Baterai Li-CO2 : Metode Baru Dalam Pemanfaatan CO2

CO₂ umumnya dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar fosil baik di pembangkit listrik untuk kebutuhan masyarakat maupun industri maupun pada kendaraan. Salah satu pemanfaatan CO₂adalah sebagai “gas pembantu” pada baterai litium-udara. Seiring berjalannya waktu, CO₂ tidak lagi berperan sebagai gas pembantu melainkan sebagai oxidant yang tereduksi di katoda.  Nilai densitas energi teoritis baterai Li-CO₂ sebesar 1.879 Wh/kg lebih besar dibandingkan dengan baterai litium ion yakni sebesar 500 Wh/kg^[1]. Baterai Li-CO₂ pertama kali dibuat oleh Archer dkk pada tahun 2013 sebagai baterai primer. Baterai tersebut beroperasi pada temperatur 60 – 100^oC dan menghasilkan kapasitas 2.000 – 4.000 mAh/gram^[2].

Pada bulan September 2018, para peneliti dari MIT memanfaatkan CO₂ sebagai spesi aktif pada elektrolit baterai litium. Anoda yang digunakan adalah litium foil dan katoda yang digunakan adalah karbon berpori. Elektrolit yang digunakan adalah 100 mM EEA (2-ethoxyethylamine)/0,3 M LiClO₄ dalam DMSO^[3]. CO₂ diinjeksi kan ke dalam elektrolit sebelum sel baterai digunakan. Penambahan EEA pada elektrolit sebagai bagian dari proses pre-aktivasi CO₂ untuk reaksi reduksi di katoda saat proses discharge.

Ada beberapa pertimbangan dalam pemilihan EEA sebagai bahan kimia untuk menangkap CO₂, diantaranya (1) solubilitas yang tinggi dalam pelarut organir polar (2) stabil secara kimia dengan logam litium dan yang terakhir adalah tidak terjadi reaksi evolusi hidrogen dari gugus -OH selama proses berlangsung^[3]. Pada saat proses discharge, CO₂ akan bereaksi dengan Li menjadi litium karbonat (Li₂CO₃) dan EEA dapat diregenerasi sehingga baterai Li-CO₂ dapat berperan sebagai CO₂ carbon capture yang dapat menyimpan dan menghasilkan energi. Skema sel dan reaksi baterai Li-CO₂ serta skema reaksi reduksi yang terjadi di elektroda karbon ditunjukkan oleh Gambar 1.

Sebelum diuji, sel baterai didiamkan selama 20 jam. Open Circuit Voltage (OCV) yang dihasilkan sebesar 2,9 – 3,2 V vs Li/Li⁺. Untuk menguji kapasitas discharge baterai Li-CO₂, konsentrasi EEA divariasikan pada arus tetap sebesar 30 mA/g_c. Hasil yang diperoleh adalah semakin tinggi konsentrasi EEA maka semakin tinggi juga kapasitas discharge yang dihasilkan. Namun, konsentrasi optimum EEA yang didapat sebesar 115 mM. Kapasitas discharge yang diperoleh pada konsentrasi EEA 115 mM sebesar 2000 mAh/g_c^[3]. Namun, ketika konsentrasi EEA ditingkatkan, kapasitas discharge baterai Li-CO₂ malah mengalami penurunan. Uji kapasitas discharge baterai Li-CO₂ dengan variasi konsentrasi EEA ditunjukkan oleh Gambar 2.

Selain itu, kemungkinan produk samping dari proses discharge dapat berupa karbon deposit atau gas CO. Namun, setelah diuji menggunakan gas kromatografi, gas CO tidak terdeteksi dalam produk baterai. Maka, para peneliti menyimpulkan bahwa produk samping dari proses discharge baterai Li-CO₂ adalah karbon. Karbon yang terbentuk perlu dipelajari lebih lanjut sebagai variable yang mungkin mempengaruhi kinerja baterai Li-CO₂. Para peneliti berharap teknologi dapat menjadi sistem yang terintegrasi dimana CO₂ yang dihasilkan dari pembangkit listrik berbahan bakar fosil dimanfaatkan menjadi material yang digunakan pada baterai^[4].

Referensi

[1] Lu, Y.-C., Gallant, B.M., Kwabi, D.G., Harding, J.R., Mitchell, R.R., Whittingham, M.S., and Shao-Horn, Y. 2013. Lithium–oxygen batteries: bridging mechanistic understanding and battery performance. Energy & Environmental Science, 6, 750–768

[2] Xu, S.M., Das, S.K., and Archer, L.A. 2013. The Li-CO₂ battery: a novel method for CO2 capture and utilization. RSC Advances, 3, 6656–6660

[3] Khurram, A., He, M., Gallant, B.M. 2018. Tailoring the discharge reaction in Li-CO₂ batteries through incorporation of CO₂ capture chemistry. Joule, 2, 1-18

[4] MIT. 2018. New battery gobbles up carbon dioxide. DIakses dari : https://www.sciencedaily.com/releases/2018/09/180921140146.htm pada 11 Desember 2018