3.15 Baterai Sekunder Natrium
3.15.1 Baterai Natrium (Sel Natrium Cair)
3.15.1.3 Baterai Natrium-Udara
3.15.1.3.2 Baterai Natrium Berair – Udara
Penggabungan elektrolit padat antara katoda dan anoda yang mengandung elektrolit berair telah disarankan untuk mencegah pembentukan produk katodik yang tidak larut pada elektroda udara. Dalam baterai Li-udara, anoda adalah logam Li dan katoda mengandung elektrolit berair. Baterai Li-udara yang berair dapat sepenuhnya digunakan tanpa menghasilkan endapan katoda, karena produk pelepasan (LiOH) larut dalam elektrolit berair. Penggabungan elektrolit padat dengan elektrolit berair juga telah diperiksa untuk baterai Na berair-udara.
Konduktivitas ionik yang lebih tinggi dalam elektrolit organik, berair dan padat dalam sistem berbasis Na yang dibandingkan dengan yang berbasis Li menghasilkan kepadatan daya yang lebih tinggi pada baterai Na berair – udara. Selain itu, kelarutan dalam air dari produk discharge (NaOH) dalam baterai Na berair – udara lebih tinggi daripada LiOH dalam baterai Li berair – udara, dan ini menghasilkan peningkatan kepadatan energi (Ha et al., 2014). Campuran Baterai Na berair/aprotik – udara dengan keramik Na superionic conductor (NASICON) (Na3Zr2Si2PO12) sebagai elektrolit padat dilaporkan oleh Hayashi et al (2013) seperti Gambar 3.8f. Mekanisme reaksi baterai Na-air sebagai berikut.
Elektroda positif : O2 + 2H2O + 4e− discharge→ 4OH− Elektroda negatif : 4Na discharge→ 4Na+ + 4e−
Reaksi total : 4Na + O2 + 2H2O discharge→ 4NaOH 3.15.2 Baterai Sekunder Natrium-Ion
Pada saat discharge, elektroda negatif dioksidasi dan natrium dilepaskan ke dalam elektrolit sedangkan elektroda positif interkalasi natrium dan mengalami reduksi pada saat discharge. Ringkasan potensial serta kapasitas teoritis dan yang dicapai untuk bahan elektroda positif dan negatif untuk baterai natrium-ion disajikan pada Gambar 3.10. Tidak mengherankan, banyak bahan yang cocok untuk baterai natrium-ion mirip dengan yang telah diteliti secara mendalam. selama 20 tahun terakhir untuk baterai lithium-ion, termasuk oksida logam transisi berlapis, olivin dan senyawa dengan kerangka NASICON. Lebih lanjut, bahan elektroda positif yang mengandung natrium dapat didaur ulang dengan elektrolit garam natrium dalam sel natrium-ion atau terhadap litium dengan elektrolit garam litium dalam sel hibrid Na/Li-ion seperti dijelaskan untuk beberapa senyawa di bawah ini.
Gambar 3.10. Bahan interkalasi elektroda positif dan negatif utama untuk baterai natrium-ion (Kim et al., 2012).
Tegangan (V vs Na+ /Na
Kapasitansi spesifik (mAh/g)
Material Elektroda Positif NIB
a. Material Berlapis AMO2 (M = Co, Ni, Ti)
Struktur ultratipis nanosheet dapat menghasilkan interkalasi / de-interkalasi ion Na yang sangat cepat dalam proses charge-discharge (Feng et al., 2017). Telah diteliti beberapa material oksida yang berpotensi sebagai elektroda positif NIB seperti Na0.58MnO2•0.48H2O (Zhang et al., 2015), Na4Mn9O18 (Whitacre et al., 2010), NaMnO2
(Hou et al., 2015), Na0.95MnO2 (Zhang et al., 2014), Na0.44MnO2 (Kim et al., 2013), Na0.71CoO2 (D’Arienzo et al., 2012), NaxCoO2 (Olszewski et al., 2016) dll.
b. Material NASICON
Senyawa berdasarkan pada struktur 3-D NASICON (Natrium Super Ion Conductor) telah dipelajari secara ekstensif untuk stabilitas struktural dan konduksi ion cepat, awalnya sebagai elektrolit padat dan baru-baru ini sebagai bahan penyisipan. NaNbFe(PO4)3 dan Na2TiFe(PO4)3 awalnya diperiksa oleh Tillement et al. (1992) dan yang terakhir juga dilaporkan Na2TiCr(PO4)3 (Ellis and Nazar, 2012). Xu et al (2018) memvalidasi potensi Na3V2(PO4)3 dalam mencapai kapasitas katoda tinggi (> 200 mAh/g) dan juga menyerukan desain struktur baru untuk lebih mengakomodasi interkalasi ion natrium dan bahan pengikat baru yang dapat mentoleransi tingkat yang lebih besar ekspansi elektroda.
c. Material Olivines & Maricite AMPO4 (M = Fe, Mn, Co, Ni).
Bahan AMPO4 Olivine (M = Mn, Fe, Co, Ni) telah muncul sebagai kelas bahan katoda yang menjanjikan untuk baterai Li-ion. Secara khusus, LiFePO4 telah menemukan aplikasi luas di industri (Chayambuka et al., 2018). Meskipun terutama diselidiki untuk aplikasi katoda baterai Li-ion, ada beberapa investigasi ke dalam ekuivalen Na untuk potensi baterai Na-ion yang disebut Maricite, dengan NaFePO4 yang stabbil secara termodinamika (Ong et al., 2011; Wang et al., 2015). Maricite NaFePO4 terbukti memungkinkan kinerja penyimpanan Na dengan sangat baik dan semua ion Na dapat diekstrak dari Nano-maricite ke struktur amorf FePO4. Elektroda maricit NaFePO4 dapat
menyediakan kapasitas 142 mAh/g pada 1/20 C dengan masa siklus yang stabil lebih dari 200 siklus (Fang et al., 2017).
d. Natrium Vanadium Fluorofosfat
Potensi tinggi dari transisi redoks V3+ → V4+ meningkatkan tegangan sel bahan polianionik ini dibandingkan dengan yang dijelaskan sebelumnya. Material berbasis vanadium fluorofosfat telah dilaporkan yakni NaVPO4F dan Na3V2(PO4)2F3. Studi pada NaVPO4F menunjukkan bahwa ekstraksi Na terjadi pada dua nilai tegangan yang berbeda dalam sel natrium-ion yaitu 3,0 V dan 3,7 V (Barker et al., 2003). Sauvage et al (2006) mengembangkan senyawa baru, Na3(VO)2(PO4)2F, menunjukkan kapasitas reversibel 87 mAh/g pada dua tegangan yang berbeda yaitu 3,6 V dan 4,0 V versus Na.
Material Na3V2(PO4)2F3 diaplikasikan dalam sel hibrid unik Na/Li-ion dengan grafit sebagai elektroda negatif dan elektrolit garam lithium memiliki nilai kapasitas reversible katoda awal 115-120 mAh/g (Barker et al., 2006).
e. Natrium Besi Fluorofosfat
Senyawa logam fosfat dianggap kandidat yang menjanjikan sebagai bahan elektroda positif untuk baterai Na-ion karena mereka menawarkan potensi penyisipan kation yang lebih tinggi daripada oksida logam analog. Salah satu contohnya adalah natrium besi fluorofosfat (Na2FePO4F), suatu senyawa yang biasanya disintesis oleh rute keadaan padat suhu tinggi. Na2FePO4F dalam baterai Na - ion encer dapat memberikan kapasitas reversibel lebih dari 85 mAh/g (pada laju 1 mA/cm2) dengan kinetika laju sangat baik (Ko et al., 2017: Sharma et al., 2018).
Material Elektroda Negatif NID
Dalam LIBs komersial saat ini, kedua elektroda menggunakan bahan penyisipan.
Terlepas dari kenyataan bahwa logam lithium memiliki potensi reduksi terendah (-3.04 V vs SHE) dan mampu memberikan kapasitas teoritis hingga 3840 mAh/g, hal ini dihindari terutama karena masalah keamanan yang dihasilkan dari pertumbuhan dendrit yang berpotensi menyebabkan hubungan pendek sel. Dibandingkan dengan lithium, masalah ini bahkan lebih
buruk dengan natrium karena reaktivitasnya yang jauh lebih tinggi dengan pelarut organik.
Natrium memiliki titik leleh rendah (97.7 °C) yang juga merupakan kelemahan terkait masalah keselamatan bila digunakan sebagai anoda untuk baterai suhu kamar. Oleh karena itu, penting untuk menemukan material penyimpan natrium yang sesuai dengan potensial redoks rendah sebagai anoda untuk NIB. Sejauh ini, berbagai bahan telah dieksploitasi untuk tujuan ini. Ini termasuk bahan karbon, paduan natrium, logam oksida / sulfida, fosfor dan fosfida (Wang et al., 2015).
a. Senyawa Karbon
Grafit adalah bahan elektroda negatif yang paling umum digunakan dalam teknologi LIB saat ini. Lithium dengan mudah membentuk senyawa interkalasi dengan grafit di mana Li berada pada graphene antar-lapisan sampai rasio C:Li mencapai 6: 1 (LiC6). Kinetika interkalasi ion Li dalam LIB cukup cepat, karenanya kapasitas praktis (> 360 mAh/g) elektroda grafit hampir mendekati kapasitas teoretis (372 mAh/g). Namun, jumlah Na terbatas untuk disimpan dalam grafit. Perhitungan menunjukkan bahwa sulit bagi Na untuk membentuk senyawa grafit interkalasi dibandingkan dengan logam alkali lainnya (Kim et al., 2012: Ellis and Nazar, 2012; Wang et al., 2015). Doeff et al (1993), melaporkan penggunaan sejumlah karbon seperti gafit, petroleum coke dan Shawinigan back dalam sel Na dengan elektrolit padat. Selain itu ada juga yang menggunakan karbon lunak (Cao et al., 2016; Jian et al., 2017) dan karbon keras (Irrisari et al., 2015) b. Senyawa Non-karbon
Bahan elektroda negatif non-karbon juga telah diupayakan sebagai bahan elektroda negatif yang mungkin. Berbagai senyawa interkalasi, senyawa konversi, dan senyawa paduan telah disarankan sebagai bahan anoda untuk NIB (Kim et al., 2012). Kelas senyawa titanium merupakan material yang berpotensi untuk digunakan dalam anoda baterai NIB karena Banyak bahan berbasis titanium dikenal sebagai aktif secara elektrokimia sebagai bahan host untuk penyisipan Li dan Na seperti TiO2 (Anatase), Li[Li1/3Ti5/3]O4, Na2Ti3O7, Na2Ti6O13, P2-Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2 dan NaTi2(PO4)3 (Dahbi et al., 2014). Unsur-unsur Golongan 14 dan 15, termasuk logam (Sn, Pb, Bi), metaloid (Si, Ge,
As, Sb), dan poliatomik non-logam (P), diketahui membentuk senyawa biner dengan Na.
Bahan-bahan elektroda ini, pada paduan dengan Na atau membentuk senyawa biner Na, baru-baru ini dipelajari sebagai elektroda negatif potensial untuk NIB isi ulang (Dahbi et al., 2014; Wang et al., 2012; Kim et al., 2013; Wu et al., 2014).
BAB IV KAPASITOR
4.1 Pendahuluan
Kapasitor elektrik memiliki struktur sandwich yang berisi dua pelat konduktif (biasanya terbuat dari logam) yang mengelilingi material dielektrik atau isolator. Perbedaan tegangan eksternal diterapkan di kedua pelat, menciptakan proses pengisian. Selama pengisian, muatan positif secara bertahap menumpuk di satu pelat (elektroda positif) sedangkan muatan negatif menumpuk di pelat lainnya (elektroda negatif). Ketika perbedaan tegangan eksternal dihilangkan, baik muatan positif dan negatif tetap pada elektroda yang sesuai. Dengan cara ini, kapasitor berperan dalam memisahkan muatan listrik. Perbedaan tegangan antara kedua elektroda disebut tegangan sel kapasitor. Jika elektroda ini dihubungkan menggunakan kawat konduktif dengan atau tanpa beban, proses pelepasan terjadi — muatan positif dan negatif akan secara bertahap bergabung melalui kawat. Dengan cara ini, kapasitor berperan untuk penyimpanan dan pengiriman muatan (Yu et al., 2013).
Mengisi daya kapasitor dilakukan dengan mengintegrasikannya ke dalam rangkaian listrik yang mengandung sumber daya eksternal (misalnya Baterai). Ketika sirkuit adalah loop tertutup, baterai akan memberikan gaya gerak listrik (ggl) untuk menghasilkan aliran elektron melalui sirkuit. Selama proses ini, plat kapasitor positif kehilangan elektron ke terminal positif baterai, sehingga membuat plat bermuatan positif. Secara bersamaan, elektron yang mengalir dari terminal negatif baterai menumpuk di pelat negatif kapasitor, membuatnya terisi negatif.
Jumlah elektron yang terakumulasi pada elektroda negatif persis sama dengan jumlah muatan positif yang terakumulasi pada elektroda positif. Proses pengisian berlanjut hingga potensi antara pelat yang awalnya nol sama dengan beda potensial antara terminal baterai (Yu et al., 2013).
Kapasitor pelat paralel adalah bentuk kapasitor paling sederhana. Ini dapat dibangun menggunakan dua pelat logam pada jarak yang sejajar satu sama lain, dengan nilai kapasitansinya dalam Farad, yang diperbaiki oleh luas permukaan pelat konduktif dan jarak pemisahan di antara mereka. Mengubah dua nilai-nilai ini mengubah nilai kapasitansi dan ini
membentuk dasar operasi kapasitor variabel. Juga, karena kapasitor menyimpan energi elektron dalam bentuk muatan listrik pada pelat, semakin besar pelat dan / atau semakin kecil pemisahannya, semakin besar muatan yang dimiliki kapasitor untuk setiap tegangan yang diberikan pada pelatnya. Dengan kata lain, pelat lebih besar, jarak lebih kecil, kapasitansi lebih banyak (Storr, 2020c).
Dengan menerapkan tegangan ke kapasitor dan mengukur muatan pada pelat, rasio muatan Q ke tegangan V akan memberikan nilai kapasitansi kapasitor dan oleh karena itu diberikan sebagai C = Q / V persamaan ini juga dapat diatur untuk memberikan formula yang lazim untuk kuantitas muatan pada pelat sebagai Q = C x V. Meskipun kami telah mengatakan bahwa muatan disimpan pada pelat kapasitor, lebih tepat untuk mengatakan bahwa energi dalam muatan disimpan dalam "medan elektrostatik" antara dua pelat. Ketika arus listrik mengalir ke kapasitor, itu mengisi daya, sehingga medan elektrostatik menjadi lebih kuat karena menyimpan lebih banyak energi di antara pelat. Demikian juga, ketika arus mengalir keluar dari kapasitor, mengeluarkannya, perbedaan potensial antara dua pelat berkurang dan medan elektrostatik berkurang ketika energi bergerak keluar dari pelat. Properti kapasitor untuk menyimpan muatan pada pelatnya dalam bentuk medan elektrostatik disebut Kapasitansi kapasitor. Tidak hanya itu, tetapi kapasitansi juga merupakan properti dari kapasitor yang menahan perubahan tegangan di atasnya (Storr, 2020c).