Separator Baterai Ion Litium

Composite electrolyte membranes incorporating viscous copolymers with cellulose for high performance lithium-ion batteries

Jinfang Zhang et al. (State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, China

Pendahuluan

Baterai ion litium (Lithium-ion batteries, LIB), yang memiliki kapasitas spesifik dan kinerja siklus yang tinggi jika dibandingkan dengan teknologi baterai yang lainnya, telah digunakan dalam perangkat portable dan peralatan elektrik yang beragam, dan diharapkan menjadi sumber energi yang utama dalam bidang  transportasi dan perangkat penyimpan energi. Dalam menghadapi permintaan yang meningkat, material elektrolit canggih, yang memberikan konduktivitas ion yang tinggi, keamanan yang baik dan sifat mekanik serta kontak/adesi yang sempurna dari elektroda sangat dibutuhkan. Elektrolit organik, dengan kontak antar-muka yang sempurna dengan elektroda dan kinerja elektrokimia sangat memungkinkan untuk aplikasi praktis, akan tetapi, keamanan menjadi perhatian utama dikarenakan kebocoran dan sifat mudah terbakar dari elektrolit organik yang volatil tersebut pada suhu tinggi (>60 derajat Celsius). Pada saat ini, elektrolit polimer padatan (Solid Polymer Electrolytes, SPEs) untuk LIBs menarik perhatian dikarenakan peningkatan keamanan pada suhu tinggi. Akan tetapi, konduktivitas ion rendah dan kontak antar-muka yang rendah antara elektrolit padatan dan material elektroda membatasi penggunaan SPEs secara praktis untuk LIBs.

PEO dan Turunannya

Perbaikan yang dilakukan terhadap SPEs untuk LIBs terutama berfokus pada konduktivitas ion tinggi. Banyak riset mempelajari SPEs berbasis poli(etilena oksida) (PEO) dan turunannya, diketahui sebagai representatif yang tipikal terhadap matriks polimer SPEs, dikarenakan kemampuannya untuk melarutkan garam litium dan fleksibilitas segmen yang tinggi dalam transport ion di dalam fasa amorf. Akan tetapi, penggunaan elektrolit berbasis PEO murni dibatasi oleh konduktivitas ion yang rendah (10^-8 - 10^-7 S cm^-1) karena kecenderungan mengalami kristalisasi pada suhu di bawah 65 derajat Celsius. Modifikasi struktur PEO menggunakan metode cross-linking dan co-polimerization (block atau graft copolymer), seperti menambangkan gugus polar (akrilonitril, uretan, amida, maleat anhidrat) ke dalam matriks PEO, merupakan strategi yang umum untuk menekan kristalisasi PEO. Maleat anhidrat ditambahkan ke dalam elektrolit berbasis PEO sebagai gugus polar untuk membentuk elektrolit polimer padatan berbentuk seperti sisir (comb-like) dengan konduktivitas ion ~10^-4 S cm^-1 pada suhu 90 derajat Celcius, menunjukkan bahwa jenis elektrolit polimer ini dapat digunakan pada suhu tinggi. Namun, gerakan segmen EO dihalangi oleh gaya Van der Waals antara segemn EO dan unit polar, yang tidak baik dalam menurunkan kristalisasi segmen EO. Oleh karena itu, unit non-polar yang besar, seperti rantai hidrokarbon, diharapkan memperlemah gaya Van der Waals dan memecah keteraturan rantai EO. Unit non-polar yang besar dapat meningkatkan volume bebas unit EO, meningkatkan pergerakan segmen EO yang menyediakan ruang (saluran) untuk transportasi ion litium dan pada gilirannya meningkatkan konduktivitas ion elektrolit polimer. 

Hal yang sangat penting berkaitan dengan SPEs, adalah faktor yang mempengaruhi kinerja elektrokimia dari LIBs adalah lemahnya hubungan antar-muka elektroda/elektrolit. Karena antar-muka elektroda/elektrolit merupakan hubungan padatan/padatan non-fluida (tidak mengalir), yakni SPEs tidak dapat sepenuhnya meresap material elektroda, seperti elektrolit cair, sehingga penurunan siklus elektrokimia dalam LIBs padatan menjadi jelas. Usaha-usaha yang telah dilakukan untuk mengurangi kestabilan antar-muka, antara lain penambahan atau grafting sejumlah besar serbuk keramik (SiO2, AL2O3, ZnO, CeO, ZnAl2O4 ke dalam SPEs.  Namun, kemampuan laju dan kinerja siklus jangka panjang dari LIBs tidak  dapat ditingkatkan karena keterbatasan intrinsik dari hubungan padatan/padatan non-fluida masih tersisa. Oleh karena itu, memperbaiki penampilan fisik SPEs menjadi lebih elastis atau lebih kental untuk mempertahankan hubungan yang seragam dengan permukaan elektoda, menjadi cara yang lebih efektif untuk memperoleh antar-muka yang efektif dan stabil antara elektrolit dan elektroda untuk mencapai kemampuan laju yang meningkat dan meningkat kinerja siklus secara berkelanjutan.

Terinspirasi dari konsep ini, dikembangkan suatu membran elektrolit komposit (CEM) dengan menggabungkan kopolimer kental dengan selulosa untuk aplikasi baterai ion litium berkinerja tinggi. Kopolimer PEGMEM-co-SMA yang kental yang secara khusus didisain dengan menggabungkan bagian sekunder, SMA, dengan gugus non-polar bulki dan C18, yang dapat menekan kecenderungan pengkristalan melalui pembuatan defect pada fasa kritalisasi PEO dan mempercepat pergerakan segmen EO. Pada suhu di atas titik leleh (31,98 - 35.71 derajat Celsius), kopolimer PEGMEM-co-SMA menampilkan keadaan aliran kental yang menguntungkan untuk mempertanhankan hubungan antar-muka dengan elektroda, seperti halnya pada elektrolit cairan. Dalam memastikan kestabilan demensional dari kopolimer untuk memisahkan katoda dari anoda, berbagai macam matriks selulosa digunakan untuk meningkatkan sifat mekanik dari polimer. Dalam penelitian ini lembaran selulosa NKK TF40 dipilih untuk ditambahkan pada kopolimer PEGMEM-co-SMA dan LiTFSI untuk membentuk membran elektrolit komposit kopolimer/selulosa kental. Hasil peneltian menunjukkan membran elektrolit komposit tidak hanya menunjukkan kestabilan termal yang tinggi dan kondukstivitas ion yang baik, tetapi juga memberikan hubungan antar-muka yang sempurna terhadap elektroda litium dan kinerja siklik yang baik dan LIBs.