Baterai ion litium: Perbedaan antara revisi
Konten dihapus Konten ditambahkan
Menambahkan alasan kenapa litium ion sering digunakan dan menambahkan jenis jenis baterai litium ion yang umum |
k menghapus istilah asing yang sudah punya padanan |
||
| (22 revisi perantara oleh 11 pengguna tidak ditampilkan) | |||
Baris 1:
{{Distinguish}}
{{Infobox battery
|image=[[Berkas:Nokia Battery.jpg|200px]]
|caption= Baterai Li-ion Nokia yang menyalakan sebuah telepon genggam
|EtoW={{nowrap|
{{nowrap|(0.36-0.95 MJ/kg)}}
|EtoS={{nowrap|
{{nowrap|(0.90-2.23 MJ/L)}}
|PtoW=~{{nowrap|
|CtoDE=80-90%<ref name="PHEV1">Valøen & Shoesmith (2007). [http://www.pluginhighway.ca/PHEV2007/proceedings/PluginHwy_PHEV2007_PaperReviewed_Valoen.pdf The effect of PHEV and HEV duty cycles on battery and battery pack performance] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20090326150713/http://www.pluginhighway.ca/PHEV2007/proceedings/PluginHwy_PHEV2007_PaperReviewed_Valoen.pdf |date=2009-03-26 }} (PDF). 2007 Plug-in Highway Electric Vehicle Conference: ''Proceedings''. Retrieved 11 June 2010.</ref>
|EtoCP={{nowrap|2.5 [[jam watt|W·h]]/[[dolar Amerika Serikat|US$]]}}
|SDR=8% pada {{nowrap|21 °C}}<br/>15% pada {{nowrap|40 °C}}<br/>31% pada {{nowrap|60 °C}}<br/>(per bulan)<ref>H. Abea, T. Muraia and K. Zaghibb (1999). [http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TH1-3VY0DMT-2&_user=10&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&_docanchor=&view=c&_searchStrId=1084041787&_rerunOrigin=google&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=ffcd42293ef56e6ec4ff53ce771e34f5 Vapor-grown carbon fiber anode for cylindrical lithium ion rechargeable batteries]{{Pranala mati|date=Januari 2022 |bot=InternetArchiveBot |fix-attempted=yes }}. Journal of Power Sources 77:2, February 1999, pp. 110-115. {{doi|10.1016/S0378-7753(98)00158-X}}. Retrieved 11 June 2010.</ref>
|CD={{nowrap|400–1200 [[Siklus baterai|siklus]]}}<ref>[http://www.thermoanalytics.com/support/publications/batterytypesdoc.html Battery Types and Characteristics for HEV] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20150520021436/http://www.thermoanalytics.com/support/publications/batterytypesdoc.html |date=2015-05-20 }} ThermoAnalytics, Inc., 2007. Retrieved 11 June 2010.</ref>▼
▲<ref>[http://www.thermoanalytics.com/support/publications/batterytypesdoc.html Battery Types and Characteristics for HEV] ThermoAnalytics, Inc., 2007. Retrieved 11 June 2010.</ref>
|NomV={{nowrap|NMC 3,6 / 3,7 [[Volts|V]],}} {{nowrap|LiFePO4 3,2 [[Volts|V]]}}
}}
'''Baterai ion litium''' (biasa disebut '''Baterai Li-ion''' atau '''LIB''') adalah salah satu anggota keluarga [[baterai isi ulang
Baterai ion litium<ref>{{cite web|url=https://www.lithiumbatterychina.com/li-ion-battery/|title=lithium ion battery|author=Killiny, Rita|publisher=lithium battery china|work=lithiumbatterychina.com|archive-date=2022-02-19|archive-url=https://web.archive.org/web/20220219105831/https://www.lithiumbatterychina.com/li-ion-battery/|dead-url=yes}}</ref> umumnya dijumpai pada barang-barang [[elektronik konsumen]]. Baterai ini merupakan jenis baterai isi ulang yang paling populer untuk peralatan [[elektronik portabel]], karena memiliki salah satu [[kepadatan energi]] terbaik, tanpa [[efek memori]], dan mengalami [[kehilangan isi]] yang lambat saat tidak digunakan. Selain digunakan pada peralatan elektronik konsumen, LIB juga sering digunakan oleh industri militer, [[kendaraan listrik]], dan [[dirgantara]].<ref>{{cite web|url=http://www.cleantech.com/news/3694/electrovaya-tata-motors-make-electric-indica
Karakteristik kimiawi, kinerja, biaya, dan keselamatan jenis-jenis LIB cenderung bervariasi. Barang elektronik genggam biasanya memakai LIB berbasis [[litium kobalt oksida]] (LCO) yang memiliki kepadatan energi tinggi, namun juga memiliki bahaya keselamatan yang cukup terkenal, terutama ketika rusak. [[Litium besi fosfat]] (LFP), [[litium mangan oksida]] (LMO), dan [[litium nikel mangan kobalt oksida]] (NMC) memiliki kepadatan energi yang lebih rendah, tetapi hidup lebih lama dan keselamatannya lebih kuat. Bahan kimia ini banyak dipakai oleh peralatan listrik, perlengkapan medis, dan lain-lain. NMC adalah pesaing utama di industri otomotif. [[Litium nikel kobalt alumunium oksida]] (NCA) dan [[litium titanat]] (LTO) adalah desain khusus yang ditujukan pada kegunaan-kegunaan tertentu.
== Cara kerja ==
Terdapat setidaknya empat alasan yang menjadikan litium ion ini popular digunakan di berbagai bidang. Yang paling utama ialah ia memiliki rapat densitas (''energy density'') dan rapat daya (''power density'') yang sangat tinggi, yang bisa dilihat pada grafik bernama ''ragone chart''.▼
Kemudian, di sisi
Yang kedua ialah litium ion memiliki ''self discharge'' yang kecil, yaitu hanya sekitar 5% per bulannya<ref>{{Cite book|title=The Physics and Engineering of Photovoltaic Conversion, Technologies and System|last=Smets|first=Arno|publisher=UIT Cambridge|year=2016|isbn=|location=|pages=|url-status=live}}</ref>. Keuntungan ini merupakan poin yang juga penting, karena terdapat baterai lain misal NiMH dengan ''self discharge'' yang tinggi sehingga tidak bisa dipakai untuk kebutuhan menyimpan listrik yang lama.▼
Penyebab litium ion populer yang ketiga adalah tidak memiliki ''memory effect'', yaitu karakteristik baterai yang mewajibkan untuk men-''discharge'' habis baterai sebelum dicas kembali, tidak seperti NiCd. Penyebab populeritas utama yang terakhir adalah cukup awet, ditandakan dengan jumlah siklus yang cukup banyak yaitu sekitar 400-1200 siklus. Misal pada baterai HP yang menggunakan litium ion, jika dalam satu hari melewati satu siklus cas dan ''discharge'', maka baterai HP bisa digunakan untuk sekitar 1,5 hingga 3 tahun. ▼
Dalam sebuah baterai, besar energi yang tersimpan bisa dioptimasi dari beda tegangan elektrodanya, massa reaktan per elektron yang bersirkulasi seminimal mungkin, serta menghindari defisiensi elektrolit karena bereaksi dengan unsur lain dalam baterai.<ref name="ReferenceA">J. Alarco, P. Talbot, The history and development of batteries, The Conversation, 2015</ref>
Baterai litium ion saat ini menjadi pilihan utama di berbagai bidang mulai dari laptop, HP, ataupun mobil listrik karena rapat energi dan rapat daya listriknya yang tinggi. Namun, bukan berarti baterai ini tidak memiliki kelemahan. Saat ini, hampir seluruh baterai litium ion yang beredar di pasaran menggunakan elektrolit berupa LiPF<sub>6</sub> yang sifatnya mudah terbakar. Oleh karena itu, sedang populer riset tentang baterai ''all solid state'' di mana meggunakan semua komponen termasuk elektrolit dalam bentuk padat. Ini diharapkan menjadi salah satu solusi dari masalah keamanan LiPF<sub>6</sub>. ▼
== Sejarah ==
▲Selain itu, di bagian anoda dan katoda, material utamanya yaitu litium adalah logam alkali yang bersifat sangat reaktif. Artinya, jika segel baterai terbuka dan air masuk, logam langsung terreduksi dan baterai akan terbakar hebat. Banyak video di youtube yang mendemonstrasikan beberapa percobaan liar dengan baterai litium ion.
Baterai litium ion pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Amerika Professor John Goodenough pada tahun 1980.<ref
Baterai litium ion pertama kali dikomersialiasi oleh Sony pada tahun 1991, dengan anoda berupa grafit (Li<sub>x</sub>C<sub>6</sub>) dan
▲Kemudian, di sisi katoda, material yang digunakan biasanya mengandung kobalt, yang merupakan material yang cukup langka di bumi<ref>S. Yuvaraja, R.K. Selvan, Y.S. Lee, An overview of AB2O4- and A2BO4-structured negative electrodes for advanced Li-ion batteries, Royal Society of Chemistry, 6 (2016) 21448-21474.</ref> . Pemasok utama kobalt untuk seluruh industri baterai litium ion di dunia adalah ''Republic of Congo''. Hal ini menjadi salah satu penyebab baterai litium ion memiliki harga yang relatif mahal jika dibandingkan misalnya dengan baterai ''lead acid'' (''accu''). Selain material pada gambar 2.1, katoda-katoda yang sering digunakan pada baterai litium ion adalah LFP (''Lithium Iron Phosphate)'', LMO (''Lithium Manganese Oxxide)'', NCM (''Nickel Cobalt Manganese)'', NCA (''Nickle Cobalt Aluminum Oxide''), LCO (''Lithium Cobaltate'').
== Penggunaan ==
Setiap jenis memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing, sehingga digunakan di tempat-tempat yang berbeda. Misalnya, baterai pada mobil listrik Tesla yang membutuhkan rapat energi besar menggunakan NCM, sedangkan baterai yang digunakan pada ''PowerWall'' Tesla yang mengutamakan harga lebih murah adalah NCA<ref>A. Chen, Elon Musk wants cobalt out of his batteries — here’s why that’s a challenge, 2018.</ref>. ▼
▲Baterai litium ion saat ini menjadi pilihan utama di berbagai bidang mulai dari laptop, HP, ataupun mobil listrik karena rapat energi dan rapat daya listriknya yang tinggi. Terdapat setidaknya empat alasan yang menjadikan litium ion ini
▲Yang kedua ialah litium ion memiliki ''self discharge'' yang kecil, yaitu hanya sekitar 5% per bulannya.<ref>{{Cite book|last=Smets|first=Arno|year=2016|title=The Physics and Engineering of Photovoltaic Conversion, Technologies and System|
▲Dalam sebuah baterai, besar energi yang tersimpan bisa dioptimasi dari beda tegangan elektrodanya, massa reaktan per elektron yang bersirkulasi seminimal mungkin, serta menghindari defisiensi elektrolit karena bereaksi dengan unsur lain dalam baterai<ref>J. Alarco, P. Talbot, The history and development of batteries, The Conversation, 2015</ref>. Syarat ketiga ini dipenuhi hanya oleh baterai NiMH terbaru dan baterai litium ion.
▲Penyebab litium ion populer yang ketiga adalah tidak memiliki ''memory effect'', yaitu karakteristik baterai yang mewajibkan untuk men-''discharge'' habis baterai sebelum
▲Baterai litium ion pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Amerika Professor John Goodenough pada tahun 1980<ref>J. Alarco, P. Talbot, The history and development of batteries, The Conversation, 2015</ref>. Ini merupakan lompatan besar dalam perkembangan baterai karena litium merupakan elemen yang sangat ringan dari tabel periodik dan juga memiliki potensial elektrokimia yang sangat besar, sehingga sangat ideal untuk dijadikan baterai. Saat ini, baterai litium ion di pasaran menyimpan energi sekitar 180Wh/kg, 5 kali lebih besar daripada baterai ''lead acid''<ref>M. Armand, J.M. Tarascon, Building better batteries, Nature, 451 (2008) 652-657</ref>.
▲
▲Baterai litium ion pertama kali dikomersialiasi oleh Sony pada tahun 1991, dengan anoda berupa grafit (Li<sub>x</sub>C<sub>6</sub>) dan katoda dengan layer logam transisi-oksida (Li<sub>1-x</sub>T<sup>M</sup>O<sub>2</sub>)<ref>M. Armand, J.M. Tarascon, Building better batteries, Nature, 451 (2008) 652-657</ref>. T bisa berupa kobalt, nikel, mangan, atau campurannya. Pertama kali menggunakan katoda litium kobalt oksida, terjadi banyak kasus baterai terbakar. Namun, Professor Goodenough pada tahun 1990an kembali menemukan lompatan besar dalam teknologi baterai menggunakan ''lithiun iron phosphate'' (LiFePO<sub>4</sub>).
== Jenis ==
▲Untuk bagian-bagian dan cara kerja litium ion, sudah dijelaskan sebelumnya. Intinya, pada saat proses ''discharge'' ion litium akan bergerak dari anoda grafit ke katoda yang bisanya berupa senyawa litium dengan oksida logam transisi. Lalu, proses ''charge'' terjadi sebaliknya, ion litium bergerak dari katoda ke dalam anoda yang berbentuk layer-layer grafit. Proses masuknya sesuatu (litium) ke dalam suatu layer senyawa kimia ini disebut dengan proses interkalasi. Pencarian material-material anoda dan katoda salah satunya berfokus kepada material yang bisa melakukan proses interkalasi ini dengan konsisten, tidak berubah sepanjang umurnya sehingga bisa memperpanjang usia baterai<ref>Bobby, How Does Intercalation Work in Batteries?, UPS Battery Center, 2014</ref>. Saat ini, terdapat berbagai jenis dari litium ion (berdasarkan materialnya), yang akan kita bahas satu per satu sebagai berikut<ref>I. Buchmann, BU-205: Types of Lithium-ion, Battery University, 2011.</ref>.
▲Setiap jenis memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing, sehingga digunakan di tempat-tempat yang berbeda. Misalnya, baterai pada mobil listrik Tesla yang membutuhkan rapat energi besar menggunakan NCM, sedangkan baterai yang digunakan pada ''PowerWall'' Tesla yang mengutamakan harga lebih murah adalah NCA.<ref>A. Chen, Elon Musk wants cobalt out of his batteries — here’s why that’s a challenge, 2018.</ref>
Saat ini, terdapat berbagai jenis dari litium ion (berdasarkan materialnya), yang akan kita bahas satu per satu sebagai berikut:<ref>I. Buchmann, BU-205: Types of Lithium-ion, Battery University, 2011.</ref>
1. Lithium Cobalt Oxide (LiCoO<sub>2</sub>)▼
Baterai ini dinamakan sesuai dengan material katodanya, sedangkan anodanya berupa grafit. Kelebihannya ialah energi spesifiknya yang besar, sehingga menjadi pilihan populer untuk handphone, laptop, dan kamera digital. Kekurangannya ialah umur dan stabilitas termalnya serta daya spesifik yang relatif biasa saja.
Faktor utama yang menimbulkan batas usia baterai ialah anodanya yang tersusun atas grafit. Grafit memungkinkan perubahan ''solid electrolyte interface (SEI)'', yaitu penebalan pada anoda oleh plat litium pada saat ''fast charging'', di atas batas C-ratingnya. Misal, sebuah sel 18650 dengan kapasitas 2.400 mAh seharusnya hanya boleh di-''discharge'' dengan arus sebesar 2,4A. Lebih dari itu, akan mempersingkat usia baterai.
Saat ini, Li-cobalt sudah kalah populer dengan Li-manganese, lalu NMC dan NCA. ''Cobalt'' merupakan material yang tidak semelimpah logam-logam lain seperti alumunium, sehingga harga ''cobalt'' relatif mahal dibandingkan material penyusun baterai lainnya.
LMO pertama kali dipublish di ''Materials Research Bulletin'' pada tahun 1983. Kemudian, baterai ini pertama kali dikomersialisasi sebagai material
▲LMO pertama kali dipublish di ''Materials Research Bulletin'' pada tahun 1983. Kemudian, baterai ini pertama kali dikomersialisasi sebagai material katoda litium pada tahun 1996 oleh ''Moli Energy''. Satu kelebihan menonjol dari LMO adalah hambatan dalam sel yang rendah dikarenakan strukturnya yang berupa spinel, sehingga memungkinkan ''fast charging'' dan ''high-current discharging''. Kemudian, LMO memiliki stabilitas termal yang relatif baik dan lebih aman daripada LCO. Walau begitu, LMO memiliki energi spesifik yang lebih rendah daripada LCO (lebih rendah 1/3 kapasitas).
Aplikasi dari baterai ini pada masanya adalah pada peralatan yang membutuhkan daya cukup besar, misal instrumen medis dan kendaraan listrik. Namun, saat ini LMO murni sudah jarang digunakan. Saat ini jauh lebih sering digunakan Li-manganese yang dicampur dengan nikel atau kobalt sehingga memberikan energi spesifik yang cukup baik, tetapi juga daya spesifik yang tetap baik.
Ini adalah salah satu
▲Ini adalah salah satu katoda sistem baterai litium ion yang “sukses” hingga saat ini. Katodanya tersusun dari nikel, mangan, dan kobalt yang dicampur dengan perbandingan tertentu. Kunci dari kesuksesan baterai NCM ialah kombinasi nikel dan mangan. Seperti tadi disebutkan, mangan menyebabkan baterai memiliki daya spesifik yang besar tetapi energi spesifik yang biasa saja. Lalu, nikel menyebabkan sifat rapat energi yang tinggi, tetapi stabilitas rendah. Kombinasi keduanya ditambah kobalt mengakibatkan sistem baterai memiliki sifat-sifat yang diinginkan.
Salah satu perbandingan yang umum dan sukses ialah 1-1-1. 1/3 nikel, 1/3 kobalt, dan 1/3 mangan. Perbandingan lainnya yang sukses ialah 5-3-2, yaitu ½ nikel, 3/8 kobalt, dan 1/5 mangan. Semakin sedikit unsur kobalt yang digunakan, harga baterai cenderung semakin murah karena kobalt adalah logam yang paling mahal. Saat ini, NCM menjadi pilihan utama material baterai litium ion untuk mobil listrik karena rapat energinya (dan energi spesifiknya) yang sangat baik, serta daya spesifiknya yang juga baik. Saat ini, baterai NCM merupakan jenis baterai litium ion yang paling sukses dan masih berkembang di pasaran.
Pertama kali ditemukan pada tahun 1996 di ''University of Texas''.
▲Pertama kali ditemukan pada tahun 1996 di ''University of Texas''. Katoda ini merupakan perkembangan yang dicatat sejarah karena memiliki kestabilan elektrokimia yang baik dan hambatan dalam baterai yang sangat rendah. Keuntungan-keuntungan utama dari material katoda jenis ini ialah memungkinkan ''high current rating'', umur siklusnya yang sangat tinggi, stabilitas termal yang baik dan ''safety'' yang baik. Kemudian, dibandingkan material-material katoda lainnya, Li-phosphate adalah yang paling toleran jika berada dalam kondisi full. Baterai lainnya, jika disimpan dalam waktu lama, perlu disimpan dalam ''storage voltage'', yaitu tegangan tertentu di bawah tegangan maksimumnya.
Beberapa kekurangannya ialah ''nominal voltage'' yang lebih rendah daripada material lainnya, sehingga berkurangnya energi spesifik. Lalu, Li-phosphate juga memiliki ''self discharge'' yang relatif lebih buruk dibandingkan material lainnya. Karena rapat dayanya yang tinggi, salah satu aplikasi utama dari Li-phosphate adalah menggantikan ''lead acid'' sebagai starter kendaraan bermotor. ▼
▲Beberapa kekurangannya ialah ''nominal voltage'' yang lebih rendah daripada material lainnya, sehingga berkurangnya energi spesifik. Lalu, Li-phosphate juga memiliki ''self discharge'' yang relatif lebih buruk dibandingkan material lainnya. Karena rapat dayanya yang tinggi, salah satu aplikasi utama dari Li-phosphate adalah menggantikan ''lead acid'' sebagai starter kendaraan bermotor.
Baterai jenis ini sudah dipakai di berbagai aplikasi sejak tahun 1999. Ia memiliki kemiripan dengan NCM dalam hal energi spesifik yang tinggi, daya spesifik yang tinggi, serta umur siklus yang lama. Sedikit kekurangan NCA adalah masalah ''safety'' dan harga. Penambahan unsur alumunium dalam katoda menimbulkan stabilitas kimia yang lebih baik. ▼
▲Baterai jenis ini sudah dipakai di berbagai aplikasi sejak tahun 1999. Ia memiliki kemiripan dengan NCM dalam hal energi spesifik yang tinggi, daya spesifik yang tinggi, serta umur siklus yang lama. Sedikit kekurangan NCA adalah masalah ''safety'' dan harga. Penambahan unsur alumunium dalam
=== Lithium titanate (Li<sub>4</sub>Ti<sub>5</sub>O<sub>12</sub> /LTO) ===
Berbeda dengan baterai-baterai sebelumnya, titanat di sini merupakan material anoda, menggantikan grafit sebagai material anoda yang paling populer. Baterai litium titanat ini menggunakan
== Lihat pula ==
Baris 83 ⟶ 81:
* [[Baterai ion potasium]]
* [[Baterai kabel nano]]
* [[Baterai Next Generation]]
== Catatan kaki ==
Baris 112 ⟶ 111:
;Berita
* [http://www.anl.gov/Media_Center/News/2009/batteries090915.html Argonne opens chapter in battery research -- lithium air]. Argonne National Laboratory. Press release. 14 September 2009.
* [http://news-service.stanford.edu/news/2008/january9/nanowire-010908.html Stanford's nanowire battery holds 10 times the charge of existing ones]. Stanford Report, 18 December 2007. Press
* [https://www.lithiumbatterychina.com/li-ion-battery/ lithium ion battery]
release.
* [http://www.prnewswire.com/news-releases/researchers-from-spheric-technologies-and-arizona-state-university-describe-major-advances-in-the-use-of-microwaves-to-produce-key-lithium-ion-battery-materials-present-papers-at-mst10-conference-october-17-21-105166424.html Researchers from Spheric Technologies and Arizona State University Describe Major Advances in the Use of Microwaves to Produce Key Lithium Ion Battery Materials; Present Papers at MS&T'10 Conference, 17–21 October]. Spheric Technologies. Press release. 18 October 2010.
| |||