Teknologi Mikrobaterai Lithium Ion 3D Buatan Professor Korea, Jerman, dan Peneliti Indonesia

Perkembangan bidang mikroelektronika dan bioelektronika yang semakin meningkat telah mendorong lahirnya mikrobaterai lithium-ion. Mikrobaterai adalah baterai yang tersusun atas elektroda dari material lapisan tipis (thin film) dua dimensi (2D) dan umumnya dibuat berdasarkan sistem deposisi lapisan tipis secara fisika (physical vapor deposition) dan kimia (chemical vapor deposition).

Karena strukturnya yang 2D, maka tantangan utama dari sebuah mikrobaterai terletak pada luas permukaan elektrodenya. Dalam bidang penyimpanan energi (energy storage), luas permukaan elektroda yang tinggi biasanya sangat diharapkan, agar difusi lithium ion pada material elektroda lebih banyak dan lebih cepat. Disamping itu, akses elekrolit dengan material menjadi lebih mudah. Untuk meningkatkan luas permukaan elektroda, banyak riset diarahkan untuk membuat elektroda mikrobaterai tiga dimensi (3D).

Metode Pembuatan

Metode yang lazim digunakan untuk membuat elektroda 3D diantaranya dengan menggunakan cetakan (template) anodic aluminium oxide, kristal koloid, 3D printing dan laser. Metode terakhir (laser) memiliki keunggulan dibandingkan dengan metode lainnya yaitu prosesnya yang sederhana, cepat dan sangat mudah diadopsi secara masal oleh industri.

Adalah kelompok penelitian Prof. Joong Kee Lee dari KIST-Korea dan Dr. Wilhelm Pfleging dari KIT, Jerman yang melakukan penelitian bersama mengenai baterai jenis ini. Material yang menjadi objek penelitian adalah lithium cobalt oxide  (LCO), yang merupakan material katoda baterai lithium dipasaran. LCO memiliki kapasitas spesifik teoritis sebesar 274 mAh/g. Namun, nilai ini hanya dapat dimanfaatkan setengahnya (~ 140 mAh/g) pada range tegangan 3.0 – 4.2 V.

Agar dapat dimanfaatkan seluruhnya, baterai berbasis LCO harus di charge pada tegangan diatas 4.2 V, misalnya dari 3.0 V hingga 4.5 V. Sayangnya, ketika tegangan melebihi 4.2 V material ini sangat rentan rusak karena munculnya perubahan struktur fasa dari heksagonal ke monoklinik. Selain itu pada tegangan yang lebih tinggi, terjadi reaksi samping (side reaction) akibat dekomposisi antara elektrolit dan elektroda dan disolusi dari atom cobalt (Co) kedalam elektrolit. Fenomena ini menyebabkan waktu hidup baterai menjadi sangat singkat.

Inovasi Baru yang Dilakukan

Salah satu cara untuk mengatasi masalah diatas adalah dengan melapisi permukaan elektroda LCO dengan lapisan tipis, dimana dalam penelitian ini kami menggunakan material karbon fullerene atau dikenal juga dengan nama C60. C60 adalah salah satu keluarga karbon yang memiliki sifat unik. Stuktur kimia, fisika dan elektronik-nya dapat diubah melalui proses tertentu. Misalnya, material ini dapat terpolimerisasi ketika mendapatkan paparan plasma dan iradiasi cahaya UV atau infrared.

Meski C60 telah banyak diterapkan untuk berbagai aplikasi elektronika, namun tidak banyak penelitian C60 untuk aplikasi baterai lithium ion. Dalam sebuah article review, Lahiri dan Choi mengklaim bahwa grup Prof. Lee, yang dimulai oleh peneliti asal Indonesia Dr. Arenst Andreas Arie, sebagai pionir yang meneliti aplikasi C60 untuk baterai sekunder.

Untuk membuat material katoda mikrobaterai, material LCO dideposisi diatas substrat stainless steel berdiameter 1.2 cm menggunakan teknik sputtering. Selanjutnya, dilakukan proses laser-structuring dengan menggunakan laser excimer pulsa pendek dengan panjang gelombang 248 nm. Proses ini berlangsung di Laboratorium Pemrosesan Laser KIT, Jerman untuk selanjutnya sampel dikirim ke Korea.

Di Lab KIST, kami memberikan lapisan tipis C60 menggunakan peralatan radio-frequency plasma-assisted thermal evaporation. Kemudian, material tersebut dirangkai menjadi baterai setengah sel dengan lithium metal sebagai elektroda referensi, 1 M LiPF6 sebagai elektrolit dan polypropylene sebagai separatornya. Selanjutnya kami melakukan karakterisasi material melalui SEM, TEM, EDX, XRD,Raman dan ToF-SIMS.

Apa Dampaknya??

Hasil tes elektrokimia LCO 3D yang dilapisi karbon C60 menunjukkan cycle baterai yang stabil dalam range tegangan 3.0 V – 4.5 V sepanjang 50 cycle. Pada cycle pertama, baterai LCO 3D mampu memberikan kapsitas sebesar 175 mAh/g pada 0.1C. Sebaliknya, baterai yang tidak dilapisi oleh C60 dan tidak dilakukan modifikasi laser memperlihatkan peluruhan cycle yang cepat. Alasan utama dari performa elektrokimia yang baik ini disebabkan oleh peningkatan luas permukaan elektroda, sehingga memudahkan akses elektrolit dan mempercepat serta memperbanyak difusi lithium pada saat charge-discharge.

Keberadaan lapisan tipis C60 mampu memberikan kekuatan mekanis pada material host-nya. Sehingga retakan/runtuhan material akibat perubahan struktur dapat dicegah kedalam elektrolit. Selain itu, kami menemukan bahwa lapisan tipis ini mampu menghalangi keluarnya (disolusi) atom Co kedalam elektrolit, yang dibuktikan melalui analisis ToF-SIMS.

Penelitian ini telah dipublikasikan dalam Journal of Power Sources (IF 2016 : 6.333) dengan judul “A polymerized C60 coating enhancing interfacial stability at three-dimensional LiCoO2 in high-potential regime“, dimana saya sebagai peneliti utamanya.

 

Artikel ini disalin dari blog Chairul Hudaya sebagai salah satu peneliti Profesional baterai di Korea dengan seizin beliau

Penggagas.com sangat berterimakasih atas sumbangan artikel dari Pak Chairul Hudaya. Semoga artikelnya lebih bermanfaat di penggagas.com

Fajar Budi Laksono

Pelajar di Pukyong National University. Suka bermain game dan menggambar.