Studi Difusi Vakansi Oksigen Pada Material Katoda Berbasis LiNiO2

SIGNAL: Research

Artikel Resume Tugas Akhir oleh Erlant Muhammad Khalfani [1]

 

DISCLAIMER :

Artikel ini dibuat berdasarkan Tugas Akhir [1] oleh Erlant Muhammad Khalfani (13317025) mahasiswa Teknik Fisika Institut Teknologi Bandung dengan dosen pembimbing Dr. Ir. Mohamad Kemal Agusta, S.T., M.Eng. dan Ganes Shukri S.T., M.T., Ph.D. dan sudah diberikan izin untuk diterbitkan.

 

1. Apa Vakansi Oksigen Itu?

Suatu material tentunya terdiri dari struktur yang dibentuk oleh ikatan-ikatan antar atom. Pada beberapa jenis material seperti kristal dan logam, ikatan atom-atom tersebut membentuk suatu pola yang berulang. Contohnya, logam LNO (Lithium Nickel Oxide) memiliki struktur yang dibentuk oleh susunan berulang sel primitif LiNiO2 ( Gambar 1 ). Ketika sebuah atom dihilangkan dari struktur berpola tersebut, kecacatan atom yang hilang itu disebut sebagai vakansi. Apabila atom yang hilang adalah oksigen, itulah yang dinamakan vakansi oksigen.

A picture containing outdoor, green, group

Description automatically generated A picture containing indoor, red, plant, wood

Description automatically generated

Gambar 1 Struktur LNO (kiri) dan sel primitifnya (kanan)

2. Mengapa Difusi Vakansi Oksigen?

Sebelum itu, kita harus tahu terlebih dahulu material apa yang dibicarakan. Logam LNO adalah material alternatif untuk bahan katoda pada baterai ion Litium. Prinsip kerja dari baterai ion Litium adalah ion Litium yang dapat berpindah dari anoda ke katoda dan sebaliknya. Perpindahan ion Litium ini disertai oleh perpindahan elektron bebas sebagai aliran listrik. Peristiwa inilah yang menyebabkan baterai menghasilkan listrik ataupun menyimpan energi ketika diberikan aliran listrik.

Tentunya kita tahu apabila baterai terus digunakan, performa baterai tersebut akan terus menurun. Salah satu penyebabnya adalah terbentuknya retakan-retakan mikro (microcracking) pada katoda yang membuat kapasitas baterai menurun. Namun, bagaimana retakan mikro dapat terbentuk? Berbagai studi menemukan bahwa retakan terjadi akibat atom-atom oksigen yang hilang pada pola struktur dan menyebabkan struktur terputus [2]. Hal ini terjadi akibat vakansi oksigen yang tercipta pada suhu tinggi. Vakansi-vakansi oksigen ini kemudian bergerak sepanjang struktur dan berkumpul di suatu tempat, yang kemudian menyebabkan retakan mikro tersebut [3]. Peristiwa pergerakan tersebut disebut sebagai difusi. Oleh karena itu, difusi vakansi oksigen, yang berarti pergerakan dari ruang kosong akibat atom oksigen yang hilang, penting untuk dipelajari. Dengan mengetahui mekanisme difusi vakansi oksigen tersebut, kita dapat memperoleh insight bagaimana untuk mencegah hal tersebut.

3. Apa yang Ditemukan?

Pada riset yang dilakukan Erlant Muhammad Khalfani, mekanisme difusi vakansi oksigen dipelajari dengan simulasi komputer menggunakan teori fungsional kerapatan ( Density Functional Theory ). Energi ground-state suatu sistem dapat dihitung menggunakan prinsip variasional fungsional energi melalui skema Self-Consistent Field (SCF) Kohn-Sham [4]. Dengan melihat perubahan energi sistem, energi aktivasi dari suatu proses atau reaksi dapat diperoleh.

Pada riset ini, Erlant melakukan perhitungan untuk proses/reaksi pembentukan vakansi oksigen serta difusi vakansi https://transparentpharmacy.net/ oksigen pada berbagai arah di material LNO. Erlant juga meneliti dampak dari penambahan ion Litium atau disebut Li-excess terhadap mekanisme difusi vakansi oksigen Penambahan ion Litium tersebut adalah teknik yang sedang banyak diteliti karena dapat menambah kapasitas energi baterai, akibat jumlah ion yang semakin banyak serta reaksi redoks anionik yang terjadi [5].

Erlant menemukan bahwa pembentukan vakansi oksigen lebih mudah terjadi pada LNO dengan Li-excess . Vakansi oksigen juga didapatkan lebih mudah terjadi apabila katoda mengalami delitiasi, yaitu ekstraksi ion-ion Litium dari katoda Difusi vakansi oksigen pada LNO dengan Li-excess memiliki energi aktivasi lebih tinggi dibandingkan LNO tanpa Li-excess. Walau begitu, preferensi arah difusi vakansi oksigen pada LNO dengan dan tanpa Li-excess diperoleh sama yaitu pada arah sejajar bidang basal ( Gambar 2 ). Hal ini sama seperti apa yang ditemukan studi lain pada LiMn2O4 [3].

A picture containing indoor, red

Description automatically generated A picture containing indoor, plant, several

Description automatically generated

Gambar 2 Jalur-jalur difusi vakansi oksigen (biru) pada LNO tanpa cacat (kiri) dan dengan cacat akibat Li-excess (kanan). Bidang basal ditunjukkan oleh garis (003).

4. Apa INSIGHT yang Diperoleh?

Penambahan ion Litium walau dapat meningkatkan kapasitas baterai akan membuat baterai lebih mudah terdegradasi . Hal ini akibat Li-excess membuat vakansi oksigen lebih mudah terjadi dan mempermudah terbentuknya retakan mikro pada katoda.

Vakansi oksigen lebih mudah terjadi ketika katoda mengalami delitiasi. Proses delitiasi ini terjadi ketika baterai kosong diisi oleh energi listrik (charging) . Hal ini berarti baterai yang terisi akan lebih mudah terdegradasi akibat retakan mikro dibandingkan baterai kosong.

Retakan mikro akibat difusi vakansi oksigen terkondensasi paling mungkin terjadi sepanjang arah bidang basal struktur katoda. Kecacatan domain lokal akibat penambahan ion Litium mempermudah terbentuknya vakansi oksigen, namun membuat difusi vakansi oksigen lebih sulit terjadi. Hal ini menjadi insight bahwa kecacatan yang direkayasa (misalnya dengan doping) dapat mencegah difusi vakansi oksigen, serta mungkin juga mencegah pembentukan vakansi. Doping dapat menjadi solusi untuk mencegah retakan mikro pada katoda LNO.

5. Referensi Terkait

[1] E. M. Khalfani, “Studi Difusi Vakansi Oksigen Pada Material Katoda Berbasis LiNiO2,” Institut Teknologi Bandung, 2021.

[2] H. Zhang et al. , “Rock-Salt Growth-Induced (003) Cracking in a Layered Positive Electrode for Li-Ion Batteries,” ACS Energy Letters , vol. 2, no. 11, pp. 2607–2615, 2017, doi: 10.1021/acsenergylett.7b00907.

[3] S. Lee et al. , “Oxygen Vacancy Diffusion and Condensation in Lithium-Ion Battery Cathode Materials,” Angewandte Chemie International Edition , vol. 58, no. 31, pp. 10478–10485, 2019, doi: https://doi.org/10.1002/anie.201904469.

[4] W. Kohn and L. J. Sham, “Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects,” Phys. Rev. , vol. 140, no. 4A, pp. A1133--A1138, Nov. 1965, doi: 10.1103/PhysRev.140.A1133.

[5] M. Okubo and A. Yamada, “Molecular Orbital Principles of Oxygen-Redox Battery Electrodes,” ACS Applied Materials & Interfaces , vol. 9, no. 42, pp. 36463–36472, Oct. 2017, doi: 10.1021/acsami.7b09835.

 

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *