Produksi baterai berkinerja tinggi membutuhkan pemahaman mendalam tentang material penyusunnya dan proses kimia yang terjadi. Dengan menganalisis getaran molekul, spektroskopi vibrasi memberikan wawasan penting mengenai komposisi, struktur, dan karakteristik ikatan material baterai.

Teknik spektroskopi vibrasi seperti FTIR dan Raman telah menjadi alat yang sangat penting dalam menganalisis berbagai komponen, mulai dari bahan baku hingga elektroda internal yang canggih, bahkan material dari baterai daur ulang. Analisis real-time yang disediakan oleh instrumen-instrumen ini membantu peneliti dan produsen memantau perubahan kimia dan fisika yang terjadi selama pengembangan atau pengoperasian baterai.

Artikel ini menjelaskan berbagai cara penggunaan alat spektroskopi vibrasi dari Thermo Fisher Scientific untuk meningkatkan efisiensi dan keamanan produksi baterai lithium-ion di semua tahapan pembuatannya.

Dasar-Dasar Spektroskopi Vibrasi

Gambar 1. The electromagnetic spectrum, delineated into sections based on relative energies

Spektroskopi menggunakan cahaya untuk mengeksitasi gerakan molekul dan menganalisis spektrum yang dihasilkan guna mempelajari material yang diteliti. Bagian spektrum elektromagnetik yang sesuai dengan frekuensi getaran molekul adalah inframerah (IR), sedangkan UV-vis menyelidiki struktur elektronik molekul, dan spektroskopi gelombang mikro menginduksi rotasi molekul (Lihat Gambar 2).

Gambar 2. Electromagnetic absorption spectrum of water.

Setiap jenis interaksi dan spektroskopi memberikan informasi berbeda tentang material tersebut. Puncak-puncak dalam spektrum vibrasi mengandung data tentang struktur molekul, sehingga dapat digunakan untuk mengidentifikasi material. Terdapat dua pendekatan utama dalam spektroskopi vibrasi, tergantung pada karakteristik material yang diteliti yaitu sektroskopi Inframerah (IR) dan Spektroskopi Raman.

Spektroskopi vibrasi, yang mempelajari getaran molekul dalam material, merupakan teknik analitis yang sangat kuat dan dapat membantu mencapai berbagai tujuan penelitian. Sebuah spektrum vibrasi menyimpan banyak informasi penting. Seperti ditunjukkan pada Gambar 3, interaksi antara sampel dan cahaya dalam spektroskopi Raman (salah satu teknik spektroskopi vibrasi) dapat memberikan berbagai wawasan.

Dengan demikian, spektroskopi vibrasi tidak hanya membantu dalam identifikasi material, tetapi juga dalam memahami karakteristik mendalam yang mendukung pengembangan baterai lebih efisien dan canggih.

Gambar 3. Information available from analysis with Raman spectroscopy, a vibrational spectroscopic technique.

Spektroskopi FTIR (Fourier Transform Infrared)

Spektroskopi Fourier Transform Infrared (FTIR) mengukur getaran kimia dalam suatu material. Karena setiap senyawa kimia memiliki kombinasi atom yang unik, spektrum inframerah yang dihasilkan pun memiliki pola getaran khas—seperti “sidik jari molekuler” yang membedakannya dari senyawa lain. Dengan jangkauan spektral yang luas, FTIR mampu mengukur berbagai tingkat energi untuk mengeksitasi semua getaran inframerah (IR-aktif) pada sampel, sehingga komposisinya dapat diidentifikasi secara akurat.

Spektroskopi FTIR menghubungkan struktur material dengan fungsinya. Teknik ini menjelaskan bagaimana susunan atom dan molekul penyusun material memengaruhi sifat dan kemampuannya. Informasi dalam spektrum vibrasi sangat kaya:

• Posisi puncak spektrum → menunjukkan struktur molekul dan memungkinkan identifikasi material dengan cepat (dibandingkan dengan spektrum referensi atau standar).
• Intensitas puncak → memberikan informasi kuantitatif tentang jumlah material yang ada (dengan kalibrasi yang tepat).
• Bentuk puncak atau pergeserannya → mengungkap sifat fisika-kimia material, seperti fase kristal, interaksi molekuler, atau perubahan struktural.

FTIR memerlukan sedikit atau bahkan tanpa preparasi sampel, sehingga sangat efisien untuk:

• Skrining cepat material (identifikasi jenis, jumlah, dan bentuknya).
• Analisis berbagai jenis sampel, mulai dari padatan, cairan, hingga film tipis.
• Pemantauan di seluruh siklus produksi baterai, mulai dari pemeriksaan bahan baku, R&D, analisis kegagalan, dan daur ulang komponen baterai.

Spektroskopi Raman

Spektroskopi Raman merupakan metode spektroskopi di mana sampel dieksitasi dengan sinar laser, kemudian cahaya yang terhambur oleh sampel dianalisis. Teknik ini mengkaji interaksi antara cahaya laser eksitasi dengan ikatan kovalen dalam molekul sampel, memberikan informasi molekuler mendalam—terutama untuk ikatan yang bersifat simetris tinggi, seperti rangka utama molekul dan struktur kisi kristal

Spektroskopi Raman menawarkan keunggulan utama dalam sensitivitas tinggi yang mampu mendeteksi perubahan kecil pada sudut ikatan maupun kekuatan ikatan, sekaligus membedakan morfologi molekul yang berbeda atau mengidentifikasi tegangan mekanis dalam kisi kristal. Teknik ini sangat ideal untuk karakterisasi material karbon seperti grafen karena kemampuannya menganalisis ikatan C-C simetris yang dominan, mencakup aplikasi penting seperti analisis cacat kristal, penentuan ketebalan lapisan, hingga deteksi doping pada berbagai material berbasis karbon.

Perbandingan Singkat FTIR vs Raman

Meskipun FTIR dan spektroskopi Raman sama-sama menganalisis getaran molekul, keduanya memperoleh informasi dengan cara yang berbeda:

• FTIR mendeteksi perubahan momen dipol saat molekul bergetar.
• Raman mengukur perubahan polarisasi akibat getaran molekul.

Perbedaan ini membuat beberapa jenis getaran lebih jelas terlihat pada salah satu teknik dibandingkan lainnya. Oleh karena itu, FTIR dan Raman bersifat komplementer, seperti ditunjukkan pada spektrum contoh di Gambar 4.

Gambar 4. FTIR and Raman spectra of trans-cinnamyl acetate.

Spektroskopi Raman menunjukkan puncak sangat intens untuk ikatan C=C (karbon-karbon) yang terlihat jelas, sedangkan FTIR hanya menampilkan puncak kecil yang sering tumpang tindih dengan puncak lain. Sebaliknya, pada getaran heteroatom seperti C=O (karbon-oksigen), FTIR memberikan sinyal kuat akibat perubahan momen dipol, sementara Raman menghasilkan sinyal yang relatif lebih lemah.

Ketika kedua teknik (Raman dan FTIR) digunakan untuk menganalisis sampel yang sama, mereka menghasilkan informasi yang saling melengkapi. Hal ini memungkinkan diperolehnya data penting dari berbagai jenis material. Instrumen Thermo Scientific seperti DXR3 Raman Microscope, DXR3 Raman Flex Spectrometer, MarqMetrix All-In-One Process Raman Analyzer, dan Nicolet iS50 FTIR Spectrometer dapat dikonfigurasi dengan berbagai aksesori sampling untuk mencapai tujuan analitis yang berbeda. Beberapa konfigurasi bahkan mampu memberikan informasi elektrokimia.

Mempercepat Pemahaman Komponen Baterai melalui Spektroskopi Vibrasi

Analisis Material

Spektroskopi vibrasi memungkinkan pemahaman mendalam tentang fungsi struktural material dan hubungannya dengan aplikasi praktis. Teknik ini menawarkan analisis cepat dengan preparasi sampel minimal, serta dapat diaplikasikan pada berbagai bentuk material. Sebagai contoh, spektroskopi Raman mampu membedakan material baterai serupa seperti lithium oksida, lithium peroksida, lithium hidroksida anhidrat, lithium karbonat, dan lithium heksafluorofosfat.

Katoda
Material katoda konvensional saat ini masih menghadapi tantangan biaya tinggi, masalah keamanan, toksisitas, dan penurunan kapasitas. Peneliti kini mengembangkan material komposit baru dan nanomaterial berpermukaan tinggi untuk meningkatkan performa katoda. Spektroskopi Raman berperan penting dalam menganalisis potensi aplikasi grafen pada katoda, sementara teknik TGA-IR (Termogravimetri-Spektroskopi Inframerah) membantu mengidentifikasi penyebab kegagalan material katoda multikomponen.

Anoda
Material grafitis yang umum digunakan sebagai anoda memiliki keterbatasan kapasitas teoritis. Silikon muncul sebagai alternatif menarik berkat kapasitas teoritisnya yang tinggi, meskipun masih menghadapi tantangan ekspansi volume selama siklus pengisian-pengosongan yang dapat menyebabkan degradasi. Spektroskopi Raman menjadi alat penting untuk mempelajari berbagai bentuk silikon pada tingkat mikroskopis, termasuk silikon nanokristalin yang sedang dikembangkan untuk mengatasi masalah ekspansi.

Elektroda Kimia

Dalam pengembangan baterai lithium-ion generasi berikutnya, pemahaman kimia elektroda menjadi sangat penting, terutama karena material elektroda tradisional hampir mencapai batas kinerjanya. Untuk itu, diperlukan teknik analisis yang mampu mengukur komposisi, morfologi, dan reaksi kimia elektroda secara bersamaan.

Spektroskopi Raman sangat efektif digunakan, karena mampu:

• Membedakan berbagai alotrop karbon (grafit, grafena, nanotube, buckyballs).
• Mendeteksi cacat dalam struktur grafena.
• Menganalisis perubahan bentuk silikon (kristalin vs amorf) yang penting untuk mengatasi masalah ekspansi pada anoda silikon.

Pemetaan citra Raman dari material elektroda karbon beserta grafik spektrum Raman untuk grafit dan grafena ditampilkan pada Gambar 5. Grafena ditanamkan di atas substrat, lalu dipindahkan ke silikon. Spektroskopi Raman dapat digunakan untuk meneliti morfologi keseluruhan material; misalnya, spektrum Raman dapat membedakan antara berbagai alotrop karbon, mulai dari grafit, grafena lapisan tunggal, hingga karbon nanotube atau buckyballs. Grafik di sisi kanan Gambar 5 menunjukkan perbedaan spektrum antara grafit dan grafena, sebagaimana ditunjukkan oleh perubahan intensitas relatif puncak-puncak karakteristik utama. Selain itu, ada juga daerah dalam spektrum di mana puncak cacat (defect peak) akan muncul, jika terdapat cacat dalam material.

Dalam gambar mikroskop Raman di sebelah kanan, yang ditampilkan sebagai peta kimia berwarna, struktur utama (ditunjukkan dengan warna hijau) adalah grafena lapisan tunggal yang telah ditumbuhkan. Area berwarna biru menunjukkan daerah cacat. Ada juga garis-garis kecil berwarna merah dan biru: ini adalah lipatan-lipatan dalam lapisan grafena yang terbentuk saat dipindahkan ke substrat silikon. Hal ini menunjukkan bahwa banyak informasi dapat diperoleh dengan cepat dan mudah melalui analisis Raman yang tidak merusak.

Gambar 5.  Graphite and graphene reveal different structures in a Raman image map.

 Analisis Material Elektrolit dan Transfer Muatan

Elektrolit merupakan komponen kritis dalam sel baterai yang perlu dikembangkan lebih lanjut. Elektrolit cair konvensional memiliki keterbatasan berupa risiko kebocoran dan aplikasi yang terbatas, sehingga kini banyak penelitian beralih ke elektrolit padat atau semi-padat seperti solid polymer electrolytes (SPEs), metal-organic frameworks (MOFs), covalent organic frameworks (COFs), dan hidrogel. Material ini memungkinkan pengembangan baterai fleksibel untuk pakaian pintar, mainan elektronik, hingga perangkat medis. Spektroskopi vibrasi menjadi alat terbaik untuk menganalisis struktur material elektrolit dan mendinamika transfer muatan secara cepat dan akurat.

Material SPEs sering menghadapi masalah konduktivitas ionik yang rendah akibat adanya daerah kristalin dalam elektrolit. Untuk mengatasi hal ini, peneliti menambahkan bahan dopan untuk menghambat pembentukan daerah kristalin tersebut. Spektroskopi Raman dapat digunakan untuk mengidentifikasi daerah kristalin maupun amorf dalam elektrolit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Peta Raman dengan kode warna memudahkan identifikasi berbagai daerah tersebut, memberikan informasi penting untuk pengembangan elektrolit yang lebih efisien.

Gambar 6. Raman map of a solid polymer electrolyte (SPE).

Dinamika Kimia

Sel sampling memungkinkan studi in operando (saat perangkat berfungsi) dengan membangun sel elektrokimia langsung di dalamnya. Analisis mikroskopi Raman terhadap sel sampling memungkinkan visualisasi perubahan kimia dan morfologi pada elektroda saat baterai sedang beroperasi.

Gambar 7 menampilkan citra elektroda titanium dioksida. Penelitian ini menunjukkan bahwa elektroda awalnya sebagian besar berbentuk titanium dioksida. Saat baterai beroperasi, ion litium masuk ke dalam titanium dioksida dan mengubah strukturnya menjadi bentuk ortorombik. Kedua bentuk titanium dioksida ini memiliki ciri spektrum Raman yang berbeda.

Peta Raman dikumpulkan seiring waktu selama proses siklus baterai. Perubahan warna dari kuning (anatase) menjadi merah (ortorombik) menggambarkan perubahan struktur tersebut dengan jelas. Visualisasi ini bisa dilakukan secara real-time untuk memantau perubahan kimia dan fisik pada elektroda saat baterai bekerja.

Gambar 7. Raman maps of TiO₂ as it morphs from anatase to orthorhombic form

Analisis Gabungan
Instrumen riset FTIR dari Thermo Fisher Scientific, yaitu Nicolet iS50, dapat digabungkan dengan teknik analisis lain untuk memperoleh lebih banyak informasi dalam satu eksperimen terpadu.
Spektroskopi inframerah dapat digabungkan dengan:

• Kromatografi gas (GC-IR),
• Analisis termogravimetri (TGA-IR),
• Spektrometri massa (FTIR-GC-MS),

Menggabungkan semua teknik ini memberikan gambaran menyeluruh tentang dinamika kimia dalam baterai. Semua opsi dan kemungkinan yang ditawarkan oleh spektroskopi vibrasional ini diharapkan dapat mempercepat kemajuan teknologi baterai, serta membantu peneliti dalam menghasilkan baterai generasi berikutnya yang lebih kuat dan lebih tahan lama secara cepat dan aman.

Alphasains Dinamika merupakan distributor peralatan laboratorium seperti FTIR, Raman, Oil & Grease Extractor, GC, GC-MS, Digital Microscope, dll yang memiliki keagenan beberapa brand dari berbagai negara di dunia, baik Asia, Amerika maupun Eropa. Beberapa brand diantaranya adalah Thermo Scientific (US), OSS (US), DeltaPix (Denmark), dan lainnya. Untuk informasi lebih lanjut mengenai produk kami, silahkan kunjungi www.alphasains.com atau email ke sales@alphasains.com