## BATERAI LITHIUM

## Fengky Adie Perdana
Mahasiswa Program Pendidikan Magister Sains Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami No.36A, Jebres, Surakarta, Indonesia 57126
Mail: fengkyadie@student.uns.ac.id
Diajukan: 10 Mei 2020; Diterima: 29 Agustus 2020; Diterbitkan: 31 Oktober 2020
Abstrak: Di era yang semakin canggih ini terdapat beberapa alat-alat elektronik baru yang tidak dapat dipisahkan dalam kegiatan sehari-hari. Beberapa alat elektronik tersebut memerlukan sumber energy yang tersimpan dalam baterai, salah satunya contohnya yaitu baterai lithium-ion. Sebagai salah satu komponen untuk penyimpan sumber energy, belum banyak orang yang tau dan memahami bagaimana konsep tentang baterai lithium-ion. Oleh karena itu, pada tulisan ini akan dibahas hal-hal terkait apa itu baterai lithium-ion, mengapa harus baterai lithium-ion dan bagaimana prinsip kerjanya.

## Kata Kunci: Energy, Baterai, Lithium-Ion
Abstract: In this increasingly sophisticated era, there are several new electronic devices that cannot be separated in daily activities. Some of these electronic devices require a source of energy stored in batteries, one of which is a  lithium-ion  battery.  As  a  component  for  storing  energy  sources,  not  many  people  know  and  understand  the concept of lithium-ion batteries. Therefore, in this paper, we will discuss matters related to what a lithium-ion battery is, why a lithium-ion battery is needed and how it works on the principle.
Keywords: Energy, Battery, Lithium-Ion

## Pendahuluan
Baterai lithium-ion merupakan salah satu jenis  baterai  sekunder rechargeable  battery ) yang  dapat  diisi  ulang  dan  merupakan  baterai yang ramah lingkungan karena tidak mengandung  bahan  yang  berbahaya  seperti baterai-baterai  yg  berkembang  lebih  dahulu yaitu  baterai  NI-Cd  dan  Ni-MH.  Baterai  ini memiliki  kelebihan  dibandingkan  baterai sekunder  jenis  lain,  yaitu  memiliki  stabilitas penyimpanan  energi  yang  sangat  baik  (daya tahan  sampai  10  tahun  atau  lebih),  energi densitas tinggi, tidak ada memori efek dan berat yang  relatif  lebih  ringan dibandingkan  dengan baterai jenis lain. Sehingga dengan berat yang sama energi yang dihasilkan baterai lithium dua kali lipat dari baterai jenis lain. (Lawrence et al. 1992).
Baterai  adalah  suatu  sel  elektrokimia yang  mengubah  dari  energi  kimia  menjadi energi listrik. Salah satu jenis baterai yang saat ini  berkembang  adalah Lithium-Ion  Battery atau  baterai  lithium  ion.  Bagian  utama  yang menyusun Lithium-Ion Battery yaitu elektroda negatif  (anoda),  elektroda  positif  (katoda), elektrolit dan separator. Pada tahun 1970 M.S. Whitthingham  melakukan  penelitian  pada
Lithium-Ion  Battery dengan  logam  lithium sebagai  anoda.  Pada  tahun  1980,  Rachid Yazami  mengganti  logam  lithium  pada  anoda dengan material lain, yaitu grafit. Penggantian material  dari  logam  lithium  menjadi  grafit memberikan pengaruh pada performa Lithium- Ion Battery sehingga dapat diisi
ulang/ rechargeable  batteries (Krysten  Oates,
2010).
Lithium-Ion Battery atau baterai lithium ion merupakan salah satu jenis baterai sumber arus sekunder yang dapat diisi ulang. Pada saat ini, Lithium-Ion Battery menjadi baterai yang sangat dibutuhkan antara lain untuk kebutuhan energi listrik pada telepon seluler (ponsel), mp3 player dan lain-lain. Selain itu, saat ini Lithium- Ion Battery sangat dibutuhkan khususnya untuk kendaraan  yang  sumber  energinya  dari  energi listrik/ electric vehicle (Fadli Rohman,
2012:90).
Permintaan  baterai Lithium-Ion  Battery dari tahun ke tahun selalu meningkat dan  juga permintaan  akan  kemampuan  menyimpan energi  yang  lebih  lama  dan  juga  siklus  hidup yang  meningkat,  itu  semua  berkaitan  dengan perkembangan  dunia  industri  elektronika  dan telekomunikasi  yang  berkembang  sedemikian
cepat. misalnya telepon selular, komputer tablet ataupun  mobil  listrik. Lithium-Ion  Battery adalah  baterai  dapat  menyimpan  energi  listrik dalam  jangka  waktu  yang  panjang,  dan  salah satu faktor yang mempengaruhi sifatnya adalah kualitas  bahan  elektroda  (anoda/katoda),  di samping  faktor  lainnya.  Dan  salah  satu  usaha untuk memperbaiki performa dari baterai, maka salah  satu  jalannya  adalah  memperbaiki kualitas dari elektroda yang digunakan (Anton Prasetyo, 2012:400).

## Landasan Teori
Jenis baterai ini pertama kali pada tahun 1970  yang  diperkenalkan  oleh  peneliti  dari Exxon yang bernama M. S. Whittingham yang melakukan penelitian dengan judul “ Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry” . Beliau menjelaskan mengenai proses interkalasi pada baterai litium ion menggunakan  titanium  (II)  sulfide  sebagai katoda dan logam litium sebagai anoda. Proses interkalasi  adalah  proses  perpindahan  ion lithium  dari  anoda  ke  katoda  dan  sebaliknya pada  baterai  lithium  ion.  Pada  tahun  1980, logam  lithium  pada  anoda  diganti  dengan materail lain yaitu grafit. Hal ini dilakukan oleh Rachid Yazami dan kawan-kawan di Grenoble Institute  of  Technology (INPG)  dan French National  Centre  for  Scientific  Research (CNRS) (Krysten Oates, 2010).
Penggantian material dari logam lithium menjadi  grafit  memberikan  pengaruh  pada performa Lithium-Ion Battery serta memberikan efek Lithium-Ion Battery sehingga Lithium-Ion Battery bisa diisi ulang ( rechargeable batteries) . Pada tahun 1981, Bell Laboratories  mengembangkan  elektroda  pada anoda berbasis grafit yang telah dikembangkan sebelumnya.  John  Goodenough  dan  tim penelitiannya melakukan penelitian dan mengembangkan  pada  katoda.  Penelitian- penelitian ini terus dikembangkan pada saat itu untuk  meninjau  beberapa  parameter  penting sebelum Lithium-Ion  Battery itu  sendiri dipasarkan. Parameter-parameter tersebut antara  lain  material  pada  elektroda  mudah didapat  secara  komersil,  harga  yang  murah, aman  dipakai,  memiliki  kestabilan  dan performa  yang  tinggi  serta  energi  yang dihasilkan  juga  cukup  tinggi  (Fadli  Rohman, 2012:90).
Pada  saat  ini, Lithium-Ion  Battery menjadi baterai yang sangat dibutuhkan antara lain untuk kebutuhan energi listrik pada telepon seluler  (ponsel),  mp3 player dan  lain-lain. Selain  itu,  saat  ini Lithium-Ion  Battery sangat dibutuhkan  khususnya  untuk  kendaraan  yang sumber  energinya  dari  energi  listrik  ( electric vehicle ). Lithium-Ion Battery ini memiliki daya yang  tinggi  serta  bobot  yang  ringan  dan  dapat digunakan berkali-kali sehingga banyak digunakan  oleh  para  produsen  sebagai  sumber tenaga alat elektroniknya.

## Metode Penelitian
Agar  kita  mengetahui  tentang  prinsip kerja  baterai  lithium,  maka  penting  untuk mengetahui  apa  saja  komponen penyusun dari baterai lithium itu sendiri. Lithium Ion Battery pada  umumnya  memiliki  empat  komponen utama yaitu elektroda positif (anoda), elektroda negatif (katoda), elektrolit, dan separator.

## Elektroda Negatif (Anoda)
Anoda merupakan elektroda yang berfungsi sebagai pengumpul ion lithium serta merupakan material aktif. Parameter pengembangan  dari  material  untuk  digunakan sebagai  anoda  antara  lain  kepadatan  energi yang  dihasilkan  serta  siklus  pemakaian  atau cyclability . Material yang dapat dipakai sebagai anoda  harus  memiliki  karakteristik  antara  lain memiliki kapasitas energi yang besar, memiliki kemampuan menyimpan dan melepas muatan/ion yang bagus, memiliki tingkat siklus pemakaian yang lama, mudah untuk diproses/dibuat, aman dalam pemakaian (tidak beracun),  dan  harganya  murah.  Salah  satu material  yang  dapat  berperan  sebagai  anoda adalah  material  yang  berbasis  carbon  seperti LiC6 atau grafit. Selain grafit, material berbasis karbon yang dapat digunakan untuk anoda yaitu soft  carbon,  graphene dan hard carbon .
Material  lain  yang  dapat  berperan  sebagai anoda antara lain lithium titanium oxide (LTO). Material  ini  aman  dipakai  serta  memiliki tingkat  siklus  pemakaian  yang  cukup  lama. Pengembangan  material  pada  anoda  ini  terus berlanjut seiring penelitian mengenai sifat-sifat suatu material (Fadli Rohman, 2012:91). Tabel 1  memberikan  contoh  beberapa  material  yang pernah  digunakan  sebagai  anoda  dengan kapasitas energinya.
Tabel 1. Beberapa material yang dipakai untuk anoda (Manjhunata, 2010) Material Kapasitas (teori) (Ah/kg) Kapasitas (Ah/kg) LixV 2 O 2 75 40 LixV 2 O 2 /Ppy 75 47 LiV 3 O 8 145 40-45 Li 2 Mn 4 O 9 156 110 Li 4 Mn 5 O 12 202 110 Polypyrrole (Ppy) 120 52,5

## Elektroda Positif (Katoda)
Katoda  merupakan  elektroda  yang fungsinya sama seperti anoda yaitu pengumpul ion  serta  material  aktif.  Namun  perbedaannya adalah  katoda  merupakan  elektroda  positif. Beberapa  karakteristik  yang  harus  dipenuhi suatu  material  yang  digunakan  sebagai  katoda antara  lain  material  tersebut  terdiri  dari  ion yang  mudah  melakukan  reaksi  reduksi  dan oksidasi,  memiliki  konduktifitas  yang  tinggi seperti logam, memiliki kerapatan energi yang tinggi,  memiliki  kapasitas  energi  yang  tinggi, memiliki  kestabilan  yang  tinggi  (tidak  mudah berubah strukturnya atau terdegradasi baik saat pemakaian maupun pengisian ulang), harganya murah dan ramah lingkungan. Pada tahun 1980 material  LiCoO 2 menjadi  kandidat  material pertama  yang  digunakan  sebagai  katoda  pada Lithium-Ion  Battery .  Kerapatan  energi  yang dimiliki LiCoO 2 sebesar 140 A.h/kg. Walaupun demikian material tersebut memiliki kestabilan yang  rendah  dan  harganya  relative  mahal. Sejalan  dengan  peningkatan  performa  katoda, beberapa penelitian yang dilakukan antara lain membuat katoda dari LiMO 2 (M = Co (Cobalt); Ni (Nikel) ; Mn (Mangan); dan lainnya). LiMO 2 tersebut  dibentuk  dalam  bentuk  layer-layer (seperti pada gambar 1). Adapula material yang digunakan  sebagai  katoda  dibentuk  dalam bentuk  spinel  LiM 2 O 4 (M  :  Mn  (Mangan)); serta  olivine  LiMPO 4 F  (M  :  Fe)  dapat  dilihat pada  gambar  2  dan  3  (Bo  Xu,  2012).  Tabel  2 menunjukkan  beberapa  jenis  material  yang dapat  digunakan  untuk  katoda  dengan  besar kapasitas energinya yang dapat disimpan (Fadli Rohman, 2012:92).
Gambar 1. Struktur Kristal layer LiMO 2 (biru : ion logam transisi ; merah : ion lithium) (Bo Xu, 2012) Gambar 2. Struktur kristal spinel LiM 2 O 4 (biru : ion logam transisi ; merah : ion lithium) (Bo Xu, 2012).
Gambar 3. Struktur kristal olivin LiMPO 4 F (biru : ion logam transisi ; merah : ion lithium) (Bo Xu, 2012).
Tabel 2. Beberapa jenis material yang digunakan untuk katoda
(Manjhunata, 2010) Material Kapasitas (teori) (Ah/kg) Kapasitas (Ah/kg) LiCoO 2 140 112 LiMn 2 O 4 148 84,6 LiMn 2 O 4 /MWCNTs 148 117 LiMnO 2 - 62 γ-MnO 2 148 120 LiMnPO 4 170 75
https://jurnal.uns.ac.id/inkuiri

## Elektrolit
Elektrolit  adalah  bagian  yang  berfungsi sebagai  penghantar  ion  lithium  dari  anoda  ke katoda atau sebaliknya. Karakteristik elektrolit yang  penting  untuk  diperhatikan  antara  lain konduktivitas,  aman  (tidak  beracun)  serta harganya  murah.  Elektrolit  ini  terbagi  dalam dua  jenis  yaitu  elektrolit  cair  dan  elektrolit padat. Kedua jenis ini memiliki kelebihan serta kekurangannya.  Kelebihan  dari  elektrolit  cair antara  lain  memiliki  konduktivitas  ionik  yang besar,  harga  yang  murah,  dan  aman.  Namun kekurangannya  adalah  memiliki  performa siklus  pemakaian  yang  rendah  (tidak  tahan lama)  yaitu  hanya  berkisar  25  kali  siklus  dan dapat  mengurangi  kerapatan  energi.  Beberapa material  yang  dapat  digunakan  sebagai elektrolit  cair  antara  lain  LiNO 3 ,  LiClO, Li 2 SO 4 ,  garam  LiNO 3 ,  garam  Li 2 SO 4 ,  LiPF 6 . Elektrolit  padat  sendiri  keuntungannya  yaitu memiliki  konduktivitas  yang  besar  serta  dapat tahan  lama  dibandingkan  dengan  elektrolit yang  cair.  Jenis  elektrolit  padat  ini  berupa keramik atau polimer organik. Contoh material yang  dipakai  untuk  elektrolit  padat  antara  lain yaitu (La,Li)TiO 3 (Fadli Rohman, 2012:93).

## Separator
Separator  adalah  suatu  material  berpori yang  terletak  di  antara  anoda  dan  katoda berfungsi  untuk  mencegah  agar  tidak  terjadi hubungan singkat dan kontak antara katoda dan anoda. Selain itu separator harus dapat dilewati oleh  ion  lithium  dengan  baik.  Tidak  hanya sebagai  pembatas  antar  elektroda,  separator memiliki  peranan  penting  dalam  proses penghasilan  listrik,  pengisian  ulang,  dan tentunya  keamanan  pada  baterai  litium  ion sendiri.  Beberapa  hal  yang  penting  untuk memilih material agar dipilih sebagai separator antara  lain  material  tersebut  bersifat  insulator, memiliki hambatan listrik yang kecil, kestabilan  mekanik  (tidak  mudah  rusak), memiliki  sifat  hambatan  kimiawi  untuk  tidak mudah  terdegradasi  dengan  elektrolit  serta memiliki  ketebalan  lapisan  yang  seragam  atau sama di seluruh permukaan. Beberapa material yang dapat digunakan sebagai separator antara lain  polyolefins  (PE  dan  PP),  Polyvinylidene fluodire  (PVdF),  PTFE  (teflon),  PVC,  dan polyethylene oxide (Fadli Rohman, 2012:94).

## Hasil Dan Pembahasan
Seperti  dijelaskan  sebelumnya  bahwa Lithium-Ion  Battery tersusun  dari  empat komponen  penting  yaitu  anoda,  katoda, elektrolit  serta  separator.  Kedua  proses  ini dapat  dilihat  pada  Gambar  4.  Pada  proses pemakaian  listrik  ( discharging )  elektron  dari anoda  mengalir  ke  katoda  melalui  kabel konektor  sedangkan  lithium  yang berada  pada sistem  (di  dalam  baterai)  lepas  dari  anoda karena  kekurangan  elektron  untuk  berpindah menuju  katoda  melalui  elektrolit.  Pada  proses pengisian  ( charging ),  elektron  dari  katoda mengalir menuju anoda sedangkan ion lithium dalam  sistem  berpindah  dari  katoda  menuju anoda  melalui  elektrolit  (Fadli  Rohman, 2012:94).  Proses  charge  dan  discharge  baterai lithium-ion bekerja menurut fenomena interkalasi,  yaitu  proses  pelepasan  ion  lithium dari  tempatnya  di  struktur  kristal  suatu  bahan elektroda  dan  penyisipan  ion  lithium  pada tempat di struktur kristal bahan elektroda yang lain (Prihandoko, 2010).
Gambar 4. Proses pemakaian dan pengisian ulang pada Lithium- Ion Battery
Reaksi yang terjadi pada sistem Lithium- Ion Battery tersebut  merupakan  reaksi  reduksi dan  reaksi  oksidasi.  Reaksi  reduksi  adalah reaksi penambahan elektron oleh suatu molekul atau  atom  sedangkan  reaksi  oksidasi  adalah reaksi  pelepasan  elektron  pada  suatu  molekul atau  atom.  Sebagai  contoh,  misalkan  kita memakai LiCoO 2 sebagai katoda, LiC 6 sebagai anoda  dan  LiPF 6 sebagai  elektrolit  pada Lithium-Ion  Battery .  Maka  reaksi  yang  terjadi adalah :
Charge /pengisian Pada katoda : LiCoO 2 Li1-xCoO 2 + x Li+ + x e – Discharge /pemakain ..............(1)
https://jurnal.uns.ac.id/inkuiri
Charge /pengisian
Pada anoda : C 6 + x Li+ + x e -                  LixC 6 Discharge /pemakaian ................(2)

## Jenis baterai lithium
Terdapat beberapa jenis baterai  lithium- ion, diantaranya dijelaskan Tabel 3 berikut:
Tabel 3. Perbandingan Beberapa Jenis Baterai Lithium-Ion
Jenis Volta ge (V) Capaci ty (Wh/k g)
Char ge (C- rate) Disch arge (C- rate)
Cycle life Aplicatio n Lithiu m Cobalt Oxide (LiCoO 2 ) 3,60 150- 200 0,7-
1C; 4,2V 1C; 2,50V
Cut off 500- 1000
Mobile phones, tablets, laptop,
cameras
Lithium Mangane se  Oxide (LiMn 2 O 4 ) 3,70V 100- 150 0,7- 1C; 4,2V
1C- 10C; 2,50V Cut off 300- 700 Power tools, medical devices, electric powertra ins Lithium Nickel
Mangane se  Cobalt Oxide (LiNiMn
CoO 2 or NMC)
3,60; 3,70 150- 220 1-2C; 4,20 V 1C- 2C; 2,50V Cut off 1000- 2000 E-bikes, medical devices, industria l Lithium
Iron
Phosphat
e(LiFePO
4 )
3,20; 3,30 90-120 1C; 3,65
V 1C- 25C;
2,50V
Cut off 1000- 2000 Portable and stationar y needing high load currents and enduran
ce Lithium Nickel Cobalt
Aluminu m  Oxide
(LiNiCo AlO 2 )
3,60 200- 260 0,7C; 4,20 V 1C; 3,00V Cut off 500 Medical devices, industria l, electric powertra in (tesla)
Lithium Titanate (Li 4 Ti 5 O 1
2 ) 2,40
50-80 1C- 5C; 2,85
V
10C- 30C; 1,80V 3000- 7000 UPS, electric powertra in,  solar power street lighting
Sedangkan  secara  grafik,  perbandingan antara spesific  energy,  specific  power,  safety, performance,  life  spancost dijelaskan  pada Tabel 4.
Tabel 4. Perbandingan Jenis Baterai Litium-Ion Berdasarkan Kemampuannya Jenis Grafik Lithium Cobalt Oxide (LiCoO 2 )
Lithium  Manganese  Oxide (LiMn 2 O 4 )
Lithium  Nickel  Manganese
Cobalt  Oxide  (LiNiMnCoO 2 or NMC) Lithium Iron Phosphate(LiFePO 4 ) Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO 2 ) Lithium Titanate (Li 4 Ti 5 O 12 )

## Kesimpulan
Berdasarkan  paparan  diatas,  dapat diketahui  bahwa  baterai  lithium-ion  adalah salah satu jenis baterai sekunder ( rechargeable battery ) yang dapat diisi ulang dan merupakan baterai  yang  ramah  lingkungan.  Komponen utama penyusun baterai lithium-ion terdiri atas: elektroda  negatif  (anoda),  elektroda  positif (katoda), elektrolit dan separator. Prinsip kerja dari  baterai  lithium-ion  bekerja  menurut fenomena  interkalasi,  yaitu  proses  pelepasan ion  lithium  dari  tempatnya  di  struktur  kristal suatu  bahan  elektroda  dan  penyisipan  ion lithium  pada  tempat  di  struktur  kristal  bahan
elektroda  yang  lain.  Baterai  lithium  ion memiliki  banyak  jenis,  diantaranya  adalah: Lithium  Cobalt  Oxide  (LiCoO 2 ),  Lithium Manganese  Oxide  (LiMn 2 O 4 ),  Lithium  Nickel Manganese  Cobalt  Oxide  (LiNiMnCoO 2 or NMC),  Lithium  Iron  Phosphate  (LiFePO 4 ), Lithium  Nickel  Cobalt  Aluminum  Oxide (LiNiCoAlO 2 ) dan Lithium Titanate
(Li 4 Ti 5 O 12 ).

## Daftar Pustaka
Lawrence  H.  Van  Vlack.  (1992). Ilmu  dan Teknologi bahan . Erlangga, edisi 5 Manjunatha,  H;  Suresh,  G.S;  Venkatesha,  T.V. (2011).  Electrode  materials  for  aqueous
rechargable  lithium  batteries. Journal  of Solid  State  Electrochem,  Vol.  15,  Issues  3: 431–445 Oates,  Krysten.  (2010). Lithium-ion  Batteries: Commercialization  History  and  Current Market . Foresight Science and Technology. Prasetyo,  Anton.  (2012). Graphene .  Bandung: Institut Teknologi Bandung. Rohman,  Fadli.(2012)  . Aplikasi  Graphene  Untuk Lithium  Ion  Battery .  Bandung:  Institut Teknologi Bandung.
Xu, Bo, et. al. (2012). Rencent Progress in cathode materials  research  for  advanced  lithium  ion batteries .  Journal  of  Materials  Science  and Engineering R, Vol. 73, Issues 5–6: 51-65