2.3 Karakterisasi Elektrokimia Material Aktif .1 Tipe elektroda
2.3.2 Karakterisasi elektrokimia material elektroda
Kinerja elektrokimia material elektroda dalam sistem penyimpanan energi kimia (superkapasitor, baterai, dll) berkaitan dengan kapasitansi (F/g), densitas energi (Wh/kg) dan densitas daya (W/kg) yang dapat diukur dengan metode Cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge-discharge (GCD), Electrochemical Impedance spectroscopy (EIS) dan metode lainnya.
Metode pengukuran ini dapat menggunakan electrochemical analyzer/workstation (CHI Instrument, Gamry Instrument, Zahner, Autolab potentiostat/galvanostat, dll) (Kuzmenko et al., 2015; Ghosh et al., 2019; Hao et al., 2017; Patiño et al., 2017; Mai et al., 2013). Pengukuran ini dapat menggunakan sistem dua atau tiga elektroda (Bichat et al., 2010) seperti gambar 2.4.
Gambar 2.4 skema sistem tiga elektroda (kiri) (Pang et al., 2012) dan dua elektroda (kanan) (Tsay et al., 2012).
Kurva CV pada tingkat scanrate yang lebih rendah (5 - 30 mV/s) menunjukkan bentuk persegi panjang yang stabil dan cukup dalam kisaran potensial yang digunakan dalam pengukuran, menunjukkan perilaku kapasitif lapisan ganda listrik yang cukup baik dengan respons arus cepat pada pembalikan tegangan. Untuk scanrate yang lebih tinggi hingga 100 mV/s terjadi distorsi bentuk persegi karena peningkatan resistensi transpor ion elektrolit.
Evaluasi kapasitansi spesifik dari elektroda dibuat sesuai dengan persamaan berikut (Kuzmenko et al., 2015).
Cs = i m (dv
dt)
Pers 2.18
di mana Cs menunjukkan kapasitansi spesifik (F/g), m adalah massa bahan elektroda (g), dv/dt adalah laju pemindaian (mV/s), biasanya dilambangkan dengan (v) dan i adalah respon arus yang diperoleh dari area terintegrasi dari kurva CV (Kuzmenko et al., 2015).
Selain CV, GCD adalah metode alternatif untuk mengukur kapasitansi material. Teknik GCD menerapkan kerapatan arus konstan (misal, A/g) dan mengukur potensial responsif terhadap waktu. Secara umum, elektroda kerja dibebankan ke potensial yang telah ditentukan dan proses pelepasan kemudian dipantau untuk menilai kapasitansi (Kim et al., 2015).
Capasitansi diukur dengan persamaan (Muzaffar et al., 2019).
C =I x t
∆V Pers 2.19 di mana C menunjukkan kapasitansi spesifik (F/g), I adalah densitas arus (A/g) dan ∆V adalah jendela potensial kerja (V), dan t adalah waktu charge/discharge elektroda (Muzaffar et al., 2019).
Pengukuran spektroskopi impedans elektrokimia (EIS) memberikan impedansi superkapasitor pada potensial tertentu. Rentang amplitudo tegangan untuk pengukuran semacam itu rendah mulai dari 5 mV hingga 10 mV sesuai dengan batas frekuensi lebar mulai dari 0,01 Hz hingga 100 kHz. Plot Nyquist menampilkan spektrum impedansi pada rentang frekuensi yang diketahui (Muzaffar et al., 2019).
Plot Nyquist terdiri dari tiga wilayah. Wilayah frekuensi yang lebih tinggi (lebih besar dari 104 Hz) menandai setengah lingkaran di plot yang dihasilkan karena resistensi antar muka.
Wilayah kedua dari frekuensi tinggi ke sedang (104-101 Hz) menandai garis vertikal pada plot karena resistensi transfer muatan. Wilayah ketiga dari frekuensi terkecil (kurang dari 1 Hz) menghadirkan garis imajiner di sepanjang garis vertikal wilayah kedua yang mewakili perilaku kapasitif. Dari bagian imajiner impedansi (Z) yang terkait dengan frekuensi ini dapat dihitung menggunakan pengukuran EIS. Persamaan yang mengatur kapasitansi adalah (Muzaffar et al., 2019).
C = 1
2πf|Z| Pers 2.20 di mana C mewakili kapasitansi, f mewakili frekuensi dan Z mewakili impedansi. Persamaan ini menghitung kapasitansi dari bagian linear log | Z | versus log f disebut sebagai Bode plot. Dari
Bode plot, hubungan terbalik antara kapasitansi dan frekuensi dapat ditampilkan (Muzaffar et al., 2019).
Densitas daya dan energi dapat dihitung dengan menggunakan tes GCD dengan persamaan
E = 1
2 Cs (∆V)2 Pers 2.21 P = E
t Pers 2.22 di mana P melambangkan kepadatan daya (W/kg), E menunjukkan kepadatan energi (Wh/kg) dan t adalah waktu. Kepadatan daya maksimum (Pmax) tergantung pada kuadrat dari tegangan maksimum (Vmax) dan resistansi seri ekuivalen yang dilambangkan oleh RS seperti ditunjukkan dalam persamaan di bawah ini (Muzaffar et al., 2019; Kuzmenko et al., 2015).
Pmax = (Vmax)2
4Rs Pers 2.23 ESR adalah jumlah keseluruhan dari resistansi yang sesuai dengan elektroda, elektrolit dan difusi resistansi masing-masing ion dalam pori-pori elektroda (Muzaffar et al., 2019).
Ghosh et al (2019) menerangkan prosedur penentuan kinerja elektrokimia sampel karbon yang dipelajari dengan menggunakan CHI-660C electrochemical workstation. Sistem berbasis tiga elektroda diperoleh dan beda potensial direkam dari perspektif Ag/AgCl sebagai elektroda referensi. Carbon paper sebagai substrat utama untuk elektroda kerja dan kawat platinum digunakan sebagai elektroda lawan. Larutan Nafion digunakan sebagai bahan pengikat saat melapisi bahan elektroaktif yang didispersikan dalam etanol, pada carbon paper (5 cm × 1 cm × 0,1 cm). Setelah pelapisan, elektroda dikeringkan pada suhu kamar semalaman sebelum pengukuran dengan luas bahan aktif menjadi 1 cm2. Semua kinerja elektrokimia dan pengukuran yang sesuai diambil dalam 6 M KOH di suhu kamar (25°C). Eksperimen ini dijalankan pada berbagai kecepatan pemindaian dari 1 mV/s hingga 100 mV/s dalam jendela potensial −0.25 V hingga +0.25 V vs elektroda referensi Ag/AgCl. Kurva charge dan discharge diukur dalam jendela potensial yang sama −0.25 V hingga +0.25 V pada berbagai kepadatan arus. Pengukuran impedansi elektrokimia dilakukan dalam kisaran 0.01 Hz hingga 0.1 GHz dengan amplitudo AC 5 mV dan potensial bias 0.1 V. Impedansi Z diekspresikan dalam bentuk komponen nyata (Z') dan imajiner (Z”). Hasil dilihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 (a) siklik voltammetry dari sampel karbon aktif teraktivasi KOH pada scanrate 1 mV/s sampai 100 mV/s, (b) kurva GCD pada variasi arus dalam larutan KOH 6M, (c) plot Nyquist setelah penerapan gelombang sinus pada amplitudo 0.005 V pada rentang frekuensi dari 0.1 Hz sampai 0.1 GHz, dan (d) stabilitas siklus mencapai 6000 siklus dari sampel karbon aktif teraktivasi KOH (Ghosh et al., 2019).
BAB III BATERAI
3.1 Pendahuluan
Baterai adalah salah satu penemuan buatan manusia paling penting sepanjang sejarah (Bobby, 2014). Saat ini, cara kita menyimpan energi sama pentingnya dengan cara kita menciptakannya. Teknologi baterai sudah memungkinkan mobil listrik, serta membantu kami menyimpan daya darurat, menerbangkan satelit, dan menggunakan perangkat elektronik portabel. Tapi besok, bisakah anda menaiki pesawat bertenaga baterai, atau tinggal di kota yang ditenagai energi matahari di malam hari? (Desjardins, 2016). Gambar 3.1 menunjukkan elemen dasar baterai. Elektroda negatif adalah agen pereduksi yang baik (donor elektron) seperti lithium, zink, atau timbal. Elektroda positif adalah akseptor elektron seperti lithium cobalt oxide, mangan dioksida, atau oksida timbal. Elektrolit adalah konduktor ionik murni yang secara fisik memisahkan anoda dari katoda (Winter and Brodd, 2004).
Gambar 3.1 Diagram sel atau baterai yang menyalakan perangkat. Jika baterai diisi ulang, beban diganti dengan sumber energi yang memaksakan tegangan balik yang lebih besar dari tegangan baterai dan aliran elektron dibalik (Winter and Brodd, 2004).
Dalam prakteknya, bahan penyekat elektrik berpori yang mengandung elektrolit sering ditempatkan di antara anoda dan katoda untuk mencegah anoda dari kontak langsung dengan katoda. Jika anoda dan katoda bersentuhan secara fisik, akan terjadi hubungan pendek dan energinya dilepaskan sebagai panas di dalam baterai. Elektrolit baterai biasanya berbasis
pelarut cair dan dapat dibagi lagi menjadi elektrolit berair, tidak berair, dan padat. Elektrolit berair pada umumnya adalah garam dari asam dan basa kuat dan dipisahkan sepenuhnya dalam larutan menjadi ion positif dan negatif. Elektrolit menyediakan jalur konduksi ionik serta pemisahan fisik dari elektroda positif dan negatif yang diperlukan untuk operasi sel elektrokimia. Setiap elektrolit stabil hanya dalam rentang tegangan tertentu. Jika melebihi jendela stabilitas elektrokimiawi maka akan menghasilkan dekomposisi. Kisaran stabilitas tegangan tergantung pada komposisi elektrolit dan tingkat kemurniannya. Konduktivitas tinggi dari elektrolit berbasis pelarut disebabkan oleh konstanta dielektriknya, yang mendukung spesies ionik yang stabil, dan daya solvasinya yang tinggi, yang mendukung pembentukan ikatan jembatan hidrogen dan memungkinkan mekanisme konduktivitas Grotthus yang unik untuk proton (Winter and Brodd, 2004).
Dibandingkan dengan air, sebagian besar pelarut organik memiliki daya pelarut yang lebih rendah dan konstanta dielektrik yang lebih rendah. Ini mendukung pembentukan pasangan ion, bahkan pada konsentrasi garam rendah. Pembentukan pasangan ion menurunkan konduktivitas karena ion tidak lagi bebas dan terikat satu sama lain. Elektrolit organik menunjukkan konduktivitas yang lebih rendah dan viskositas yang jauh lebih tinggi daripada elektrolit berair. Melebihi batas tegangan dalam elektrolit organik menghasilkan polimerisasi atau dekomposisi sistem pelarut. Baterai elektrolit padat telah menemukan penggunaan terbatas sebagai sumber daya untuk alat pacu jantung dan untuk digunakan dalam aplikasi militer. Prinsip dasar yang diuraikan di atas berlaku untuk sel bahan bakar dan kapasitor elektrokimia serta baterai (Winter and Brodd, 2004).
Banyak faktor yang dapat memengaruhi karakteristik operasional, kapasitas, keluaran energi, dan kinerja baterai. Karena banyaknya interaksi faktor yang mungkin terjadi, maka kemungkingan pengaruhnya akan lebih besar. Sebagai contoh, efek penyimpanan tidak hanya dipengaruhi oleh suhu penyimpanan tinggi dan lama periode penyimpanan, tetapi juga dalam kondisi pemakaian yang lebih parah setelah penyimpanan. Setelah periode penyimpanan tertentu, hilangnya kapasitas yang diamati (dibandingkan dengan baterai baru) biasanya akan lebih besar di bawah beban pemakaian berat daripada di bawah beban pemakaian ringan.
Demikian pula, hilangnya kapasitas yang diamati pada suhu rendah (dibandingkan dengan
pelepasan suhu normal) akan lebih besar pada pemakaian berat daripada pada beban pemakaian ringan atau sedang. Spesifikasi dan standar baterai biasanya mencantumkan tes khusus atau kondisi operasional yang menjadi dasar standar karena pengaruh kondisi ini terhadap kinerja baterai. Lebih jauh lagi harus dicatat bahwa bahkan di dalam sel atau desain baterai tertentu, akan ada perbedaan kinerja dari produsen ke produsen dan antara versi berbeda dari baterai yang sama (seperti standar, tugas berat, atau premium). Ada juga variabel kinerja dalam satu lot produksi, dan dari lot produksi ke banyak produksi, yang melekat dalam setiap proses manufaktur. Tingkat variabilitas tergantung pada kontrol proses serta pada aplikasi dan penggunaan baterai. Data pabrikan harus dikonsultasikan untuk mendapatkan karakteristik kinerja tertentu (Linden and Reddy, 2002).
3.2 Baterai Primer