Baterai logam-udara: Konsep dasar

Baterai logam-udara (metal-air battery) adalah sebuah sel elektrokimia yang terdiri atas elektroda negatif logam, elektroda positif udara, dan elektrolit. Oksigen dipasok dari udara di luar sel dimana udara tersedia dimana-mana di muka bumi, gratis dan tidak membahayakan lingkungan. Karena udara berasal dari luar sel, baterai logam-udara pada dasarnya tidak memakan banyak tempat untuk bahan aktif elektroda positif kecuali hanya lapisan tipis katalis sehingga baterai dapat berisi elektroda negatif sebanyak mungkin. Bahan aktif oksigen yang ringan ini mampu menghasilkan kapasitas spesifik yang sangat besar (3,35 Ah/g) dan memiliki potensial redoks yang tinggi (1,23 V vs. RHE). Logam dasar dengan daya reduksi yang kuat secara luas dipakai sebagai bahan aktif elektroda negatif. Ilustrasi rangkaian baterai logam-udara disajikan pada Gambar 1.

Baterai logam-udara dapat memasok listrik sampai semua logam negatif dikonsumsi, dengan syarat persediaan oksigen tetap ada. Ciri ideal telah lama dikenali dan menawarkan aplikasi praktis sebagai sumber daya tahan lama, khususnya sebagai baterai primer (tidak bisa diisi ulang). Meskipun elektroda udara mirip dengan yang ada dalam sel bahan bakar (fuel cell), baterai logam-udara pada dasarnya adalah baterai penyimpan sedangkan sel bahan bakar adalah pembangkit daya yang tidak mempunyai fungsi menyimpan.

Baterai logam-udara dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kategori seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Sebagian besar baterai logam-udara saat ini masuk dalam kategori baterai primer. Elektrolit biasanya sudah dimasukkan ke dalam sel dan siap dipakai, tetapi kadang-kadang dipisah dengan logam negatif untuk mencegah korosinya (pemakaian sendiri), yang disebut baterai cadangan. Cara lain mencegah pemakaian sendiri adalah menyegel lubang udara sebelum pemakaian.

Baterai logam-udara sekunder dapat dikelompokkan menjadi dua menurut cara baterai diisi ulang, yakni: diisi ulang dengan listrik dan diisi ulang secara mekanik. Agar dapat diisi ulang dengan listrik, elektroda udara harus mempunyai dua fungsi: (i) melakukan reaksi reduksi oksigen ketika pemakaian dan (ii) melakukan reaksi evolusi oksigen ketika diisi. Ini dapat dilakukan dengan memakai elektroda bifungsi yang dapat melakukan kedua fungsi tersebut. Alternatif lainnya adalah menggunakan dua elektroda udara, satu elektroda untuk pemakaian dan satunya lagi (elektroda ketiga) untuk pengisian.

Baterai logam udara dapat diisi ulang secara mekanik diisi dengan cara mengganti logam negatif yang digunakan (dan elektrolit) dengan yang baru, yang pada dasarnya memakan waktu yang jauh lebih singkat daripada pengisian dengan listrik. Pengisian mekanik adalah ciri khusus baterai logam-udara yang memanfaatkan oksigan yang tak pernah habis sebagai bahan aktif. Logam negatif yang digunakan diregenerasi dalam sel elektrolisis yang berbeda menggunakan elektroda lawan yang sama seperti elektroda untuk pengisian (reaksi evolusi oksigen). Pengisian mekanik jenis hidrolik/aliran adalah dengan mendispersikan atau melarutkan logam aktif ke dalam elektrolit menggunakan pompa. Keuntungan pemakaian elektroda ketiga maupun pengisian mekanik adalah bahwa elektroda udara yang paling cocok untuk reaksi reduksi oksigen dapat digunakan untuk pemakaian.

Logam negatif untuk baterai logam-udara harus memiliki daya reduksi kuat, ringan, kompak dan murah. Logam yang umum digunakan adalah litium, aluminium, seng, magnesium dan besi. Produk pemakaian baterai logam-udara umumnya adalah logam oksida, yang gampangnya merupakan gabungan logam dan oksigen.

M + n/4O₂ –> MO_n/2

Logam peroksida/superoksida dan logam hidroksida kadang-kadang terbentuk sebagai produk pemakaian. Air dikonsumsi pada pemakaian, selain oksigen, ketika hidroksida terbentuk.

M + nO₂ –> MO_2n

M + n/2O₂ –> MO_n

M + n/4O₂ n/2H₂O –> M(OH)_n

Profil tegangan baterai logam-udara umumnya datar, yang berhubungan dengan reaksi dua fase sederhana antara logam dan produk pemakaian. Produk pemakaian sering non-konduktif (bukan penghantar listrik), berlawanan dengan logam yang sangat konduktif.

Elektrolit dalam baterai logam-udara harus memiliki konduktivitas ion yang baik, sifat mengisolasi listrik dan stabilitas yang cukup melawan potensial reduksi logam negatif maupun potensial oksidasi oksigen. Untuk sistem air, elektrolit alkalin secara luas digunakan karena aktivitas protonnya rendah untuk mencegah reaksi evolusi hidrogen. Reaksi evolusi hidrogen menyebabkan pemakaian sendiri yang memakan logam negatif yang bisa jadi berbahaya dalam elektrolit netral atau asam. Untuk logam yang tidak kompatibel dengan elektrolit air, digunakan berbagai macam elektrolit non air termasuk elektrolit organik, elektrolit polimer, elektrolit padat anorganik dan leburan garam (ionic liquid).

Elektroda udara pada dasarnya adalah sebuah lapisan dimana oksigen ditarik masuk dan direduksi. Bahan elektroda yang diinginkan adalah bahan yang ringan, kompak dan murah, dengan luas elektrokimia aktif yang besar dibutuhkan untuk memperoleh cukup rapat arus. Elektroda udara menyediakan tempat reaksi oksigen, dimana gas oksigen, elektrolit yang mengandung ion yang bereaksi (biasanya cair), dan pemasok elektron (biasanya padat) bertemu bersama-sama. Titik atau garis seperti itu disebut batas fase tripel. Oleh sebab itu elektroda udara harus dapat dibasahi dan pada saat yang bersamaan mampu menahan elektrolit tidak merembes keluar melalui pori-porinya.

Sebuah separator yang ditempatkan diantara elektroda positif dan negatif adalah penting untuk mencegah hubungan listrik pendek sel. Hal ini karena logam negatif dalam baterai logam-udara sering mengalami perubahan volume/bentuk yang signifikan dan kadang-kadang endapan dengan morfologi yang tidak diinginkan (mis.: dendrit) terbentuk selama operasi.

(hs)