Siapa sangka limbah dapur yang biasanya langsung dibuang ke tempat sampah bisa menjadi bahan baku komponen baterai? Itulah yang berhasil dibuktikan oleh tim peneliti yang dipimpin Dr. drg. Bambang Priyono, S.U. bersama koleganya dari Departemen Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Dalam sebuah paper yang dipublikasikan di IOP Conference Series: Materials Science and Engineering pada 2019, mereka mengolah cangkang telur ayam menjadi sumber kalsium karbonat (CaCO₃) untuk meningkatkan performa anoda baterai litium-ion. Hasilnya mengejutkan: kapasitas penyimpanan energi meningkat signifikan dibandingkan bahan standar yang selama ini digunakan.
Masalah Lama di Jantung Baterai Modern
Baterai litium-ion sudah ada di mana-mana. Dari ponsel pintar, laptop, hingga kendaraan listrik, hampir semua perangkat modern bergantung pada teknologi ini. Namun di balik popularitasnya, ada kelemahan teknis yang selama ini belum terpecahkan sepenuhnya.
Anoda baterai litium-ion konvensional umumnya terbuat dari grafit. Material ini memang murah dan berkapasitas besar, mencapai 372 mAh/g. Masalahnya, grafit bekerja pada tegangan yang sangat rendah, mendekati 0 volt, sehingga rentan membentuk lapisan dendritik di permukaan elektroda. Lapisan ini, yang dikenal sebagai solid-electrolyte interface (SEI), perlahan menggerus jumlah ion litium dalam elektrolit dan menurunkan kapasitas baterai dari waktu ke waktu.
Alternatif yang sudah lama dilirik para ilmuwan adalah litium titanat atau Li₄Ti₅O₁₂, yang lebih dikenal dengan singkatan LTO. Material spinel ini bekerja pada tegangan lebih tinggi, sekitar 1,55 volt, sehingga jauh lebih aman. LTO juga bersifat zero strain, artinya strukturnya hampir tidak berubah saat proses pengisian dan pengosongan baterai, sehingga lebih awet.
Sayangnya, LTO punya kelemahan sendiri: konduktivitas elektroniknya sangat rendah, hanya sekitar 10⁻¹³ S/cm. Kondisi ini membuat ion litium sulit berpindah dengan cepat di dalam material, yang berdampak pada lambatnya pengisian daya dan turunnya performa saat digunakan dengan arus tinggi.
Dari Cangkang ke Laboratorium
Di sinilah ide sederhana namun cerdas dari tim Bambang Priyono bermula. Untuk meningkatkan konduktivitas LTO, mereka memilih metode doping, yaitu menyisipkan ion asing ke dalam struktur kristal LTO agar sifat elektroniknya berubah. Ion yang dipilih adalah kalsium (Ca²⁺), dan sumbernya bukan dari bahan kimia mahal, melainkan dari cangkang telur ayam yang diolah menjadi CaCO₃.
Prosesnya dimulai dari hal yang terdengar sederhana: cangkang telur dibersihkan, dihancurkan, dan dikeringkan pada suhu 100°C selama 12 jam hingga menjadi serbuk CaCO₃ alami. Serbuk ini kemudian dicampur dengan titanium dioksida (TiO₂) dan litium karbonat (Li₂CO₃), lalu digiling dengan mesin ball mill berkecepatan tinggi sebelum dipanaskan pada suhu 800°C.
Peneliti membuat empat variasi sampel dengan kadar doping kalsium yang berbeda: tanpa doping (LTO), serta tiga variasi dengan doping Ca pada konsentrasi 0,05, 0,075, dan 0,125 mol, masing-masing diberi kode LCaTO-1, LCaTO-2, dan LCaTO-3.
Hasil yang Melampaui Ekspektasi
Pengujian menggunakan X-ray diffraction (XRD) membuktikan bahwa ion Ca²⁺ berhasil masuk ke dalam struktur kristal LTO tanpa merusak kerangka utamanya. Ini adalah syarat pertama yang harus dipenuhi agar doping bekerja dengan baik.
Uji konduktivitas menggunakan electrochemical impedance spectroscopy (EIS) menunjukkan penurunan hambatan muatan yang dramatis. LTO tanpa doping memiliki hambatan sebesar 86,7 Ω. Setelah doping dengan kadar tertinggi (LCaTO-3), hambatan itu turun ke 29,5 Ω, hampir sepertiga dari nilai awalnya. Artinya, elektron mengalir jauh lebih mudah.
Kapasitas penyimpanan energi pun ikut meningkat. Pada laju pengisian rendah (0,2 C), LCaTO-3 mencatat kapasitas awal sebesar 168,2 mAh/g, melampaui kapasitas teoritis LTO standar yang hanya 175 mAh/g dan jauh di atas LTO tanpa doping yang hanya 102,6 mAh/g.
Menariknya, untuk aplikasi yang membutuhkan pengisian sangat cepat, justru LCaTO-2 yang tampil paling unggul. Pada laju 12 C, sampel ini masih mempertahankan kapasitas 30,2 mAh/g dengan retensi 21,43 persen dari kapasitas awalnya. Dibandingkan LTO tanpa doping yang hanya tersisa 6,62 persen pada kondisi yang sama, perbedaan ini cukup mencolok.
Secara mekanis, fenomena ini terjadi karena masuknya Ca²⁺ ke dalam kisi kristal LTO memaksa sebagian ion Ti⁴⁺ bertransisi menjadi Ti³⁺. Transisi ini menyumbang elektron tambahan yang meningkatkan konduktivitas listrik secara keseluruhan.
Lebih dari Sekadar Eksperimen
Penelitian ini menarik bukan hanya karena hasilnya, tetapi juga karena cara berpikirnya. Menggunakan limbah cangkang telur sebagai bahan baku dopan adalah pendekatan yang sekaligus menjawab dua persoalan berbeda: meningkatkan performa baterai dan memanfaatkan limbah organik yang melimpah.
Dunia sedang berlomba mengembangkan baterai yang lebih baik untuk mendukung transisi energi terbarukan. Kendaraan listrik, panel surya, hingga jaringan listrik pintar semuanya membutuhkan sistem penyimpanan energi yang efisien, murah, dan aman. Penelitian kecil dari laboratorium di Depok ini adalah salah satu langkah ke arah itu.
Cangkang telur yang biasanya berakhir di tempat sampah ternyata menyimpan potensi yang belum sepenuhnya tergali.
Penulis: drg. Achmad Zam Zam Aghasy, M.Kes, Hazra Alifia Muharam
Photo: Pexels
Sumber DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/547/1/012040
