TINJAUAN PUSTAKA
2.2. Baterai Ion Lithium
Baterai lithium pertama kali diusulkan pada tahun 1976 dan telah banyak digunakan dalam aplikasi portable sejak awal 1990-an. Dalam beberapa tahun terakhir, tingginya harga minyak telah memberikan inisiatif bagi para peneliti untuk melihat ke dalam teknologi baterai baru yang dapat digunakan dalam aplikasi kendaraan listrik. Di Kalangan baterai lithium, ada tiga kategori pembagian, yaitu: logam lithium, lithium polymer dan ion lithium. (Whitingham,1976).
Lithium ion tidak memiliki definisi kimia yang unik seperti asam timbal, nikel metal hidrida atau Baterai Nickel Cadmium. Sebuah sel lithium ion memiliki tiga utama komponen: elektroda positif (katoda), elektroda negatif (anoda) dan separator. Di setiap sel memiliki kelebihan dan kekurangan. Di satu sisi, berbagai bahan katoda dan anoda memberikan fleksibilitas untuk merancang baterai untuk kebutuhan aplikasi yang spesifik, namun di sisi lain dalam jumlah yang besar,
kemungkinan menimbulkan kebingungan pada reaksi kimia tertentu yang dikembangkan dan berhasil diuji di lapangan. (Whittingham, 1976).
Berbagai pilihan yang tersedia untuk masing-masing komponen (manfaat dan kerugian) dijelaskan secara rinci di bawah ini. Karakteristik listrik dan kinerja baterai seperti tegangan, kapasitas, kepadatan energi, tingkat kemampuan, siklus hidup, dan lama hidup akan berubah sebagai salah satu konsekuensi dalam memilih bahan yang berbeda untuk anoda, katoda, elektrolit dan separator. Seperti yang akan ditampilkan nanti, tidak ada satu kombinasi tertentu komponen sel tersebut yang dapat memenuhi setiap kebutuhan di semua aplikasi. Harus memilih salah satu dan memodifikasi komponen sel untuk memenuhi kebutuhan aplikasi. Selain itu, kita juga dapat merubah komposisi bahan katoda dan anoda, ukuran partikel dan morfologi untuk mencapai kinerja baterai tertentu, baterai lithium jauh lebih kecil dan lebih ringan dibandingkan dengan semua teknologi lainnya. Seperti yang diketahui bahwa baterai lithium adalah baterai yang memiliki aliran paling besar di antara semua teknologi penyimpanan energi. (Whittingham, 1976)
2.2.1. Spesifikasi Kimia Baterai Ion Lithium
Sejak dikomersialisasi baterai Lithium-ion yang dapat diisi ulang awal 1990-an, lithium yang berbasis kimia telah memiliki pangsa yang semakin meningkat dari pasar global. Hal ini karena lithium memiliki beberapa bahan sifat kimia dan fisik yang jauh dari yang diinginkan. Pertama, lithium adalah unsur yang paling elektronegatif dalam NPT reduksi standar potensi seri dengan potensial elektroda negatif -3.05 V. Hal ini memungkinkan untuk memproduksi baterai dengan tegangan sel 6 V, meskipun 3-3.5 V adalah rentang tegangan yang paling umum untuk baterai lithium. Hasil tegangan tinggi dalam baterai mampu melakukan lebih banyak pekerjaan dengan jumlah pembawa muatan yang sama, yaitu, baterai memiliki energi spesifik yang lebih tinggi dari sel setara dengan tegangan yang lebih rendah. Kedua, lithium adalah salah satu unsur paling ringan dan terkecil dalam tabel periodik. Hal ini membuat lebih mudah untuk membuat desain baterai lebih ringan dan lebih kecil, dan akibatnya lithium memiliki kepadatan energi gravimetri dan volumetrik lebih tinggi dari sel setara dengan elemen yang lebih
berat. Jari-jari ionik juga membuat baterai relatif mudah untuk menemukan bahan interkalasi yang baik (Nordh, 2013).
Lithium logam murni akan menghasilkan energi volumetrik dan gravimetrik tertinggi untuk baterai lithium. Logam lithium sendiri adalah elektronik konduktif yang memiliki sifat mekanik yang baik, sehingga tidak ada tambahan yang diperlukan. Dengan adanya elektrolit dalam baterai baterai, lithium memiliki spesifik yang lebih tinggi. Namun, dengan menggunakan logam lithium menimbulkan masalah besar dalam sel sekunder. Setelah pengisian, ketika ion lithium kembali pindah ke lithium logam foil, terjadi pembentukan dendrit. Setelah berulang kali dendrit ini mencoba tumbuh ke sisi positif dari baterai dan dengan demikian terjadi arus pendek pada seluruh baterai, dengan kemungkinan dalam scenario kasus terburuk terjadi ledakan. Masalah keamanan ini terlalu besar untuk diabaikan , dan karena itu alternatif sumber lithium perlu digunakan. Ketika memecahkan masalah dendrit yang berhubungan dengan litium logam, banyak jalan alternatif yang dieksplorasi dan hasil yang paling menjanjikan berasal dari senyawa interkalasi. Suatu senyawa interkalasi bekerja sebagai matrik dimana lithium ion disimpan. Struktur host materi secara keseluruhan tidak berubah ketika dimasukan lithium dalam senyawa interkalasi; lithium sebaliknya menemukan lubang dalam struktur dimana ia dapat disimpan (Nordh, 2013).
Salah satu elektroda negatif yang paling umum digunakan dalam baterai saat ini adalah grafit. Atom-atom karbon dalam grafit tersusun dalam lapisan halus dengan ikatan van deer waals. Atom lithium kemudian dapat bergerak antara lapisan tersebut dan disimpan (gambar 2.3). Di tengah lapisan terdapat cicin karbon yang memungkinkan satu atom lithium dapat disimpan dalam enam karbon dan membentuk LiC6. Masalah keamanan yang dapat diatasi karena bahan interkalasi yang umumnya tidak mengalami pembentukan dendrit, namun berpengaruh pada energi dan daya spesifik (Nordh 2013). Dapat dilihat pada Gambar 2.3 bahan elektroda menggunakan logam lithium oksida katoda dan anoda grafit. Lithium diselingi antara lapisan grafit saat baterai terisi dan dalam struktur host oksida ketika habis
Gambar 2.3. Skematik bahan elektroda dalam baterai Lithium-ion
2.2.2. Katoda (elektroda positif)
Katoda adalah elektroda positif dari sel yang terkait dengan reaksi kimia reduksi yang memperoleh elektron dari sirkuit eksternal. Katoda disusun dari campuran bahan elektroda (90%), aditif konduktif (6%), bahan pengikat (4%), dan dilukis pada arus kolektor. Li-TMs dengan konduktivitas elektron yang rendah umumnya digunakan sebagai bahan elektroda, penurunan konduktivitas elektroda. Maka, beberapa karbon konduktif seperti grafit, Acethylene Black (AB), Ketjen Black (KB) kembali ditambahkan untuk meningkatkan sifat konduktif dari elektroda. Polimer fluorocarbon seperti Polytetra Fluoroethylene (PTFE), Polyvinylidene- difluoride (PVdF), dan Polyvinyl-fluoride (PVF) biasanya digunakan sebagai pengikat untuk menghubungkan setiap partikel dari bahan elektroda. Foil biasanya digunakan sebagai arus kolektor, karena harus bertahan dengan kondisi oksidasi yang tinggi (~4V vs Li+/Li).
2.2.3. Elektrolit
Elektrolit adalah bahan yang menyediakan ionic murni konduktifitas antara elektroda positif dan negatif dari sel. Elektrolit dalam sel komersial memilki sejumlah aditif untuk meningkatkan kinerja baterai dan keselamatan, resep khusus untuk sebagian besar elektrolit komersial menjadi rahasia yang dijaga ketat. Secara umum, kebanyakan elektrolit komersial mengandung karbonat organik dan
garam lithium, dimana LiPF6 adalah garam yang paling umum digunakan (Ronci, 2002).
2.2.4. Anoda
Anoda adalah elektroda negatif dari sel yang terkait dengan reaksi kimia oksidatif yang melepaskan elektron ke dalam sirkuit eksternal. Anoda tersusun oleh karbon (seperti grafit dan karbon berat) sebagai bahan dasar (90%) dan bahan pengikat (10%). Untuk mencegah paduan Li pada kondisi reduksi rendah, terdapat Cu-foil yang digunakan sebagai pengganti arus kolektor dari Al-foil.