Mengenal Baterai Lithium Ion dan Prinsip Kerjanya

Di era perkembangan teknologi yang begitu pesat seperti saat ini, kebutuhan akan listrik, terutama listrik portabel semakin meningkat. Untuk memenuhi kebutuhan akan listrik portabel pada masa yang akan datang, dibutuhkan material baterai yang bisa memberikan energi dan daya listrik besar, ringan, murah, dan aman.
Oleh karena itu, pada kesempatan kali ini kami akan membahas sekilas tentang baterai lithium ion yang sekarang sering kita temukan sebagai baterai pemasok listrik portabel pada alat-alat elektronik.

Baterai lithium adalah salah satu teknologi baterai yang cukup sukses selama 20 tahun belakangan ini. Lithium adalah jenis metal reaktif yang dapat menghasilkan panas berlebihan jika bereaksi dengan air atau uap air. Oleh karena itu, dalam membuat baterai lithium pasti dilakukan dalam ruangan kering (dry room) di mana kelembapannya dijaga tidak kurang dari 5%.
Sejak diproduksi tahun 1991, lithium-ion baterai tidak mengalami perubahan signifikan pada sifat kerja baterai. Ada 3 elemen yang berperan dalam proses discharge dan recharge, yaitu:

1. Elektroda positif yang mengandung LiCoO2
2. Elektroda negatif yang terbuat dari karbon grafit ( C6), dan
3. Separator yang terbuat dari lapisan tipis plastik yang dapat dilalui oleh ion-ion.

Pada proses discharge atau saat memakai baterai, Li+ ion bergerak dari negatif ke positif melalui separator, sehingga elektron bergerak dengan arah yang sama. Aliran elektron ini yang menghasilkan energi listrik.

Sifat logam lithium yang sangat reaktif membuat aliran ion lithium bereaksi spontan karena sifat logam lithium yang sangat oksidatif. Lithium adalah yang pertama dari alkalis dalam tabel periodik. Di alam ditemukan seperti campuran isotop Li dan Li 6 7. Ini adalah logam padat ringan, lembut, berwarna putih keperakan, dengan titik lebur rendah dan reaktif. Banyak dari sifat fisik dan kimia lebih mirip dengan logam alkali tanah dari pada orang-orang dari kelompok sendiri.

Lithium mengambil bagian dalam sejumlah besar reaksi, dengan reaktan organik serta dengan reaktan anorganik. Bereaksi dengan oksigen membentuk monoksida dan peroksida. Logam hanya basa yang bereaksi dengan nitrogen pada suhu lingkungan untuk menghasilkan nitrure hitam, mudah bereaksi dengan hidrogen pada suhu 500ºC (930ºF) untuk membentuk hidrida lithium. 

Reaksi logam lithium dengan air sangat kuat. Lithium bereaksi secara langsung dengan karbon untuk menghasilkan carbure tersebut. Mengikat mudah dengan halogen dan halogenures bentuk dengan emisi cahaya. Meskipun tidak bereaksi dengan hidrokarbon parafinik, percobaan reaksi adisi dengan alquenes digantikan oleh arile dan kelompok diena, juga bereaksi dengan senyawa acetylenic, membentuk acetylures lithium, yang penting dalam vitamin A sintesis.

Baterai Li-ion dapat dikembangkan dari besi oksida lithium yang dianggap memiliki biaya rendah dan non toksisitas, bahan seperti besi oksida lithium lebih diperhatikan sebagai katoda baterai lithium sekunder. Besi oksida lithium pada katoda baterai Li-ion telah membuat kemajuan besar pada preparasi karena menggunakan metode preparasi baru seperti reaksi solid state suhu tinggi.

Prinsip Kerja Baterai Lithium Ion

Pada tabel di bawah ini memperlihatkan perbandingan dari 3 jenis baterai yang menjadi perhatian saat ini, yaitu Fuel cells, Baterai Nikel-metal hydride, dan Baterai Lithium- 6 ion.

Terlihat pada tabel tersebut jika ketiga jenis baterai sama-sama memanfaatkan reaksi redoks (reduksi dan oksidasi) pada kedua elektroda untuk menghasilkan listrik.

Fuel cells memanfaatkan reaksi antara hidrogen dan oksigen untuk menghasilkan listrik. Voltase yang dihasilkan secara teoritis 1.23 V, tapi pada kenyataannya hanya menghasilkan di bawah 1.0 V. Sedangkan baterai nikel-metal hydride menggunakan material penyimpan hidrogen sebagai anoda, dan nikel hidroksida sebagai katoda. Baterai ini mampu menghasilkan 1.32 V.

Fuel Cells:

Baterai Nikel-Metal Hydride:

Baterai Lithium Ion:

Di antara ketiga jenis baterai, baterai lithium-ion lah yang menghasilkan voltase tertinggi, yaitu 2 kali lipat dari yang dihasilkan baterai nickel-metal hydride. Baterai lithium menggunakan komposit berstruktur layer, Litium Cobalt Oxide (LiCoO2), sebagai katoda, dan material karbon (di mana lithium disisipkan diantara lapisan karbon) sebagai anoda.

Baterai litium ion sendiri terdiri atas Anoda, separator, elektrolit, dan katoda. Pada katoda dan anoda umumnya terdiri atas 2 bagian, yaitu bagian material aktif (tempat masuk-keluarnya ion litium) dan bagian pengumpul elektron (collector current).

Proses penghasilan listrik pada baterai litium-ion sebagai berikut: 

Jika anoda dan katoda dihubungkan, maka elektron mengalir dari anoda menuju katoda, bersamaan dengan itu listrik pun mengalir. Pada bagian dalam baterai, terjadi proses pelepasan ion litium pada anoda, untuk kemudian ion tersebut berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Dan di katoda, bilangan oksidasi kobalt berubah dari 4 menjadi 3 karena masuknya elektron dan ion litium dari anoda. Sedangkan proses recharging/pengisian ulang, berkebalikan dengan proses ini.

Litium memiliki nilai potensial standar paling negatif (-3.0 V), paling ringan (berat atom: 6.94 g), sehingga bila dipakai untuk anoda dapat menghasilkan kapasitas energi yang tinggi.

Berikut cara menghitung nilai teori dari kepadatan energi yang dihasilkan oleh baterai litium ion. Jika menggunakan logam litium pada anoda, maka dari 1 kg logam litium dapat menghasil kapasitas energi per 1 kg massa sebesar (Coulumb/second = Ampere) :

Bila dikalikan dengan potensial standar litium (3 V), menjadi 11583 W h/kg (W = Watt, h = hours). Sedangkan bila menggunakan senyawa karbon sebagai anoda, dan dianggap satu unit grafit (6 atom karbon) mampu menampung 1 atom litium, maka setiap 1 kg anoda secara teori memiliki kepadatan energi 339 Ah/kg.

Sama dengan anoda, kapasitas energi pada katoda bisa dihitung dengan cara yang sama. Untuk LiCoO2, secara teori memiliki kepadatan energy 137 Ah/kg. Dengan mengetahui berat molekul dari material elektroda (disebut juga material aktif) dan setiap molekulnya berapa banyak elektron yang keluar masuk, nilai teori dari kepadatan energi dapat dihitung.

Sekian, semoga bermanfaat.