Apa itu LiFePO4 dalam baterai litium??
Pengantar Bahan Lithium Iron Phosphate
Litium besi fosfat (rumus molekul LiFePO₄, litium besi fosfat, LFP, juga dikenal sebagai litium besi fosfat atau besi litium fosfat) adalah bahan katoda yang digunakan dalam baterai litium-ion. Ciri-cirinya tidak mengandung unsur berharga seperti kobalt atau nikel, harga bahan bakunya rendah; dan karbon, litium, dan besi melimpah di kerak bumi, yang dapat memenuhi permintaan pasar lebih dari satu juta ton per tahun. Sebagai bahan katoda, litium besi fosfat memiliki tegangan kerja sedang (3,2 V), kapasitas spesifik tinggi (170 mA·h/g), daya pelepasan tinggi, kemampuan pengisian daya cepat, dan masa pakai yang panjang, dengan stabilitas yang baik di lingkungan-suhu tinggi dan-panas tinggi.
Kristal litium besi fosfat termasuk dalam salah satu jenis struktur olivin. Dalam mineralogi, dinamakan triphylite, berasal dari kata Yunani, akar kata tri dan lylon. Pada bijih, warnanya bisa abu-abu, kemerahan-abu-abu coklat, coklat, atau hitam, sedangkan produk sebenarnya berwarna hitam atau abu-abu-hitam. Bahan mineral alami tertentu mengandung litium besi fosfat, tetapi kadarnya rendah dan tidak mencapai tingkat penerapan praktis. Litium besi fosfat termasuk dalam kategori fosfat komposit, dan rumus kimia umumnya adalah LiMPO₄, dengan M dapat berupa logam divalen apa pun, termasuk Fe, Co, Mn, Ti, dll. Karena perusahaan pertama yang mengkomersialkan LiMPO₄ memproduksi litium besi fosfat, masyarakat menjadi terbiasa memperlakukan litium besi fosfat sebagai satu-satunya bahan katoda fosfat komposit. Namun, untuk senyawa berstruktur olivin, litium besi fosfat bukanlah satu-satunya yang dapat digunakan sebagai bahan katoda pada baterai litium-ion. Menurut pengetahuan saat ini, ada juga LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄, dan masih banyak bahan lainnya.
Asal usul bahan litium besi fosfat dapat ditelusuri kembali ke tahun 1996, ketika perusahaan telekomunikasi Jepang NTT pertama kali menemukan bahwa AMPO₄ (A adalah logam alkali, M adalah Co atau Fe) dengan struktur olivin, dalam kombinasi LiFeCoPO₄, dapat digunakan sebagai bahan katoda baterai litium-ion. Selanjutnya, ditemukan oleh kelompok penelitian Goodenough di Massachusetts Institute of Technology di Amerika Serikat, saat mempelajari senyawa kerangka, bahwa bahan litium besi fosfat memiliki sifat interkalasi dan deinterkalasi litium-ion (Li⁺) yang dapat dibalik. Pada tanggal 23 April 1997, Universitas Texas di Austin mengajukan paten berjudul "Bahan katoda untuk baterai sekunder litium yang dapat diisi ulang" (WO1997010541), menandai dimulainya monopoli paten atas bahan litium besi fosfat.
Publikasi bahan katoda olivin-fosfat terstruktur (LiMPO₄) secara bersamaan oleh Amerika Serikat dan Jepang menarik perhatian besar, memicu penelitian ekstensif, dan mempercepat proses industrialisasi. Dibandingkan dengan bahan katoda baterai sekunder litium-ion tradisional-spinel-litium mangan oksida terstruktur (LiMn₂O₄) dan-litium kobalt oksida terstruktur (LiCoO₂)-LiMPO₄ memiliki bahan baku yang lebih banyak tersedia dan lebih murah serta tidak mencemari lingkungan. Secara khusus, keselamatan telah ditingkatkan secara signifikan, sehingga membangkitkan minat besar dari para peneliti dan industri.
Menurut hasil penelitian dalam beberapa tahun terakhir, bahan litium besi fosfat memiliki-struktur olivin yang terkristalisasi dengan baik, dan saluran difusi ion litium-berbeda dengan bahan katoda tradisional. Bahan katoda tradisional memiliki struktur berlapis atau spinel, yang memungkinkan ion litium bergerak cepat antar lapisan atau dalam saluran yang lebih besar, sehingga memberikan bahan tersebut kinerja pelepasan yang baik. Sebaliknya, saluran difusi ion litium-dalam bahan litium besi fosfat berbentuk satu-dimensi, artinya di dalam kristal hanya terdapat "terowongan" untuk difusi ion litium-, sehingga laju migrasi ion litium-relatif lambat dan jarak difusinya pendek. Khususnya dalam kondisi pelepasan muatan berkecepatan tinggi, ion litium internal tidak dapat bermigrasi keluar tepat waktu, sehingga mengakibatkan polarisasi elektrokimia yang signifikan.
Baterai dapat dibuat menggunakan bahan litium besi fosfat murni untuk memverifikasi kesimpulan di atas. Eksperimen menunjukkan bahwa pemanfaatan kapasitas bahan litium besi fosfat murni sangat rendah, dan baterai mengalami penurunan kapasitas yang cepat selama siklus. Gambar 2.1 menunjukkan kinerja siklus sel koin litium-ion yang dibuat oleh penulis menggunakan litium besi fosfat murni yang disintesis secara hidrotermal (tanpa lapisan karbon). Terlihat bahwa setelah sekitar 15 siklus pengisian-pengosongan, kapasitas baterai berkurang lebih dari 20%. Oleh karena itu, bahan litium besi fosfat murni tidak cocok untuk sistem baterai litium-ion.
Pada tahun 2000, Hydro-Québec (H-Q), perusahaan utilitas publik nasional Kanada, adalah perusahaan pertama yang mengajukan paten untuk melapisi litium besi fosfat dengan bahan konduktif, termasuk penggunaan pelapisan karbon pada bahan litium besi fosfat. Hal ini memungkinkan litium besi fosfat mencapai kapasitas spesifik yang tinggi dan memperpanjang umur siklusnya hingga lebih dari 2000 siklus. Hal ini menandai dimulainya proses industrialisasi litium besi fosfat sebagai bahan katoda.
