Kepadatan Daya Tinggi pada Baterai Ion Lithium padat di Wilayah Suhu Rendah


Mengganti elektrolit cair dengan padat akan menyebabkan perubahan sifat yang drastis antarmuka  elektroda dan elektrolit dalam sebuah baterai ion lithium. Padahal banyak kesulitan yang mendasar mengenai pemahaman dan optimalisasi antarmuka elektrolit padat dan elektroda padat yang masih harus diatasi, telah dibuktikan bahwa baterai elektrolit padat/SSB dapat memberikan kepadatan daya yang lebih tinggi dibandingkan LIB konvensional dengan elektrolit cair [1]. Kinerja kinetik SSB yang luar biasa terutama adalah karena alasan berikut. Pertama, konduktivitas ionik dari banyak elektrolit padat telah ditentukan sebanding atau lebih tinggi dari elektrolit cair, terutama pada suhu rendah (Gambar 1a). Mengingat jumlah transfer litium-ion elektrolit padat pada suhu dibawah 0oC sangat mendekati satu, yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan elektrolit cair konvensional, litium diangkut dalam banyak padatan elektrolit memang lebih cepat dibandingkan dengan elektrolit cair. Menipisnya konsentrasi litium dalam anoda grafit baterai elektrolit cair dianggap sebagai salah satu tantangan utama untuk mengembangkan baterai elektrolit cair yang dapat diisi dengan cepat [2]. 

Gambar 1. (a) Plot Arrhenius Li10GeP2 S12 (LGPS) elektrolit padat dan 1 M LiPF6 dalam cairan elektrolit EC/PC . (b) Profil konsentrasi litium dalam baterai elektrolit cair dan SSB.

Angka tersebut juga menghilangkan polarisasi konsentrasi pada elektrolit sel, dan semakin tinggi konsentrasi litium (36 mol/L dalam elektrolit padat vs. 3 mol/L dalam elektrolit cair) juga menyediakan ion litium yang cukup untuk transfer muatan dengan kecepatan cepat (Gambar 1b). Selain itu, penggunaan elektrolit padat juga menghilangkan proses de-solvasi yang terbukti bersifat resistif pada beberapa baterai elektrolit cair konvensional. Hasilnya, transfer kinetika muatan menjadi sangat cepat diamati pada antarmuka Li/elektrolit padat [3], dan resistansi spesifik areal antara Li dan Elektrolit padat Li7La3Zr2O12 (LLZO) bisa sangat kecil (0,1 ohm/cm) [4].

Gambar 2. (a) Plot Arrhenius Li9.6P3S12, Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3 dan keluarga LGPS solid elektrolit. (b) Nilai kinerja SSB (LiNbO3-dilapisi LiCoO2 + LGPS|LGPS|Li4Ti5O12 +LGPS, garis padat) dan LIB (LiNbO3-dilapisi LiCoO2 |1M LiPF6 dalam EC/PC|Li4Ti5O12, garis putus-putus) di suhu −30 °C (1 C = 0,667 mA/cm2)

Dibandingkan dengan SSB yang menggunakan konfigurasi dan ketahanan baterai yang sama, Kato dkk. menunjukkan bahwa kapasitas suhu ruangan baterai elektrolit cair konvensional semakin menurun cepat pada laju arus yang tinggi [1]. Hasil ini menunjukkan potensi pengisian cepat SSB telah berakhir LIB elektrolit cair konvensional, yang dikaitkan dengan sifat elektrolit padat. Di samping itu, konduktivitas ionik yang sangat tinggi dari elektrolit padat tipe Li10GeP2S12 (LGPS) juga memungkinkan SSB beroperasi pada suhu −30 °C dengan kinerja yang jauh lebih baik dibandingkan cairan-elektrolit konvensional LIB, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Oleh karena itu, salah satu keuntungan potensial SSB adalah kemampuannya untuk bekerja di bawah kondisi suhu sangat rendah [1].

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Kato, Y.; Hori, S.; Saito, T.; Suzuki, K.; Hirayama, M.; Mitsui, A.; Yonemura, M.; Iba, H.; Kanno, R. High-power all-solid-state batteries using sulfide superionic conductors. Nature Energy 2016, 1(4), 16030. 

[2]. Colclasure, A. M.; Tanim, T. R.; Jansen, A. N.; Trask, S. E.; Dunlop, A. R.; Polzin, B. J.; Bloom,I.; Robertson,D.;Flores,L.;Evans,M.Electrodescaleandelectrolytetransport effects on extreme fast charging of lithium-ion cells. Electrochimica Acta 2020, 337, 135854. 

[3]. Krauskopf, T.; Mogwitz, B.; Hartmann, H.; Singh, D. K.; Zeier, W. G.; Janek, J. The fast charge transfer kinetics of the lithium metal anode on the garnet-type solid electrolyte Li6.25Al0.25La3Zr2O12. Advanced Energy Materials 2020, 10 (27), 2000945.

[4]. Krauskopf, T.; Hartmann, H.; Zeier, W. G.; Janek, J. Toward a fundamental understanding of the lithium metal anode in solid-state batteries-an electrochemo-mechanical study on the garnet-type solid electrolyte Li6.25Al0.25La3Zr2O12. ACS Applied Materials & Interfaces 2019, 11 (15), 14463–14477.

Komentar

Posting Komentar

Postingan populer dari blog ini

Bagaimana Baterai Bisa Mengalami Kerusakan atau Kegagalan??

Gambar
 Salah satu hal paling penting dalam desain baterai adalah keamanan. Keamanan dapat terjadi dalam bentuk perubahan kimia dalam sel, separator yang digunakan, pemilihan bahan aktif, dan elektrolit yang digunakan. Tetapi pada dasarnya, keamanan lithium-ion dapat dilakukan dengan melindungi sel dalam sistem dan tetap terjaga dalam rentang suhu dan tegangan optimal agar menghindari kegagalan yang dapat menyebabkan bahaya bagi pengguna teknologi yang menggunakan sel lithium ion. Berikut merupakan jenis dan penyebab failure mode yang dapat terjadi pada baterai lithium-ion yang dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1.  Jenis dan Penyebab Failure Mode Kegagalan sel baterai dapat disebabkan oleh beberapa faktor utama seperti korsleting, penguapan (gassing), dan pertumbuhan impedansi. Korsleting, baik internal maupun eksternal, sering disebabkan oleh serpihan, pertumbuhan dendrit, atau penyusutan separator, serta material asing yang menghubungkan antar tab atau menyebabkan penet...
Baca selengkapnya

Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium

Gambar
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 d...
Baca selengkapnya

Elektrolit Keramik Padat untuk Baterai Ion Lithium

Gambar
 Elektrolit keramik dalam baterai litium-ion berfungsi sebagai media padat bagi ion litium untuk berpindah antara anoda dan katoda selama siklus pengisian dan pengosongan. Begini cara kerjanya: 1. **Konduktivitas Ionik**: Elektrolit keramik biasanya terbuat dari senyawa berbasis litium (seperti Li10GeP2S12 atau Li7La3Zr2O12) yang menunjukkan konduktivitas ionik tinggi. Hal ini memungkinkan ion litium bermigrasi melalui struktur keramik secara efisien. 2. **Struktur**: Struktur kristal keramik memberikan kerangka stabil yang memfasilitasi pergerakan ion litium namun tetap kedap terhadap elektron dan spesies lain, sehingga membantu mencegah korsleting. 3. **Stabilitas Elektrokimia**: Elektrolit keramik dapat menahan voltase dan suhu yang lebih tinggi dibandingkan elektrolit cair tradisional, sehingga cocok untuk aplikasi energi dan suhu tinggi. 4. **Keamanan**: Menjadi padat, elektrolit keramik mengurangi risiko kebocoran dan sifat mudah terbakar yang terkait dengan elektrolit cair, ...
Baca selengkapnya