Sebuah penelitian dari Departemen Teknik Metalurgi dan Material Universitas Indonesia berhasil membuktikan bahwa penambahan zinc oxide berbentuk nanorod (ZnO-nanorods) ke dalam material anoda baterai litium-ion dapat meningkatkan daya tahan baterai secara signifikan. Penelitian yang dipimpin oleh Dr. drg. Bambang Priyono, S.U. bersama tim peneliti UI dan Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) ini dipublikasikan dalam konferensi internasional i-TREC 2018. Hasilnya sederhana namun penting: komposisi ZnO sebesar 4 persen berat terbukti paling optimal, menghasilkan kapasitas 150,8 mAh/g sekaligus mampu bertahan pada laju pengisian-pengosongan tinggi hingga 20C.
Masalah Lama pada 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 satu kelemahan mendasar yang terus menghantui para insinyur: material anoda konvensional berbasis grafit mudah rusak, terutama saat baterai diisi ulang dengan cepat atau digunakan dalam kondisi ekstrem.
Salah satu kandidat pengganti yang menjanjikan adalah lithium titanate atau Li₄Ti₅O₁₂, yang lebih dikenal dengan singkatan LTO. Material ini unggul karena stabil selama proses pengisian dan pengosongan, serta memiliki umur siklus yang panjang. Masalahnya, LTO memiliki konduktivitas elektronik yang rendah. Artinya, elektron sulit bergerak bebas di dalamnya, sehingga performa baterai pada kecepatan tinggi menjadi terbatas.
Di sinilah ZnO-nanorods masuk sebagai solusi.
Memasak Material di Laboratorium
Tim peneliti menyintesis ZnO-nanorods dengan mencampurkan zinc nitrate tetrahydrate dan hexamethylenetetramine (HMTA) dalam air dingin, lalu memanaskannya pada suhu 90 derajat Celsius selama tiga jam. Hasilnya adalah struktur nano berbentuk batang yang sangat kecil, jauh lebih kecil dari sehelai rambut manusia.
ZnO-nanorods ini kemudian ditambahkan ke dalam proses sintesis LTO menggunakan metode sol-gel solid-state. Prosesnya panjang dan berlapis: mulai dari pembentukan gel TiO₂, kalsinasi pada suhu 300 derajat Celsius, hingga sintering pada suhu 750 derajat Celsius selama tiga jam untuk membentuk fase spinel LTO yang diinginkan. Tiga variasi komposisi ZnO diuji: 4, 7, dan 10 persen berat.
Hasil karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) mengonfirmasi bahwa ZnO berhasil masuk ke dalam struktur LTO di semua variasi. Analisis SEM-EDS memperlihatkan bahwa ZnO tersebar merata di dalam material, meski ukuran partikel belum sepenuhnya seragam akibat proses penghalusan yang tidak sempurna.
Empat Persen: Angka yang Tepat
Dari tiga variasi yang diuji, LTO/ZnO 4% tampil sebagai yang terbaik di hampir semua pengujian.
Uji Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) menunjukkan bahwa LTO/ZnO 4% memiliki nilai hambatan muatan (R_ct) terendah, yakni 76,05 Ω, dibanding LTO/ZnO 7% dengan 87,94 Ω dan LTO/ZnO 10% dengan 83,85 Ω. Hambatan yang lebih rendah berarti elektron lebih mudah bergerak, sehingga baterai bisa bekerja lebih efisien.
Uji charge-discharge juga menunjukkan hasil serupa. LTO/ZnO 4% mampu mempertahankan kapasitasnya bahkan pada laju 20C, sesuatu yang tidak bisa dicapai oleh variasi 7% dan 10%. Ini penting untuk aplikasi kendaraan listrik yang membutuhkan pengisian cepat tanpa mengorbankan umur baterai.
“ZnO-nanorods content added to the sample can improve the rate charge and discharge capability but with proper amount without harming the reaction kinetics.”
Sebaliknya, semakin banyak ZnO yang ditambahkan, kapasitas spesifik baterai justru menurun. LTO/ZnO 7% hanya menghasilkan 134,1 mAh/g dan LTO/ZnO 10% turun lagi ke 118,3 mAh/g. Ini menunjukkan bahwa ZnO dalam jumlah berlebih justru mengganggu reaksi kimia di dalam baterai, bukan membantu.
Bukan Sekadar Angka di Jurnal
Penelitian ini mungkin terdengar jauh dari kehidupan sehari-hari. Tapi dampaknya bisa sangat nyata. Baterai yang lebih tahan lama dan bisa diisi ulang dengan cepat adalah kunci percepatan adopsi kendaraan listrik, yang pada gilirannya bisa mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil dan menekan emisi karbon.
Memang, kapasitas tertinggi yang dicapai dalam penelitian ini, yaitu 150,8 mAh/g, masih di bawah kapasitas teoritis LTO murni sebesar 175 mAh/g. Penambahan ZnO memang menurunkan kapasitas sekitar 13,6 persen dari nilai teoritisnya. Namun trade-off ini dianggap sepadan karena yang diperoleh adalah peningkatan daya tahan dan kemampuan beroperasi pada kecepatan tinggi.
Riset ini tentu baru satu langkah. Masih ada tantangan soal keseragaman ukuran partikel, skalabilitas produksi, dan optimasi lebih lanjut. Tapi arahnya sudah jelas: material anoda masa depan tidak harus sempurna secara kapasitas, asalkan cukup tangguh untuk bertahan lama.
Penulis: drg. Achmad Zam Zam Aghasy, M.Kes, Hazra Alifia Muharam
Photo: Freepik
Sumber DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/20186703028
