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