Perpustakaan Digital ITB

Baterai ion litium merupakan salah satu teknologi penyimpanan energi yang penting dalam mendukung kebutuhan energi modern, khususnya untuk aplikasi perangkat elektronik portabel dan kendaraan listrik. Peningkatan kebutuhan akan densitas energi yang lebih tinggi mendorong pengembangan material katode dengan performa lebih baik. Namun, katode komersial berbasis Li[NixCoyMn1?x?y]O2 (NCM) dan Li[NixCoyAl1?x?y]O2 (NCA) masih bergantung pada unsur kobalt yang mahal dan terbatas. LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) merupakan salah satu kandidat katode bebas kobalt yang menjanjikan karena memiliki tegangan kerja tinggi sekitar 4,7 V (vs. Li/Li+), kapasitas teoritis sekitar 147 mAh g-1, dan jalur difusi ion Li+ tiga dimensi yang mendukung kinerja fast charging. Namun, implementasi katode LNMO dalam aplikasi komersial masih menghadapi tantangan, terutama terkait stabilitas siklus yang rendah akibat efek Jahn-Teller yang berasal dari keberadaan Mn3+, pelarutan logam transisi, dan reaksi antarmuka elektrode-elektrolit pada tegangan tinggi. Kinerja elektrokimia sangat bergantung pada morfologi dan struktur kristalnya. Partikel berukuran nano dapat memperpendek jalur difusi ion litium sehingga meningkatkan performa laju, tetapi cenderung mempercepat reaksi samping dengan elektrolit. Sedangkan partikel berukuran mikrometer dapat meningkatkan stabilitas antarmuka, namun memiliki keterbatasan pada transport ion. Pendekatan morfologi hierarkis menjadi strategi efektif karena partikel primer yang berukuran nano dapat mempercepat difusi ion Li,sementara agregasi partikel sekunder meningkatkan densitas volumetrik dan stabilitas struktur. Di sisi lain, struktur kristal LNMO terdiri dari fasa ordered (teratur, P4332) dan fasa disordered (tidak teratur, Fd-3m). Fasa disordered umumnya lebih menguntungkan karena dapat meningkatkan konduktivitas elektronik dan difusi ion litium. Namun, peningkatan Mn3+ dapat menyebabkan reaksi disproporsionasi dan efek Jahn-Teller yang menurunkan stabilitas struktur. Pengendalian fasa ordered-disordered menjadi penting dalam optimasi kinerja LNMO. Dalam penelitian ini, peningkatan performa elektrokimia katode LNMO untuk aplikasi baterai ion litium dilakukan melalui modifikasi morfologi bulat hierarkis menggunakan metode kopresipitasi serta pengendalian fasa melalui variasi laju pendinginan selama proses perlakuan panas. Hasil karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) melaporkan bahwa seluruh sampel didominasi oleh struktur ii spinel LNMO dengan grup ruang Fd-3m. Terdapat impuritas rock-salt fasa LixNi1-xO yang berada pada puncak 2? = 37,83° dan 43,61° serta impuritas fasa Na0,7MnO2,05 pada 2? = 15,82°. Hasil Rietveld refinement mengonfirmasi bahwa seluruh sampel memiliki dominasi fasa disordered, dengan derajat disordered yang meningkat seiring peningkatan laju pendinginan. Analisis rasio intensitas puncak bidang (111)/(311) dan (311)/(400) LNMO-5 memiliki nilai tertinggi yang mengindikasikan struktur spinel semakin ideal dan stabilitas yang lebih baik. Hasil Scanning Electron Microscopy (SEM) menunjukkan bahwa material LNMO yang dihasilkan pada penelitian ini memiliki morfologi bulat hierarkis mikro-nano dengan ukuran partikel sekitar 1,4-2,8 ?m. Semakin lambat laju pendinginan menghasilkan ukuran partikel yang lebih besar. Hasil pengujian Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) menunjukkan bahwa LNMO-5 memiliki resistansi transfer muatan (RCT) terendah yang mengindikasikan kinetika elektrokimia yang paling baik. Pengujian charge-discharge pada densitas arus 0,1 C menunjukkan bahwa seluruh sampel memiliki struktur Fd-3m yang ditandai dengan adanya redoks Mn3+/Mn4+ dan pemisahan plateau redoks Ni2+/Ni3+ dan Ni3+/Ni4+. Kontribusi aktif redoks Mn menunjukkan peningkatan seiring meningkatnya laju pendinginan. Peningkatan ini mengindikasikan bertambahnya kandungan Mn3+ dalam struktur yang berkorelasi dengan meningkatnya derajat struktur disordered. LNMO-5 memiliki kapasitas spesifik (117,99 mAh g-1) dan efisiensi Coulombic (94,66%) tertinggi daripada LNMO-3 dan LNMO-7. Selain itu, LNMO-5 performa rate capability tertinggi, serta stabilitas terbaik yang mampu mempertahankan 98,20% kapasitas setelah 200 siklus. Hasil ini menunjukkan bahwa kombinasi optimal antara derajat fasa disordered yang terkontrol dan morfologi hierarkis yang mampu mendukung transportasi ion, menurunkan resistansi dan meningkatkan stabilitas siklus LNMO.