Baterai lithium-ion atau baterai Li-ion (disingkat LIB) adalah jenis baterai isi ulang.Baterai lithium-ion biasanya digunakan untuk elektronik portabel dan kendaraan listrik dan semakin populer untuk aplikasi militer dan luar angkasa.Sebuah prototipe baterai Li-ion dikembangkan oleh Akira Yoshino pada tahun 1985, berdasarkan penelitian sebelumnya oleh John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami dan Koichi Mizushima selama tahun 1970-1980-an, dan kemudian baterai Li-ion komersial dikembangkan oleh Tim Sony dan Asahi Kasei yang dipimpin oleh Yoshio Nishi pada tahun 1991. Pada tahun 2019, Hadiah Nobel Kimia diberikan kepada Yoshino, Goodenough, dan Whittingham “untuk pengembangan baterai lithium ion”.

Dalam baterai, ion litium bergerak dari elektroda negatif melalui elektrolit ke elektroda positif selama pelepasan, dan kembali saat pengisian.Baterai Li-ion menggunakan senyawa lithium interkalasi sebagai bahan pada elektroda positif dan biasanya grafit pada elektroda negatif.Baterai memiliki kepadatan energi yang tinggi, tidak ada efek memori (selain sel LFP) dan self-discharge rendah.Namun mereka dapat menjadi bahaya keamanan karena mengandung elektrolit yang mudah terbakar, dan jika rusak atau salah diisi dapat menyebabkan ledakan dan kebakaran.Samsung terpaksa menarik kembali handset Galaxy Note 7 setelah kebakaran lithium-ion, dan ada beberapa insiden yang melibatkan baterai pada Boeing 787.

Karakteristik kimia, kinerja, biaya, dan keamanan bervariasi di berbagai jenis LIB.Elektronik genggam kebanyakan menggunakan baterai lithium polimer (dengan gel polimer sebagai elektrolit) dengan lithium cobalt oxide (LiCoO2) sebagai bahan katoda, yang menawarkan kepadatan energi tinggi, tetapi menghadirkan risiko keamanan, terutama ketika rusak.Litium besi fosfat (LiFePO4), litium mangan oksida (LiMn2O4, Li2MnO3, atau LMO), dan litium nikel mangan kobalt oksida (LiNiMnCoO2 atau NMC) menawarkan densitas energi yang lebih rendah tetapi masa pakai yang lebih lama dan kemungkinan kebakaran atau ledakan yang lebih kecil.Baterai semacam itu banyak digunakan untuk peralatan listrik, peralatan medis, dan peran lainnya.NMC dan turunannya banyak digunakan pada kendaraan listrik.

Area penelitian untuk baterai lithium-ion termasuk memperpanjang masa pakai, meningkatkan kepadatan energi, meningkatkan keamanan, mengurangi biaya, dan meningkatkan kecepatan pengisian, antara lain.Penelitian telah dilakukan di bidang elektrolit yang tidak mudah terbakar sebagai jalur untuk meningkatkan keamanan berdasarkan sifat mudah terbakar dan volatilitas pelarut organik yang digunakan dalam elektrolit tipikal.Strategi termasuk baterai lithium-ion berair, elektrolit padat keramik, elektrolit polimer, cairan ionik, dan sistem fluorinasi berat.

Baterai versus sel

Sel adalah unit elektrokimia dasar yang mengandung elektroda, pemisah, dan elektrolit.

Baterai atau baterai adalah kumpulan sel atau rakitan sel, dengan rumah, sambungan listrik, dan mungkin elektronik untuk kontrol dan perlindungan.

Elektroda anoda dan katoda
Untuk sel yang dapat diisi ulang, istilah anoda (atau elektroda negatif) menunjukkan elektroda tempat oksidasi berlangsung selama siklus pelepasan;elektroda lainnya adalah katoda (atau elektroda positif).Selama siklus pengisian, elektroda positif menjadi anoda dan elektroda negatif menjadi katoda.Untuk sebagian besar sel lithium-ion, elektroda lithium-oksida adalah elektroda positif;untuk sel lithium-ion titanat (LTO), elektroda lithium-oksida adalah elektroda negatif.

Sejarah

Latar belakang

Baterai lithium-ion Varta, Museum Autovision, Altlussheim, Jerman
Baterai lithium diusulkan oleh ahli kimia Inggris dan penerima hadiah Nobel 2019 untuk kimia M. Stanley Whittingham, sekarang di Binghamton University, saat bekerja untuk Exxon pada 1970-an.Whittingham menggunakan titanium(IV) sulfida dan logam litium sebagai elektroda.Namun, baterai lithium yang dapat diisi ulang ini tidak pernah bisa dibuat praktis.Titanium disulfida adalah pilihan yang buruk, karena harus disintesis dalam kondisi tertutup rapat, juga cukup mahal (~$1.000 per kilogram untuk bahan baku titanium disulfida pada 1970-an).Ketika terkena udara, titanium disulfida bereaksi membentuk senyawa hidrogen sulfida, yang memiliki bau yang tidak sedap dan beracun bagi sebagian besar hewan.Untuk ini, dan alasan lainnya, Exxon menghentikan pengembangan baterai lithium-titanium disulfide milik Whittingham.[28]Baterai dengan elektroda litium logam menimbulkan masalah keamanan, karena logam litium bereaksi dengan air, melepaskan gas hidrogen yang mudah terbakar.Akibatnya, penelitian bergerak untuk mengembangkan baterai di mana, alih-alih lithium logam, hanya senyawa lithium yang ada, yang mampu menerima dan melepaskan ion lithium.

Interkalasi reversibel dalam grafit dan interkalasi menjadi oksida katodik ditemukan selama 1974–76 oleh JO Besenhard di TU Munich.Besenhard mengusulkan penerapannya dalam sel lithium.Dekomposisi elektrolit dan ko-interkalasi pelarut menjadi grafit adalah kelemahan awal yang parah untuk masa pakai baterai.

Perkembangan

1973 - Adam Heller mengusulkan baterai lithium tionil klorida, masih digunakan dalam perangkat medis implan dan dalam sistem pertahanan di mana masa simpan lebih dari 20 tahun, kepadatan energi yang tinggi, dan / atau toleransi untuk suhu operasi yang ekstrim diperlukan.
1977 - Samar Basu mendemonstrasikan interkalasi elektrokimia lithium dalam grafit di University of Pennsylvania.Hal ini menyebabkan pengembangan elektroda grafit interkalasi lithium yang dapat diterapkan di Bell Labs (LiC6) untuk memberikan alternatif baterai elektroda logam lithium.
1979 - Bekerja dalam kelompok terpisah, Ned A. Godshall et al., dan, tak lama kemudian, John B. Goodenough (Oxford University) dan Koichi Mizushima (Tokyo University), mendemonstrasikan sel lithium yang dapat diisi ulang dengan tegangan dalam kisaran 4 V menggunakan lithium kobalt dioksida (LiCoO2) sebagai elektroda positif dan logam lithium sebagai elektroda negatif.Inovasi ini menyediakan bahan elektroda positif yang memungkinkan baterai lithium komersial awal.LiCoO2 merupakan bahan elektroda positif stabil yang berperan sebagai donor ion litium, artinya dapat digunakan dengan bahan elektroda negatif selain logam litium.Dengan memungkinkan penggunaan bahan elektroda negatif yang stabil dan mudah ditangani, LiCoO2 mengaktifkan sistem baterai isi ulang baru.Insya Allah dkk.selanjutnya mengidentifikasi nilai yang sama dari senyawa terner oksida logam transisi litium seperti spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8, dan LiFe5O4 (dan kemudian bahan katoda litium-tembaga-oksida dan litium-nikel-oksida pada tahun 1985)
1980 - Rachid Yazami mendemonstrasikan interkalasi elektrokimia reversibel lithium dalam grafit, dan menemukan elektroda grafit lithium (anoda).Elektrolit organik yang tersedia pada saat itu akan terurai selama pengisian dengan elektroda negatif grafit.Yazami menggunakan elektrolit padat untuk menunjukkan bahwa litium dapat diselingi secara reversibel dalam grafit melalui mekanisme elektrokimia.Pada 2011, elektroda grafit Yazami adalah elektroda yang paling umum digunakan dalam baterai lithium-ion komersial.
Elektroda negatif berasal dari PAS (bahan semikonduktif poliasenik) yang ditemukan oleh Tokio Yamabe dan kemudian oleh Shjzukuni Yata pada awal 1980-an.Benih dari teknologi ini adalah penemuan polimer konduktif oleh Profesor Hideki Shirakawa dan kelompoknya, dan juga dapat dilihat sebagai awal dari baterai lithium ion poliasetilen yang dikembangkan oleh Alan MacDiarmid dan Alan J. Heeger et al.
1982 – Godshall dkk.dianugerahi US Patent 4.340.652 untuk penggunaan LiCoO2 sebagai katoda dalam baterai lithium, berdasarkan Godshall's Stanford University Ph.D.disertasi dan publikasi 1979.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David, dan John Goodenough mengembangkan spinel mangan sebagai bahan katoda bermuatan yang relevan secara komersial untuk baterai lithium-ion.
1985 - Akira Yoshino merakit sel prototipe menggunakan bahan karbon di mana ion litium dapat dimasukkan sebagai satu elektroda, dan litium kobalt oksida (LiCoO2) sebagai elektroda lainnya.Ini secara dramatis meningkatkan keamanan.LiCoO2 memungkinkan produksi skala industri dan mengaktifkan baterai lithium-ion komersial.
1989 - Arumugam Manthiram dan John B. Goodenough menemukan kelas polianion katoda.Mereka menunjukkan bahwa elektroda positif yang mengandung polianion, misalnya sulfat, menghasilkan tegangan yang lebih tinggi daripada oksida karena efek induktif dari polianion.Kelas polianion ini mengandung bahan seperti lithium besi fosfat.

< bersambung…>