Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium

Prinsip kerja sederhana dari baterai ialah energi kimia dikonversi menjadi energi listrik, atau sebaliknya. Pada baterai ion lithium lebih dikenal sebagai reaksi reduksi dan reaksi oksidasi. Reaksi penambahan jumlah elektron dari molekul atau atom disebut reaksi reduksi, sedangkan reaksi pengurangan jumlah elektron dari molekul atau atom disebut reaksi oksidasi [1]. Berikut skema charge discharge untuk baterai ion lithium seperti Gambar 1 [2]

Gambar 1. Skema prinsip pengisian dan pengosongan baterai sekunder ion lithium[2]

Dalam baterai ion lithium, katoda dan anoda masing-masing terdiri dari bahan yang berbeda yang dapat disematkan secara reversibel dan melepaskan ion lithium. Terdapat separator dan garam lithium sebagai elektrolit kemudian dilarutkan dalam campuran pelarut seperti dimetil karbonat, etilen karbonat (EC), atau propilen karbonat (PC) [3]. Selama pengisian, ion Li+ dilepaskan dari katoda dan mendapatkan elektron pada anoda, yang direduksi menjadi lithium dan dimasukkan ke dalam anoda. Sehingga anoda kaya akan lithium, sementara katoda miskin akan lithium. Ketika pelepasan terjadi, logam lithium kehilangan elektron dan Li+ menjadi ion-ion di anoda, kemudian berpindah dari anoda ke katoda melalui elektrolit. Untuk menjaga keseimbangan proses pengisian dan pengosongan, ion Li+ harus mentransfer antara katoda dan anoda. Pada saat yang sama jumlah elektron yang ditransfer dari katoda ke anoda melalui jalur eksternal menggunakan daya listrik. Adanya perpindahan ion dan elektron termasuk proses spontan akibat perbedaan potensial elektrokimia dari dua material elektroda [2]. Proses ini berulang sampai masa pakai baterai habis. Proses ion lithium bergerak masuk dan keluar dari bahan elektroda juga disebut sebagai interkalasi (penyisipan) dan deinterkalasi (pelepasan). Saat proses discharge, ion Li+ dikeluarkan dari anoda dan dimasukkan ke katoda. Untuk ilustrasi dapat dilihat pada Gambar 2 [4]. Pada baterai ion lithium, kation lithium berinterkalasi ke dalam anoda (selama pelepasan) atau katoda (selama pengisian), dan bermigrasi melintasi elektrolit, yang mengandung garam lithium. Selama pelepasan, elektroda positif bertindak sebagai akseptor elektron (katoda: reduksi elektrokimia) dan elektroda negatif bertindak sebagai donor elektron (anoda: oksidasi elektrokimia) [3].  

Gambar 2. Ilustrasi skema untuk penyisipan/pelepasan Li+ dari struktur spinel Li4Ti5O12 pada: (a) 3 V, (b) 1 – 3 V dan (c) 0,01 – 1 V

Baterai ion lithium didasarkan pada interaksi antara ion lithium dan elektron. Pada performa kinerja dinamis sebagai produk elektronik, baterai ion lithium mengandalkan transpor elektron dan transpor ion lithium. Kedua jenis transpor tersebut tidak dapat dipisahkan dan menjadi dasar pengembangan material peningkatan kinerja. Peningkatan kinerja seperti kapasitas, rapat energi, rapat daya, umur baterai, dan keamanan [5]. Terdapat strategi untuk meningkatkan kinerja baterai ion lithium, yaitu : 1. Strategi intrinsik, perubahan dalam sisi material aktif dengan parameter seperti struktur kristal, ukuran partikel, morfologi (bentuk partikel), struktur nano, dan doping. 2. Strategi ekstrinsik, penambahan material konduktif dengan cara coating carbon, pembentukan komposit, dan penambahan karbon khusus seperti carbon nanotubes dan graphene.

DAFTAR PUSTAKA

[1]. F. A. Perdana, “BATERAI LITHIUM,” INKUIRI J. Pendidik. IPA, vol. 9, no. 2, pp. 103–109, Oct. 2020, doi: 10.20961/INKUIRI.V9I2.50082. 

[2]. H. Yan, D. Zhang, Qilu, X. Duo, and X. Sheng, “A review of spinel lithium titanate (Li4Ti5O12) as electrode material for advanced energy storage devices,” Ceram. Int., vol. 47, no. 5, pp. 5870–5895, Mar. 2021, doi: 10.1016/J.CERAMINT.2020.10.241.  

[3]. P. Kurzweil and K. Brandt, “Overview of Rechargeable Lithium Battery Systems,” Electrochem. Power Sources Fundam. Syst. Appl. Li-Battery Saf.,pp. 47–82, Jan. 2019, doi: 10.1016/B978-0-444-63777-2.00003-7.

[4]. B. Zhao, R. Ran, M. Liu, and Z. Shao, “A comprehensive review of Li4Ti5O12-based electrodes for lithium-ion batteries: The latest advancements and future perspectives,” Mater. Sci. Eng. R Reports, vol. 98, pp. 1–71, Dec. 2015, doi: 10.1016/J.MSER.2015.10.001.

[5]. S. S. Rahardi, “Kajian Aplikasi Bahan dengan Konduktivitas Listrik Tinggi untuk Meningkatkan Unjuk Kerja Baterai Ion Litium,” J. Teknol. Bahan dan Barang Tek., vol. 7, no. 1, pp. 31–42, Jun. 2017, doi: 10.37209/JTBBT.V7I1.92.