian baterai litium ionAnodaSeperti yang sudah dijelaskan diawal, anoda terdiri dari 2 bagian yaitu bagian pengumpul elektron dan material aktif. Untuk bagian pengumpul elektron biasanya menggunakan lapisan film tembaga, selain stabil (tidak mudah larut), harganya pun murah. Sedangkan pada bagian material aktif, tidak menggunakan logam litium secara langsung, namun menggunakan material karbon (LiC6).Hal ini dikarenakan, sulitnya mengkontrol reaksi litium pada permukaan elektroda bila memakai logam litium secara langsung. Material LiC6 adalah grafit dimana disetiap layer/lapisan disisipkan logam litium. Kepadatan energinya dari material ini berkisar 339~372 A h/kg.Namun salah satu kelemahan utama pada material karbon ini, adalah terjadi irreversible capacity. Yaitu, jika baterai dialiri listrik dari luar untuk pertama kalinya dari keadaan kosong, maka ketika digunakan besar kapasitas/energi yang dilepas tidak sama ketika proses pengisian. Hal ini dikarenakan terbentuknya gas pada anoda, sehingga menghalangi pelepasan ion litium. Namun hal ini dapat dicegah dengan menambahkan zat adiktif seperti vinylene carbonate ke dalam larutan elektrolit [1].Selain material karbon, material berbahan dasar silikon dan Sn merupakan kandidat besar untuk menjadi material anoda masa depan. Li4.4Si dilaporkan memiliki kepadatan energy 4140 A h/kg, 8 kali lipat lebih tinggi dibanding LiC6. Sedangkan Li4.4Sn memeliki kepadatan energy 992 A h/kg. Walaupun memiliki kepadatan energy yang tinggi, material ini memiliki siklus pemakaian yang sedikit (tidak bisa dipakai berulang-ulang) akibat dari perubahan volume material yang signifikan dan terjadinya perubahan fase. Dengan memadukan silikon-karbon, atau komposit silikon (campuran dengan Cu, Sn, Zn, dan Ti) dilaporkan dapat meningkatkan siklus pemakaian anoda [2-3].Kunci dari pengembangan anoda ini adalah tidak hanya pada kepadatan energi yang tinggi namun juga siklus pemakaian (cyclability). Seperti Li4Ti5O12/C, walaupun hanya memiliki kepadatan energy 145 Ah/kg pada suhu 5C, namun bisa dipakai 500 kali siklus dengan kepadatan energy 142 Ah/kg dan menghasilkan potensial yang tinggi 1.5 V [4]. Ditambah dengan keamanan material ini yang tinggi, material ini bukan tidak mungkin dipakai sebagai anoda baterai litium-ion untuk mobil masa depan.KatodaSaat ini, LiCoO2 umum digunakan sebagai bahan katoda baterai litium ion, yang memiliki kapasitas energi secara teori sebesar 137 A h/kg. Walaupun demikian material komposit ini terbilang tidak stabil dan relatif mahal.Logam Co termasuk logam yang sulit didapat, sehingga relatif mahal bila dibanding logam transisi lainnya, seperti Mn, Fe dan Ni. Selain itu, LiCoO2 tidaklah sestabil material katoda lainnya dan bisa mengalamai penurunan kualitas scr drastis bila terjadi pengisian ulang yang berlebihan [1]. Karena itu, diperlukan alternatif material katoda yang murah dan stabil.Selama ini untuk meningkatkan kapasitas dari katoda baterai litium ion, yang digunakan pada laptop, dilakukan penggantian sebagian logam kobalt (Co) dengan logam mangan dan nikel (Li1(Co,Mn,Ni)1O2).Komposisi ideal adalah seperti Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 yang dilaporkan memiliki kapasitas dan mampu menghasilkan voltase yang lebih tinggi dibandingkan dengan LiCoO2 [2]. Bila logam Co diganti seluruhnya dengan logam Mn dan Ni, dapat meningkatkan kapasitas 30% dari sebelumnya. Namun apabila kandungan Ni tinggi dapat mengakibatkan masalah pada keamanan/safety. Sedangkan pada penggantian Co dengan Mn memang dapat meningkatkan voltase yg dihasilkan, namun berdampak pada penurunan kapasitas energi.Material katoda lainnya yang menjanjikan adalah senyawa phosphate (LiMPO4). Contoh dari senyawa ini adalah LiFePO4. senyawa ini memiliki kestabilan yang baik pada temperature tinggi berbeda dengan Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 yang mengalami penurunan kapasitas pada suhu yang tinggi Selain itu karena menggunakan besi yang mudah dijumpai, LiFePO4 pun relatif lebih murah dibandingkan material katoda lainnya.Senyawa phosphate lainnya adalah LiMnPO4 dan LiCoPO4. Material ini dilaporkan mampu menghasilkan voltase yang tinggi, yaitu masing-masing 4.1 dan 4.8 V [1], lebih tinggi dibandingkan LiFePO4 (3.5 V), namun sayangnya memiliki kapasitas energi yg rendah. Hal ini dapat diatasi dengan memadukan LiMnPO4 atau LiCoPO4 dengan LiFePO4, yang menghasilkan voltase (4 V) dan kapasitas energi yang cukup tinggi (150~200 Ah/kg). Campuran ini merupakan salah satu calon kuat bahan katoda baterai litium ion untuk mobil. Dengan tingginya voltase yang dihasilkan dapat mengurangi jumlah baterai yang dibutuhkan.

Separator

Separator adalah material berpori yang diletakkan diantara anoda dan katoda, yang dapat mencegah terjadinya gesekan antara kedua elektroda tersebut yang dapat menyebabkan arus pendek. Selain itu separator harus dapat dilewati oleh ion lithium dengan baik.Tidak hanya sebagai pembatas antar elektroda, separator memiliki peranan penting dalam proses penghasilan listrik, pengisian ulang, dan tentunya keamanan pada baterai litium ion sendiri.Polyolefin sangat umum digunakan sebagai bahan separator, khususnya pada laptop dan hp, karena tipis dan memiliki kestabilan elektrokimia yang baik. Polyolefin sendiri terdiri atas perpaduan antara polypropylene (sbg penyangga utama, backbone) dan polyethylene sebagai pelapis pada lubang/pori-pori.Polyethylene memiliki sifat meleleh pada suhu diatas 120-130 oC. Apabila panas yang dihasilkan didalam baterai melewati ambang batas, polyethylene akan melelah dan menutup lubang pada separator, mengakibatkan proses perpindahan lithium ion berhenti. Sehingga separator memiliki fungsi utama dalam hal keamanan bila terjadi panas berlebihan.Sisi negatifnya karena sifat diatas, polyolefin sulit digunakan pada baterai litium ion untuk mobil. Karena ukuran baterai mobil yang besar, memungkinkan terjadinya perubahan suhu yang tinggi secara drastis. Untuk mengatasi masalah tersebut, dilakukan pelapisan Al2O3 atau material keramik lainnya, pada permukaan separator. Sehingga walapun pada suhu tinggi, bentuk dari separator dapat terjaga [3].Dapat disimpulkan, separator memiliki peranan penting, khususnya dalam masalah keamanan. Dan agar baterai litium ion bisa digunakan pada mobil, maka diperlukan separator yang kuat, tahan terhadap panas, dan tentunya mudah dilalui ion lithium.ElektrolitElektrolit berfungsi sebagai penghantar ion litium dari anoda ke katoda dan begitu pula sebaliknya.Salah satu jenis elektrolit adalah elektrolit cair. Sesuai dengan namanya elektrolit ini berbentuk cairan, dan pada umumnya mengandung Lithium Hexafluorophosphate (LiPF6) 1.0~1.2 M (mol/L). Untuk melarutkan LiPF6 diperlukan zat pelarut organik yang umumnya terdiri atas campuran senyawa karbonat.Syarat-syarat zat pelarut organik ini agar bisa dipakai pada baterai litium ion, cukup banyak. Selain harus memiliki sifat fisiknya; bisa dipakai pada suhu -30~80 C, memiliki konduktivitas tinggi, dan viskositas yang rendah sehingga ion litium bisa berpindah dengan mudah, juga harus memiliki sifat kimiawi; stabil, tidak mudah terbakar, dan tidak berbahaya.Dewasa ini zat pelarut organik yang banyak digunakan pada baterai litium, adalah campuran antara ethylene carbonate (EC) dan dimethyl carbonate (DMC). EC memiliki permitifitas relatif tertinggi (89.8 ) dibanding senyawa karbonat lainnya, namun memiliki viskositas yang cukup tinggi (1.90 cp). Sedangkan DMC berkebalikan dari dengan EC, memiliki viskositas yang rendah (0.59 cP), namun memiliki permitifitas relative yang rendah (3). Dengan mencampur kedua senyawa tersebut dapat melengkapi kekurangan masing-masing.Selain elektronik cair, juga terdapat elektrolit padat, seperti keramik (inorganik), polimer organik, gel polimer. Elektrolit keramik memiliki karakteristik khusus yaitu semakin tinggi suhu, semakin tinggi konduktivitasnya sehingga cocok untuk aplikasi yang berkerja pada temperatur tinggi. Contoh dari elektrolit keramik inorganik adalah senyawa sulfide (seperti Li2SP2S5), senyawa oksida (seperti (La,Li)TiO3), dan senyawa phosphate (LiAlGe(PO4)3).Selain elektrolit keramik, ada juga polymer dan gel polimer. Diantara kedua jenis ini, gel polimerlah yang sudah diaplikasikan pada baterai litium ion, yang sering disebut baterai litium ion polimer. Baterai jenis ini bisa dijumpai pada laptop.Gel polimer adalah elektrolit yang mengandung polimer 10-20% (berat). Jenis polimer yang umum digunakan adalah poly(vinylidene fluoride) yang dipadukan dengan Hexafluoropropylene, disingkat PVdF-HFP. Elektrolit gel polimer dapat menghambat terbentuknya kristal lithium berbentuk jarum pada anoda ketika pada kondisi kepadatan arus tinggi.Konduktifitas dari berbagai jenis elektrolit padat ini bisa dilihat pada gambar dibawah ini.

Fig.1 Konduktifitas pada elektrolit inorganik dan polimer/gel polimer [4].Sumbu vertikal pada gambar diatas menunjukkan konduktifitas ion. Semakin positif nilainya semakin tinggi konduktifitas ion dari elektrolit. Pada gambar diatas terlihat senyawa phosphate dan gel polymer (PVdF-HFP) memiliki konduktifitas ion tertinggi dibandingkan jenis elektrolit pada lainnya. Namun, elektrolit ini memiliki permasalahan yaitu pada kekuatan mekanik dan kompabilitas dengan elektroda.Berbeda dengan elektrolit cair, elektrolit padat memiliki kelebihan bila dilihat dari aspek keamanan, realibility dan kemudahan dalam mendesign. Namun memiliki konduktivitas ion yang lebih rendah bila dibanding elektrolit cair. Pemilihan elektrolit untuk baterai litium ion sangat tergantung dari beberapa faktor seperti parameter operasi/penggunaan (voltase, suhu penggunaan) dan design baterai tersebut (fleksibel dan kuat).Kelebihan & kekuranganBaterai lithium-ion begitu populer karena mereka memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan kompetitornya. Keunggulan tersebut antara lain: Lebih ringan. Elektroda baterai lithium-ion terbuat dari lithium yang ringan dan karbon. Lithium adalah elemen yang sangat reaktif, artinya dia banyak energi yang bisa disimpan dalam ikatan atomnya. Lebih bertenaga. Satu kilogram baterai lithium-ion bisa menampung 150 watt-jam, sementara satu kilogram baterai NiMH (nickel-metal hydride) hanya bisa menampung 100 watt-jam. Lebih kuat. Sebuah baterai lithium-ion hanya kehilangan 5% isinya setiap bulan, dibandingkan dengan baterai NiMH yang kehilangan 20% isinya per bulan. Lebih awet. Baterai lithium-ion bisa menangani ratusan kali siklus isi/kuras (charge/discharge). Tidak ada efek memory, itu artinya Anda tidak harus menunggu baterai benar-benar kosong untuk melakukan isi ulang.Di balik setiap kelebihan, pasti tersimpan kelemahan. Berikut beberapa kelemahan yang dimiliki baterai lithium-ion: Baterai lithium-ion mulai terdegradasi sejak meninggalkan pabrik. Baterai ini hanya kuat bertahan dua sampai tiga tahun, sejak tanggal perakitan, tidak peduli apakah Anda menggunakannya atau tidak. Baterai lithium-ion sangat sensitif terhadap suhu tinggi. Suhu yang tinggi menyebabkan baterai ini terdegradasi lebih cepat daripada seharusnya. Usia baterai akan tamat, jika Anda benar-benar menggunakannya sampai kosong! Satu set baterai lithium-ion memiliki komputer onboard untuk mengaturnya. Hal ini membuat harga baterai terdongkrak. Terdapat peluang kecil, apabila proses pengepakannya buruk, baterai akan meledak dan terbakar.