Ukuran Ion dan Baterai Lithium-Ion

Gambar 1. Skematik baterai ion lithium

Ukuran ion memainkan peran besar dalam menentukan sifat perangkat yang bergantung pada pergerakan ion, seperti baterai. Baterai "Lithium-ion", yang telah menjadi sumber energi umum untuk perangkat elektronik seperti ponsel, iPad, komputer laptop, dan kendaraan listrik, sebagian besar bergantung pada ukuran kecil ion lithium untuk operasinya.

Baterai yang terisi penuh secara spontan menghasilkan arus listrik dan, oleh karena itu, daya ketika elektroda positif dan negatifnya dihubungkan ke beban listrik, seperti perangkat yang akan diberi daya. Elektroda positif disebut anoda, dan elektroda negatif disebut katoda. Bahan yang digunakan untuk elektroda dalam baterai lithium-ion sedang dalam pengembangan intensif. Saat ini, bahan anoda adalah grafit, sejenis karbon, dan katoda adalah oksida logam transisi, sering kali oksida kobalt lithium, LiCoO2 (Gambar 1). Antara anoda dan katoda terdapat pemisah, yaitu material padat berpori yang memungkinkan pergerakan ion lithium namun tidak elektron.

Saat baterai diisi daya oleh sumber eksternal, ion lithium bermigrasi melalui pemisah dari katoda ke anoda di mana mereka menyisipkan diri di antara lapisan atom karbon. Kemampuan ion untuk bergerak melalui material padat meningkat seiring dengan semakin kecilnya ukuran ion dan berkurangnya muatan pada ion tersebut. Ion lithium lebih kecil dibandingkan sebagian besar kation lainnya, dan mereka hanya membawa muatan 1+, yang memungkinkan mereka untuk bermigrasi lebih mudah dibandingkan ion lain. Sebagai tambahan, lithium adalah salah satu elemen yang paling ringan, yang sangat menarik untuk digunakan dalam kendaraan listrik.

Ketika baterai mengeluarkan daya, ion lithium bergerak dari anoda ke katoda. Untuk menjaga keseimbangan muatan, elektron secara bersamaan bermigrasi dari anoda ke katoda melalui rangkaian eksternal, sehingga menghasilkan listrik.

Di katoda, ion lithium kemudian menyisipkan diri ke dalam material oksida. Sekali lagi, ukuran kecil ion lithium menjadi keuntungan. Untuk setiap ion lithium yang menyisipkan diri ke dalam katoda oksida kobalt lithium, ion Co4+ direduksi menjadi ion Co3+ oleh elektron yang telah mengalir melalui rangkaian eksternal.

Perpindahan ion dan perubahan struktur yang terjadi ketika ion lithium masuk dan keluar dari material elektroda cukup rumit. Selain itu, operasi semua baterai menghasilkan panas karena tidak sepenuhnya efisien. Dalam kasus baterai Li-ion, pemanasan material pemisah (biasanya polimer) telah menimbulkan masalah seiring dengan pembesaran ukuran baterai untuk meningkatkan kapasitas energi. Dalam beberapa kasus yang sangat jarang, overheating baterai Li-ion menyebabkan baterai terbakar.

Tim di seluruh dunia berusaha menemukan bahan katoda dan anoda baru yang dapat dengan mudah menerima dan melepaskan ion lithium tanpa hancur setelah banyak siklus pengisian dan pengosongan. Bahan pemisah baru yang memungkinkan pergerakan ion lithium lebih cepat dengan sedikit produksi panas juga sedang dikembangkan. Beberapa kelompok riset sedang mempertimbangkan penggunaan ion natrium sebagai pengganti ion lithium, karena natrium jauh lebih melimpah dibandingkan lithium, meskipun ukuran ion natrium yang lebih besar menimbulkan tantangan tambahan. Dalam beberapa tahun mendatang, kita dapat mengharapkan kemajuan berkelanjutan dalam teknologi baterai yang berbasis pada ion logam alkali.