Baterai LiFePO4 Ion untuk Kendaraan Listrik

Kendaraan listrik (electrical vehicle) adalah transportasi yang paling ramah atau minimum menimbulkan polusi yang ada pada saat ini. Kendaraan listrik dapat beroperasi dengan sangat ekonomis karena menggunakan sedikit sekali bahan bakar minyak bumi atau bahkan tidak menggunakan sama sekali. Kendaraan listrik dapat mengurangi ketergantungan akan minyak bumi dan memicu transisi menuju kepada kendaraan bebas emisi dan bahan bakar minyak. Ada dua jenis kendaraan listrik, yaitu hybrid electric vehicle (HEV) dan kendaraan listrik yang menggunakan baterai. Pada HEV, listrik sebagian besar dihasilkan oleh pembangkit listrik berukuran kecil yang dengan mesin pembakar internal dapat menghasilkan sebuah dorongan. Sedangkan pada kendaraan listrik yang menggunakan baterai, sumber listrik dapat berasal dari pembangkit listrik yang menyuplai tenaga listrik ke rumah-rumah^[1].

Gambar 1. Komponen-komponen mobil listrik^[2].

Kendaraan listrik dengan baterai biasa juga disebut sebagai “kendaraan emisi nol” karena tidak secara langsung mencemari melalui emisi knalpot, penguapan bahan bakar, penyulingan bahan bakar atau transportasi bahan bakar untuk stasiun layanan pengisian bahan bakar. Sejumlah polusi yang terkait dengan penggunaan kendaraan ini berasal dari emisi pada pembangkit listrik. Tingkat polusi dari kendaraan listrik dengan baterai sangat rendah, bahkan ketika emisi pada pembangkit listrik juga diperhitungkan^[1].

Salah satu baterai yang digunakan pada kendaraan listrik adalah baterai yang terbuat dari lithium iron phosphate (LiFePO₄), yang biasa juga disebut lithium ferrophosphate (LFP). Baterai LiFePO₄ ini merupakan baterai yang dapat diisi secara berulang. LiFePO₄ sebagai material katoda mampu menawarkan daya tahan yang lebih lama, densitas daya dan tingkat keamanan yang lebih baik.  LiFePO₄ adalah mineral alami dari keluarga olivine. Penggunaannya sebagai elektroda baterai pertama kali dijelaskan dalam literatur yang diterbitkan oleh kelompok riset John Goodenough di Universitas Texas pada tahun 1996 sebagai bahan katoda untuk baterai litium isi ulang (rechargeable)^[3,4]. LiFePO₄ banyak dipilih sebagai material katoda untuk baterai kendaraan listrik karena sifatnya yang murah, tidak bersifat toksik, ramah lingkungan dan menunjukkan kemampuan elektrokimia litium yang bolak-balik (reversible) pada ̴ 3,4 V (vs. Li/Li⁺) dan kapasitas teoritis yang cukup tinggi^[5].

Pada saat ini, banyak kelompok peneliti yang memiliki fokus kepada cara memfabrikasi LiFePO₄ untuk meningkatkan kinerjanya, seperti metode solid-state, metode sol-gel, proses gelombang mikro, sintesis hidrotermal, metode reduksi carbothermal dan teknologi ultrasonic spray pyrolysis. Metode solid-state adalah metode konvensional untuk mempersiapkan LiFePO₄. Metode ini sederhana dan mudah untuk industrialisasi. Namun, produknya memiliki partikel yang tidak seragam, bentuk non-kristalin dan membutuhkan waktu sintesis yang cukup lama. Prosedur yang panjang dan kompleks memerlukan proses penggilingan dan kalsinasi secara berulang, dimana akan membentuk partikel yang lebih besar dengan kinerja elektrokimia rendah. Secara umum, LiF, Li₂CO₃, LiOH·2H₂O dan CH₃COOLi digunakan sebagai sumber litium, FeC₂O₄·2H₂O, Fe(CH₃COO₂)₂ dan FePO₄(H₂O)₂ digunakan sebagai sumber zat besi, serta  NH₄H₂PO₄ dan (NH₄)₂HPO₄ digunakan sebagai sumber fosfor^[6].

Metode sol-gel adalah metode yang memiliki kelebihan dalam mengendalikan sifat material selama tahap awal dari produksi serbuk, yaitu dengan mencampur secara homogen bahan-bahan awal pada tingkat atom atau molekul. Sol adalah dispersi dari partikel koloid dalam cairan, sedangkan gel merupakan jaringan yang kaku dengan pori-pori berdimensi sub-mikrometer dan panjang rata-rata rantai polimer berukuran mikrometer. LiFePO₄ yang dibuat dengan metode sol-gel memiliki kemurnian tinggi, keseragaman baik dan ukuran partikel yang kecil. Selain itu, proses reaksi lebih mudah untuk dikontrol, membutuhkan suhu yang rendah dan peralatan yang sederhana. Namun, sulit untuk diproduksi dalam skala pabrik^[6].

Proses gelombang mikro yaitu microwave receiver melalui penyerapan energi elektromagnetik untuk mencapai proses pemanasan sendiri. Karena materi secara langsung dapat menyerap energi gelombang mikro, jadi proses pemanasan dapat dicapai dengan sangat cepat dan seragam. Oleh karena itu, proses pemanasan keseluruhan jauh lebih cepat daripada pemanasan dengan tungku. Prinsip dasar prinsip gelombang mikro adalah dengan menggunakan karbon aktif sebagai penerima gelombang mikro yang dapat memanaskan precursor secara cepat dan dapat menciptakan atmosfir reduktif untuk mencegah oksidasi besi (II), sehingga tidak perlu gas reduktif atau perlindungan gas inert. Selain itu, karbon aktif sangat murah dan dapat direproduksi (reproducible), sehingga proses ini sangat ekonomis^[6].

Sintesis hidrotermal merupakan metode yang berguna untuk mempersiapkan partikel halus. Metode ini memiliki beberapa keuntungan seperti proses sintesis yang sederhana dan konsumsi energi yang rendah. Namun, serbuk LiFePO₄ yang diproses dengan metode hidrotermal sebagian besar memiliki bentuk seperti papan (plank shape), yang dapat menurunkan sifat fisik dan kimia dari LiFePO₄^[6].

Dalam perkembangan metode untuk tujuan mengurangi biaya dan menyederhanakan prosedur sintesis, material katoda LiFePO₄/C komposit dibuat dengan metode pengurangan carbothermal^[7]. NH₄H₂PO₄, Li₂CO₃ dan Fe₂O₃ digunakan sebagai bahan dasar, sedangkan asetilena hitam dan glukosa digunakan sebagai sumber karbon. Pertama, bahan baku dicampur dalam rasio stoikiometrik. Kedua, prekursor digiling dengan grinding ball dan medium cair etil alkohol. Kemudian, campuran dipanaskan dalam tungku dengan dialirkan gas argon. LiFePO₄/C komposit hasil dari metode ini memiliki kemampuan elektrokimia yang terbaik dan discharge capacity sekitar 159 mAh/g pada tingkat 0,1 C dengan kapasitas penyimpanan yang cukup memuaskan. Dalam studi ini menemukan bahwa penambahan karbon dapat mempengaruhi ukuran partikel.

Metode ultrasonic spray pyrolysis adalah teknik yang sangat efektif untuk menghasilkan partikel keramik halus dengan fase kristal yang murni dalam waktu singkat. Dibandingkan dengan partikel yang diproduksi secara konvensional dengan metode solid-state, distribusi ukuran partikel yang sempit dan dapat dikontrol pada rentang submicrometer sampai micrometer, kemurnian produk yang tinggi dan proses sintesis serbuk yang mudah untuk dikontrol^[6].

Dari beberapa metode fabrikasi di atas, LiFePO₄ yang berhasil difabrikasi telah menarik minat penelitian besar untuk keramahan lingkungan, harga yang rendah, tidak beracun, kelimpahan alam yang tinggi dan potensi yang tinggi (3,4 V vs Li/Li⁺). Namun, kelemahan utama dari LiFePO₄ adalah konduktivitas elektronik dan koefisien difusi ion litium yang rendah. Untuk mengatasi kelemahan ini ada tiga strategi yang dapat diadopsi, yaitu pelapisan karbon untuk meningkatkan konduktivitas elektronik, pendispersian serbuk logam atau pelapisan oksida logam dan doping ion logam untuk meningkatkan konduktivitas intrinsik elektronik^[6]. Dengan demikian, maka akan didapatkan baterai LiFePO₄ yang baik untuk digunakan pada kendaraan listrik.

 

Referensi:

1. Freedom Car & Vehicle Technologies Program. Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, U.S. Department of Energy. August, 2003. http://www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/basics/jtb_electric_vehicle.pdf
2. Reports DuPont Automotive/SAE Survey of Top Industry Issues. Materials are Critical to Reduce Dependence on Fossil Fuels, Detroit, MI, April 4, 2011. http://www2.dupont.com/Plastics/en_US/News_Events/article20110404.html
3. Padhi, A. K., K. S. Nanjundaswamy & J. B. Goodenough. LiFePO₄: A Novel Cathode Material for Rechargeable Batteries. Electrochemical Society Meeting Abstracts 96-1 (1996) 73.
4. Padhi, A. K., K. S. Nanjundaswamy & J. B. Goodenough.  Phospho-olivines as positive-electrode materials for rechargeable lithium batteries. J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 1188.
5. Tang, K., J. Sun, X. Yu, H. Li & X. Huang. Electrochemical performance of LiFePO₄ thin films with different morphology and crystallinity. Electrochimica Acta 54 (2009) 6565.
6. Zhang, Y., Q. Huo, P. Du, L. Wang, A. Zhang, Y. Song, Y. Lv, G. Li. Advances in new cathode material LiFePO4 for lithium-ion batteries. Synthetic Metals 162 (2012) 1315.
7. Liu, H., Z. Wang, X. Li, H. Guo, W. Peng, Y. Zhang & Q. Hu. Synthesis and electrochemical properties of olivine LiFePO₄ prepared by a carbothermal reduction method. Journal of Power Sources 184 (2008) 469.