Baterai Litium-Nitrogen yang Dapat Diisi Ulang

Perkembangan teknologi baterai semakin pesat dan semakin menarik. Meskipun baterai litium ion masih mendominasi pasar tetapi jenis-jenis baterai lain sedang dikembangkan seperti baterai logam-gas. Baterai logam-gas yang telah diteliti dan diaplikasikan diantaranya baterai Aluminium-udara, Litium-CO2 dan Litium-SO2. Baterai Aluminium-Udara memanfaatkan reaksi elektrokimia antara logam aluminium dan oksigen dari udara untuk menghasilkan listrik. Namun baterai aluminium-udara bukan baterai sekunder (tidak dapat diisi ulang) sehingga kurang praktis dalam penerapannya[1].

Pada tahun 2017, para peneliti dari University of Chinese Academy of Sciences mengembangkan baterai litium-nitrogen (Li-N2) yang dapat diisi ulang (sekunder). Baterai Li-N2 belum banyak dikembangkan untuk dapat diisi ulang karena nitrogen merupakan senyawa inert. Ketersediaan nitrogen di atmosfer memang melimpah (79%) tetapi nitrogen merupakan senyawa yang memiliki ikatan kovalen non polar dan energi ionisasi yang tinggi[2]. Hal itu menyebabkan reaksi yang melibatkan nitrogen membutuhkan energi yang besar (temperatur dan tekanan tinggi) seperti proses produksi amoniak (NH3) yang disebut proses Haber-Bosch.

Baterai Li-N2 memiliki prinsip kerja yang sama seperti baterai logam-gas lainnya. Keunggulan baterai Li-N2 adalah mampu melangsungkan reaksi pada temperatur ruang dan tekanan atmosfer untuk membentuk Li3N. Anoda yang digunakan adalah litium foil. Litium akan teroksidasi menjadi Li+ dan elektron. Ion Li+ bermigrasi melalui elektrolit menuju katoda dan elektron berpindah melalui sirkuit luar menuju katoda.

Elektrolit yang digunakan adalah LiCF3SO3 1 M dalam tetraetilen glikol dimetil eter (TEGDME) karena laju penguapan yang rendah, relatif stabil pada logam litium dan Li3N serta konduktivitas ionik yang tinggi[2]. Material katoda yang digunakan adalah carbon cloth (CC) murni dan carbon cloth (CC) yang dilapisi katalis rutenium (Ru) serta zirkonia (ZrO2). Ion Li+ dan elektron akan bereaksi dengan nitrogen di katoda menjadi Li3N. Reaksi pada proses charging merupakan reaksi kebalikan dari proses discharge. Skema baterai Li-N2 ditunjukkan oleh Gambar 1.

Gambar 1. Skema baterai Li-N2[2]

Dalam reaksi baterai Li-N2, terdapat dua reaksi utama yaitu nitrogen fixation dan nitrogen evolution. Nitrogen fixation merupakan proses mengubah gas nitrogen di atmosfer melalui reaksi yang kompleks menjadi produk bernilai guna seperti NH3 untuk industri pupuk[2]. Pada baterai Li-N2, produk hasil nitrogen fixation adalahn Li3N. Sedangkan nitrogen evolution merupakan reaksi yang menghasilkan gas nitrogen seperti pada proses charging baterai Li-N2, dari Li3N menjadi Li+, elektron dan gas nitrogen. Untuk menguji apakah terbentuk tidaknya Li3N, para peneliti mereaksikan antara Li3N dengan H2O menjadi NH3 dan LiOH sebagai produknya[2].

Gambar 2. Hasil SEM katoda carbon cloth (CC) untuk melihat pembentukan Li3N[2]

Tegangan yang dihasilkan ketika menggunakan CC murni adalah 1,3 V, menggunakan CC yang dilapisi ZrO2 adalah 1,32 V dan menggunakan CC yang dilapisi Ru adalah 1,43 V. Kapasitas baterai Li-N2 sebesar 0,3 mAh/cm2 atau 2311 mAh/gram[2]. Nilai kapasitas baterai Li-N2 ini lebih besar daripada baterai litium ion, Li-O2 dan Li-Sulfur. Nilai Rapat energi yang dihasilkan sebesar 1248 Wh/kg[2]. Jumlah siklus baterai Li-N2 lebih banyak ketika menggunakan katoda CC yang dilapisi ZrO2 (80 siklus) dibandingkan dengan katoda yang menggunakan CC murni (65 siklus) dan CC yang dilapisi Ru (72 siklus)[2]. Nilai faradaic efficiency baterai Li-N2 lebih tinggi ketika menggunakan katoda CC yang dilapisi ZrO2 (71%) dibandingkan dengan katoda CC yang dilapisi Ru (67%).

Gambar 3. Rangkaian uji coba baterai Li-N2[2]

Dr. Zhang Xin-Bo mengatakan bahwa penelitian ini masih merupakan tahap awal. Penelitian ini sangat menjanjikan dalam sistem baterai Li-N2 tidak hanya memberikan perkembangan secara fundamental dan teknologi dalam sistem penyimpanan energi. Tetapi juga membuat siklus baterai Li-N2 untuk proses nitrogen fixation reversible[3].

 

Referensi

[1] Yusupandi, F. 2017. Mengenal Baterai Aluminium-Udara (Al-Air), Baterai yang Lebih Unggul Dari Lithium Ion dan Telah Diterapkan di Mobil Listrik. Diakses dari : https://warstek.com/2017/10/31/moli/ pada 23 Juli 2018

[2] Ma, J-L., Bao, D., Shi, M-M., Yan, J-M dan Zhang X-B. 2017. Reversible Nitrogen Fixation Based on A Rechargeable Lithium-Nitrogen Battery for Energy Storage. Chem, 2, 525-532

[2] Asian Scientist Newsroom. 2017. Nitrogen-Powered Battery Turns Air Into Energy. Diakses dari : https://www.asianscientist.com/2017/04/tech/nitrogen-battery-renewable-energy/ pada 23 Juli 2018

Nilai Artikel Ini
Artikel Berhubungan:

Sponsor Warstek.com:
Fauzi Yusupandi

Fauzi Yusupandi

Mahasiswa S2 Teknik Kimia ITB

Yuk Ajukan Pertanyaaan atau Komentar