Perpustakaan Digital ITB

Baterai ion litium telah meraih kesuksesan dalam hal komersialisasi dan telah digunakan secara luas karena memiliki densitas energi yang tinggi. Namun, terlepas dari kelebihannya, baterai ion litium masih memiliki sejumlah masalah, meliputi masalah keamanan yang rendah, pencemaran lingkungan, keterbatasan kapasitas energi, dan keterbatasan desain. Baterai ion litium komersial menggunakan elektrolit cair berbasis pelarut organik yang memiliki resiko mudah terbakar dan meledak jika terjadi kebocoran material elektrolit dan penggunaan baterai yang tidak tepat. Untuk mengatasi hal ini, elektrolit cair perlu diganti dengan elektrolit padat yang tidak mudah terbakar. Elektrolit polimer padat (SPE) memiliki beberapa keunggulan dibandingkan elektrolit cair, diantaranya dapat digunakan untuk baterai ion litium bertegangan tinggi, proses pembuatan yang relatif sederhana, tingkat keamanan yang tinggi, bersifat fleksibel, serta memungkinkan penggunaan anoda logam litium sehingga densitas energi dari baterai ion litium dapat ditingkatkan. Salah satu material yang berpotensi untuk dikembangkan sebagai SPE adalah karboksimetil kitosan (CMCS), karena memiliki konduktivitas ion yang lebih tinggi dibandingkan polimer yang umum dikembangkan sebagai SPE yaitu polietilen oksida (PEO), serta memiliki kemampuan yang baik untuk melarutkan garam litium. Penambahan garam litium dengan anion berukuran besar seperti litium bis(trifluorometanasulfonil)imida (LiTFSI) dilaporkan dapat meningkatkan konduktivitas ion karena mudah terdisosiasi di dalam matriks polimer. Selain itu, penambahan cairan ion 1-etil 3-metilimidazolium bis(trifluorometanasulfonil)imida (EMImTFSI) berpotensi dapat meningkatkan konduktivitas ion dan kestabilan elektrokimia SPE. Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan SPE berbasis CMCS dan EMImTFSI untuk dapat diaplikasikan sebagai SPE pada baterai ion litium. Garam litium LiTFSI digunakan sebagai sumber ion litium. Penambahan LiTFSI pada SPE CMCS telah berhasil meningkatkan konduktivitas ionnya dari 2,09 x 10-7 S cm-1 hingga mencapai nilai tertingginya yaitu 7,81 x 10-5 S cm-1 pada temperatur ruang, dengan penambahan sebanyak 25% LiTFSI. Penambahan LiTFSI lebih lanjut justru menurunkan konduktivitas ion dan sifat mekanik SPE karena adanya pembentukan kristal garam yang menyebabkan ketidakhomogenan struktur. SPE CMCS/LiTFSI-25% memiliki kekuatan tarik yang tinggi sebesar 35,6 MPa, stabil secara termal hingga temperatur ~244 °C, kestabilan elektrokimia yang tinggi hingga 5,4 V (vs. Li/Li+), dan kestabilan siklus litium plating/stripping galvanostatik dengan overpotensial yang rendah (~30 mV). Lebih lanjut, penambahan EMImTFSI sebesar 10-20% menyebabkan terjadinya penurunan kristalinitas pada SPE, sehingga meningkatkan konduktivitas ion SPE. Nilai konduktivitas ion tertinggi diperoleh pada penambahan 20% EMImTFSI dengan nilai mencapai 1,38 x 10-4 S cm-1 pada temperatur ruang. Nilai tegangan tarik SPE meningkat pada penambahan EMImTFSI hingga 30% dan turun pada penambahan 40% EMImTFSI, namun perubahannya berada pada rentang nilai yang terbatas (28,1 – 31,2 MPa). Sementara itu, nilai regangan tarik SPE berkurang dengan cukup signifikan seiring penambahan cairan ion EMImTFSI, mengakibatkan SPE menjadi bersifat lebih kaku. SPE CMCS/LiTFSI/EMImTFSI-20% stabil secara elektrokimia hingga 5,5 V (vs. Li/Li+). SPE ini juga menunjukkan siklus yang stabil hingga lebih dari 1000 jam pada siklus litium plating/stripping galvanostatik, dengan nilai overpotensial yang kecil (~4 mV). Metode komputasi DFT dan dinamika molekul digunakan untuk memahami mekanisme konduksi ion, interaksi antarpartikel, serta mendukung temuan eksperimen. Studi komputasi awal pada sistem biner elektrolit EMImTFSI/LiTFSI menunjukkan bahwa interaksi antarmolekul yang terjadi bersifat non kovalen dan interaksi elektrostatik lemah, dengan kekuatan interaksi antarmolekul pada sistem EMImTFSI/LiTFSI lebih kuat daripada sistem EMImTFSI murni. Ion Li+ berdifusi melalui gerakan kooperatif kation-anion, dengan nilai konduktivitas ion Li+ mencapai nilai maksimum pada konsentrasi LiTFSI intermediet, yaitu pada rentang xLi antara 0,1 dan 0,2. Perhitungan DFT pada sistem CMCS/LiTFSI menunjukkan bahwa besarnya energi interaksi antara Li+ dengan TFSI- dan antara Li+ dengan rantai CMCS (13,73 dan 12,22-14,52 kkal/mol) jauh lebih rendah dari energi interaksi Li+ TFSI- pada sistem LiTFSI murni (38,15 kkal/mol), yang mendukung temuan terjadinya peningkatan konduktivitas ion SPE pada penambahan LiTFSI. Namun, pada konsentrasi LiTFSI yang tinggi, interaksi kuat antara Li+ dengan TFSI- menjadi dominan, sehingga memicu penurunan konduktivitas ion. Hal ini dikonfirmasi oleh hasil simulasi dinamika molekul, yaitu bilangan koordinasi antara Li+ dengan oksigen pada TFSI- mengalami peningkatan seiring peningkatan konsentrasi LiTFSI di dalam sistem. Mekanisme konduksi ion litium dalam sistem SPE CMCS/LiTFSI merupakan kombinasi antara ion hopping dan gerakan segmental polimer. Lebih lanjut, perhitungan DFT pada sistem CMCS/LiTFSI/EMImTFSI menunjukkan bahwa adanya kation EMIm+ dapat membatasi koordinasi Li+ dengan ion TFSI, meskipun energi interaksi antara Li+ dengan ion TFSI- mengalami peningkatan. Simulasi dinamika molekul pada sistem CMCS/LiTFSI/EMImTFSI mengindikasikan adanya peningkatan koefisien difusi ion Li+ sebesar 3,42% serta penurunan koefisien difusi TFSI- sebesar 11,62% akibat adanya penambahan cairan ion EMImTFSI. Peningkatan mobilitas ion Li+ dan penurunan mobilitas ion TFSI- dapat memberikan dampak positif pada konduktivitas ion SPE CMCS/LiTFSI/EMImTFSI untuk aplikasi baterai.