Baterai Litium-ion

Oleh: Heru Setyawan

Seperti telah diuraikan sebelumnya (disini), baterai litium-ion (Li-ion) telah memungkinkan revolusi nirkabel dari HP, komputer laptop, kamera digital dan iPad yang telah mentransformasi komunikasi global. Baterai Li-ion merupakan teknologi dinamis yang umum digunakan karena ia mengemas banyak energi dalam volume yang kecil. Li-ion mendominasi pasar elektronika jinjing dan kendaraan listrik yang sedang tumbuh. Meskipun telah banyak kemajuan selama beberapa dekade, Li-ion masih menghadapi banyak tantangan. Baterai masih mahal, perlu waktu lama untuk mengisi ulang, dan memiliki masa hidup yang pendek. Secara singkat, kimia baterai Li-ion telah dibahas disini. Di sini akan diuraikan lebih rinci mengenai baterai jenis ini, perkembangannya dan yang ada di pasaran.

Perlu ditegaskan di sini bahwa yang diuraikan di atas dan berikut ini adalah jenis baterai Li-ion yang merupakan baterai sekunder (dapat diisi ulang), yang berbeda dengan baterai lithium (tanpa tambahan kata ion) primer yang tidak bisa diisi ulang.

Karakteristik umum

Baterai Li-ion menggunakan senyawa penyimpan litium sebagai bahan elektroda positif dan negatif. Ketika baterai bersiklus, ion Li⁺ bertukaran antara elektroda positif (katoda) dan elektroda negatif (anoda) melalui elektrolit yang berupa elektrolit cair, polimer atau gel polimer. Bahan elektroda positif umumnya adalah logam oksida dengan struktur berlapis, mis.: litium kobalt oksida (LiCoO₂), atau bahan yang memiliki struktur berlorong, mis.: litium mangan oksida (LiMn₂O₄), pada pengumpul arus alumunium. Bahan elektroda negatif umumnya adalah karbon grafit, juga bahan berlapis, pada pengumpul arus tembaga (lihat skema). Pada proses pemakaian-pengisian, ion Li⁺ disisipkan atau diektraksi dari ruang sela antara lapisan-lapisan atomik bahan aktif. Baterai pertama dipasarkan oleh Sony pada tahun 1991, dan sebagian besar baterai yang tersedia saat itu menggunakan LiCoO₂ (LCO) sebagai bahan elektroda positif. Yang lebih baru, bahan elektroda positif lain telah diperkenalkan seperti LiFePO₄ (LFP), LiMn₂O₄ (spinel), Li(NiMnCo)O₂ (NMC) dan Li(NiCoAl)O₂ (NCA).

Baterai yang pertama kali dipasarkan menggunakan sel dengan bahan elektroda negatif kokas. Setelah itu, bahan elektroda negatif bergeser ke grafit dan yang lebih baru spinel Li_4/3Ti_5/4O₄ (LTO). Grafit menawarkan kapasitas spesifik, umur siklus dan kemampuan laju yang lebih bagus daripada kokas. Sementara itu, meskipun LTO memiliki kapasitas spesifik dan densitas kapasitas yang lebih rendah daripada grafit, bahan ini menawarkan umur siklus lebih lama dan karakteristik stabilitas termal yang bagus.

Teknologi Li-ion telah dengan cepat menjadi sumber daya standar dalam deretan pasar yang luas, dan kinerja baterai terus membaik ketika baterai Li-ion dipergunakan untuk berbagai produk yang terus bertambah. Untuk memenuhi kebutuhan pasar, sederetan desain dan faktor bentuk telah dikembangkan yang meliputi rancangan sel gulungan spiral silinder, gulungan prisma, prisma pelat datar atau bertumpuk dan kantong dalam ukuran kecil (0,1 Ah) sampai besar (160 Ah). Gambar 1 menunjukkan diagram skema sel lilitan spiral silinder. Dalam setiap faktor bentuk, sel menggunakan elektrolit cair atau elektrolit polimer atau polimer gel. Aplikasi yang sekarang dialamatkan untuk baterai Li-ion meliputi barang elektronik seperti telepon genggam, komputer jinjing, kamera digital, perkakas daya, sepeda dan skuter listrik, maupun peralatan militer. Aplikasi berikutnya yang besar adalah kendaraan listrik.

Keunggulan dan kelemahan utama baterai Li-ion, relatif terhadap jenis baterai lain, dirangkum pada Tabel 1. Energi jenis yang tinggi (sampai 240 Wh/kg) dan densitas jenis yang tinggi (sampai 640 Wh/L) produk komersial membuatnya menarik untuk aplikasi yang sensitif terhadap berat dan volume. Baterai Li-ion menawarkan laju pemakaian sendiri yang rendah (2-8% per bulan), umur siklus panjang (lebih besar daripada 1000 siklus), dan rentang suhu operasi yang lebar (sel komersial bisa diisi pada 0-45^oC dan dipakai pada -40-65^oC), yang memungkinkan pemakaiannya pada berbagai macam aplikasi. Sel tunggal umumnya beroperasi antara 2,5 dan 4,3 V, kira-kira 3 kali tegangan sel NiCd dan NiMH.

Kelemahan baterai Li-ion adalah baterai rusak ketika dipakai dibawah 2 V dan menguap ketika tegangan berlebih. Oleh sebab itu, baterai Li-ion umumnya menggunakan alat manajemen sirkuit dan pemutus mekanis untuk memberi perlindungan terhadap pemakaian berlebih, pengisian berlebih atau kondisi suhu berlebih. Kelemahan produk Li-ion yang lain adalah mereka kehilangan kapasitas permanen pada suhu tinggi (65^oC) dan menjadi tidak aman ketika diisi dengan cepat pada suhu rendah (<0^oC).

Keunggulan	Kelemahan
Sel tersegel; tidak perlu perawatan	Harga awal sedang
Umur siklus panjang	Rusak pada suhu tinggi
Rentang suhu operasi lebar	Perlu perlindungan sirkuit
Umur simpan lama	Kehilangan kapasitas dan berpotensi untuk terlalu panas ketika diisi berlebihan
Laju pemakaian sendiri rendah	Kemungkinan menguap dan mungkin terlalu panas ketika dibanting
Kemampuan isi cepat	Mungkin menjadi tidak aman ketika diisi dengan cepat pada suhu rendah (<ooC)
Kemampuan pemakaian laju tinggi dan daya tinggi
Efisiensi Coulomb dan energi tinggi
Energi jenis dan densitas energi tinggi
Tidak punya pengaruh memori
Banyak kemungkinan kimia menawarkan fleksibitas rancangan
Dapat dibuat dalam wadah plastik dialuminasi sebagai sel kantong atau polimer

Penyebutan dan Penandaan

Sistem penyebutan dan penandaan IEC (baca disini) untuk sel Li-ion menggunakan lima angka untuk sel silinder dan enam angka untuk sel prismatik. Untuk sel silinder, dua angka pertama menunjukkan diameter dalam milimeter dan tiga angka berikutnya menunjukkan panjang dalam sepersepuluh milimeter. Sebagai contoh, sel 18650 adalah sel yang berdiameter 18 mm dan panjang 65,0 mm. Untuk sel prismatik, dua angka pertama menunjukkan tebal dalam sepersepuluh milimeter, dua angka berikutnya menunjukkan lebar dalam milimeter, dan dua angka terakhir menunjukkan panjang sel dalam milimeter. Sebagai contoh, sel 564656P adalah sel dengan ukuran tebal 5,6 mm x lebar 46 mm x panjang 56 mm.

Ada penandaan lain pada sel yang menyarankan kimia dalam sel. Akan tetapi, berdasarkan pada publikasi berbagai pabrikan, jelas bahwa nomenklatur ini belum sepenuhnya terstandardisasi. Ini mungkin karena jumlah kimia sel yang sangat banyak, yang bisa meliputi elektroda negatif grafit, Sn-Co-C atau LTO, dan elektroda positif LCO, spinel, LFP, NMC atau NCA. Campuran bahan elektroda tersebut juga sering digunakan.

Kimia

Bahan elektroda aktif secara elektrokimia dalam baterai Li-ion adalah litium logam oksida atau litium logam fosfat untuk bahan elektroda positif dan umumnya grafit terlitiasi untuk bahan elektroda negatif. Bahan ini direkatkan ke kolektor arus kertas logam dengan perekat, umumnya polivinilidena fluorida (PVDF), karboksimetilselulosa dan/atau karet stirena-butadiena, dan pengencer konduktif umumnya karbon hitam atau grafit. Elektroda positif dan negatif diisolasi secara listrik selaput pemisah polietilena atau polipropilena mikropori.

Bahan aktif dalam sel Li-ion konvensional beroperasi dengan cara bolak balik dengan memasukkan litium dalam proses interkalasi, sebuah reaksi topotaktik dimana ion litium (tamu) secara bolak balik diambil dan disisipkan ke penyangga tanpa perubahan struktural yang signifikan pada penyangga. Bahan positif dalam Li-ion adalah logam oksida, dan logam oksida memiliki struktur berlapis atau lorong. Bahan negatif karbon grafit memiliki struktur berlapis seperti grafit. Jadi, logam oksida, grafit dan bahan lain bertindak sebagai penyangga, yang secara bolak balik memasukkan tamu ion litium membentuk struktur seperti roti lapis.

Skema proses interkalasi LiMO₂ dimana M mewakili logam seperti Co ditunjukkan pada Gambar 2. Dalam proses ini, ion litium dideinterkalasi dari bahan positif dan diinterkalasi ke dalam bahan negatif, seperti diilustrasikan disini.

Bahan elektroda positif

Bahan elektroda positif dalam baterai Li-ion yang tersedia di pasar menggunakan litium logam oksida atau litium logam fosfat sebagai bahan aktif. Produk Li-ion pertama yang dipasarkan oleh Sony menggunakan LiCoO₂. Karakteristik beberapa bahan elektroda positif disajikan pada Tabel 2.

Bahan	Kapasitas jenis mAh/g	Titik tengah V vs. Li pada C/20	Komentar
LiCoO2	155	3,9	Masih paling umum. co mahal
LiNi1-x-yMnxCoyO2 (NMC)	140-180	~3,8	Lebih aman dan lebih murah daripada LiCoO2. Kapasitas tergantung pada batas tegangan atas.
LiNi0,8Co0,15Al0,05O2	200	3,73	Seaman LiCoO2, kapasitas tinggi.
LiMn2O4	100-120	4,05	Murah, lebih aman daripada LiCoO2, stabilitas suhu tinggi rendah.
LiFePO4	160	3,45	Sintesis dalam gas inert menambah biaya proses. Sangat aman. Energi volumetrik rendah.
Li[Li1/9Ni1/3Mn5/9]O2	275	3,8	Kapasitas jenis tinggi, skala R&D, kemampuan laju rendah
LiNi0,5Mn1,5O4	130	4,6	Memerlukan elektrolit yang stabil pada tegangan tinggi

Bahan elektroda negatif

Baterai Li-ion pertama yang dipasarkan oleh Sony menggunakan kokas petroleum pada elektroda negatif. Bahan berbasis kokas menawarkan kapasitas yang bagus, 180 mAh/g, dan stabil dengan adanya propilena karbonat (PC). Ini berlawanan dengan bahan grafit yang dapat terkelupas jika tidak ada aditif yang ditambahkan. Ketidakteraturan dalam bahan kokas dipandang mengunci lapisan grafit, menghambat reaksi atau pengelupasan dengan adanya propilena karbonat. Pada pertengahan 1990an, sebagian besar sel Li-ion memanfaatkan elektroda yang menggunakan bola grafit, khususnya karbon mesokarbon mikrobead. Karbon ini menawarkan kapasitas jenis yang lebih tinggi, 300 sampai 350 mAh/g, dan luas permukaan yang rendah, yang memberikan kapasitas irreversibel rendah dan sifat keamanan yang baik. Akhir-akhir ini, banyak jenis karbon digunakan sebagai elektroda negatif. Banyak sel komersial menggunakan grafit sintetis atau alam, yang tersedia dengan harga murah, dan biasanya sangat tergrafitisasi untuk menyediakan kapasitas jenis tertinggi dan efisiensi kemasan luar biasa.

Elektrolit litium nonair

Ada dua jenis elektrolit utama yang digunakan dalam baterai Li-ion, yakni: cair dan gel. Elektrolit cair adalah garam litium dalam satu atau lebih pelarut organik, umumnya karbonat. Elektrolit gel adalah bahan penghantar ion dimana garam dan pelarut dilarutkan atau dicampur dengan polimer berat molekul tinggi. Elektrolit gel yang dikembangkan untuk baterai Li-ion umumnya selaput PVDF-HFP, LiFP₆, dan pelarut karbonat. Silika kabut bisa ditambahkan untuk meningkatkan integritas struktur.

Sebagian besar elektrolit Li-ion yang dipakai saat ini menggunakan LiFP₆ sebagai garam karena konduktivitas ionnya tinggi, 10^-2 S/cm, bilangan perpindahan Li-ion tinggi (~0,35) dan aman. Akan tetapi garam ini relatif mahal, higroskopis dan menghasilkan asam fluorida (HF) ketika bereaksi dengan air. Garam organik juga dikembangkan, yang lebih stabil dengan air sehingga mudah ditangani. Yang paling banyak menarik perhatian adalah lithium bistrifluoromethane sulfonimide (LiN(CF₃SO₂)₂). Tabel 3 menyajikan garam yang umum digunakan dalam elektrolit Li-ion.

Nama	Rumus	BM (g/mol)	Pengotor	Komentar
Litium heksafluorofosfat	LiFP6	151,9	H2O, HF	Garam paling umum
Litium tetrafluoroborat	LiBF4	93,74	H2O, HF	Kurang higroskopis daripada LiFP6
Litium bisoksalatoborat	LiB(C2O4)2	193,7	H2O	Dapat membantu antarmuka elektroda padat
Litium bistrifluorometana sulfonimida	LiN(CF3SO2)2		H2O	Mampu mengurangi pembentukan gas dan meningkatkan umur siklus suhu tinggi

Elektrolit yang dipakai saat ini diformulasi secara eksklusif dengan pelarut karbonat. Karbonat adalah aprotik, polar, dan memiliki konstanta dielektrika tinggi sehingga mampu mensolvasi ion litium sampai konsentrasi tinggi (> 1 M). Pelarut karbonat memiliki konduktivitas larutan intrinsik < 10^-7 S/cm dan konstanta dielektrik > 3. Pelarut lain yang digunakan adalah eter dan asetat.

Pustaka