Bayangkan sampah industri baja yang selama ini dibuang begitu saja, kini justru menjadi kunci untuk membuat baterai kendaraan listrik yang lebih kuat dan tahan lama. Itulah temuan yang dipublikasikan Dr. drg. Bambang Priyono, S.U. bersama tim peneliti dari Universitas Indonesia dan Chonnam National University, Korea Selatan, dalam jurnal Materials Chemistry and Physics edisi 2025. Penelitian ini membuktikan bahwa limbah produksi baja dari PT Krakatau Steel bisa diolah menjadi bahan dopan elektroda baterai lithium-ion, dengan hasil yang melampaui performa bahan standar komersial.
Masalah Lama Baterai Lithium yang Belum Terpecahkan
Baterai lithium-ion sudah lama menjadi tulang punggung kendaraan listrik. Namun material anoda yang paling umum dipakai, yaitu grafit, menyimpan kelemahan serius: rawan membentuk lapisan padat yang merusak performa dari dalam, dan dalam kondisi tertentu bisa memicu panas berlebih yang berbahaya.
Material alternatif bernama lithium titanate, atau disingkat LTO (Li₄Ti₅O₁₂), muncul sebagai kandidat pengganti yang menjanjikan. LTO memiliki struktur kristal yang stabil, siklus hidup panjang, dan lebih aman. Ia dikenal sebagai material “zero-strain” karena hampir tidak mengalami perubahan struktur saat ion lithium keluar-masuk selama proses pengisian dan pengosongan baterai.
Masalahnya, LTO memiliki konduktivitas elektronik yang rendah, sekitar 10⁻⁸ hingga 10⁻¹³ S/cm. Artinya, elektron bergerak lambat di dalamnya, sehingga kapasitas dan kecepatan pengisian baterai pun terbatas. Banyak peneliti telah mencoba mendoping LTO dengan satu elemen tambahan untuk mengatasi ini, tetapi hasilnya masih belum optimal.
Tim Bambang Priyono mengambil pendekatan berbeda: menggunakan dua elemen dopan sekaligus, yaitu magnesium (Mg) dan besi (Fe), dalam strategi yang disebut co-doping.
Limbah Baja sebagai Bahan Baku Ilmiah
Yang membuat penelitian ini semakin menarik adalah sumber bahan baku Fe yang digunakan. Alih-alih membeli prekursor besi dari pemasok kimia komersial, tim peneliti mengekstraksi Fe₂O₃ dari limbah proses manufaktur baja PT Krakatau Steel. Limbah ini dimurnikan terlebih dahulu sebelum digunakan sebagai dopan.
Hasilnya mengejutkan. Elektroda LTO yang didoping menggunakan Fe dari limbah industri ini menunjukkan performa elektrokimia yang lebih baik dibanding LTO murni tanpa dopan, bahkan sebanding dengan laporan penelitian sebelumnya yang menggunakan bahan komersial.
“Fe precursors derived from steel manufacturing waste were used as dopants… Our results suggest that Mg and Fe-doping strategy was found to be effective to enhance the performance of the LTO electrode and the steel manufacturing waste can be used as a viable alternative to commercially available dopant precursors.”
Ini bukan sekadar soal efisiensi biaya. Pemanfaatan limbah industri sebagai bahan penelitian membuka jalur baru menuju pengembangan baterai yang lebih berkelanjutan secara lingkungan.
Angka yang Berbicara: Kapasitas, Siklus, dan Kecepatan
Pengujian elektrokimia dilakukan secara menyeluruh. Sampel LTO yang didoping dengan Mg dan Fe dalam rasio x = 0,05, yang diberi label MF-LTO(p)-0.05, menunjukkan kapasitas pengisian pertama sebesar 174 mAh/g, jauh di atas LTO murni yang hanya 143 mAh/g. Angka ini mendekati batas teoritis LTO sebesar 175 mAh/g.
Dalam uji ketahanan siklus selama 300 putaran pengisian-pengosongan, sampel co-doped mempertahankan kapasitas 77 mAh/g, dibanding LTO murni yang hanya tersisa 52 mAh/g. Artinya, elektroda co-doped jauh lebih tahan terhadap degradasi jangka panjang.
Uji kecepatan pengisian juga memberikan hasil signifikan. Pada kecepatan 15C, yang berarti baterai diisi penuh dalam waktu empat menit, MF-LTO(p)-0.05 masih mampu memberikan kapasitas 58 mAh/g. Bandingkan dengan LTO murni yang hanya mencapai 24 mAh/g pada kecepatan yang sama.
Untuk memahami mengapa ini terjadi, tim menggunakan perhitungan teori fungsi kerapatan atau Density Functional Theory (DFT). Hasilnya menunjukkan bahwa LTO murni berperilaku seperti semikonduktor dengan celah pita energi 1,2 eV. Setelah co-doping Mg dan Fe, celah pita ini menyempit secara signifikan, mendekati karakteristik setengah-logam. Kondisi ini mempermudah elektron bergerak bebas di dalam material, sehingga konduktivitas elektronik meningkat.
Di sisi lain, perhitungan bond valence energy landscape menunjukkan bahwa hambatan migrasi ion lithium turun dari 0,397 eV pada LTO murni menjadi 0,391 eV pada sampel co-doped. Penurunan ini, meski terlihat kecil, berdampak nyata karena bekerja secara sinergis dengan peningkatan konduktivitas elektronik.
Jalan Menuju Baterai Kendaraan Listrik yang Lebih Baik
Penelitian ini meletakkan fondasi penting bagi pengembangan baterai kendaraan listrik generasi berikutnya. Strategi co-doping Mg-Fe yang dipadu dengan pemanfaatan limbah industri lokal membuka dua peluang sekaligus: peningkatan performa baterai dan pengurangan dampak lingkungan dari proses produksinya.
Tim peneliti mengakui masih ada ruang perbaikan, terutama dalam memurnikan proses sintesis agar bebas dari fase pengotor seperti rutil TiO₂ dan Li₂TiO₃ yang terdeteksi dalam sampel. Namun demikian, kehadiran pengotor tersebut tidak menggugurkan validitas temuan utama mereka.
Penelitian ini didanai oleh Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat Universitas Indonesia serta National Research Foundation of Korea, mencerminkan kolaborasi riset internasional yang produktif. Bagi Indonesia, temuan ini juga punya makna strategis: bahan baku baterai berkualitas tinggi ternyata bisa lahir dari limbah industri nasional yang selama ini terabaikan.
Penulis: drg. Achmad Zam Zam Aghasy, M.Kes, Hazra Alifia Muharam
Foto: Pexels
Sumber DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2024.129939
