Nanokarbon dan Logam Mulia Membuat Baterai Li-CO2 Dapat Diisi Ulang

Nanokarbon dan Logam Mulia Membuat Baterai Li-CO2 Dapat Diisi Ulang
Bagikan Artikel ini di:

Pada artikel berjudul “Baterai Li-CO2 : Metode Baru Dalam Pemanfaatan CO2 ” telah dibahas mengenai mekanisme reaksi discharge baterai Li-CO2. Lalu, apakah bisa baterai Li-CO2 diisi ulang (charge)? Ada beberapa pertimbangan dalam membuat baterai Li-CO2 yang dapat diisi ulang diantaranya material katoda dan elektrolit yang tidak mudah terdekomposisi. Penggunaan material katoda dapat mempengaruhi reaksi saat proses charge sehingga produk yang dihasilkan pun berbeda. Pada artikel sebelumnya, produk yang dihasilkan dari proses discharge adalah litium karbonat (Li2CO3) dan karbon. Sedangkan proses charge menghasilkan produk sebaliknya.

4Li + 3CO2 = 2Li2CO3 + C  (persamaan 1)

Material nano karbon seperti graphene dan carbon nanotube (CNT) digunakan sebagai katoda pada baterai Li-CO2. CNT telah digunakan sebagai katoda dan elektrolit yang digunakan adalah LiTFSI yang dilarutkan dalam TEGDME. Kapasitas discharge yang didapat adalah 8379 mAh/gram pada rapat arus 50 mA/gram. Baterai tersebut dapat diisi ulang pada tegangan 4,5 V dan rapat arus 100 mA/gram[1]. Siklus pengisian baterai Li-CO2 sebanyak 20 siklus. Tegangan yang digunakan dapat menyebabkan dekomposisi elektrolit. Hasil SEM menunjukkan bahwa saat proses discharge, produk karbon amorf yang terbentuk menutupi katoda CNT dan saat proses charge, katoda CNT terlihat kembali. Gambar 1 menunjukkan hasil SEM CNT sebagai katoda baterai Li-CO2.

Gambar 1. Hasil SEM (a) CNT sebelum diuji (b) CNT tertutupi karbon amorf setelah proses discharge (c) CNT terlihat kembali setelah proses charge[1]

Pada tahun 2017, Qie dkk menggunakan graphene yang didoping boron dan nitrogen sebagai katoda baterai Li-CO2. Elektrolit yang digunakan adalah 1 M LiTFSI yang dilarutkan dalam TEGDME. Tegangan yang dihasilkan saat proses discharge sebesar 2,5 V dan kapasitas discharge sebesar 1000 mAh/gram pada rapat arus 1 A/gram[2]. Siklus pengisian baterai Li-CO2 dengan katoda graphene yang didoping boron dan nitrogen sebanyak 200 siklus. Jumlah siklus pengisian tersebut jauh lebih banyak dibandingkan dengan katoda graphene tanpa doping boron dan nitrogen. Tegangan discharge akhir pada siklus ke-200 baterai Li-CO2 dengan katoda graphene yang didoping boron dan nitrogen sebesar 2,34 V dan kapasitas discharge hingga siklus ke-200 cenderung stabil pada 1000 mAh/gram[2]. Skema dan mekanisme reaksi serta uji kinerja baterai Li-CO2 ditunjukkan oleh Gambar 2.

Gambar 2. (a) dan (b) Skema dan reaksi charge dan discharge baterai Li-CO2 (c) Uji kinerja baterai Li-CO2[2]

Pada tahun 2017, Yang dkk telah mengidentifikasi mekanisme reaksi charge pada baterai Li-CO2. Material nanokarbon dianggap masih kurang cocok sebagai katoda karena saat proses charge, Li2CO3 dapat terdekomposisi menjadi CO2, ion litium dan oksigen. Hal ini berarti reaksi charge hanya mengkonversi Li2CO3 sedangkan produk karbon tidak terdekomposisi. Selain itu, elektrolit yang digunakan juga ikut terdekomposisi. Penambahan katalis Ru dapat membuat reaksi di persamaan 1 menjadi reversible. Mekanisme reaksi discharge dan charge baterai Li-CO2 menggunakan katoda Ru dan tanpa Ru ditunjukkan oleh Gambar 3.

Gambar 3. Proses charging (a) tanpa Ru (b) dengan Ru (c) proses discharge baterai Li-CO2[3]

Baca juga:

Baterai Li-CO2 dengan katoda tanpa Ru membutuhkan tegangan charge lebih dari 4,4 V yang menyebabkan dekomposisi Li2CO3 dan elektrolit TEGDME menghasilkan oksigen. Proses tersebut dinamakan fixation CO2. Efisiensi dalam proses fixation CO2 sebesar 73,3%[4]. Di sisi lain, baterai Li-CO2 yang menggunakan katoda Ru membutuhkan tegangan charge yang lebih rendah sekitar 3,8 – 4,2 V untuk menghindari dekomposisi elektrolit. Penggunaan katoda Ru juga membuat reaksi charge dan discharge menjadi reversible. Siklus pengisian baterai dengan menggunakan katoda Ru sebesar 70 siklus dengan kapasitas 1000 mAh/gram pada rapat arus 100, 200 dan 300 mA/gram. Coloumbic efficiency yang dihasilkan sebesar 86,2%[3].

Para peneliti mengatakan bahwa baterai Li-CO2 memiliki beberapa keuntungan diantaranya 1) lapisan tipis Li2CO3 yang juga terbentuk di anoda dapat melindungi dan meningkatkan efisiensi anoda Li, 2) CO2 lebih mudah larut dibandingkan dengan O2 dalam larutan aprotik yang berguna bagi reduksi CO2, 3) rapat energi yang tinggi untuk misi eksplorasi luar angkasa. NASA sangat tertarik mengembangkan baterai Li-CO2 yang dapat digunakan dalam misi penjelajahan di Mars karena atmosfer Mars 96% CO2 sehingga dapat menjadi sumber CO2 yang ideal dalam pengembangan baterai Li-CO2[2]. Tim peneliti pun mengungkapkan bahwa reaksi CO2 fixation dapat dianalogikan sebagai proses fotosintesis dimana gas oksigen dan karbon padat dihasilkan dari reaksi charge baterai Li-CO2[5].

Gambar 4. Skema Baterai Li-CO2 yang dapat diisi ulang dan CO2 fixation[4]

Referensi

[1] Zhang, X., Zhang, Q., Zhang, Z., Chen, Y., Xie, Z., Wei, J., Zhou, Z. 2015. Rechargeable Li-CO2 batteries with carbon nanotubes as air cathodes. Chemical Communications, 51, 14636 – 14639

[2] Qie, L., Lin, Y., Connel, J.W., Xu, J., Dai, L. 2017. Highly rechargeable lithium-CO2 batteries with a boron and nitrogen-codoped holey-graphene cathode. Angewandte Chemie International Edition, 56, 1-6

[3] Yang, S., Qiao, Y., He, P., Liu, Y., Cheng, Z., Zhu, J-J., Zhou, H. 2017. A reversible lithium-CO2 battery with Ru nanoparticles as a cathode catalyst. Energy & Environmental Science, 10, 972-978

[4] Qiao, Y., Yi, J., Wu, S., Liu, Y., Yang, S., He, P., Zhou, H. 2017. Li-CO2 electrochemical : a new strategy for CO2 fixation and energy storage. Joule, 1, 359-370.

[5] Cell Press. 2017. A battery-inspired strategy for carbon fixation. Diakses dari : https://phys.org/news/2017-08-battery-inspired-strategy-carbon-fixation.html pada tanggal 16 Desember 2018

Artikel Berhubungan:

Sponsor Warstek.com:
Bagikan Artikel ini di:

Tinggalkan Balasan

fifteen − 3 =