Sebuah pertanyaan sederhana mendorong sekelompok peneliti dari Universitas Indonesia untuk masuk ke dunia yang tak kasat mata: bagaimana cara membuat baterai kendaraan listrik lebih aman, lebih tahan lama, dan lebih efisien? Jawaban mereka tersimpan dalam serbuk putih berukuran nanometer yang bernama lithium titanat, atau disingkat LTO. Penelitian yang dipublikasikan dalam Jurnal Sains Materi Indonesia pada Oktober 2015 ini dipimpin oleh Dr. drg. Bambang Priyono, S.U. bersama tim dari Departemen Teknik Metalurgi dan Material Fakultas Teknik Universitas Indonesia, dan berhasil mensintesis LTO dengan ukuran kristalit di bawah 100 nanometer — target yang sejak awal menjadi tujuan utama riset ini.
Mengapa Ukuran Partikel Sepenting Itu?
Baterai lithium ion sudah ada di mana-mana: dari ponsel pintar hingga mobil listrik. Namun tidak semua komponen baterai itu sama. Bagian yang disebut anoda, yaitu elektroda negatif yang menyimpan ion lithium saat baterai diisi ulang, sangat menentukan performa keseluruhan sistem.
Selama ini, anoda baterai lithium ion umumnya terbuat dari karbon. LTO hadir sebagai alternatif yang menjanjikan karena punya sejumlah keunggulan: strukturnya tidak berubah bentuk selama proses pengisian dan pengosongan daya, tingkat keamanannya tinggi, umur pakainya panjang, dan proses pembuatannya relatif murah.
Masalahnya, LTO punya satu kelemahan bawaan: konduktivitas listriknya rendah. Ion lithium bergerak lambat di dalamnya, sehingga kemampuan mengisi dan melepas arus menjadi terbatas. Solusi yang paling menjanjikan adalah memperkecil ukuran partikelnya. Partikel yang lebih kecil berarti luas permukaan kontak antara elektroda dan elektrolit lebih besar, jarak yang harus ditempuh ion lithium lebih pendek, dan kinetika reaksi pun meningkat.
Di sinilah skala nanometer menjadi krusial.
Dua Metode, Satu Tujuan
Tim peneliti menggabungkan dua pendekatan sekaligus untuk mencapai ukuran partikel yang diinginkan. Pertama, metode sol-gel digunakan untuk mempersiapkan bahan baku titanium dioksida (TiO₂) dalam bentuk xerogel, yaitu gel kering yang memiliki luas permukaan amat besar, mencapai 148,04 m²/g. Proses kalsinasi dilakukan pada suhu 300°C selama dua jam, jauh lebih rendah dari penelitian sebelumnya yang menggunakan 420°C. Suhu yang lebih rendah ini disengaja agar ukuran kristalit tidak terlanjur membesar.
Kedua, metode hidrotermal dipakai untuk mencampurkan TiO₂ anatase hasil sol-gel dengan lithium karbonat (Li₂CO₃) di dalam autoklaf bertekanan tinggi pada suhu 120°C selama 15 jam. Proses ini memungkinkan terbentuknya benih-benih kristal LTO pada kondisi yang terkontrol.
Setelah itu, sampel dipanaskan kembali melalui proses sintering pada tiga variasi suhu: 550°C, 650°C, dan 750°C. Tujuannya untuk menghasilkan fasa spinel kristalin LTO yang stabil.
Suhu Menentukan Segalanya
Hasil pengujian mengungkap pola yang konsisten: semakin tinggi suhu sintering, semakin besar ukuran kristalit yang terbentuk, namun proporsi LTO dalam sampel justru semakin meningkat.
Pada suhu 550°C, ukuran kristalit rata-rata tercatat 23,45 nm dengan luas permukaan 6,65 m²/g. Namun sampel masih didominasi oleh TiO₂ rutile, bukan LTO murni. Pada 650°C, ukuran kristalit naik menjadi 27,70 nm dan luas permukaan menyusut ke angka 1,91 m²/g, dengan kondisi yang masih serupa. Baru pada suhu 750°C, proporsi LTO (Li₄Ti₅O₁₂) meningkat secara signifikan, dengan ukuran kristalit 52,06 nm. Semua angka ini masih di bawah batas 100 nm yang menjadi target penelitian.
Kehadiran TiO₂ rutile pada semua sampel menjadi catatan penting. Senyawa ini muncul karena sebagian TiO₂ anatase tidak sempat bereaksi sepenuhnya dengan ion lithium selama proses hidrotermal. Akibatnya, sisa TiO₂ yang tidak bereaksi bertransformasi menjadi rutile saat dipanaskan. Keberadaan rutile berpotensi mengganggu pergerakan ion lithium saat baterai diisi dan dikosongkan, sehingga menurunkan kapasitas pengisian.
Pengujian menggunakan X-Ray Diffraction (XRD), Brunauer-Emmet-Teller (BET), spektroskopi inframerah (FT-IR), dan Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) memperlihatkan morfologi partikel yang tidak beraturan dan cenderung beraglomerasi, yaitu menggumpal satu sama lain. Kondisi ini menjadi tantangan tersendiri untuk penelitian lanjutan.
Langkah Kecil Menuju Teknologi Energi Bersih
Penelitian ini belum menghasilkan LTO dengan kemurnian sempurna dan luas permukaan yang ideal. Tim sendiri mengakui bahwa proses pencampuran bahan baku dan metode impregnasi lithium karbonat masih perlu penyempurnaan. Namun pencapaian ukuran kristalit di bawah 100 nm melalui kombinasi metode sol-gel dan hidrotermal membuktikan bahwa jalur ini layak untuk ditelusuri lebih jauh.
Di balik angka-angka dan grafik difraktogram itu, ada sebuah ambisi yang lebih besar: membantu dunia beralih ke sumber energi yang lebih bersih dan lebih berkelanjutan. Baterai lithium ion yang lebih baik adalah salah satu kunci transisi itu. Dan setiap nanometer yang berhasil diperkecil adalah satu langkah nyata ke arah sana.
Penulis: drg. Achmad Zam Zam Aghasy, M.Kes, Hazra Alifia Muharam
Photo: Pexels
