Molecular Crowding Elektrolit: Terobosan Baru Dalam Produksi Baterai Litium Ion yang Aman, Murah dan Berkinerja Tinggi

Elektrolit Aqueous Pada Baterai Litium Ion

Pada artikel sebelumnya yang berjudul Meningkatkan Keamanan dan Kinerja Baterai Litium Ion dengan Elektrolit Fluorinated Siklik Posfat, pelarut elektrolit memiliki peran vital dalam baterai litium ion. Faktor keamanan dan kinerja baterai juga dapat terlihat dari pelarut elektrolit apa yang digunakan. Saat ini, pelarut organik seperti etilen karbonat (EC) dan dimetil karbonat (DMC) pada baterai litium ion masih digunakan karena menghasilkan densitas energi yang tinggi (250 – 400 Wh/kg) dan siklus pakai yang stabil serta memiliki potential window yang tinggi (> 4V). Namun pelarut organik tersebut mudah terbakar yang kemudian menjadi isu yang sangat serius dalam komersialisasi baterai litium ion.

Sementara itu, penggunaan elektrolit berbasis pelarut air (aqueous electrolyte) dapat ditemukan pada baterai seng-karbon (di pasaran biasanya kita menyebut merknya, baterai ABC) atau baterai alkaline. Elektrolit aqueous tentu tidak akan mudah terbakar karena berbasis air. Namun alasan elektrolit aqueous tidak digunakan dalam baterai litium ion adalah tegangan yang rendah yang dibatasi oleh stabilitas air dan densitas energi yang rendah. Stabilitas air akan terganggu jika tegangan lebih dari 1,23 V yang dapat memicu proses elektrolisis air untuk menghasilkan gas hidrogen dan oksigen. Di sisi lain, tegangan baterai litium ion bisa lebih dari 3 V. Jika hal ini terjadi, maka umur pakai baterai tak dapat bertahan lama dan kinerjanya pun sangat rendah. Pendekatan lain yang telah dilakukan oleh beberapa peneliti adalah memekatkan konsentrasi garam litium dalam air dengan tujuan meningkatkan tegangan baterai. Namun, penambahan jumlah garam litium yang cukup besar menyebabkan masalah baru seperti biaya yang tinggi dan isu lingkungan^[1].

Molecular Crowding

Pada bulan April 2020, para peneliti dari Chinese University of Hongkong memiliki pendekatan yang unik dalam penerapan elektrolit aqueous pada baterai litium ion. Mereka memperkenalkan istilah ”molecular crowding” elektrolit aqueous dengan menggunakan polietilen glikol (PEG) sebagai agen crowding. Selain itu, konsentrasi garam litium yang rendah juga digunakan agar baterai litium ion dapat beroperasi pada tegangan yang tinggi, biaya yang murah dan ramah lingkungan. Lalu apa itu molecular crowding?

Molecular crowding merupakan fenomena umum dalam sel hidup yang menjelaskan bahwa sifat-sifat molekul larutan dapat dimodifikasi ketika makromolekul (protein, gula kompleks, polisakarida dan lain-lain) atau molekul-molekul hidrofilik yang kecil (metabolites, osmolytes) mencapai konsentrasi lebih dari 80 mg/mL. Konsekuensi dari terciptanya fenomena tersebut adalah berkurangnya aktivitas pelarut air karena perubahan struktur ikatan hidrogen dalam air^[1]. Fenomena molecular crowding dalam sel hidup menginspirasi para peneliti untuk membuat molecular crowding elektrolit aqueous untuk mengurangi aktivitas air agar tidak terjadi dekomposisi air secara signifikan dalam baterai litium ion berbasis aqueous.

Polietilen Glikol (PEG) sebagai Agen Crowding

Untuk membuat molecular crowding elektrolit berbasis aqueous, para peneliti memilih PEG 400 (berat molekul = 400) sebagai agen crowding karena tidak beracun, mudah larut dalam air dan murah (harga PEG 400 berkisar 100 kali lebih murah daripada LiTFSI). Selain itu, larutan PEG memiliki kemampuan melarutkan garam-garam litium (salah satunya LiTFSI) dengan baik. Konsentrasi PEG dalam penelitian ini divariasikan dari 71% hingga 100%^[1]. Garam LiTFSI yang digunakan adalah konsentrasi rendah yakni 2 m (2 mol/kg). Pengujian pembanding juga dilakukan pada elektrolit komersial LiPF₆ dalam EC/DMC dan pada elektrolit LiTFSI dalam polietilen oksida (PEO) yang merupakan elektrolit polimer padat konvensional.

Hasil dari tes pembakaran menunjukkan bahwa elektrolit komersial LiPF₆ dalam EC/DMC mulai terbakar ketika ada sumber api namun pada elektrolit LiTFSI dalam 94% PEG – 6% air tidak terjadi kebakaran seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1^[1]. Selain itu, elektrolit LiTFSI dalam PEO mudah terbakar, begitu juga dengan hasil tes pembakaran pada elektrolit LiTFSI dalam PEG murni. Hal ini berarti kandungan air dapat menurunkan flammability level (batas mudah terbakar) elektrolit yang mereka teliti. Lalu bagaimana karakterisitik elektrokimianya?

Karakteristik Elektrokimia Molecular Crowding Elektrolit

Hal pertama yang harus dikaji adalah konduktivitas ionik dari elektrolit tersebut. Berdasarkan Gambar 2, semakin tinggi kandungan air maka semakin tinggi juga konduktivitas ioniknya. Namun, semakin tinggi kandungan air dapat menyebabkan proses dekomposisi air menjadi gas hidrogen dan oksigen. Kemudian, para peneliti memilih kondisi optimum elektrolit tersebut pada 94% PEG dan 6% air sebagai basis pengujian kinerja baterai. Alasan lainnya adalah pada konsentrasi tersebut, elektrolit tidak mudah terbakar.

Selanjutnya, hal yang tidak kalah penting adalah menentukan electrochemical stability window (ESW) dari elektrolit 2 m LiTFSI dalam 94% PEG – 6% air menggunakan linear sweep voltammetry (LSV). ESW air murni sebesar 1,23 V dan elektrolit aqueous konvensional yang biasa kita jumpai di baterai ABC maupun alkaline sebesar 2 V^[1]. Pada penelitian ini, ESW elektrolit 2 m LiTFSI dalam 94% PEG – 6% air meningkat menjadi 3,2 V. ESW menunjukkan range tegangan dimana elektrolit dan pelarut yang digunakan tidak mengalami reaksi reduksi maupun oksidasi.

Mengapa selama ini baterai litium ion tidak menggunakan elektrolit aqueous? kita bisa lihat bahwa ESW air murni hanya 1,23 V sedangkan baterai litium ion umumnya beroperasi lebih dari 3 V. Tentu elektrolit aqueous yang hanya menggunakan pelarut air saja tidak bisa digunakan. Hal itu disebabkan oleh air yang akan terlektrolisis menjadi gas hidrogen dan oksigen yang dapat membahayakan penggunaan baterai litium ion. Dengan hadirnya elektrolit 2 m LiTFSI dalam 94% PEG – 6% air, peneliti berharap elektrolit aqueous pada baterai litium ion dapat bersaing dengan elektrolit non-aqueous (pelarut organik) yang memiliki biaya tinggi dan mudah terbakar.

Kinerja Baterai Litum Ion Menggunakan Molecular Crowding Elektrolit

Untuk menguji kinerja baterai litium ion, dibutuhkan sel baterai (full cell) yang terdiri dari anoda, katoda dan elektrolit. Katoda dan anoda yang digunakan masing-masing adalah LiMn₂O₄ (LMO) dan Li₄Ti₅O₁₂ (LTO). Sementara itu, elektrolit yang digunakan adalah 2 m LiTFSI dalam 94% PEG – 6% air. Online electrochemical mass spectroscopy (OEMS) digunakan untuk memonitor pembentukan gas akibat dari dekomposisi air. Hasil yang mengejutkan terjadi ketika gas O₂, H₂, CO/N₂, atau CO₂ tidak terdeteksi dalam sel baterai tersebut yang telah dioperasikan hingga 10 siklus^[1].

Selain itu, molecular crowding elektrolit ini terlihat mirip dengan elektrolit polimer padat konvensional (PEO). Hal ini terjadi karena elektrolit tersebut mengandung PEG dengan jumlah yang besar (94%). Namun, PEG sendiri adalah polimer cair yang hakikatnya berbeda dengan polimer padat ketika berperan sebagai elektrolit baterai. Kekurangan dari elektrolit polimer padat adalah konduktivitas bulk ionik rendah dan hambatan antar muka elektroda-elektrolit yang tinggi. Karena PEG berbentuk cair, molecular crowding elektrolit aqueous ini dapat meningkatkan konduktivitas ionik dan menurunkan hambatan antar muka elektroda-elektrolit. Penurunan hambatan antar muka elektroda-elektrolit ditunjukkan dalam bentuk kurva Nyquist.

Penutup

Selain itu, para peneliti juga berhasil meningkatkan tegangan operasi baterai litium ion tersebut hingga lebih dari 4 V dengan cara memberikan lapisan highly fluorinated ether (HFE) pada sel Li/grafit^[1]. Tentu saja hal ini akan menjadi modal yang sangat berharga dalam mengembangkan baterai litium ion berbasis elektrolit aqueous. Prof Lu mengatakan bahwa molecular crowding elektrolit aqueous memungkinkan digunakan bersama elektroda-elektroda yang sebelumnya tidak bisa digunakan pada elektrolit aqueous konvensional^[2]. Dalam kehidupan sehari-hari, PEG umumya kita temukan dalam krim kulit, pasta gigi dan bahkan sebagai agen anti-foaming dalam makanan dan minuman. Namun, penelitian ini menunjukkan bahwa PEG juga memiliki andil besar dalam penyediaan baterai litium ion dengan biaya rendah, aman dan memiliki kinerja tinggi.

Referensi

[1] Xie, J., Liang, Z. dan Lu, Y. 2020. Molecular crowding electrolytes for high-voltage aqueous batteries. Nature Materials. https://doi.org/10.1038/s41563-020-0667-y

[2] The Chinese University of Hongkong. 2020. Battery electrolyte made with skin cream ingredients enables stable and non-flammable aqueous li-ion batteries. Diakses dari: https://techxplore.com/news/2020-05-battery-electrolyte-skin-cream-ingredients.html pada 1 Juni 2020

[3] The Chinese University of Hongkong. 2020. Electrolyte Made with Skin Cream Ingredients Enables Stable and Non-flammable Aqueous Li-ion Batteries. Diakses dari: https://www.cpr.cuhk.edu.hk/en/press_detail.php?id=3283&t=breakthrough-by-cuhk-engineering-in-battery-research-electrolyte-made-with-skin-cream-ingredients-enables-stable-and-non-flammable-aqueous-li-ion-batteries pada 1 Juni 2020