Siringmakar 10: “Nanomaterials for Energy Storage”

Pemateri: Muhammad Hilmy Alfaruqi (Material Science and Engineering, Chonnam National University)
Moderator : Nailul Izzah 

Pengantar

Salah satu pendekatan yang sedang dikembangkan ilmuwan terkait dengan pengembangan energi adalah nanoteknologi. Nanoteknologi  merupakan ilmu dan rekayasa dalam penciptaan material, struktur fungsional, maupun piranti dalam skala nanometer.

Definisi lain mengatakan bahwa nanoteknologi adalah pemahaman dan kontrol materi pada dimensi 1 s/d 100 nm, dimana fenomena-fenomena unik yang timbul dapat digunakan untuk aplikasi-aplikasi baru. Nanoteknologi memiliki wilayah dan dampak aplikasi yang luas mulai dari bidang material maju, transportasi, ruang angkasa,  kedokteran, lingkungan, IT sampai energi.

Seperti apa nanomaterial dan bagaimana mekanisme dalam pengaplikasiannya di bidang energi, terutama dalam hal penyimpanannya (energy storage)?.

Diskusi

Sebagaimana yang diketahui, judul sharing kali ini adalah Nanomaterials for Energy Storage, karena begitu broad peserta acara kali ini, saya coba menjabarkan sesederhana mungkin, mulai dari awal, sampai yang agak spesifik, yaitu nanomaterial untuk energy storage.

Agar memudahkan, keyword yang perlu dipahami adalah nanomaterial: nano dan material

Keyword selanjutnya adalah energy storage: penyimpan energi, banyak sekali material penyimpan energi, pada sharing kali ini, aplikasi penyimpan energi yang dimaksud adalah battery (agar simple, saya sebut dengan ‘batere’ saja, ya)

Kalau sharing kayak gini, saya paling suka mengawali dengan sebuah cerita atau kisah. Metode sharing dengan kisah ini, menurut saya menarik, dan so far, dengan metode ini bisa diterima oleh banyak orang dengan pemahaman atau background yang berbeda-beda. Metode ini saya meng-extract dari Prof. Sadoway, guru besar MIT.

Jadi, saya akan mulai dari kisah ‘batere’… – dalam notulensi ini akan digunakan kata “baterai”.

Suatu hari di negeri antah berantah …

“Colokan listrik dimana, Bro? Boleh numpang nge-charge? Udah abis nih batere HP ane, Gan.”

“Gan, jual batere laptop? Batere laptop ane udah drop nih, Gan.

Jadi kalo mau pake laptop, charger-nya dicolokin terus.”

Percakapan di atas tentu sudah familiar di telinga kita. Ya, penggunaan baterai memang sudah tidak asing lagi dalam kehidupan kita sehari-hari.

Perkembangan teknologi yang menghasilkan berbagai macam peralatan elektronik seperti laptop, kamera, telepon selular, sampai kendaraan berbahan bakar listrik seperti mobil dan motor listrik memerlukan baterai yang berfungsi sebagai media penyimpan energi listrik.

Tanpa adanya listrik, maka peralatan elektronik tersebut tidak dapat kita gunakan. Bahkan sumber energi alternatif atau energi terbarukan seperti pembangkit listrik yang memanfaatkan energi matahari (solar cell/ sel surya) juga membutuhkan baterai untuk menyimpan energi listrik yang telah dihasilkan.

Proses ditemukannya baterai cukup unik. Diawali oleh Luigi Galvani (1737-1798), ahli anatomi dari Italia, ketika bereksperimen dengan bagian tubuh katak pada tahun 1780. Ia menemukan bahwa setiap kali saraf kaki katak tersentuh oleh suatu logam dan otot-otot tersentuh oleh yang logam lain, maka akan terjadi kejang atau kontraksi akibat adanya kontak antara dua logam berbeda tersebut. Mulanya Galvani menganggap bahwa kejang atau kontraksi yang terjadi dihasilkan oleh katak sehingga disebutlah “listrik hewan”.

Eh tapi, kan Galvani punya teman tuh, ilmuwan juga, namanya Alessandro Volta (1745-1827). Nah, Volta tidak setuju dengan pendapat Galvani. Menurut Volta, “Kejang atau kontraksi tersebut terjadi karena adanya kontak antara dua logam berbeda dengan perantaraan medium lembab, yaitu tubuh katak.”

Nah, itulah yang mendasari eksperimen Volta untuk membuat sebuah prototype baterai dengan menumpukkan dua logam berbeda, yaitu tembaga (Cu) dan seng (Zn) pada tahun 1800. Di antara Cu dan Zn, Volta meletakkan larutan garam yang berfungsi sebagai medium. Volta menyebutnya dengan nama ‘voltaic pile’.

Dan juga, di zaman dulu pun, peneliti  juga mempublikasikan hasil penelitiannya, walau arus informasinya tidak secepat era internet seperti sekarang ini. Hasil penelitian Volta ini pun akhirnya sampailah kepada Humphry Davy (1778-1829), yang mana merupakan mentor dari Michael Faraday (1791-1867). Mungkin teman-teman ingat tentang “Faraday Constant”. Nah, Faraday ini kemudian meneruskan riset voltaic pile lebih mendalam. Dari sinilah berasal cabang elektrokimia (electrochemistry). Karena Faraday juga lah ada istilah elektroda (electrode) dan electrolit (electrolyte).

Ngomong-ngomong, ‘Voltaic pile’ ini masih ada, lho, disimpan di Volta Temple, Kota Como, Italia.

Eh, tapi konon, jauh sebelum ‘voltaic pile’, ada Baterai Baghdad yang diperkirakan sekitar 250 tahun SM. Sisa-sisa peninggalan Baterai Baghdad ini di temukan pada tahun 1936.

Kemudian, penelitian terus berlanjut, dan akhirnya sampai juga pada baterai alkaline (Eveready Energizer) yang ditemukan oleh Lewis Urry (1927-2004). Prototype baterai alkaline juga masih ada, disimpan di Smithsonian Museum, DC, USA. Dan teruslah penelitian baterai berkembang, sampai pada penemuan Lithium-Ion Battery (LIB). LIB ini pertama kali di temukan oleh M. S. Whittingham (orang nya masih ada, professor di University of Binghamton, UK). Banyak orang yang terlibat dalam penelitian baterai ini, dan banyak yang masih hidup hingga sekarang. LIB komersial pertama dikeluarkan oleh SONY awal tahun 90-an.

 

Sekarang mulai masuk ke mekanisme …

Baterai setidaknya terdiri dari 3 komponen, yaitu elektroda negatif (anoda), elektroda positif (katoda), dan elektolit. Sebagai contoh baterai alkalin. Baterai alkalin menggunakan zinc/seng (Zn) sebagai anoda, manganese dioxide/mangan dioksida (MnO2) sebagai katoda, serta potassium hydroxide/ potasium hidroksida/ kalium hidroksida (KOH) sebagai elektrolit.

Bagaimana dengan LIB?

Untuk LIB, dalam aplikasinya, banyak sekali material yang digunakan seperti graphite/grafit (C – bentuk lain dari karbon), vanadium pentoxide (V₂O₅), LTO (Li₄Ti₅O₁₂), sebagai anoda, kemudian lithium cobalt oxide (LiCoO₂), manganese dioxide (MnO₂), lithium nickel oxide (LiNiO₂), dan lithium iron phosphate (LiFePO₄) sebagai katoda serta lithium hexafluoro phosphate (LiPF₆) sebagai elektrolit. Sistem grafit-LiCoO₂ merupakan jenis LIB komersial yang banyak digunakan saat ini.

Proses Pengisian (Charge): Pada katoda, saat baterai diisi ulang (charge), lithium yang berasal dari katoda (LiCoO₂) mengalami ekstraksi yang kemudian berjalan melalui elektrolit sebagai media menuju anoda (graphite). Saat charging ini terjadi perubahan keadaan bilangan oksidasi pada cobalt di dalam LiCoO₂ dari Co³⁺ menjadi Co⁴⁺. Pada anoda, saat baterai diisi ulang (charge), lithium dari katoda memasuki struktur anoda. Ketika diisi ulang (charge), maka baterai menerima arus listrik sehingga pada anoda terjadi perubahan keadaan bilangan oksidasi pada lithium dari Li⁺ menjadi Li.

Proses Pemakaian (Discharge): Kemudian, saat pemakaian (discharge), lithium yang berada di anoda (graphite) kembali kepada katoda (LiCoO₂) sehingga pada katoda terjadi perubahan keadaan bilangan oksidasi pada cobalt di dalam LiCoO₂ dari Co⁴⁺ menjadi Co³⁺. Sedangkan pada anoda, saat pemakaian (discharge), lithium pada anoda melepaskan elektron, sehingga terjadi perubahan keadaan bilangan oksidasi pada lithium dari Li menjadi Li⁺.

Adapun proses di atas dapat dituliskan ke dalam persamaan kimia sebagai berikut:

Saat Pengisian (Charge):

pada katoda:     LiCoO₂ → Li1-xCoO₂ + xLi+ + x^e-

pada anoda:      xLi+ + x^e- + C → LixC

Sedangkan Pemakaian (Discharge):

pada katoda:     Li1-xCoO₂ + xLi+ + x^e- → LiCoO₂

pada anoda:      LixC → xLi+ + x^e- + C

Proses keluar masuk nya Li-ion pada katoda dan anoda disebut sebagai intercalation/insertion dan deintercalation/extraction.

Apa hubungannya nano dengan baterai?

Sederhananya, nanomaterial dipakai pada baterai untuk meningkatkan performa baterai. Performa apa saja?. Setidaknya ada 2 performa, yaitu:

Pertama, CAPACITY

Konsep utama dari baterai adalah konversi energi kimia menjadi energi listrik. Ketika sebuah baterai digunakan (discharge) pada beban/ load tertentu, maka baterai akan mengeluarkan energi.

Capacity sebuah baterai dapat diartikan sebagai seberapa banyak energi yang dapat disimpan oleh baterai. Capacity memiliki satuan mAh/gr (milliampere per gram). Sedangkan beban/ load yang diberikan pada baterai memiliki istilah C-rate. C-rate ini memiliki nilai 0.5C, 1C, 2C, dan seterusnya.

1C berarti sebuah baterai digunakan (discharge) sampai titik akhir yang ditentukan (pada rentang voltage tertentu) selama 1 jam, sedangkan 0.5C berarti batere digunakan (discharge) selama 2 jam sampai titik akhir yang ditentukan (pada rentang voltage tertentu). Jadi, jika sebuah baterai digunakan (discharge) sampai kondisi akhir dalam waktu 1 jam, tentu saja baterai tersebut menerima beban/ load yang berbeda dengan baterai yang sama yang digunakan (discharge) sampai kondisi akhir dalam waktu 2 jam.

Setiap baterai memiliki nilai capacity yang berbeda-beda bergantung dari material yang digunakannya. Material-material yang digunakan pada baterai memiliki nilai theoretical capacity. Pada kenyataannya, kadang capacity baterai yang digunakan tidak sama dengan theoretical capacity-nya. Jika nilainya sama, baterai tersebut bisa dikatakan memiliki performa yang optimal.

Kedua, CYCLE LIFE

Selain capacity, cycle life juga menjadi aspek yang sangat penting diperhatikan dalam aplikasi baterai. Cycle life diartikan berapa lama sebuah baterai dapat digunakan, tentu dengan mempertahankan nilai capacity awalnya. Cycle life ini diukur dengan istilah number of cycle (jumlah siklus), yang terdiri dari charge dan discharge. Jadi, semakin banyak jumlah siklusnya dan dapat mempertahankan capacity-nya, baterai tersebut juga dapat dikatakan memiliki performa yang baik.

Generasi pertama LIB menggunakan material untuk elektroda dengan partikel seukuran milimeter. Sedangkan dengan partikel berukuran milimeter tersebut, performa baterai sangat terbatas. Sebagaimana kita ketahui, material nano memiliki sifat-sifat baru yang berbeda dengan material ukuran besar (bulk). Dengan pemanfaatan material nano dalam aplikasi LIB, ternyata dapat memberikan manfaat yang besar, yaitu dapat meningkatkan performa dari baterai.

Sebagaimana telah kita diskusikan tadi, prinsip kerja dari LIB berdasarkan ‘insertion/extraction‘ ion lithium pada katoda atau anoda. Dengan demikian, semakin kecil ukuran material yang digunakan, dalam hal ini material nano, maka dapat berfungsi untuk memperpendek jarak untuk transportasi ion lithium.

Menariknya, ukuran nano juga dapat memberikan efek “aktif secara elektrokimia” bagi material tertentu sehingga dapat digunakan untuk aplikasi pada baterai. Sebagai contoh, MnO₂ (manganese dioxide) yang terdiri dari berbagai bentuk struktur seperti: a-MnO₂, g-MnO₂, b-MnO₂, dan d-MnO₂.

Pada dasarnya, MnO₂ aktif secara elektrokimia sehingga dapat digunakan untuk aplikasi baterai. Namun, ternyata pada b-MnO₂ tidak demikian. Dengan modifikasi ukuran, melalui ukuran nano, pada akhirnya b-MnO₂ dapat dioptimalkan untuk aplikasi baterai.

Secara umum, penggunaan material nano pada aplikasi baterai memiliki manfaat sebagai berikut:

1. Ukuran yang kecil, skala nano, memperkecil jarak transportasi ion lithium dan elektron sehingga berpengaruh dalam mempertahankan capacity dalam penggunaan baterai secara berkali-kali.
2. Material nano memiliki nilai luas permukaan yang tinggi sehingga membuat kontak area antara elektrolit dengan elektroda semakin tinggi. Hal tersebut memberikan kemudahan akses bagi ion lithium menuju elektroda dan menyediakan lebih banyak ‘active site‘ untuk reaksi.

Demikian sharing kali ini. Walau singkat, semoga bermanfaat.

Mohon maaf apabila ada salah-salah dalam penyampaian.

Dan ingat, hindari baterai dan charger bajakan ????

Sesi Tanya-Jawab (QnA)

Termin 1

1. Masita_Pertanyaan: Apakah mensintesis pasir silika menjadi nano dengan mnggunakan bantuan zat kimia (zat basa) dapat menggantikan efisiensi dengan cara mekanik? A: Maaf, tampaknya pertanyaan di luar konteks ya, jadi saya skip 🙂 🙂 Bisa dilanjut lain kali …

2. ARIS SETIAWAN_PERTANYAAN: Realita… baterai ABC -kan ada 3 ukuran ya, yang kecil (utk remote), sedang (utk microphone), besar (utk senter). Nah,  nanomaterial utk baterai yang dimaksud itu seperti apa?. Apakah baterainya berukuran Nano?. Bagaimana cara pakainya?. Mohon penjelasan sederhananya, Mas. A: Nanomaterial itu pada katoda atau anodanya (powder), lihat Gambar 6. Caranya, material nano dipakai pada katoda dan anoda. Generasi pertama LIB menggunakan material untuk elektroda dengan partikel seukuran milimeter. Sedangkan dengan partikel berukuran milimeter tersebut, performa baterai sangat terbatas. Sebagaimana kita ketahui, material nano memiliki sifat-sifat baru yang berbeda dengan material ukuran besar (bulk). Dengan pemanfaatan material nano dalam aplikasi LIB, ternyata dapat memberikan manfaat yang besar, yaitu dapat meningkatkan performa dari baterai. Q: Maaf, Mas… masih kurang jelas? A: Nanomaterial itu dipakainya di anoda dan katoda. Itu aslinya powder, misal materialnya MnO2 (manganese dioxide) atau LiFePO₄. Misal powder-nya satu sendok, yang satu ukuran nano, yang satu non-nano, yang ukuran nano, pasti jumlahnya lebih banyak dari non-nano, Misalnya, Kang Aris punya dua ember ukuran sama. Satu diisi gundu, satu diisi sama bola tenis. Jumlah gundu pasti lebih banyak dari jumlah bola tenis. Itu analogi nya. Tapi sama-sama powder, hanya ukuran nya yang beda.
3. Anisa Fitri M_Pertanyaan: Lebih baik mana antara LIB dan superkapasitor? A: Bicara lebih baik, tergantung dari penggunaannya. Misal saja, untuk mouse yang wireless, yang daya kecil, pakai beterai alkalin saja cukup, bisa lama juga, murah pula, kalau pakai lithium jadi tidak terlalu efektif. Kalau antara LIB dan supercapacitor juga sama seperti itu. Banyak faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan juga.

Termin 2

4. Nur_Pertanyaan: Saya tertarik dengan b-MnO fasa. Kenapa dalam fase nanomaterial bisa terjadi interkalasi yang menghasilkan kapasitas? Apakah merubah struktur kristal?. Mohon penjelasan perubahan mekanisme interkalasinya. Terima kasih. A: Wah seru nih. Sederhananya gini, ada struktur pada fasa tertentu yang sangat padat (sempit jalurnya), sehingga Li-ion sulit untuk masuk, apalagi sampai masuk sampai ke dalam-dalam (terlebih pada ukuran bulk). Struktur kristal nya sama. Proses interkalasi juga sama. Q: Belum menjawab, jika ion pathwaynya berubah bayangan saya ada beberapa kemungkinan: perubahan lattice parameter atau perubahan spacegroup, yang mana ya kira-kira atau ada alasan lain?. A: Pada b-MnO₂, proses interkalasinya ada beberapa pendapat (debatable). Namun semua menggunakan nano-sized materials. Ada yang klaim solid-solution, ada yang klaim single-phase reaction. (karena bimbingan Prof. Evvy, saya pakai istilah yang agak spesifik ya). Bahkan secara computational studies, ada klaim lain lagi. MnO₂ itu walau banyak digunakan, tapi cukup tricky mekanismenya. Bahkan beta-phase dan alpha-phase juga akan terjadi perubahan spacegroup pada cycle tertentu.
5. Anisa Fitri M_ Pertanyaan: Selain dalam skala nano untuk mendapatkan nilai capacity tinggi. Memerlukan sifat fisis/fisika yang bagaimana?. A: Perlu diketahui, nilai capacity pada LIB itu diturunkan dari seberapa banyak Li-ion yang berhasil di akomodasi. Jadi sifat fisik yang mendukung pemanfaatan optimal capacity tersebut adalah material yang physically stable saat Li-ion itu masuk. Istilahnya seperti sponge,  dia menyerap air, diperas, airnya keluar. Walau tidak sama persis seperti sponge, material tersebut sebisa mungkin kecil perubahan strukturnya.
6. Aris_Pertanyaan: Selain ion Li, ion apa yg kinerjanya lebih baik dari Li? Li-ion ini paling kecil dan potensial nya tinggi (up to 3.6 V). Karena paling kecil, masuk ke host material (anoda dan katoda) juga mudah. Dan potensialnya tinggi pula. Saat ini mulai banyak penelitian selain Li-ion. Seperti Na-ion, K-ion, Zn-ion. Tapi sejauh ini, Li yang masih jadi “bintang”. Q: Oke Pak. Pembaharuan yg masih bisa ditingkatkan apa dari ion Li?. Kalau  menggunakan cobalt?. Maksudnya, Pak?. Material pengganti cobalt … Si cobaltnya ini… di bagaimanakan?. A: Material yang umum LiCoO₂ (ada cobalt nya). Yang bisa ditingkatkan, mencari pengganti cobalt, Karena cobalt itu mahal dan beracun. LiCoO₂ itu material katoda sebagai host material nya. Penggantinya ada manganese atau campuran (manganese + cobalt + nickel), Sebisa mungkin mengurangi cobalt.

Baca juga Tulang Belakang Manusia Menginspirasi Lahirnya Baterai Litium-Ion Fleksibel