Baterai Lithium-Ion (Baterai Sekunder) definisi, struktur, fitur, cadangan bahan baku dan pengurangan kerugian.

Baterai ion litium, sejenis baterai sekunder, merupakan sistem penyimpanan energi isi ulang yang penting yang mendukung berbagai teknologi modern, mulai dari telepon pintar hingga kendaraan listrik. Baterai ini berfungsi melalui pergerakan ion litium antara anoda dan katoda, yang difasilitasi oleh pemisah dan elektrolit, dengan masing-masing komponen memainkan peran penting dalam memastikan penyimpanan dan pelepasan energi yang efisien.

 

Baterai sekunder, yang juga dikenal sebagai baterai isi ulang atau akumulator, adalah perangkat penyimpanan energi yang dapat diisi dan dikosongkan beberapa kali.

Tidak seperti baterai primer, yang dirancang untuk sekali pakai, baterai sekunder menggunakan reaksi elektrokimia reversibel yang memungkinkannya diisi ulang dengan menerapkan arus listrik eksternal.

Kemampuan untuk diisi ulang ini membuat baterai sekunder lebih hemat biaya dan ramah lingkungan dalam jangka panjang.

Karakteristik utama baterai sekunder meliputi:

• Kepadatan daya dan tingkat pengosongan daya yang tinggi
• Kinerja yang baik pada suhu rendah
• Kemampuan untuk digunakan sebagai perangkat penyimpanan energi dan sumber daya portabel
• Aplikasi di berbagai bidang, termasuk kendaraan listrik, elektronik konsumen, penyimpanan energi terbarukan, dan sistem daya cadangan industri
• Jenis yang umum meliputi baterai litium-ion, timbal-asam, nikel-kadmium, dan nikel-metal hidrida

Meskipun baterai sekunder menawarkan banyak keuntungan, baterai tersebut mungkin memiliki kepadatan energi yang lebih rendah dan biaya awal yang lebih tinggi dibandingkan dengan baterai primer.

Penelitian yang sedang berlangsung berfokus pada peningkatan kinerja, keamanan, dan keberlanjutannya untuk memenuhi permintaan teknologi dan sistem energi modern yang terus meningkat.

 

Baterai sekunder tersedia dalam berbagai jenis, masing-masing dengan fitur dan aplikasi yang berbeda.

Jenis yang paling umum meliputi:

• Baterai timbal-asam: Dikenal karena biayanya yang rendah dan pengoperasian suhu tinggi/rendah yang baik, baterai ini banyak digunakan di mobil, mesin pemotong rumput, dan pesawat terbang. Namun, baterai ini memiliki kepadatan energi yang rendah dan retensi muatan yang buruk.
• Baterai nikel-kadmium (NiCd): Menawarkan daya tahan fisik dan retensi muatan yang baik, tetapi mengalami "efek memori" dan mengandung kadmium yang beracun. Baterai ini sering digunakan di pesawat terbang dan aplikasi daya darurat.
• Baterai nikel-metal hidrida (NiMH): Menyediakan kepadatan energi yang lebih tinggi daripada baterai NiCd dan lebih ramah lingkungan. Baterai ini umumnya digunakan dalam perangkat elektronik konsumen dan perangkat portabel.
• Baterai litium-ion (Li-ion): Menampilkan kepadatan energi tertinggi di antara baterai sekunder, menjadikannya ideal untuk perangkat elektronik portabel dan kendaraan listrik. Baterai ini menawarkan siklus hidup yang panjang dan tidak memiliki efek memori, tetapi lebih mahal daripada baterai timbal-asam.

Setiap jenis baterai sekunder memiliki kelebihan dan keterbatasannya sendiri, yang membuatnya cocok untuk berbagai aplikasi berdasarkan faktor-faktor seperti kepadatan energi, biaya, siklus hidup, dan dampak lingkungan.

Baterai lithium-ion menawarkan beberapa keunggulan utama dibanding teknologi baterai lain, yang menjadikannya pilihan utama untuk banyak aplikasi:

• Kepadatan energi tinggi: Baterai Li-ion dapat menyimpan energi 3-4 kali lebih banyak daripada baterai nikel-kadmium dengan ukuran yang sama, sehingga memungkinkan pengoperasian perangkat yang lebih lama dan desain yang lebih kecil dan ringan.
• Masa pakai siklus panjang: Dengan perawatan yang tepat, baterai Li-ion dapat bertahan 2.000 atau lebih siklus pengisian-pengosongan daya, yang bertahan 8-10 tahun dalam banyak kasus.
• Pengisian daya cepat: Baterai Li-ion mendukung pengisian daya cepat, dengan beberapa sistem dapat mencapai kapasitas penuh dalam waktu satu jam.
• Pengosongan daya sendiri rendah: Saat tidak digunakan, baterai Li-ion hanya kehilangan 2-3% dayanya per bulan, sehingga daya tetap bertahan untuk jangka waktu yang lebih lama.
• Tidak ada efek memori: Tidak seperti beberapa baterai isi ulang lainnya, baterai Li-ion tidak perlu dikosongkan sepenuhnya sebelum diisi ulang, sehingga kapasitas penuhnya tetap terjaga.

Keunggulan ini menjadikan baterai Li-ion ideal untuk berbagai aplikasi, mulai dari elektronik portabel hingga kendaraan listrik dan sistem penyimpanan energi terbarukan.

 

Baterai lithium-ion, meskipun penggunaannya meluas, memiliki beberapa kelemahan penting:

• Masalah keamanan: Baterai ini rentan terhadap thermal runaway, yang berpotensi menyebabkan kebakaran atau ledakan, terutama jika rusak atau tidak dikelola dengan benar.
• Sensitivitas terhadap suhu ekstrem: Performa dan masa pakai dapat terpengaruh secara signifikan oleh paparan suhu yang sangat tinggi atau rendah.
• Biaya produksi tinggi: Proses manufaktur yang rumit dan bahan yang digunakan membuat baterai lithium-ion lebih mahal daripada beberapa alternatif lainnya.
• Masa pakai terbatas: Seiring waktu, baterai lithium-ion mengalami penurunan kualitas, biasanya hanya dapat bertahan 500-1000 siklus pengisian daya sebelum kapasitasnya menurun secara signifikan.
• Dampak lingkungan: Ekstraksi lithium dan bahan lainnya dapat merusak ekosistem, mencemari sumber air, dan berkontribusi terhadap polusi udara.

Selain itu, baterai lithium-ion memerlukan sirkuit perlindungan untuk mencegah pengisian daya berlebih dan pengosongan daya yang dalam, yang menambah kompleksitas pada desain dan penggunaannya.

Meningkatnya permintaan baterai ini juga menimbulkan kekhawatiran tentang ketersediaan mineral utama seperti lithium, kobalt, dan nikel dalam jangka panjang.

Baterai ion litium terdiri dari empat komponen utama: katode, anoda, elektrolit, dan pemisah.

Katode biasanya terbuat dari oksida logam litium, sedangkan anoda biasanya grafit.

Elektrolit, garam litium yang dilarutkan dalam pelarut organik, memfasilitasi pergerakan ion di antara elektroda.

Pemisah mikropori mencegah kontak langsung antara elektroda sekaligus memungkinkan aliran ion.

Baterai beroperasi berdasarkan prinsip interkalasi litium reversibel.

Selama pengisian daya, ion litium bergerak dari katode ke anoda melalui elektrolit, sementara elektron mengalir melalui sirkuit eksternal.

Proses ini menyimpan energi di dalam baterai. Saat pengosongan daya, ion dan elektron berbalik arah, melepaskan energi untuk memberi daya pada perangkat yang terhubung.

Mekanisme "kursi goyang" ion litium yang bergerak maju mundur di antara elektroda memungkinkan sifat baterai yang dapat diisi ulang dan efisiensi energi yang tinggi.

 

Dalam baterai ion litium, anoda dan katoda memainkan peran penting dalam proses penyimpanan dan pelepasan energi. Anoda, yang biasanya terbuat dari grafit, berfungsi sebagai elektroda negatif selama pelepasan, melepaskan ion litium dan elektron.

Sebaliknya, katoda, yang sering kali terdiri dari senyawa berbasis litium seperti litium kobalt oksida, berfungsi sebagai elektroda positif, menerima ion dan elektron ini.

Selama pengisian daya, peran mereka terbalik, dengan anoda menerima ion litium dan katoda melepaskannya.

Proses pergerakan ion yang dapat dibalik antara elektroda ini, yang difasilitasi oleh elektrolit, memungkinkan baterai untuk menyimpan dan menyalurkan energi listrik secara efisien.

 

Pemisah merupakan komponen penting dalam baterai lithium-ion, yang berfungsi sebagai membran permeabel antara anoda dan katoda.

Fungsi utamanya meliputi:

• Mencegah kontak fisik antara elektroda untuk menghindari korsleting
• Memungkinkan pengangkutan ionik melalui struktur berpori untuk memfasilitasi reaksi elektrokimia
• Memberikan dukungan mekanis dan menjaga jarak elektroda yang tepat
• Bertindak sebagai reservoir elektrolit untuk memastikan distribusi ion yang merata
• Meningkatkan keamanan baterai melalui kemampuan penghentian termal

Pemisah biasanya terbuat dari film polimer mikropori, seperti polietilena atau polipropilena, yang dirancang untuk menahan lingkungan kimia baterai sambil mempertahankan integritas struktural.

Sifat pemisah, termasuk porositas, ketebalan, dan stabilitas termal, secara langsung memengaruhi kinerja, keamanan, dan umur baterai.

 

Elektrolit dalam baterai lithium-ion merupakan komponen penting yang memfasilitasi pengangkutan ion antar elektroda. Elektrolit ini biasanya terdiri dari garam lithium yang dilarutkan dalam pelarut organik, dengan aditif untuk meningkatkan kinerja dan keamanan.

Garam lithium yang paling umum digunakan adalah lithium hexafluorophosphate (LiPF6), yang dikenal karena konduktivitas dan stabilitasnya yang sangat baik.

Pelarut organik sering kali mencakup campuran karbonat siklik (seperti etilena karbonat) dan karbonat linier (seperti dimetil karbonat).

Fungsi utama elektrolit meliputi:

• Menghantarkan ion lithium antar elektroda selama siklus pengisian dan pengosongan
• Menyediakan media untuk reaksi elektrokimia
• Membentuk lapisan pelindung pada permukaan elektroda, yang dikenal sebagai antarmuka elektrolit padat (SEI)
• Memastikan stabilitas termal dan kimia dalam baterai

Komposisi dan sifat elektrolit berdampak signifikan pada kinerja baterai, termasuk kepadatan energi, daya keluaran, dan siklus hidup.

Penelitian yang sedang berlangsung berfokus pada pengembangan elektrolit canggih, seperti elektrolit solid-state dan konsentrasi tinggi, untuk meningkatkan keamanan dan kinerja pada baterai generasi berikutnya.

Baterai ion litium bergantung pada beberapa bahan baku utama untuk produksinya, dengan komponen yang paling penting adalah:

• Litium: Penting untuk katode dan elektrolit, biasanya bersumber dari endapan air garam atau tambang batu keras
• Grafit: Digunakan di anoda, tersedia dalam bentuk sintetis dan alami
• Kobalt: Bahan katode penting, terutama ditambang di Republik Demokratik Kongo
• Nikel: Semakin penting dalam kimia katode yang lebih baru untuk meningkatkan kepadatan energi
• Mangan: Digunakan dalam beberapa formulasi katode untuk meningkatkan stabilitas dan mengurangi biaya
• Tembaga: Dimanfaatkan untuk kolektor arus dan kabel

Permintaan untuk bahan-bahan ini diperkirakan akan tumbuh secara signifikan seiring dengan meningkatnya adopsi kendaraan listrik. Misalnya, permintaan litium diproyeksikan akan meningkat 2,5 hingga 5 kali lipat pada tahun 2030, berpotensi mencapai 240.000 hingga 450.000 ton per tahun.

Meskipun ada kekhawatiran tentang kelangkaan material, para ahli berpendapat bahwa ada cukup sumber daya untuk memenuhi permintaan masa depan, asalkan upaya eksplorasi, produksi, dan daur ulang ditingkatkan sebagaimana mestinya.

 

Baterai lithium-ion bergantung pada beberapa material utama, dengan cadangan yang sangat bervariasi di seluruh dunia. Australia dan Chili memimpin dalam cadangan lithium, masing-masing memiliki 9,3 juta dan 6,2 juta ton, dengan nilai gabungan lebih dari $500 miliar.

Untuk nikel, komponen penting dalam kimia katode tingkat lanjut, sumber daya global yang teridentifikasi berjumlah total 300 juta ton, dengan deposit signifikan di Indonesia, Australia, dan Brasil.

Tembaga, yang penting untuk konduktivitas baterai, telah mengidentifikasi sumber daya sebesar 2,1 miliar ton secara global, dengan tambahan 3,5 miliar ton diperkirakan dalam deposit yang belum ditemukan.

Cadangan kobalt sangat terkonsentrasi, dengan Republik Demokratik Kongo mendominasi produksi.

Meskipun ada kekhawatiran tentang kelangkaan material, para ahli berpendapat bahwa tidak ada kekurangan mendasar bahan baku untuk baterai lithium-ion.

Seiring meningkatnya permintaan, eksplorasi dan produksi bijih berkualitas rendah kemungkinan akan meluas, memastikan ketersediaan pasokan jangka panjang untuk pasar penyimpanan energi dan kendaraan listrik yang sedang berkembang.