Baterai Lebih Ramah Lingkungan dengan Katoda Komposit Besi

Apa mungkin baterai bisa menjadi lebih ramah lingkungan? Kita telah mendengar bagaimana nikel ataupun kobalt yang digunakan sebagai katoda pada baterai Lithium-ion sangat berbahaya bagi lingkungan. Namun kita paham pentingnya pengembangan baterai Lithium untuk transisi energi yang lebih hijau. Kemudian bagaimana merancang baterai yang lebih ramah lingkungan?

blank

Apa mungkin baterai bisa menjadi lebih ramah lingkungan? Kita telah mendengar bagaimana nikel ataupun kobalt yang digunakan sebagai katoda pada baterai Lithium-ion sangat berbahaya bagi lingkungan. Namun kita paham pentingnya pengembangan baterai Lithium untuk transisi energi yang lebih hijau. Kemudian bagaimana merancang baterai yang lebih ramah lingkungan?

Potensi Baterai Lebih Ramah Lingkungan

Sebuah kolaborasi yang dipimpin oleh peneliti kimia Oregon State University berharap dapat memicu revolusi baterai ramah lingkungan. Tim ini menunjukkan bahwa besi, komoditas logam termurah dapat digunakan sebagai bahan katoda dalam baterai lithium-ion sebagai pengganti kobalt dan nikel.

Berdasarkan Xiulei “David” Ji dari Oregon State University, “Dengan meningkatkan reaktivitas besi, elektroda kami dapat menawarkan kepadatan energi yang lebih tinggi dibandingkan bahan katoda canggih pada kendaraan listrik. Dan karena kami menggunakan besi, biaya produksi berpotensi jauh lebih rendah”. Dalam industri baterai, katoda mewakili 50% biaya pembuatan sel lithium-ion keseluruhan. Tentu biaya produksi akan bisa ditekan dengan memanfaatkan katoda besi.

Mengenal Baterai Lithium-ion

Baterai terdiri dari dua elektroda, anoda dan katoda. Untuk mendapatkan muatan yang berbeda, kedua elektroda biasanya terbuat dari bahan berbeda. Diantara kedua elektroda terdapat pemisah elektrolit, media kimia yang memungkinkan aliran muatan listrik. Selama penggunaan baterai, elektron mengalir dari anoda ke sirkuit eksternal dan kemudian berkumpul di katoda yang bermuatan positif. Sirkuit eksternal memanfaatkan daya untuk menyalakan layar, mengetik pesan, atau menonton video misalnya pada telepon genggam.

Dalam baterai litium-ion, ion lithium berperan penting sebagai pembawa muatan. Lithium bergerak antara elektroda untuk menjaga keseimbangan muatan dan massa dalam keseluruhan reaksi sel baterai. Muatan dibawa ion litium saat bergerak melalui elektrolit dari anoda ke katoda selama pengosongan, dan kembali lagi saat pengisian ulang. 

Katoda IronPF

blank
Skema charge-discharge Kation Komposit LSC

Jika umumnya baterai hanya menggunakan satu elemen murni sebagai katoda, penelitian ini menggunakan komposit dari beberapa senyawa sebagai katoda yang dikenal dengan Katoda Garam Lithium. Elektroda komposit garam lithium (LSC) memanfaatkan massa aktif redoks sebagai sumber elektron dan container anion, sementara garam lithium berfungsi sebagai sumber ion pengangkut muatan. Saat pengisian daya, garam lithium dalam katoda LSC terurai menjadi ion Li yang mengalir ke anoda melalui elektrolit cair, sedangkan anion lawan membentuk ikatan ion dengan host katoda. Logam dalam katoda LSC sebagai sumber electron menarik karena kapasitas teoritisnya yang besar, dan kepadatan tinggi.

Ji dan kolaborator dari berbagai universitas dan laboratorium nasional meningkatkan reaktivitas besi di katoda dengan merancang lingkungan kimia sebagai LSC. Besi menjadi material yang menjanjikan karena dapat membentuk elektroda komposit dengan larutan padat fluor (F) dan fosfat (PO43−) yang disebut IronPF . Keduanya adalah ion yang bermuatan negatif. Campuran larutan padat tersebut memungkinkan konversi reversibel (baterai dapat diisi ulang).  

Elektroda ini mampu memberikan kapasitas reversibel hingga 368 mAh/g dan energi spesifik 940 Wh/kg, menunjukkan bahwa elektroda berbasis besi dapat menyimpan dan melepaskan muatan listrik yang tinggi. Fe/Li3PO4 memiliki kapasitas pelepasan reversibel tinggi yaitu sebesar 181 mAh/g, dengan 30% kapasitasnya di bawah 2 V. Pemanfaatan besi yang tinggi dalam Fe/LiF, bersama dengan manfaat mobilitas anion, menunjukkan potensi yang menjanjikan untuk penyimpanan listrik yang lebih besar dibandingkan dengan material lain seperti nikel.

Potensi Pengembangan

“Katoda berbasis besi kita tidak akan dibatasi oleh kekurangan sumber daya,” kata Ji. Besi, selain menjadi unsur paling umum di bumi jika diukur berdasarkan massa, merupakan unsur paling melimpah keempat di kerak bumi. “Kita tidak akan kehabisan besi sampai matahari berubah menjadi raksasa merah” lanjutnya.

Adapun kelebihan dari katoda IronFP “Kami telah menunjukkan bahwa desain bahan dengan anion dapat memecahkan batasan kepadatan energi untuk baterai yang lebih berkelanjutan dan lebih murah,” kata Ji. “Kami tidak menggunakan garam yang lebih mahal untuk digabungkan dengan besi – hanya garam yang telah digunakan oleh industri baterai dan kemudian bubuk besi. Untuk menerapkan katoda baru ini, tidak ada yang perlu diubah lagi – tidak ada anoda baru, tidak ada jalur produksi baru, tidak ada desain baterai baru. Kami hanya mengganti satu hal, katoda.”

Referensi:

Mingliang Yu et al. ,Unlocking iron metal as a cathode for sustainable Li-ion batteries by an anion solid solution.Sci. Adv.10,eadn4441(2024).DOI:10.1126/sciadv.adn4441

1 komentar untuk “Baterai Lebih Ramah Lingkungan dengan Katoda Komposit Besi”

Tinggalkan Komentar

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *