1. Pendahuluan
Oksida grafen lapisan tunggal (SLGO), nanomaterial karbon dua dimensi (2D) yang berasal dari grafena, telah menarik perhatian luas di bidang LIB. Strukturnya yang unik dan sifat fisikokimianya yang sangat baik (misalnya, konduktivitas listrik yang tinggi, luas permukaan spesifik yang besar, dan gugus fungsi yang mengandung oksigen yang melimpah) menjadikannya kandidat yang menjanjikan untuk mengatasi hambatan material LIB tradisional. Makalah ini secara sistematis mengulas karakteristik struktural SLGO, aplikasinya dalam elektroda LIB (katoda dan anoda), aditif konduktif, dan peningkatan keamanannya, serta metode preparasinya, tantangan teknis, dan prospek pengembangannya di masa mendatang.
2. Sifat Unik Oksida Grafena Lapisan Tunggal
2.1 Fitur Struktural
SLGO terdiri dari satu lapisan atom karbon yang tersusun dalam kisi heksagonal, dengan panjang ikatan CC sekitar 0,142 nm. Sebagian besar atom karbon dalam SLGO terhibridisasi sp², membentuk struktur terkonjugasi planar yang berkontribusi terhadap konduktivitas listriknya yang tinggi. Tidak seperti grafena murni, SLGO mengandung gugus fungsi yang mengandung oksigen (misalnya, hidroksil (-OH), epoksi (-O-), dan karboksil (-COOH)) yang melimpah pada bidang dasar dan tepinya. Gugus fungsi ini tidak hanya meningkatkan hidrofilisitas dan dispersibilitas SLGO dalam pelarut organik dan berair, tetapi juga menyediakan situs aktif untuk modifikasi kimia dan preparasi komposit.
Susunan atom SLGO secara langsung memengaruhi kinerjanya: kisi heksagonal yang utuh memastikan transpor elektron yang efisien, sementara gugus fungsi yang mengandung oksigen meningkatkan interaksinya dengan material lain (misalnya, bahan aktif elektroda dan elektrolit). Namun, gugus yang mengandung oksigen secara berlebihan dapat merusak struktur terkonjugasi, yang mengakibatkan penurunan konduktivitas listrik. Oleh karena itu, kontrol yang tepat terhadap kandungan dan distribusi oksigen dalam SLGO sangat penting untuk aplikasinya dalam LIB.
2.2 Sifat Fisikokimia
Konduktivitas Listrik Tinggi: Struktur terkonjugasi sp² dari SLGO memungkinkan pengangkutan elektron yang cepat, dengan konduktivitas listrik hingga 10⁴ S/m (setelah reduksi), yang jauh lebih tinggi daripada bahan karbon tradisional (misalnya, karbon hitam: ~10² S/m).
Luas Permukaan Spesifik yang Besar: Struktur 2D lapisan tunggal SLGO memberinya luas permukaan spesifik teoritis sekitar ~2630 m²/g, menyediakan banyak tempat untuk penyerapan dan penyimpanan Li⁺.
Hidrofilisitas yang Baik: Gugus fungsi yang mengandung oksigen pada SLGO membuatnya mudah terdispersi dalam air dan pelarut organik polar, sehingga memudahkan persiapan material komposit dan bubur elektroda.
Reaktivitas Kimia: Gugus fungsi yang mengandung oksigen (terutama -COOH dan -OH) dapat bereaksi dengan ion logam, polimer, dan molekul fungsional lainnya, memungkinkan desain dan sintesis bahan komposit canggih dengan sifat yang disesuaikan.
3. Eksplorasi Aplikasi pada Material Katoda Baterai Lithium-Ion
3.1 Keterbatasan Bahan Katoda Tradisional
Bahan katoda LIB tradisional, seperti litium besi fosfat (LiFePO₄), litium kobalt oksida (LiCoO₂), dan litium nikel mangan kobalt oksida (LiNiₓMnᵧCo₁₋ₓ₋ᵧO₂, NCM), menghadapi tantangan signifikan yang membatasi kinerjanya:
Konduktivitas Listrik Rendah: Misalnya, LiFePO₄ memiliki konduktivitas elektronik hanya 10⁻⁹~10⁻¹⁰ S/cm, yang sangat membatasi transpor elektron selama pengisian dan pengosongan, sehingga menyebabkan kemampuan laju yang buruk.
Kinetika Difusi Li⁺ Lambat: Struktur kristal padat dari katoda tradisional (misalnya, LiCoO₂) menghasilkan koefisien difusi Li⁺ yang rendah (10⁻¹⁴~10⁻¹² cm²/s), yang menyebabkan polarisasi signifikan pada laju tinggi.
Masalah Stabilitas Siklus: Degradasi struktural (misalnya, transisi fase dalam LiFePO₄) dan pelarutan ion logam (misalnya, Co³⁺ dalam LiCoO₂) selama siklus menyebabkan memudarnya kapasitas.
3.2 Upaya dan Pencapaian Katoda Komposit SLGO
Untuk mengatasi keterbatasan ini, para peneliti telah mengembangkan bahan katoda komposit SLGO melalui berbagai strategi komposit, yang secara signifikan telah meningkatkan konduktivitas listrik, efisiensi difusi Li⁺, dan stabilitas siklus katoda.
3.2.1 Strategi Semi-Enkapsulasi
Dalam struktur semi-enkapsulasi, lembaran SLGO sebagian melekat pada permukaan partikel katode, membentuk "bridge" antar partikel. Struktur ini menjaga integritas struktur kristal katode sekaligus membangun jaringan konduktif. Misalnya, pada komposit LiFePO₄/SLGO yang dibuat dengan metode hidrotermal, lembaran SLGO dijangkarkan secara selektif pada bidang (010) LiFePO₄ (bidang difusi Li⁺ utama). Hal ini tidak hanya meningkatkan konduktivitas elektronik komposit (dari 10⁻¹⁰ S/cm menjadi 10⁻³ S/cm) tetapi juga tidak menghalangi saluran difusi Li⁺. Pada laju 10°C, komposit ini menghasilkan kapasitas spesifik 120 mAh/g, yang 3 kali lebih tinggi daripada LiFePO₄ murni (40 mAh/g) (Zhang dkk., 2020).
3.2.2 Strategi Enkapsulasi Penuh
Strategi enkapsulasi penuh melibatkan pembungkusan lembaran SLGO di sekitar partikel katode individual, membentuk struktur inti-kulit. Struktur ini secara efektif dapat menekan pelarutan ion logam dan degradasi struktural. Untuk komposit LiCoO₂/SLGO yang dibuat dengan metode perakitan mandiri elektrostatik, kulit SLGO (ketebalan: ~5 nm) bertindak sebagai penghalang fisik untuk mencegah pelarutan Co³⁺ ke dalam elektrolit. Setelah 500 siklus pada suhu 1°C, tingkat retensi kapasitas komposit adalah 85%, dibandingkan dengan hanya 60% untuk LiCoO₂ murni (Wang dkk., 2021). Selain itu, kulit SLGO meningkatkan konduktivitas listrik LiCoO₂, dengan komposit menunjukkan kapasitas spesifik sebesar 165 mAh/g pada suhu 0,5°C (15% lebih tinggi daripada LiCoO₂ murni).
3.2.3 Strategi Pencampuran Ultrasonik
Pencampuran ultrasonik merupakan metode sederhana dan terukur untuk mempersiapkan katoda komposit SLGO. Dengan menggunakan ultrasonik intensitas tinggi, lembaran SLGO dapat terdispersi secara merata di antara partikel katoda, membentuk jaringan konduktif 3D. Metode ini menghindari penggumpalan lembaran SLGO dan memastikan kontak yang baik antara SLGO dan partikel katoda. Sebuah studi pada komposit LiNi₀.8Mn₀.1Co₀.1O₂ (NCM811)/SLGO yang disiapkan dengan pencampuran ultrasonik menunjukkan bahwa komposit tersebut memiliki koefisien difusi Li⁺ sebesar 5×10⁻¹¹ cm²/s (2 kali lebih tinggi daripada NCM811 murni). Pada laju 5C, komposit tersebut menghasilkan kapasitas spesifik sebesar 150 mAh/g, dan setelah 200 siklus, tingkat retensi kapasitasnya mencapai 92% (Li dkk., 2022).
4. Penelitian Mendalam tentang Material Anoda Baterai Lithium-Ion
4.1 Tantangan dan Terobosan SLGO sebagai Material Anoda Langsung
SLGO memiliki potensi besar sebagai material anoda untuk LIB karena luas permukaan spesifiknya yang besar dan kapasitas penyimpanan Li⁺ teoritis yang tinggi (~744 mAh/g, berdasarkan LiC₆). Namun, penggunaan langsung SLGO sebagai anoda menghadapi dua tantangan utama:
4.1.1 Penumpukan Lapisan
Gaya van der Waals antar lembaran SLGO mudah menyebabkan penumpukan, yang mengurangi luas permukaan spesifik dan menghalangi saluran difusi Li⁺, sehingga menurunkan kemampuan laju. Sebagai contoh, anoda SLGO murni hanya memiliki luas permukaan spesifik sekitar 500 m²/g (jauh lebih rendah daripada nilai teoritis), dan kapasitasnya pada suhu 5°C kurang dari 200 mAh/g.
4.1.2 Efisiensi Coulombik Awal Rendah
Gugus fungsi yang mengandung oksigen pada SLGO dapat bereaksi dengan Li⁺ selama siklus pengisian-pengosongan pertama, membentuk lapisan antarmuka elektrolit padat (SEI) berimpedansi tinggi. Hal ini mengakibatkan efisiensi Coulombik awal yang rendah (seringkali kurang dari 60%), yang membatasi penerapan praktis anoda SLGO.
Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti telah mengembangkan berbagai metode modifikasi:
4.1.3 Metode Ekspansi Termal
Dengan memanaskan SLGO pada suhu 800~1200 °C dalam atmosfer inert (misalnya, Ar), gugus fungsi yang mengandung oksigen terurai menjadi produk gas (CO, CO₂, H₂O), menghasilkan tekanan internal yang mengembangkan lembaran SLGO menjadi struktur berpori. Struktur berpori ini tidak hanya mencegah penumpukan lapisan tetapi juga meningkatkan luas permukaan spesifik dan menyediakan lebih banyak tempat penyimpanan Li⁺. Sebuah studi oleh Li dkk. (2021) menunjukkan bahwa SLGO yang diekspansi secara termal (TE-SLGO) memiliki luas permukaan spesifik 1800 m²/g, dan efisiensi Coulombik awalnya meningkat menjadi 85% (karena reduksi gugus yang mengandung oksigen). Pada laju 1C, TE-SLGO menghasilkan kapasitas spesifik reversibel sebesar 650 mAh/g, dan setelah 200 siklus, tingkat retensi kapasitas mencapai 92%.
