Bayangkan mengisi daya kendaraan listrik Anda hanya dalam lima menit. Bukan mimpi futuristik, melainkan target yang sedang dikejar para peneliti material baterai dunia. Di Departemen Teknik Metalurgi dan Material Universitas Indonesia, Dr. drg. Bambang Priyono, S.U. bersama timnya mempublikasikan temuan yang menjanjikan: material anoda baru berbasis lithium titanat yang dipadukan dengan timah dan karbon aktif mampu melampaui kapasitas teoritis bahan konvensional hingga 54 persen. Penelitian ini diterbitkan dalam International Journal of Technology pada 2019, menawarkan jawaban atas salah satu hambatan terbesar adopsi kendaraan listrik, yaitu lamanya waktu pengisian daya.
Masalah Lama di Balik Baterai Modern
Baterai lithium-ion sudah ada di mana-mana. Dari ponsel hingga mobil listrik, teknologi ini menjadi tulang punggung perangkat portabel masa kini. Namun ada satu titik lemah yang sulit diatasi: material anoda berbahan grafit yang selama ini digunakan memiliki potensi lithiasi rendah, rentan terhadap pelarut, dan tidak ideal untuk aplikasi daya tinggi.
Lithium titanat, atau Li₄Ti₅O₁₂, dikenal luas sebagai kandidat pengganti grafit. Material ini punya profil keamanan yang baik, tidak mengembang saat pengisian ulang (zero strain insertion material), dan mampu bekerja pada kondisi daya tinggi. Masalahnya, kapasitas spesifik teoritis LTO hanya 175 mAh/g, jauh di bawah grafit yang mencapai 372 mAh/g. Konduktivitas listriknya pun sangat rendah, sekitar 10⁻¹³ S/cm. Singkatnya: aman, tapi kurang bertenaga.
Solusi yang ditawarkan tim peneliti ini adalah menggabungkan LTO dengan serbuk timah (Sn) dan karbon aktif, membentuk komposit baru yang disebut LTO/Sn dan LTO/Sn@C.
Resep Komposit: Timah, Karbon, dan Sol-Gel
Proses sintesis dimulai dengan metode sol-gel untuk membuat xerogel TiO₂, yang kemudian dicampur dengan LiOH dan disintering pada suhu 750°C di bawah aliran argon. Hasilnya adalah serbuk LTO murni yang kemudian dicampur dengan serbuk timah melalui proses ball-milling. Untuk komposit LTO/Sn@C, karbon aktif ditambahkan sejak tahap awal preparasi xerogel agar distribusinya lebih merata.
Tim menguji enam variasi sampel: tiga variasi kadar timah (5, 7,5, dan 12,5 persen berat) tanpa karbon, serta tiga variasi kadar karbon aktif (5, 15, dan 25 persen berat) dengan kadar timah tetap 7,5 persen berat.
Karakterisasi dilakukan secara menyeluruh menggunakan difraksi sinar-X (XRD) untuk mengidentifikasi struktur fase, pemindaian mikroskop elektron (SEM) untuk morfologi partikel, pengukuran luas permukaan BET, serta pengujian elektrokimia melalui spektroskopi impedansi (EIS), voltametri siklik (CV), dan uji charge-discharge.
Salah satu temuan menarik dari analisis XRD adalah peran karbon aktif dalam menstabilkan fase anatase TiO₂. Tanpa karbon, TiO₂ anatase berubah menjadi rutile setelah sintering pada 750°C. Dengan penambahan karbon, fase anatase tetap stabil. Ini bukan sekadar catatan struktural, karena stabilitas fase berdampak langsung pada performa elektrokimia material.
Kapasitas Melonjak, Tantangan Tetap Ada
Hasil pengujian menunjukkan lonjakan kapasitas yang signifikan. Komposit LTO/Sn dengan kadar timah 12,5 persen berat mencapai kapasitas discharge sebesar 269,3 mAh/g. Sementara itu, komposit LTO/Sn@C dengan komposisi 7,5 persen berat timah dan 5 persen berat karbon aktif (sampel LSC-5) mencatat kapasitas tertinggi: 270,2 mAh/g, melampaui kapasitas teoritis LTO murni sebesar 54 persen.
Penambahan karbon aktif terbukti memperkecil ukuran partikel secara signifikan, dari rata-rata 1,267 mikrometer pada sampel LTO/Sn tanpa karbon menjadi 0,140 mikrometer pada sampel dengan 25 persen berat karbon. Partikel yang lebih kecil berarti jarak tempuh ion lithium lebih pendek, sehingga proses pengisian dan pengosongan daya berjalan lebih cepat.
Namun ada kompromi yang harus diterima. Penambahan karbon aktif ternyata meningkatkan resistansi transfer muatan (Rct), bukan menurunkannya. Nilai Rct sampel LSC-5 mencapai 158,72 Ω, jauh lebih tinggi dibanding sampel LTO/Sn tanpa karbon. Para peneliti menduga hal ini berkaitan dengan struktur mikropori karbon yang justru menambah resistansi bulk. Karbon aktif membantu kapasitas melalui luas permukaan dan distribusi partikel, bukan melalui peningkatan konduktivitas.
“LTO dengan komposisi 7,5 persen berat Sn dan 5 persen berat karbon (LSC-5) menciptakan kondisi optimal untuk mencapai kapasitas spesifik 270,2 mAh/g, jauh lebih tinggi dari kapasitas teoritis LTO sebesar 175 mAh/g.”
Pada uji charge-discharge dengan laju tinggi hingga 12C, artinya proses pengisian selesai hanya dalam lima menit, semua sampel masih mampu mempertahankan performa. Sampel LSC-5 mencatat kapasitas tertinggi pada laju 12C dengan nilai 22,8 mAh/g, mengungguli semua variasi lainnya. Ini mengonfirmasi bahwa material ini memang dirancang untuk aplikasi daya tinggi.
Jalan Menuju Baterai yang Lebih Baik
Penelitian ini bukan tanpa tantangan. Para peneliti mengakui bahwa ketidakkonsistenan hasil sebagian disebabkan oleh pengotor dalam karbon aktif yang digunakan, termasuk kandungan abu yang menghambat aliran elektron. Ini menjadi catatan penting untuk penelitian lanjutan: kemurnian bahan baku karbon aktif perlu diperhatikan lebih serius.
Meski demikian, arah yang ditunjukkan penelitian ini jelas. Komposit LTO/Sn@C memiliki potensi nyata sebagai material anoda generasi berikutnya untuk baterai lithium-ion, terutama untuk aplikasi yang membutuhkan pengisian cepat dan keamanan tinggi seperti kendaraan listrik dan penyimpanan energi terbarukan.
Ketika dunia berlomba mempercepat transisi energi, kebutuhan akan baterai yang lebih aman, lebih cepat diisi, dan lebih berkapasitas tinggi bukan lagi sekadar keinginan. Penelitian seperti ini, yang dimulai dari laboratorium dengan serbuk timah dan karbon aktif, menjadi salah satu batu bata kecil yang membangun fondasi masa depan energi bersih.
Penulis: drg. Achmad Zam Zam Aghasy, M.Kes, Hazra Alifia Muharam
Foto: Freepik
Sumber DOI: https://dx.doi.org/10.14716/ijtech.v10i5.2563
