Baterai LFP-Litium Ferro Fosfat, Mengancam Hilirisasi Nikel?

Debat cawapres tanggal 21 Januari 2024, membuat banyak pihak kaget, banyak istilah teknis dimunculkan oleh Gibran. Istilah-istilah itu seperti Greeninflation dan  LFP. Debat sebelunya juga muncul istilah  State of the Global Islamic Economy (SGIE) , banyak pihak menyayangkan istilah-istilah itu tidak dipahami oleh lawan debat, dan dikritik pertanyaan menjebak dan receh.

Lebih seru lagi bahwa anggapan  Baterai litium besi fosfat (LiFePO4 baterai), dapat menghancam hilirisasi nikel, itu sebabnya sebuah pertanyaan muncul, masih perlukah hilirasi nikel dilanjutkan?  Pertanyaan yang sulit dijawab. Pembaca silahkan simak uraian tentang Baterai LFP - Litium Ferro Fostate  berikut, sehingga dapat menghambil kesimpulan  yang lebih mumpuni.

Namun apapun alasannya Gibran sudah membuka banyak hal yang  belum kita  ketahui , untuk terus mengungkapkan sehingga kita menjadi lebih tahu. Dalam Tulisan ini penulis ingin mencoba mengulas tentang LFP, istilah itu memang familier bagi orang yang mempelajari kimia.

Baterai litium besi fosfat (LiFePO4 baterai) atau baterai LFP (lithium ferrophosphate) adalah jenis baterai lithium-ion yang menggunakan bahan lithium iron phosphate (LiFePO 4) sebagai bahan katoda, dan elektroda karbon grafit dengan lapisan logam sebagai anoda. Karena biayanya yang rendah, keamanan yang tinggi, toksisitas yang rendah, siklus hidup yang panjang dan faktor lainnya, baterai LFP mempunyai sejumlah peran dalam penggunaan kendaraan, aplikasi stasioner skala utilitas, dan daya cadangan. Baterai LFP bebas kobalt.

Keberadaan kobalt dalam baterai memang memberikan ancaman bagi kesehatan manusia. Dalam dosis besar, kobalt bisa bersifat karsinogenik, tetapi dalam dosis kecil dapat diberikan sebagai garam untuk mengatasi defisiensi mineral. Kobalt adalah logam seperti  perak-abu-abu keras, mengkilap yang merupakan produk sampingan dari penambangan nikel dan tembaga dan setidaknya satu setengah dari kobalt dunia ditambang dari Republik Demokratik Kongo. Indonesia diberi kekayaan alam berupa nikel dan kobalt yang luar biasa melimpah, bahkan Jepang dan China bergabung membuat pabrik baterai lithium terbesar dunia di Morowali, Sulawesi.

Pada September 2022, pangsa pasar baterai jenis LFP untuk kendaraan listrik mencapai 31%, dan 68% di antaranya berasal dari produksi Tesla dan pembuat kendaraan listrik Tiongkok, BYD saja. Pabrikan Tiongkok saat ini hampir memonopoli produksi jenis baterai LFP. Dengan masa berlaku paten yang mulai habis pada tahun 2022 dan meningkatnya permintaan baterai kendaraan listrik yang lebih murah, produksi jenis LFP diperkirakan akan meningkat lebih jauh dan melampaui baterai jenis litium nikel mangan kobalt oksida (NMC) pada tahun 2028.

Kepadatan energi baterai LFP lebih rendah dibandingkan jenis baterai lithium ion umum lainnya seperti nikel mangan kobalt (NMC) dan nikel kobalt aluminium (NCA). Kepadatan energi baterai LFP CATL saat ini adalah 125 Watt-jam per kilogram (Wh/kg) dan kemungkinan mencapai 160 Wh/kg dengan teknologi pengemasan yang ditingkatkan. Kepadatan energi baterai LFP BYD adalah 150 Wh/kg. Baterai NMC terbaik menunjukkan kepadatan energi lebih dari 300 Wh/kg. Khususnya, kepadatan energi baterai NCA "2170" Panasonic yang digunakan pada Model 3 Tesla tahun 2020 adalah sekitar 260 Wh/kg, yang merupakan 70% dari nilai "bahan kimia murni". Baterai LFP juga menunjukkan tegangan pengoperasian yang lebih rendah dibandingkan jenis baterai lithium-ion lainnya.

SEJARAHNYA

LiFePO 4 adalah mineral alami dari keluarga olivin (trifilit). Arumugam Manthiram dan John B. Goodenough pertama kali mengidentifikasi kelas bahan katoda polianion untuk baterai lithium ion. LiFePO4 kemudian diidentifikasi sebagai bahan katoda yang termasuk dalam kelas polianion untuk digunakan dalam baterai pada tahun 1996 oleh Padhi dkk. Ekstraksi litium yang dapat dibalik dari LiFePO 4 dan memasukkan litium ke dalam FePO4 didemonstrasikan. Karena biayanya yang rendah, tidak beracun, melimpahnya zat besi secara alami, stabilitas termal yang sangat baik, karakteristik keselamatan, kinerja elektrokimia, dan kapasitas spesifiknya (170 mA h/g, atau 610 C/g), ia telah memperoleh penerimaan pasar yang cukup besar.

Hambatan utama komersialisasi adalah konduktivitas listriknya yang rendah. Masalah ini diatasi dengan mengurangi ukuran partikel, melapisi LiFePO 4 partikel dengan bahan konduktif seperti tabung nano karbon, atau keduanya. Pendekatan ini dikembangkan oleh Michel Armand dan rekan kerjanya di Hydro-Qubec dan Universit de Montral. Pendekatan lain yang dilakukan kelompok Yet Ming Chiang di MIT terdiri dari doping LFP dengan kation bahan seperti aluminium, niobium, dan zirkonium.

Elektroda negatif (anoda, saat dilepaskan) yang terbuat dari kokas minyak bumi digunakan pada baterai litium-ion awal; jenis selanjutnya menggunakan grafit alami atau sintetis. Baterai LFP menggunakan bahan kimia turunan litium-ion dan memiliki banyak kelebihan dan kekurangan yang sama dengan bahan kimia baterai litium-ion lainnya. Namun terdapat perbedaan yang signifikan.

KETERSEDIAAN SUMBERDAYA

Besi dan fosfat sangat umum ditemukan di kerak bumi. LFP tidak mengandung nikel maupun kobalt, yang keduanya terbatas pasokannya dan mahal. Seperti halnya litium, keprihatinan terhadap hak asasi manusia  dan lingkungan telah diangkat sehubungan dengan penggunaan kobalt. Keprihatinan terhadap lingkungan juga telah diangkat sehubungan dengan ekstraksi nikel yang  menimbulkan pencemaran lingkungan.

BIAYA

Pada tahun 2020, harga sel LFP terendah yang dilaporkan adalah $80/kWh (12,5Wh/$) dengan harga rata-rata $137/kWh, sedangkan pada tahun 2023 harga rata-rata turun menjadi $100/kWh. Laporan tahun 2020 yang diterbitkan oleh Departemen Energi membandingkan biaya sistem penyimpanan energi skala besar yang dibangun dengan LFP vs NMC. Ditemukan bahwa biaya per kWh baterai LFP sekitar 6% lebih murah dibandingkan NMC, dan diperkirakan bahwa sel LFP akan bertahan sekitar 67% lebih lama (lebih banyak siklus). Karena perbedaan antara karakteristik sel, biaya beberapa komponen lain dari sistem penyimpanan akan lebih tinggi untuk LFP, namun secara seimbang biaya per kWhnya masih lebih murah dibandingkan NMC.

Karakteristik penuaan dan siklus hidup yang lebih baik

Secara Kimia LFP menawarkan siklus hidup yang jauh lebih lama dibandingkan kimia lithium-ion lainnya. Dalam sebagian besar kondisi, ia mendukung lebih dari 3.000 siklus, dan dalam kondisi optimal, ia mendukung lebih dari 10.000 siklus. Baterai NMC mendukung sekitar 1.000 hingga 2.300 siklus, tergantung kondisi.

Sel LFP mengalami tingkat kehilangan kapasitas yang lebih lambat (alias masa pakai kalender yang lebih besar) dibandingkan baterai litium-ion seperti kobalt (LiCoO2) atau spinel mangan (LiMn2O4) baterai polimer litium-ion (baterai LiPo) atau baterai litium-ion.

ALTERNATIF YANG LAYAK UNTUK BATERAI TIMBAL-ASAM

Karena keluaran nominalnya 3,2 V, empat sel dapat ditempatkan secara seri dengan tegangan nominal 12,8 V. Tegangan ini mendekati tegangan nominal baterai asam timbal enam sel. Seiring dengan karakteristik keselamatan yang baik dari baterai LFP, hal ini menjadikan LFP sebagai pengganti potensial yang baik untuk baterai timbal-asam dalam aplikasi seperti aplikasi otomotif dan tenaga surya, asalkan sistem pengisian disesuaikan agar tidak merusak sel LFP melalui tegangan pengisian yang berlebihan (di atas 3,6 volt DC per sel saat diisi), kompensasi tegangan berbasis suhu, upaya pemerataan, atau pengisian tetesan terus menerus. Sel LFP setidaknya harus seimbang pada awalnya sebelum paket dirakit dan sistem proteksi juga perlu diterapkan untuk memastikan tidak ada sel yang dapat dilepaskan di bawah tegangan 2,5 V atau kerusakan parah akan terjadi dalam banyak kasus, karena deinterkalasi yang tidak dapat diubah. LiFePO4 menjadi FePO4.

KEAMANAN

Salah satu keunggulan penting dibandingkan bahan kimia litium-ion lainnya adalah stabilitas termal dan kimia, yang meningkatkan keamanan baterai.[32] LiFePO4 adalah bahan katoda yang secara intrinsik lebih aman daripada LiCoO2 dan spinel mangan dioksida melalui penghilangan kobalt, yang koefisien resistansi suhu negatifnya dapat mendorong pelarian termal. Ikatan P--O pada (PO4)3ion lebih kuat dari ikatan Co--O pada (CoO2)ion, sehingga jika disalahgunakan (korsleting, panas berlebih, dll), atom oksigen dilepaskan lebih lambat. Stabilisasi energi redoks ini juga mendorong migrasi ion lebih cepat.

Saat litium bermigrasi keluar dari katoda dalam LiCoO2 sel, CoO2 mengalami ekspansi non-linier yang mempengaruhi integritas struktural sel. Keadaan LiFePO yang sepenuhnya lithiated dan unlithiated 4 secara struktural serupa yang berarti LiFePO4 sel lebih stabil secara struktural daripada LiCoO 2sel.[rujukan?]

Tidak ada litium yang tersisa di katoda sel LFP yang terisi penuh. Dalam LiCoO2 sel, tersisa sekitar 50%. LiFePO

4 sangat tangguh selama kehilangan oksigen, yang biasanya menghasilkan reaksi eksotermik pada sel litium lainnya.[18] Hasilnya adalah LiFePO 4 sel lebih sulit menyala jika terjadi kesalahan penanganan (terutama saat mengisi daya). LiFePO4 baterai tidak terurai pada suhu tinggi.

KEPADATAN ENERGI YANG LEBIH RENDAH

Kepadatan energi (energi/volume) baterai LFP baru sekitar 14% lebih rendah dibandingkan baterai LiCoO baru 2 baterai. Karena tingkat pengosongan adalah persentase kapasitas baterai, tingkat yang lebih tinggi dapat dicapai dengan menggunakan baterai yang lebih besar (lebih banyak ampere jamnya) jika baterai berarus rendah harus digunakan.

KEGUNAAN

Penyimpanan energi rumah.Enphase memelopori LFP bersama dengan Sun Fusion Energy Systems LifePO4 Ultra-Safe ECHO 2.0 dan baterai penyimpanan energi rumah atau bisnis Guardian E2.0 karena alasan biaya dan keselamatan kebakaran, meskipun pasarnya tetap terpecah di antara perusahaan kimia yang bersaing. Meskipun kepadatan energi yang lebih rendah dibandingkan dengan bahan kimia litium lainnya menambah massa dan volume, keduanya mungkin lebih dapat ditoleransi dalam aplikasi statis. Pada tahun 2021, terdapat beberapa pemasok ke pasar pengguna akhir rumahan, termasuk SonnenBatterie dan Enphase. Tesla Motors terus menggunakan baterai NMC dalam produk penyimpanan energi rumah tangganya, namun pada tahun 2021 beralih ke LFP untuk produk baterai skala utilitasnya.Menurut EnergySage, merek baterai penyimpanan energi rumah yang paling sering dikutip di AS adalah Enphase, yang pada tahun 2021 melampaui Tesla Motors dan LG.

KENDARAAN

Tingkat pengosongan yang lebih tinggi diperlukan untuk akselerasi, bobot yang lebih rendah, dan masa pakai yang lebih lama menjadikan jenis baterai ini ideal untuk forklift, sepeda, dan mobil listrik. Baterai LiFePO4 12 V juga mendapatkan popularitas sebagai baterai (rumah) kedua untuk karavan, rumah motor, atau perahu.

Tesla Motors menggunakan baterai LFP di semua Model 3 dan Y kelas standar yang dibuat setelah Oktober 2021 kecuali untuk kendaraan kelas standar yang dibuat dengan 4680 sel mulai tahun 2022, yang menggunakan bahan kimia NMC.

Pada September 2022, baterai LFP telah meningkatkan pangsa pasarnya di seluruh pasar baterai EV menjadi 31%. Dari jumlah tersebut, 68% digunakan oleh dua perusahaan, Tesla dan BYD.

Baterai litium besi fosfat secara resmi melampaui baterai ternary pada tahun 2021 dengan kapasitas terpasang 52%. Analis memperkirakan pangsa pasarnya akan melebihi 60% pada tahun 2024.

Pada bulan Februari 2023, Ford mengumumkan bahwa mereka akan menginvestasikan $3,5 miliar untuk membangun pabrik di Michigan yang akan memproduksi baterai berbiaya rendah untuk beberapa kendaraan listriknya. Proyek ini akan dimiliki sepenuhnya oleh anak perusahaan Ford, namun akan menggunakan teknologi yang dilisensikan dari perusahaan baterai Tiongkok, Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL).

SISTEM PENERANGAN BERTENAGA SURYA

Sel LFP tunggal "14500" (seukuran baterai AA) sekarang digunakan di beberapa pencahayaan lanskap bertenaga surya, bukan 1,2 V NiCd/NiMH.

Tegangan kerja LFP yang lebih tinggi (3,2 V) memungkinkan satu sel menggerakkan LED tanpa sirkuit untuk menaikkan tegangan. Meningkatnya toleransi terhadap pengisian daya yang berlebihan (dibandingkan dengan jenis sel Li lainnya) berarti LiFePO 4 dapat dihubungkan ke sel fotovoltaik tanpa sirkuit untuk menghentikan siklus pengisian ulang.

Pada tahun 2013, lampu keamanan detektor gerak inframerah pasif bermuatan surya yang lebih baik muncul. Karena sel LFP berukuran AA hanya memiliki kapasitas 600 mAh (sedangkan LED lampu yang terang dapat menarik 60 mA), unit ini bersinar paling lama 10 jam. Namun, jika pemicuannya hanya terjadi sesekali, unit tersebut mungkin dapat mengisi daya dengan memuaskan bahkan di bawah sinar matahari rendah, karena lampu elektronik memastikan arus "idle" di bawah 1 mA setelah gelap.

Spesifikasi

Tegangan sel

Tegangan pelepasan minimum = 2,0-2,8 V

Tegangan kerja = 3,0 ~ 3,3 V

Tegangan pengisian maksimum = 3,60-3,65 V

Kepadatan energi volumetrik = 220 Wh/L (790 kJ/L)

Kepadatan energi gravimetri > 90 Wh/kg[29] (> 320 J/g). Hingga 160 Wh/kg (580 J/g).

Siklus hidup dari 2.700 hingga lebih dari 10.000 siklus tergantung kondisi.

PENGGUNAAN LAINNYA

Beberapa rokok elektronik menggunakan baterai jenis ini. Aplikasi lainnya termasuk sistem kelistrikan laut  dan propulsi, senter, model yang dikendalikan radio, peralatan portabel yang digerakkan motor, peralatan radio amatir, sistem sensor industri[52] dan penerangan darurat.

Modifikasi terbaru yang dibahas di sini  adalah mengganti separator yang berpotensi tidak stabil dengan material yang lebih stabil. Penemuan terbaru menemukan bahwa LiFePO4 dan Li-ion dapat terdegradasi karena panas, ketika sel uji dibongkar, senyawa berwarna merah bata telah terbentuk yang ketika dianalisis menunjukkan bahwa kerusakan molekuler dari pemisah stabil yang sebelumnya diyakini adalah mode kegagalan yang umum. Dalam hal ini, reaksi samping secara bertahap memakan ion Li yang memerangkapnya dalam senyawa stabil sehingga tidak dapat dipindahkan. Juga tiga baterai elektroda yang memungkinkan perangkat eksternal mendeteksi pembentukan arus pendek internal merupakan solusi jangka pendek yang potensial untuk masalah dendrit.

Bahan katoda LiFePO4/C termodifikasi Li3PO4 dan bahan katoda LiFePO4/C termodifikasi Li4P2O7 masing-masing disintesis dengan metode sintesis in-situ. Komposisi fasa dan struktur mikro produk dikarakterisasi dengan difraksi serbuk sinar-X (XRD), pemindaian mikroskop elektronik (SEM). Hasil penelitian menunjukkan bahwa Li3PO4 dan Li4P2O7 cukup mampu melapisi permukaan LiFePO4 dan tidak mengubah struktur kristal LiFePO4.

Perilaku elektrokimia bahan katoda dianalisis menggunakan pengukuran galvanostatik dan voltametri siklik (CV). Dibandingkan dengan Li3PO4, keberadaan Li4P2O7 dapat lebih meningkatkan kinerja elektrokimia bahan katoda LiFePO4 dalam kemampuan spesifik dan difusi ion litium bahan katoda. Kapasitas spesifik pengisian-pengosongan dan koefisien difusi ion litium meningkat seiring dengan kandungan Li4P2O7 dan maksimum di sekitar kandungan Li4P2O7 adalah 5% berat. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan Li4P2O7 meningkatkan laju difusi ion litium LiFePO4. Namun, karena patahnya antarmuka antara partikel Li4P2O7 dan LiFePO4 selama proses pengisian dan pengosongan, kinerja siklus bahan katoda LiFePO4/C yang dimodifikasi Li4P2O7 sangat buruk.

Penelitian terus dilakukan untuk mengatasi kelemahan Litium besi fosfat (LiFePO4 menjadi bahan katoda yang menjanjikan karena kapasitas teoritisnya yang tinggi, biaya rendah, toksisitas rendah, kehijauan lingkungan dan stabilitas yang sangat baik. sejak LiFePO4 dilaporkan oleh Padhi et al.4 Sayangnya, konduktivitas elektronik yang rendah (109 S cm1, koefisien difusi ionik yang rendah (1,81014 cm2 s1)  dan kepadatan keran yang buruk6 dari LiFePO4 akan menghambat pengoperasiannya pada aplikasi daya tinggi.

Oleh karena itu, LiFePO4 telah menarik perhatian untuk dipecahkan masalah-masalah ini. Sebagian besar pekerjaan tersebut difokuskan pada pelapisan dengan polimer konduktif8 dan karbon atau perak, doping kation,  dan lain-lain.

Selain itu, nanokristalisasi juga merupakan metode yang efektif untuk meningkatkan kinerja elektrokimia bahan aktif, misalnya MnMoO4 berbentuk batang kristal dengan nanoflakes dua dimensi sudah bagus pertunjukan elektrokimia, nanoporous diaktifkan karbon menunjukkan kinerja elektrokimia yang sangat baik memberikan kapasitansi spesifik maksimum, holmium nanopartikel oksida dan film komposit memiliki sifat yang sangat baik dalam kapasitansi. Jadi, nanokristalisasi juga merupakan cara yang efektif untuk meningkatkan kinerja elektrokimia LiFePO4. Lapisan karbon dan partikel minimalisasi ukuran dapat meningkatkan kinerja elektrokimia LiFePO4 karena peningkatan konduktivitas elektronik dan pendeknya panjang difusi ion litium,  masing-masing. Akan bermanfaat untuk meningkatkan kinerja elektrokimia LiFePO4 dari penggunaan doping kation bersama dengan lapisan karbon. Tapi penambahan karbonnya kecil ukuran partikel akan mengurangi kepadatan keran dan kepadatan energi.

Kesimpulannya, bahwa baterai LFP - Litium Ferro Fostate  memang saat ini masih memiliki kekurangan dari bakterai  berbahan baku nikel, namun demikian  perkembangan penelitian terus dilakukan untuk mengeatasi kelemahannya. Pada aspek in Hilirisasi nikel Nampak bisa terancam oleh perkembangan yang terus dilakukan oleh para peneliti dalam bidang penyempurnaan baterai  LFP - Litium Ferro Fostate . Moga bermanfaat****