Baterai litium-udara

Baterai litium-udara (Li-udara) adalah sel elektrokimia logam-udara atau baterai kimia yang menggunakan oksidasi litium di anoda dan reduksi oksigen di katode untuk menginduksi arus istrik.

Memasangkan lithium dan oksigen secara teoritis dapat menyebabkan sel-sel elektrokimia dengan energi spesifik setinggi mungkin. Memang, energi spesifik teoritis dari baterai Li-udara yang merupakan larutan tidak berair, dalam kondisi terisi dengan produk Li₂O₂ dan tidak termasuk massa oksigen, adalah ~ 40,1 MJ/kg. Ini sebanding dengan energi spesifik teoritis dari bensin, ~ 45 MJ/kg.

Kemajuan elektrolit yang signifikan diperlukan untuk mengembangkan implementasi komersial. Empat pendekatan aktif: aprotik, berair, padat, dan campuran berair-aprotik.

Baterai logam-udara, khususnya seng-udara, telah mendapat perhatian karena berpotensi kerapatan energi yang tinggi. Kerapatan energi spesifik teoretis untuk baterai logam-udara lebih tinggi daripada metode berbasis ion. Baterai litium-udara secara teoritis dapat mencapai 3840 mA·h/g.

Penggerak pasar utama untuk baterai adalah sektor otomotif. Kerapatan energi bensin adalah sekitar 13 kW·h/kg, yang menghasilkan energi 1.7 kW·h/kg yang diberikan ke roda setelah mengalami kehilangan energi. Secara teoritis, litium-udara dapat mencapai 12 kW·h/kg (43,2 MJ/kg) tidak termasuk massa oksigen. Menghitung berat paket baterai lengkap (pembungkus, saluran udara, substrat litium), sementara litium saja sangat ringan, kepadatan energinya jauh lebih rendah.

Hingga 2016, baterai Li-udara berpotensi memiliki energi spesifik 5–15 kali dari baterai Li-ion.

Desain

Skema siklus pengisian dan pengosongan baterai litium-udara

Secara umum ion litium bergerak antara anode dan katode melintasi elektrolit. Dalam pelepasan, elektron mengikuti sirkuit eksternal untuk melakukan pekerjaan listrik dan ion litium bermigrasi ke katode. Selama pengisian pelat logam litium ke anode, membebaskan O₂ di katode. Kedua jenis baterai Li-O₂ yang berupa larutan tidak berair (dengan Li₂O₂ atau LiO₂ sebagai produk pelepasan) dan larutan berair (LiOH sebagai produk pelepasan) telah dipertimbangkan.

Anoda

Logam litium adalah material yang biasanya dipilih untuk anode. Di anode, gaya potensial elektrokimia memaksa litium untuk melepaskan elektronnya melalui oksidasi (tanpa melibatkan oksigen di katode). Setengah reaksinya adalah:

Li ⇌ Li⁺ + e⁻

Litium memiliki kapasitas spesifik yang terbilang tinggi (3840 mAh/g) jika dibandingkan dengan material logam-udara lainnya (820 mAh/g untuk Seng, 2965 mAh/g untuk aluminium). Beberapa masalah memengaruhi sel seperti itu. Tantangan utama dalam pengembangan anode adalah mencegah anodanya bereaksi dengan elektrolit. Alternatif lain termasuk material elektrolit baru atau merancang ulang antarmuka antara elektrolit dan anode. Anode litium memiliki risiko penimbunan dendrit litium yang mengurangi kapasitas energi atau memicu hubungan arus pendek. Efek dari ukuran pori-pori dan distribusinya masih belum begitu dipahami.

Referensi

1. Badwal, Sukhvinder P. S.; Giddey, Sarbjit S.; Munnings, Christopher; Bhatt, Anand I.; Hollenkamp, Anthony F. (24 September 2014). "Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies". Frontiers in Chemistry. 2: 79. doi:10.3389/fchem.2014.00079. PMC 4174133. PMID 25309898.
2. "Energy Density of Gasoline - The Physics Factbook". hypertextbook.com. Diakses tanggal 2019-07-07. 
3. Christensen, J.; Albertus, P.; Sanchez-Carrera, R. S.; Lohmann, T.; Kozinsky, B.; Liedtke, R.; Ahmed, J.; Kojic, A. (2012). "A Critical Review of Li–Air Batteries". Journal of the Electrochemical Society. 159 (2): R1. doi:10.1149/2.086202jes.
4. Younesi, Reza; Veith, Gabriel M.; Johansson, Patrik; Edström, Kristina; Vegge, Tejs (2015). "Lithium salts for advanced lithium batteries: Li–metal, Li–O 2, and Li–S". Energy Environ. Sci. 8 (7): 1905–1922. doi:10.1039/c5ee01215e.
5. Ogasawara, T.; Débart, A. L.; Holzapfel, M.; Novák, P.; Bruce, P. G. (2006). "Rechargeable Li2O2Electrode for Lithium Batteries". Journal of the American Chemical Society. 128 (4): 1390–1393. doi:10.1021/ja056811q. PMID 16433559.
6. Debart, A; Bao, J; et al. (2008). "α-MnO
   ₂ Nanowires: A Catalyst for theO
   ₂ Electrode in Rechargeable Lithium Batteries". Angew. Chem. 47 (24): 4521–4524. doi:10.1002/anie.200705648. PMID 18461594.
7. He, P.; Wang, Y.; Zhou, H. (2010). "A Li–air fuel cell with recycle aqueous electrolyte for improved stability". Electrochemistry Communications. 12 (12): 1686–1689. doi:10.1016/j.elecom.2010.09.025.
8. Kumar, B.; Kumar, J.; Leese, R.; Fellner, J. P.; Rodrigues, S. J.; Abraham, K. M. (2010). "A Solid-State, Rechargeable, Long Cycle Life Lithium–Air Battery". Journal of the Electrochemical Society. 157: A50. doi:10.1149/1.3256129.
9. Wang, Yonggang (2010). "A lithium–air battery with a potential to continuously reduce O2 from air for delivering energy". Journal of Power Sources. 195 (1): 358–361. doi:10.1016/j.jpowsour.2009.06.109.
10. Kumar, B.; Kumar, J. (2010). "Cathodes for Solid-State Lithium–Oxygen Cells: Roles of Nasicon Glass-Ceramics". Journal of the Electrochemical Society. 157 (5): A611. doi:10.1149/1.3356988.
11. Girishkumar, G.; McCloskey, B.; Luntz, A. C.; Swanson, S.; Wilcke, W. (2010). "Lithium−Air Battery: Promise and Challenges". The Journal of Physical Chemistry Letters. 1 (14): 2193–2203. doi:10.1021/jz1005384.
12. Ed. Jurgen O. Besenhard, Handbook of Battery Materials, New Your, Wiley-VCH, 1999, ISBN 3-527-29469-4.
13. Xu, K. (2004). "Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium-Based Rechargeable Batteries". Chemical Reviews. 104 (10): 4303–417. doi:10.1021/cr030203g. PMID 15669157.
14. McCloskey, Burke et al. 2015
15. Balaish, Kraytsberg, et al. 2014
16. Imanishi and Yamamoto 2014
17. Winter, Martin; Brodd, Ralph J. (2004-10-01). "What Are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors?". Chemical Reviews. 104 (10): 4245–4270. doi:10.1021/cr020730k. ISSN 0009-2665. 
18. Kraytsberg, Alexander; Ein-Eli, Yair (2011-2). "Review on Li–air batteries—Opportunities, limitations and perspective". Journal of Power Sources (dalam bahasa Inggris). 196 (3): 886–893. doi:10.1016/j.jpowsour.2010.09.031.  Periksa nilai tanggal di: |date= (bantuan)
19. Tikekar, Mukul D.; Choudhury, Snehashis; Tu, Zhengyuan; Archer, Lynden A. (2016-9). "Design principles for electrolytes and interfaces for stable lithium-metal batteries". Nature Energy (dalam bahasa Inggris). 1 (9). doi:10.1038/nenergy.2016.114. ISSN 2058-7546.  Periksa nilai tanggal di: |date= (bantuan)