Ilmuwan Kembangkan Baterai Aluminium Klorida-Grafit Fleksibel yang Dapat Diisi Ulang

Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti mulai mengembangkan beberapa material untuk menggantikan peran baterai litium ion. Harga baterai litium ion mengalami peningkatan setiap tahunnya. Hal itu disebabkan oleh terbatasnya sumber material penyusun baterai litium ion seperti litium dan kobalt. Selain itu, baterai litium ion sulit untuk proses daur ulangnya dan mudah terbakar. Para peneliti tertuju pada aluminium karena murah, melimpah dan lebih aman dibandingkan litium. Aluminium memiliki nilai kapasitansi spesifik sebesar 2980 mAh/gram dan kapasitas volumetric sebesar 8040 mAh/cm³ dimana nilai tersebut lebih tinggi daripada litium^[1]. Baterai aluminium-udara memiliki nilai rapat energi yang lebih tinggi daripada baterai litium ion. Baterai aluminium-udara yang telah digunakan pada mobil listrik Alcoa merupakan baterai primer (tidak dapat diisi ulang) dalam elektrolit aqueous (Baca juga : Baterai aluminium-udara). Untuk mengubah baterai aluminium-udara menjadi baterai sekunder (dapat diisi ulang), para peneliti harus mempercepat kinetika reaksi reduksi oksigen (O₂) di katoda. Disisi lain, penggunaan udara dari lingkungan mengalami banyak kendala karena kehadiran nitrogen (N₂) dan karbon dioksida (CO₂) dapat membuat lapisan katalis menjadi pasif. Ketika lapisan katalis menjadi pasif maka tidak dapat melangsungkan reaksi elektrokimia^[1].

Gambar 1. Grafik kelimpahan unsur di Bumi (normalized per 10⁶ atoms of Si)^[2]

Baterai aluminium sekunder dapat terealisasi ketika menggunakan elektrolit non-aqueous seperti lelehan garam NaCl-AlCl₃ atau cairan ionik (ionic liquid). Cairan ionik berfasa cair pada temperatur ruang sedangkan lelehan garam perlu pemanasan temperatur tinggi agar berfasa cair. Cairan ionik dikembangkan secara luas sebagai elektrolit yang terdiri cairan ion-ion kompleks dengan ikatan kovalen koordinat lemah^[1]. Beberapa jenis elektrolit cairan ionik yang digunakan pada baterai aluminium sekunder terdiri dari 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1,3-di-nbutylimidazolium, 1-butylpyridinium, triazolium, atau alphatic onium cation dengan anion-anion chloroaluminate^[1]. Gambar 2 menunjukkan perjalanan penelitian baterai aluminium sekunder pada berbagai jenis elektrolit non-aqueous.

Gambar 2. Timeline penelitian baterai aluminium sekunder dalam elektrolit non-aqueous^[1]

Pembuatan Baterai Aluminium-Grafit Fleksibel

Pada bulan Januari 2018, para peneliti dari ETH Zurich dan EMPA (Swiss Federal Laboratories for Material Science and Technology) berhasil membuat baterai aluminium sekunder menggunakan bahan-bahan yang melimpah di Bumi. Selain itu, mereka menggunakan current collector titanium nitrit (TiN) pada katoda yang membuat baterai aluminium-grafit menjadi fleksibel^[2]. Sedangkan aluminium foil digunakan sebagai current collector di anoda. TiN akan dilapiskan pada stainless steel atau polyimide. TiN yang dilapiskan pada stainless steel digunakan untuk membuat baterai berbentuk koin. Sedangkan TiN yang dilapiskan pada polyimide digunakan untuk membuat baterai berbentuk lembaran. Grafit digunakan sebagai katoda pada baterai aluminium-grafit. Grafit merupakan alotrop karbon yang sangat melimpah di Bumi. Anoda yang digunakan adalah aluminium^[2]. Elektrolit yang digunakan adalah cairan ionik [EMIM]Cl atau 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride yang dicampur dengan AlCl₃ sehingga membentuk AlCl₃:EMIMCl^[2]. Karena aluminum klorida (AlCl₃) yang berperang penting pada proses charge dan discharge, baterai tersebut dinamakan baterai aluminium klorida-grafit (AlCl₃-GB).

Gambar 3. (a) Skema baterai aluminium klorida-grafit menggunakan current collector TiN (b) TiN yang dilapiskan pada stainless steel (c)  TiN yang dilapiskan pada polyimide^[2]

AlCl₃:EMIMCl yang terdiri dari EMIM⁺ dan AlCl₄^– tidak hanya berfungsi sebagai elektrolit tetapi juga sebagai sumber spesi elektroaktif. AlCl₃ ditambahkan berlebih untuk membentuk Al₂Cl₇^– ketika bereaksi dengan aluminium. Pada proses discharging, Aluminium akan bereaksi dengan AlCl₄^– menghasilkan elektron dan Al₂Cl₇^– di anoda. AlCl₄^– akan masuk ke antar lapisan grafit di katoda^[3]. Proses charging merupakan reaksi kebalikannya. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

TiN mempunyai tahanan korosi yang tinggi, mudah difabrikasi, murah dan melimpah. Sebelumnya, material current collector yang umum digunakan adalah tungsten (W) dan molibdenum (Mo). Namun, molibdenum dan tungsten terbatas ketersediaannya di alam dan mahal. TiN menunjukkan kinerja yang lebih baik daripada tungsten pada arus tinggi (10 A/gram) yang menghasilkan coulombic efficiency sebesar 99,5%^[2]. Pada arus tersebut, rapat daya yang dihasilkan sebesar 4500 W/kg dan stabil hingga siklus pemakaian sebanyak 500 siklus. Kapasitas spesifik yang dihasilkan sebesar 125 mAh/gram. Tegangan yang dihasilkan sebesar 2,5 V^[2].

Gambar 4. (a) coulombic efficiency baterai aluminium klorida-grafit dengan current collector tungsten dan TiN (b) Siklus pemakaian baterai aluminium klorida-grafit dengan arus 10 A/gram^[2]

Selain itu, para peneliti melakukan variasi ketebalan TiN terhadap tahanan dan pengaruh temperatur terhadap konduktivitas listrik TiN. Pada ketebalan kurang dari 100 nm, tahanan TiN mengalami peningkatan yang sangat signifikan^[2]. Pengaruh temperatur terhadap konduktivitas TiN tidak terlalu signifikan (linier). Pada rentang temperatur -10 – 60^oC, konduktivitas listrik TiN sebesar 4 – 4,5 x 10⁵ S/m^[2]. Oleh karena itu, TiN dapat beroperasi pada rentang temperatur yang lebar. Para peneliti berharap TiN dapat menjadi material current collector alternatif pada baterai aluminium klorida-grafit karena harganya murah, ketersediannya melimpah dan mudah difabrikasi. TiN juga dapat digunakan sebagai current collector pada baterai natrium ion, litium ion, litium-sulfur, dan lain-lain. Baterai aluminium klorida-grafit dengan current collector TiN menghasilkan rapat daya yang tinggi dan siklus pemakaian yang panjang. Penelitian ini menunjukkan kelayakan untuk komersialisasi baterai aluminium klorida-grafit sebagai unit penyimpanan energi pada pembangkit listrik energi terbarukan.

Pengujian Baterai Aluminium Klorida-Grafit Berbentuk Lembaran dengan Current Collector TiN^[2]

 

Referensi

[1] Schoetz, T., Leon, C.P.D., Ueda, M dan Bund, A. 2017. State of The Art of Rechargeable Aluminum Batteries in Non-Aqueous Sytems. Journal of Electrochemical Society, 164, A3499-A3502

[2] Wang, S., Kravchyk, K.V., Filippin, A.N., Muller, U., Tiwari, A.N., Buecheler, S., Bodnarchuk, M.I dan Kovalenko, M.V. 2018. Aluminum Chloride-Graphite Batteries with Flexible Current Collectors Prepared from Earth-Abundant Elements. Advanced Science, 1700712, 1-6

[3] Kravchyk, K.V., Wang, S., Piveteau, L dan Kovalenko, M.V. 2017. Efficient Aluminum-Chloride-Natural Graphite Battery. Chemistry of Materials, 29, 4484-4492