Baterai Ion Lithium Padat (solid state lithium ion battery)

Konflik antara konsumsi energi yang terus meningkat dan kekhawatiran masyarakat mengenai perubahan iklim menuntut masa depan energi yang berkelanjutan untuk memanen, menyimpan, dan menghasilkan energi yang bersih. Baterai isi ulang yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi kimia secara reversibel telah dianggap sebagai salah satu teknologi paling menjanjikan untuk penyimpanan energi. Baterai litium-ion (LIB) telah berhasil memberi daya pada perangkat elektronik portabel dan peralatan listrik kecil. Namun, masih ada tantangan pada penerapan yang lebih luas teknologi ini dalam penyimpanan energi skala besar. Meskipun faktanya bahwa peningkatan kepadatan energi LIB telah diamati secara bertahap selama tiga dekade terakhir dan diprediksi bahwa nilai kepadatan energi LIB akan segera mencapai batas maksimalnya[1]. Dorongan terus-menerus untuk meningkatkan penyimpanan energi dengan volume baterai yang lebih kecil memicu masalah keamanan yang serius dengan banyak kecelakaan kebakaran baterai.

Elektrolit cair diyakini menjadi akar penyebab masalah pada LIB konvensional. Baterai ini biasanya dibuat dengan melarutkan garam litium (seperti LiPF6) menjadi mudah menguap dan mudah terbakar. Kebanyakan elektrolit cair tidak stabil secara elektrokimia baik pada tegangan tinggi maupun rendah, sehingga menghalangi penggunaan katoda tegangan tinggi seperti LiNi0.5Mn1.5O4 dan anoda tegangan rendah seperti silikon dan logam Li [2, 3], dan membatasi kepadatan energi. Selain reaktif, penggunaan elektrolit cair dengan logam Li juga menghadapi tantangan serius dalam pembentukan dendrit penyebab hubungan arus pendek. Oleh karena itu, penggunaan elektrolit yang tidak mudah terbakar dan stabil secara elektrokimia, termasuk elektrolit padat, komposit polimer, anorganik, dan polimer-anorganik, untuk membuat baterai solidstate (SSB) telah dianggap sebagai pendekatan yang efektif untuk mengatasi tantangan ini.

Upaya luar biasa telah dilakukan untuk mengembangkan bahan elektrolit padat selama dekade terakhir, dan konduktivitas ionik dari banyak elektrolit padat telah sebanding atau bahkan lebih tinggi dibandingkan dengan elektrolit cair konvensional [4-6]. Kemajuan yang signifikan juga telah dicapai untuk memahami peran kunci elektroda, elektrolit, dan interfasenya di dalam SSB. Namun, komersialisasi SSB skala penuh terbukti sulit karena adanya tantangan pada manufaktur dan pemahaman mendasar tentang teknologi ini. 

PRINSIP KERJA BATERAI ION LITHIUM PADAT

Prinsip kerja SSB sama dengan LIB konvensional, seperti terlihat pada Gambar 1. Selama baterai digunakan, katoda tereduksi dan anoda teroksidasi, disertai dengan pergerakan ion litium dari anoda ke katoda melalui elektrolit padat, dan proses sebaliknya terjadi selama pengisian daya. Hampir semua bahan aktif katoda dan anoda yang digunakan dalam LIB dapat diaplikasikan ke SSB dengan hanya sedikit pengecualian karena ketidakstabilan intrinsik antara elektroda dan padatan elektrolit. Misalnya LiFePO4, katoda yang terkenal untuk LIB konvensional, belum ada berhasil digunakan dalam SSB berbasis tiofosfat karena ketidakstabilan antara LiFePO4 Dan elektrolit padat berbasis tiofosfat. Perbedaan utama antara SSB dan LIB konvensional adalah bahan elektrolit, dan perbedaan ini juga menyebabkan banyak karakteristik yang unik pada SSB.

Gambar 1. Ilustrasi (a) LIB konvensional dan (b) SSB selama penggunaan.

SSB dapat dibagi menjadi tiga jenis menurut geometrinya. Yang pertama adalah SSB film tipis yang biasanya dibuat dengan mendepositkan bahan lapisan padat katoda, elektrolit padat, dan anoda secara berurutan (Gambar 2a). Ketebalan total baterai film tipis biasanya kurang dari 15 mikron. Ketebalan seperti itu memungkinkan penggunaan elektrolit padat dengan konduktivitas ionik yang relatif rendah, dan elektrolit yang paling sukses untuk baterai film tipis adalah litium fosfor oksinitrida (LiPON) yang dikembangkan oleh Dudney dkk. dari Laboratorium Nasional Oak Ridge. Baterai film tipis menunjukkan stabilitas siklik yang sangat baik hingga lebih dari ribuan siklus. Karena keterbatasan transportasi ion lithium pada elektroda padat, ketebalan elektroda tidak boleh tinggi dan oleh karena itu kapasitas areal atau energi yang dihasilkan baterai film tipis juga terbatas. Untuk meningkatkan energi sel, SSB tiga dimensi dirancang (Gambar 2b). Namun, fabrikasi SSB tiga dimensi dengan struktur elektroda interdigitasi terbukti sulit. Tipe ketiga adalah SSB tipe bulky(Gambar 2c) di mana elektroda dicampur dengan elektrolit nonkonduktif elektronik dan konduktif ionik, struktur elektroda mirip dengan LIB elektrolit cair. Berkat pengembangan elektrolit padat superionik maka konduktivitas ionik mendekati atau bahkan lebih tinggi dari elektrolit cair, elektroda dengan ketebalan beberapa ratus mikron telah digunakan dalam SSB tipe bulky, yang menghasilkan energi sel yang tinggi.

Gambar 2. Struktur (a) SSB film tipis, (b) SSB tiga dimensi, dan (c) SSB tipe bulky

DAFTAR PUSTAKA

1. Janek, J.; Zeier, W. G. A solid future for battery development. Nature Energy 2016, 1 (9), 16141. 

2. Xu, K. Electrolytes and interphases in Li-ion batteries and beyond. Chemical Reviews 2014, 114 (23), 11503–11618. 

3. Xu, K. Nonaqueous liquid electrolytes for lithium-based rechargeable batteries. Chemical Reviews 2004, 104 (10), 4303–4418. 

4. Murugan, R.; Thangadurai, V.; Weppner, W. Fast lithium ion conduction in garnet-type Li7La3Zr2O12. Angewandte Chemie International Edition 2007, 46 (41), 7778–7781.

5. Seino, Y.; Ota, T.; Takada, K.; Hayashi, A.; Tatsumisago, M. A sulphide lithium super ion conductor is superior to liquid ion conductors for use in rechargeable batteries. Energy & Environmental Science 2014, 7 (2), 627–631. 

6. Kamaya, N.; Homma, K.; Yamakawa, Y.; Hirayama, M.; Kanno, R.; Yonemura, M.; Kamiyama, T.; Kato, Y.; Hama, S.; Kawamoto, K.; Mitsui, A. A lithium superionic conductor. Nature Materials 2011, 10 (9), 682–686.