Sunday, 3 January 2016

Mengenal Baterai Lithium Ion dan Prinsip Kerjanya

Di Era Perkembangan Teknologi yang begitu pesat seperti saat ini, Kebutuhan akan Listrik, terutama Listrik portabel semakin meningkat. Untuk memenuhi kebutuhan akan listrik portabel dimasa yang akan datang yang terus meningkat, dibutuhkan material baterai yang bisa memberikan energi dan daya listrik besar, ringan, murah dan aman. 

Dikesempatan kali ini, Pakgurufisika akan membahas sekilas tentang Baterai Lithium Ion, yang sekarang sering kita temukan sebagai Baterai pemasok listrik portabel pada Alat - alat elektronik (Hp, Laptop, Senter dll).
Baterai lithium adalah salah satu teknologi baterai yang cukup sukses selama 20 tahun belakangan ini. 
Lithium adalah jenis metal reaktif yang dapat menghasilkan panas berlebihan jika bereaksi dengan air atau uap air. Oleh karena itu, dalam membuat baterai lithium pasti dilakukan dalam ruangan kering (dry room) dimana kelembapannya dijaga tidak kurang dari 5%. 
Sejak diproduksi tahun 1991, lithium-ion baterai tidak mengalami perubahan signifikan pada sifat kerja baterai. Ada 3 elemen yang berperan dalam proses discharge dan recharge yaitu: 
  1. Elektroda positif yang mengandung  LiCoO2 
  2. Elektroda negatif yang terbuat dari karbon grafit ( C6), dan 
  3. Separator yang terbuat dari lapisan tipis plastik yang dapat dilalui oleh ion-ion. 
Pada proses discharge atau saat memakai baterai, Liion bergerak dari negatif ke positif melalui separator, sehingga elektron bergerak dengan arah yang sama. Aliran elektron ini yang menghasilkan energi listrik.


Sifat logam lithium yang sangat reaktif membuat aliran ion lithium bereaksi spontan karena sifat logam lithium yang sangat oksidatif. Lithium adalah yang pertama dari alkalis dalam tabel periodik. Di alam ditemukan seperti campuran isotop Li dan Li 6 7. Ini adalah logam padat ringan, lembut, berwarna putih keperakan, dengan titik lebur rendah dan reaktif. Banyak dari sifat fisik dan kimia lebih mirip dengan logam alkali tanah dari pada orang-orang dari kelompok sendiri.

Lithium mengambil bagian dalam sejumlah besar reaksi, dengan reaktan organik serta dengan reaktan anorganik. Bereaksi dengan oksigen membentuk monoksida dan peroksida. Logam hanya basa yang bereaksi dengan nitrogen pada suhu lingkungan untuk menghasilkan nitrure hitam, mudah bereaksi dengan hidrogen pada suhu 500ºC (930ºF) untuk membentuk hidrida lithium. 

Reaksi logam lithium dengan air sangat kuat. Lithium bereaksi secara langsung dengan karbon untuk menghasilkan carbure tersebut. Mengikat mudah dengan halogen dan halogenures bentuk dengan emisi cahaya. Meskipun tidak bereaksi dengan hidrokarbon parafinik, percobaan reaksi adisi dengan alquenes digantikan oleh arile dan kelompok diena, juga bereaksi dengan senyawa acetylenic, membentuk acetylures lithium, yang penting dalam vitamin A sintesis.

Baterai Li-ion dapat dikembangkan dari besi oksida lithium yang dianggap memiliki biaya rendah dan non toksisitas, bahan seperti besi oksida lithium lebih diperhatikan sebagai katoda baterai lithium sekunder. Besi oksida lithium pada katoda baterai Li-ion telah membuat kemajuan besar pada preparasi karena menggunakan metode preparasi baru seperti reaksi solid state suhu tinggi.

Prinsip Kerja Baterai Lithium Ion
Pada Tabel (Gambar) dibawah ini, memperlihatkan perbandingan dari 3 jenis baterai yang menjadi perhatian saat ini. Yaitu, Fuel cells, Baterai Nikel-metal hydride dan Baterai Lithium- 6 ion.

Terlihat pada tabel tersebut, jika ketiga jenis baterai sama-sama memanfaatkan reaksi redoks (reduksi dan oksidasi) pada kedua elektroda untuk menghasilkan listrik.
Fuel cells memanfaatkan reaksi antara hydrogen dan oksigen untuk menghasilkan listrik. Voltase yang dihasilkan, secara teoritis 1.23 V, namun pada kenyataannya hanya menghasilkan dibawah 1.0 V. Sedangkan baterai nikel-metal hydride, menggunakan material penyimpan hydrogen sebagai anoda, dan nikel hidroksida sebagai katoda. Baterai ini mampu menghasilkan 1.32 V.
Coba Kalian bandingakan antara ketiga tabel dibawah ini !

Fuel Cells


Baterai Nikel-Metal Hydride


Baterai Lithium Ion


Diantara ketiga jenis baterai, baterai lithium-ion lah yang menghasilkan voltase tertinggi, 2 kali lipat dari yang dihasilkan baterai nickel-metal hydride. Baterai lithium menggunakan komposit berstruktur layer, Litium Cobalt Oxide (LiCoO2), sebagai katoda, dan material karbon (dimana lithium disisipkan diantara lapisan karbon) sebagai anoda.

Baterai litium ion sendiri terdiri atas Anoda, separator, elektrolit, dan katoda. Pada katoda dan anoda umumnya terdiri atas 2 bagian, yaitu bagian material aktif (tempat masuk-keluarnya ion litium) dan bagian pengumpul elektron (collector current).

Proses penghasilan listrik pada baterai litium-ion sebagai berikut: Jika anoda dan katoda dihubungkan, maka elektron mengalir dari anoda menuju katoda, bersamaan dengan itu listrik pun mengalir. Pada bagian dalam baterai, terjadi proses pelepasan ion litium pada anoda, untuk kemudian ion tersebut berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Dan di katoda, bilangan oksidasi kobalt berubah dari 4 menjadi 3, karena masuknya elektron dan ion litium dari anoda. Sedangkan proses recharging/pengisian ulang, berkebalikan dengan proses ini.

Litium memiliki nilai potensial standar paling negatif (-3.0 V), paling ringan (berat atom: 6.94 g), sehingga bila dipakai untuk anoda dapat menghasilkan kapasitas energi yang tinggi.


Berikut cara menghitung nilai teori dari kepadatan energi yang dihasilkan oleh baterai litium ion. Jika menggunakan logam litium pada anoda, maka dari 1 kg logam litium dapat menghasil kapasitas energi per 1 kg massa sebesar (Coulumb/second = Ampere) :


Bila dikalikan dengan potensial standar litium (3 V), menjadi 11583 W h/kg (W=Watt, h=hours). Sedangkan bila menggunakan senyawa karbon sebagai anoda, dan dianggap satu unit grafit ( 6 atom karbon) mampu menampung 1 atom litium, maka setiap 1 kg anoda secara teori memiliki kepadatan energi 339 Ah/kg.
Sama dengan anoda, kapasitas energi pada katoda bisa dihitung dengan cara yang sama. Untuk LiCoO2, secara teori memiliki kepadatan energy 137 Ah/kg. Dengan mengetahui berat molekul dari material elektroda (disebut juga material aktif) dan setiap molekulnya berapa banyak elektron yang keluar masuk, nilai teori dari kepadatan energi dapat dihitung.

Sekian dulu ya untuk postingan Pakgurufisika kali ini, Untuk Pembahasan Tentang Karateristik bagian-bagian Baterai Lithium Ion, Kelebihan dan kekurangan serta Aplikasinya, akan kami bahas segera dalam postingan selanjutnya,
Sekian, Terimakasih :)

3 comments


EmoticonEmoticon