TINJAUAN PUSTAKA
2.3 Bagian-bagian Batera
Terdapat beberapa bagian-bagian dari baterai yaitu:
2.3.1 Elektroda Positif (Katoda)
Katoda disusun dari campuran bahan elektroda (90%), aditif konduktif (6%), bahan pengikat (4%), dan dilukis pada arus kolektor. Li-TMs dengan konduktivitas elektron yang rendah umumnya digunakan sebagai bahan elektroda, penurunan konduktivitas elektroda. Maka, beberapa karbon konduktif seperti grafit, Acethylene Black (AB), Ketjen Black (KB) kembali ditambahkan untuk meningkatkan sifat konduktif dari elektroda. Polimer fluorocarbon seperti Polytetra Fluoroethylene (PTFE), Polyvinylidene-difluoride (PVdF), dan Polyvinyl-fluoride (PVF) biasanya digunakan sebagai pengikat untuk menghubungkan setiap partikel dari bahan elektroda. Foil biasanya digunakan sebagai arus kolektor, karena harus bertahan dengan kondisi oksidasi yang tinggi (~4V vs Li+/Li).
2.3.2 Elektroda negatif (Anoda)
Anoda tersusun oleh karbon (seperti grafit dan karbon berat) sebagai bahan dasar (90%) dan bahan pengikat (10%). Untuk mencegah paduan Li pada kondisi reduksi rendah, terdapat Cu-foil yang digunakan sebagai pengganti arus kolektor dari Al-foil.
2.3.3 Elektrolit
Elektrolit memiliki lebar potensial yang tidak bereaksi di bawah potensial reduksi yang rendah seperti Li. Maka dari itu, elektrolit biasanya menggunakan solusi organic. Garam Li dilarutkan pada larutan karbonat dengan metode non-air. Karbonat ester dari konstanta dielektrik yang tinggi seperti elthylene carbonate (EC, m.p.36.40C) atau prophylene carbonate (PC,m.p.-54.50C) yang dipakai sebagai larutan. Meskipun sifat-sifat unggul pada daerah suhu yang besar, larutan PC tidak dapat menerima elektroda grafit untuk reaksi pengelupasan (Dey 1970 ; Inaba 1997). Garam Li seperti Lithium hexafluorophosphate (Li PF6) atau
Lithium pherclorate (LiClO4) biasanya digunakan sebagai zat terlarut pada
elektrolit. Garam Li ini tidak stabil dalam air dan mudah terurai, serta menghasilkan jenis asam seperti HF atau HCL. Karena jenis asam ini membuat bahan elektroda dan arus kolektor berkarat, maka jumlah air pada sel baterai harus di bawah level ppm.
2.3.4 Anoda konvensional (Graphite)
Salah satu elektroda negatif yang paling umum digunakan dalam baterai saat ini adalah grafit. Grafit sebagai anoda pada baterai ditunjukkan pada (Gambar 2.4). Karbon atom dalam grafit yang disusun dalam lapisan halus yang diterapkan bersama oleh ikatan van der Waals . atom lithium dapat bergerak di antara lapisan dan disimpan pada pusat cincin karbon, sehingga memungkinkan satu lithium disimpan pada setiap enam karbon; yaitu, membentuk LiC6. Bahan interkalasi
umumnya tidak mengalami pembentukan dendrite, tetapi energi dan spesifik daya diabaikan pada solusi ini. Baterai ion lithium yang umum memiliki grafit sebagai anoda, yang bekerja pada -2.5 V vs elektroda hydrogen standar, dan bahan interkalasi yang lain umumnya, logam transisi oksida sebagai katoda bekerja di sekitar 1.0 V.
Gambar 2.4 Skematik material elektroda pada baterai ion Li, menggunakan katoda litium metal oxide dan anoda grafit
2.4 Li4Ti5O12 (LTO)
Standar sintesis solid-state secara umum membutuhkan suhu 8000 C atau suhu
yang lebih tinggi untuk mendapatkan produk yang murni. Suhu yang tinggi akan menyebabkan pertumbuhan partikel dan dengan demikian akan menurunkan tingkat kemampuan bahan aktif (Kataoka, 2008; Julien and Zaghib, 2004).
Potensial elektrokimia yang relatif lebih tinggi dengan kapasitas teoritis lebih rendah (1,55 V vs Li+/Li dengan 175 mAh g-1) dibanding dengan grafit (0,1- 0,3 V vs Li+/Li dengan 372 mAh g-1), densitas energi dari sel ion Li dengan Li4Ti5O12 berdasarkan elektrodanya menurun dibandingkan pemakaian sel grafit.
Di sisi lain, elektroda Li4Ti5O12 memiliki banyak keuntungan. Beberapa
keuntungan Li4Ti5O12 adalah :
1. Stabilitas siklus hidup yang panjang
Regangan nol menyebabkan stabilitas mekanik material elektroda. 2. Penggunaan kepadatan arus besar
Potensial elektrokimia yang relatif tinggi menyebabkan tidak adanya deposisi logam Li atau pembentukan dendrit pada permukaan elektroda di bawah tingkat tinggi siklus charge-discharge.
3. Stabilitas kimia
Tahan api dan reaktivitas kimia yang rendah pada penyisipan Li di bawah suhu tinggi memungkinkan kita untuk menggunakan pelarut PC dan arus
kolektor Al, dan dapat membantu untuk merancang biaya rendah, kinerja tinggi dan keselamatan aplikasi sel dengan daya tinggi.
Dengan keuntungan ini elektroda baru yang didasarkan Li4Ti5O12 adalah yang
paling menjanjikan pada skala besar dan aplikasi daya tinggi untuk baterai ion litium.
2.5 Li4Ti5O12 (LTO) doping Al
Li4Ti5O12 memiliki nilai konduktifitas ionik yang rendah sehingga membatasi
tingkat kemampuan elektronik (Rho.Y.H, 2003 ; Amatucci 2001 ; Huang.S, 2006). Untuk meningkatkan nilai konduktifitas tersebut, beberapa cara yang efektif telah diusulkan, termasuk sintesis Li4Ti5O12 (Guerfi.A, 2003 ; Nakahara.K, 2003)
dengan doping ion logam aliovalent (V5+, Mn4+, Fe3+, Al3+, Ga3+, Co3+,Cr
3+, Ni2+,
Mg2+ dan F-) pada Li, Ti atau situs O (Kubiak.P, 2003 ; Huang.S, 2007). Dengan penambahan Al3+ terbentuklah Li4Ti5−xAlxO12 yang dapat meningkatkan
kapasitas reversibel dan stabilitas pada saat pengisian dan pemakaian doping pada Li4Ti5O12 dengan tegangan berkisar 0,5 - 2,5 V (Huang,S. 2005).
Doping Al dan Li4Ti5O12 yang tidak didoping (Al4 – xAlxTi5O12, x=0, 0,05,
0,1 dan 0,2) tersusun oleh reaksi padatan konvensional. LiOH - H2O dan TiO2,
digunakan sebagai bahan baku (Hailei Zhao, 2008). Pada penelitian stuktur dan karakterisasi elektrokimia pada L14-xAlxTi5O12 sebagai material anoda baterai ion
lithium oleh Hailei Zhao, dkk (2008) menunjukkan bahwa Li4Ti5O12 doping Al
dengan rumus kimia L14-xAlxTi5O12 (x=0, 0,05, 0,1 dan 0,2) disintesis dengan
metode reaksi padatan. Doping Al tidak merubah komposisi fasa dan morfologi partikel, tapi mudah menghasilkan distorsi kisi sehingga kristalinitas buruk pada Li4Ti5O12. Kelebihan Al menyebabkan polarisasi elektroda yang besar karena
konduktivitas ion Li yang lebih rendah, sehingga menyebabkan kapasitas yang rendah pada densitas arus tinggi.
J. Y. Lin dkk (2013) mensintesis lithium titanate doping Al dengan rumus kimia Li4-xTi5-xAlxO12 (x=0,05) melalui proses sol-gel. Hasil sintesa menunjukkan
bahwa ada peningkatan kapasitas discharge dan laju kapabilitas yang signifikan.
Peningkatan laju kapabilitas disebabkan difusivitas ion Li lebih tinggi dan hambatan transfer muatan yang rendah karena subtitusi Al3+ pada Ti4+.
4TI5-xAlxO12 melalui
reaksi padatan , dan menyelidiki sifat-sifat elektrokimia dengan metode konduksi elektronik, voltametri siklik, dan tes charge-discharge pada rentang tegangan discharge yang berbeda (0-2,5 V dan 1-2,5 V). Hasil penelitian menunjukkan
bahwa doping Al3+ tidak mempengaruhi struktur spinel tapi sangat meningkatkan kapasitas dan kinerja awal. Doping Al3+ berguna bagi interkalasi reversible dan deinterkalasi dari Li+.
Jung Soo Park dkk (2013) mensintesis Li4Ti5O12 sebagai material anoda
baterai ion litium, dengan metoda reaksi padatan (Li(4-x/3)AlxTi(5-2x/3)O12),
menyatakan bahwa suhu kalsinasi optimum untuk Li4Ti5O12 doping Al ditentukan
menjadi 8500 C diantara tiga suhu yaitu, 7500 C, 8500 C, dan 9500 C, berdasarkan struktur dan karakterisasi elektrokimia. Siklus pengujian awal pada Li4Ti5O12
tanpa doping dan doping Al3+ menyatakan bahwa performa elektreokimia pada elektroda yang disiapkan pada suhu 8500 C lebih baik dari pada suhu 7500 C dan 9500 C. Rasio penyimpanan kapasitas pada Li(4-x/3)AlxTi(5-2x/3)O12 (x = 0.01, 0.05,
0.1) lebih dari 99,3% setelah 30 siklus.
Material elektroda praktis biasanya dioptimalkan dengan unsur doping. Pada penelitian yang dilakukan oleh De Li dkk (2015) yaitu efek memori induksi doping pada Li4Ti5O12 doping Al menunjukkan bahwa Li4Ti5O12 terbebas dari
efek memori, sementara efek memori yang berbeda dapat diinduksi oleh doping Al. Setelah dilakukan discharge pada potensial cutoff rendah, Li4Ti5O12 doping Al
menunjukkan kinetika elektrokimia yang buruk, memberikan kelebihan potensial yang besar pada saat proses charging. Ketergantungan atas kelebihan potensial