Perpustakaan Digital ITB

Baterai ion natrium (sodium ion battery, SIB) merupakan alternatif yang menjanjikan sebagai sistem penyimpanan energi (energy storage system, ESS) karena ketersediaan bahan baku yang lebih melimpah dibandingkan dengan baterai ion litium (lithium ion battery, LIB). Namun, performa elektrokimia SIB masih belum sebanding dengan LIB karena radius ion natrium (Na) yang lebih besar menghambat proses interkalasi ketika langsung menggunakan elektroda yang diadopsi dari LIB. Na3V2(PO4)3 atau NVP, merupakan material katoda SIB menjanjikan dengan kerangka 3 dimensi berstruktur NASICON yang memberikan stabilitas struktur yang baik dan jaringan pergerakan ion natrium yang lebih cepat. Penelitian-penelitian eksperimental sebelumnya menunjukkan bahwa NVP memiliki simetri rhombohedral R3-c. Namun, satu studi yang dilakukan oleh Chotard pada tahun 2015 mengungkapkan bahwa NVP mengalami distorsi monoklinik C2/c pada temperatur di bawah suhu ruang. Pengetahuan mengenai sifat fisis dan properti elektrokimia dari fase kristal NVP monoklinik terbatas. Untuk mencapai pemahaman yang lebih baik tentang NVP sebagai material katoda SIB, diperlukan penelitian lebih lanjut. Dalam bidang penelitian baterai, sifat fisis material digunakan untuk mempelajari tegangan interkalasi dan menjelaskan mekanisme redoks. Penelitian ini dilakukan secara ab-initio berbasis teori fungsional kerapatan (density functional theory, DFT). Fungsional pertukaran dan korelasi berbasis generalized gradients approximation (GGA) digunakan untuk memperhitungkan faktor atau suku elektronik dalam material yang diteliti. Dalam penelitian ini, kami menggunakan GGA yang dikembangkan oleh Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE). Berhubung katoda baterai berupa zat padat, penelitian ini juga menggunakan PBE yang telah direvisi untuk zat padat, lalu membandingkan hasil kalkulasi antar kedua fungsional pertukaran dan korelasi. Tegangan interkalasi NVP monoklinik menunjukkan nilai yang serupa antar kedua fungsional pertukaran dan korelasi, dengan 1,89 – 2,64 V menggunakan PBE dan 1,84 – 2,65 V menggunakan PBEsol. Kedua nilai tegangan ini lebih tinggi daripada 1,41 – 2,35 V, yang merupakan tegangan dari fasa rhombohedral NVP yang dilaporkan oleh kolaborator penelitian. Tegangan yang diprediksi dengan hanya menggunakan PBE dan PBEsol masih lebih rendah daripada temuan eksperimental yang dilaporkan sebesar 3,30 – 3,40 V. Sangat penting untuk mempelajari struktur elektronik atau mekanisme redoks NVP, khususnya pada vanadium (V). Mekanisme redoks NVP dapat dipelajari dari momen magnetisasi atom V dan panjang ikatannya dengan oksigen (V – O) pada berbagai konsentrasi ion natrium dalam NaxVP. Hasil yang menggunakan PBE dan PBEsol kembali memberikan nilai yang berdekatan. Momen magnetisasi V senilai 2,2 ?B dalam Na4VP, 1,8 ?B dalam Na3VP, 1,4 ?B dalam Na2VP, dan 1,0 ?B dalam Na1VP yang dihitung dengan menggunakan DFT. Panjang ikatan V – O adalah 2,01 – 2,09 Å untuk Na4VP, 1,93 – 2,10 Å untuk Na3VP, 1,86 – 2,03 Å untuk Na2VP, dan 1,85 – 1,96 Å untuk Na1VP. Nilai-nilai tersebut bersesuaian dengan hasil yang dilaporkan penelitian terdahulu pada konsentrasi Na1VP dan Na3VP. Namun, fenomena redoks pada konsentrasi Na2VP dan Na4VP belum secara akurat digambarkan. Pada kedua konsentrasi tersebut, atom-atom V membentuk lebih dari satu buah bilangan oksidasi (Na2V3+V4+P dan Na4V2+V3+P) dalam struktur kristal agar memenuhi syarat stoikiometri senyawa. Oleh karena itu, perhitungan yang hanya menggunakan PBE dan PBEsol dapat memberikan gambaran yang baik mengenai properti fisis dan elektrokimia NVP, namun terdapat beberapa ketidakakuratan. Hal ini kemungkinan besar disebabkan karena PBE dan PBEsol kurang memperhitungkan elektron terlokalisasi dan sistem elektronik yang berkorelasi kuat. Maka untuk memperbaiki akurasi kalkulasi struktur elektronik material, penelitian selanjutnya perlu menggunakan fungsional korelasi pertukaran yang akurat memperhitungkan lokalisasi elektron, seperti menggunakan koreksi Hubbard atau metode DFT+U.