Baterai Sodium Solusi Terbaik Penyimpanan Energi di Masa Depan

Foto : Sodium Ion Batteries (SIB)

Beberapa dekade terakhir, kemajuan teknologi baterai ion litium telah meningkatkan kondisi kehidupan di seluruh dunia. Lithium ion batteries (LIB) digunakan sebagian besar pada perangkat elektronik seluler serta pada kendaraan elektronik tanpa emisi. Meningkatnya kebutuhan akan litium menyebabkan cadangan litium semakin menipis. Sodium ion batteries (SIB) hadir sebagai alternatif di tengah menipisnya baterai dengan bahan litium.Pada tahun 2008 konsumsi global litium hampir mencapai 21.280 ton, diperkirakan akan bertahan selama 65 tahun dengan tingkat pertumbuhan rata-rata hanya 5% per tahunnya (Pan, et al., 2013). Hal ini tentu saja menimbulkan kekhawatiran yang besar bahwa meningkatnya permintaan litium yang terdistribusi tidak merata dalam kerak bumi menyebabkan cadangan litium semakin menipis. Ketersediaan bahan baku dan cadangan litium (Li) yang belum dimanfaatkan terletak di daerah yang sulit dijangkau dan sensitif secara geopolitik sehingga perlu modal yang besar serta waktu yang lama untuk pemrosesan bahan baku litium. Hal ini tentu saja akan membuat produk memiliki harga yang lebih mahal.

Oleh karena itu dibutuhkan alternatif dari litium untuk mengembangkan perangkat penyimpanan energi dalam skala besar. Sodium ion batteries (SIB) menjadi solusi yang dianggap sebagai sumber daya terbaik karena sodium (Na) tersebar luas menempati 2,6% dari kerak bumi, mudah diperoleh serta memiliki sifat kimia yang mirip dengan Li.

Sodium sebagai unsur keempat yang melimpah di bumi dan distribusinya yang tidak terbatas, serta biaya yang jauh lebih rendah (sekitar $135-165 per ton) dibandingkan Li (sekitar $5.000 per ton pada 2010). Selain itu baterai ion sodium dapat diisi ulang sehingga lebih hemat biaya, jari-jari Na yang lebih besar menghasilkan lebih banyak bahan interkalasi untuk Na dibanding Li, serta membuatnya cenderung tidak bercampur dengan logam transisi dalam oksidasi berlapis menjadi alasan kuat mengapa SIB dapat digunakan sebagai alternatif dari LIB (Slater, et al., 2013).

Foto : Dr. Zikri Noer, S.Si., M.Si., menjelaskan cara pembuatan baterai sodium kepada mahasiswa

Baterai merupakan perangkat yang menghasilkan elektron melalui reaksi elektrokimia serta mengandung dua komponen utama yaitu elektroda dan separator yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Elektroda pada baterai mempunyai dua kutub, yaitu kutub positif (katoda) dan kutub negatif (anoda), dimana kutub positif menandakan energi potensialnya lebih tinggi dibandingkan kutub negatif. Separator berfungsi untuk mencegah terjadinya kontak secara fisik antara katoda dengan anoda saat terjadi pergerakan ion dalam sel. Elektroda dan separator berada di dalam wadah elektrolit yang berfungsi sebagai jembatan transfer ion antara katoda dengan anoda.

Baterai ion sodium atau dikenal dengan sodium ion batteries (SIB) merupakan baterai yang bisa melakukan pengisian ulang (charge/discharge), dengan ion natrium sebagai pembawa muatannya. Natrium atau biasa disebut dengan sodium adalah unsur dengan simbol Na dan nomor atom 11. Unsur ini merupakan unsur yang terbanyak sebarannya dalam grup logam alkali.

Energi potensial mengalir dari tegangan tinggi ke rendah, maka diperlukan bahan katoda yang bertegangan kerja tinggi dengan anoda yang bertegangan kerja rendah. Sodium titanat telah banyak dikaji karena operasi dan biaya yang rendah sehingga bahan ini dapat dipakai sebagai bahan anoda yang menjanjikan. Titanat adalah senyawa interkalasi yang dapat menerima masukan ion sodium dengan potensial tegangan listrik yang rendah. Material titanium memiliki stabilitas kimia yang baik, mudah disintesa, persediaannya yang banyak, tidak beracun serta biayanya yang murah. Selain itu, beberapa senyawa turunan sodium titanat dapat membentuk struktur berlapis sebagai tempat berlangsungnya proses reaksi interkalasi bolak-balik, sehingga sodium titanat sangat baik untuk diterapkan pada anoda baterai.

 

Prinsip Kerja Sodium Ion Battery (SIB)

Pada dasarnya prinsip kerja baterai ion sodium mirip dengan baterai ion litium, saat pengisian baterai (charge) energi akan masuk ke dalam baterai mengangkut elektron dari katoda ke anoda. Atom sodium pada katoda melepas elektron menuju anoda dan terjadi reaksi pada material anoda berlapis. Proses ini akan berlangsung bolak-balik selama proses pengosongan muatan (discharge).

Dari penelitian yang telah dilakukan Dr. Zikri Noer, S.Si., M.Si (2020), dosen program studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara,  yaitu sodium titanat diterapkan sebagai anoda pada baterai melalui proses sintesis dengan metode templat, hidrotermal hingga kalsinasi, kemudian dirakit menjadi baterai ion sodium selanjutnya diuji dengan galvanostatic charge/discharge yang dibagi menjadi dua sampel. Sampel 1 terdiri dari sodium titanat sebagai anoda; litium manganat sebagai katoda; LiPF6 sebagai elektrolit. Sedangkan sampel 2 sodium titanat sebagai anoda; sodium manganat sebagai katoda; NaClO4 sebagai elektrolit.

(a)(b)
Gambar 1 grafik performansi charge/discharge (a) sampel 1; (b) sampel 2

Gambar 1a menunjukkan hasil uji galvanostatic charge/discharge (GCD) dari sampel 1, hasil uji GCD pada sampel 1 terlihat bekerja, proses pembentukan charge terukur sebesar 3 mAh dan kapasitas discharge sebesar 1,9 mAh untuk siklus pertama. Proses charging dari litium manganat berinterkalasi menuju anoda sodium titanat dan sebaliknya ketika proses discharging sodium titanat berinterkalasi kembali menuju katoda litium manganat, kedua material akan aktif bekerja, namun kapasitas charge dan discharge terlihat kecil dan terus menurun. Hal ini disebabkan karena pengaruh dari material aktif atau perangkat baterai lainnya seperti elekrolit yang digunakan yang tidak sesuai, atau anoda dan katoda yang sama-sama menggunkan case aluminium foil, sehingga baterai tidak dapat bekerja secara maksimal. Adapun kapasitas charge terukur sebesar 1,8 mAh dan kapasitas discharge sebesar 1,6 mAh setelah 10 siklus dengan efisiensi rata-rata 90%.

Sedangkan untuk hasil uji galvanostatic charge/discharge pada sampel 2 (gambar 1b) sodium titanat sebagai anoda dengan sodium manganat sebagai katoda menunjukkan hasil yang lebih bagus dan dapat bekerja dengan baik, proses pembentukan charge terukur sebesar 107,3 mAh dan kapasitas discharge sebesar 56,3 mAh untuk siklus pertama. Proses charging cenderung lebih stabil dibandingkan proses discharging, keduanya juga terlihat dapat bekerja dengan baik. Saat proses discharging terjadi penurunan kapasitas, namun kapasitas charge/discharge tidak jauh berbeda setelah 10 siklus. Adapun kapasitas charge terukur sebesar 43,8 mAh dan discharge sebesar 43,2 mAh setelah 10 siklus, dengan efisiensi rata-rata 90%.

Hasil uji galvanostatic charge/discharge sodium titanat mempengaruhi kapasitas dan kinerja baterai. Pada baterai yang menggunakan litium manganat sebagai katoda menghasilkan 1,8 mAh / 1,6 mAh (charge/discharge). Adapun baterai yang menggunakan sodium manganat sebagai katoda menghasilkan 43,8 mAh / 43,2 mAh (charge/discharge). Perbedaan kapasitas sampel tersebut sangat terlihat perbedaannya.

Baterai dengan material aktif litium memiliki kapasitas yang kecil. Selain itu, bahan litium juga akan mempengaruhi kinerja, elektrolit maupun case yang digunakan pada anoda maupun katoda dengan menggunakan aluminium foil menjadikan baterai tidak bekerja dengan maksimal. Sedangkan, baterai yang menggunakan material aktif sodium dengan case yang sama yakni aluminium foil menghasilkan kapasitas yang jauh lebih tinggi dari baterai dengan material aktif litium.

Untuk itu, sebaiknya baterai litium untuk pemasangan case anoda dan katoda dibedakan, anoda menggunakan tembaga foil dan katoda menggunakan aluminium foil untuk menghindari terjadinya arus pendek (short circuit) pada baterai. Sedangkan pada baterai sodium tidak diragukan lagi jika menggunakan case yang sama yaitu alumunium foil, sebab tidak mempengaruhi kinerja baterai. Hal ini menjadi salah satu nilai tambah dalam penggunaan baterai, yaitu mengurangi pengeluaran yang lebih besar dalam penggunaan tembaga foil serta memaksimalkan kelas industrial dalam negeri yang memproduksi aluminium foil, salah satunya PT. INALUM (Persero).

 

DAFTAR PUSTAKA

 Cech, O. Castkova, K. Chladil, L. Dohnal, P. Cudek, P. Libich, J. and Vanysek, P. (2017). Synthesis and characterization of Na2Ti6O13 and Na2Ti6O13 / Na2Ti3O7  sodium titanates with nanorod-like structure as negative electrode materials for sodium-ion batteries. Journal of Energy Storage. Elsevier Ltd.

Doeff, M. M., Cabana, J. and Shirpour, M. (2014). Titanate Anodes for Sodium Ion Batteries. J. Inorg Organomet Polym. pp. 5-14.

Hou, H. Qiu, X. Wei, W. Zhang, Y. and Ji, X. (2017). Carbon Anode Materials for Advanced Sodium-Ion Batteries. Advance Energy Material. pp. 1-30.

Hwang, J., Myung, S. and Sun, Y. (2017). Sodium-ion batteries : present and future, Chemical Society Reviews. Royal Society of Chemistry.

Liu, C. Neale, Z. G. and Cao, G. (2016). Understanding electrochemical potentials of cathode materials in rechargeable batteries. Biochemical Pharmachology. Elsevier Ltd. 19(2), pp. 109-123.

Pan, H. Hu. Y. and Chen, L. (2013). Room-temperature stationary sodium-ion batteries for large-scale electric energy strorage. Energy & Environmental Science. (8). pp. 2245-2550.

Slater, M.D. Kim, Donghan. Lee, E. and Johnson,C.S. (2013). Sodium-Ion Batteries. Advance Functional Materials. pp.947-958.

Tang, J. Dysart, A. D. and Pol, V. G.  (2015). Advancement in sodium-ion rechargeable batteries. Current Opinion in Chemical Engineering. Elsevier Ltd. 9. pp. 34-41.

Wang, L. P. Yu, L. Wang, X. and Xu, Z. J. (2015). Sodium-ion Batteries. Journal of Materials Chemistry A : Materials for energy and sustainability. Royal Society of Chemistry, 3, pp. 9353-9378.