Penggunaan energi fosil seperti batu bara, bensin dan gas secara terus-menerus menyebabkan persediaan bahan bakar fosil menjadi menipis. Kecenderungan ini telah mendorong kenaikan harga jual bahan bakar dan telah menciptakan ketergantungan yang kuat pada bahan bakar ini. Kemudian, pembakaran bahan bakar fosil menyebabkan emisi gas rumah kaca seperti CO2, Nitrogen Oksida (NOx), Sulfur Oksida (SO2) dan masalah partikulasi (Liu and Cao, 2010) yang dianggap mempercepat pemanasan global. Oleh karena itu, dibutuhkan pembaharuan sumber energi yang lebih baik. Dalam menghadapi emisi gas rumah kaca, beberapa penelitian melakukan sistem hemat energi. Salah satu sektor terbesar penghasil emisi adalah transportasi. Beberapa jenis kendaraan yang dapat mengurangi efek emisi dan menipisnya sumber daya bahan bakar fosil yaitu: Internal Combustion Engine (ICE), Hybrid Electic Vehicle (HEVs), dan Plug Hybrid Electric Vehicle (PHEVs) (Notter et al, 2010).
Sumber energi utama dalam kendaraan listrik disimpan dalam sebuah perangkat sel elektrokimia yang disebut dengan baterai. Baterai yang digunakan adalah jenis baterai Ion Lithium. Baterai Ion Lithium komersil saat ini masih belum cukup untuk sepenuhnya memenuhi kebutuan masyarakat dengan baik. Tetapi dalam sektor otomotif, perangkat yang dioperasikan dengan baterai berubah drastis menjadi lebih canggih untuk pengembangan di masa mendatang. Oleh karena itu, dalam baterai Ion Litihium untuk transportasi diperlukan kepadatan energi yang lebih tinggi, kepadatan daya yang tinggi, dan stabilitas siklik yang baik. Suatu elektrokimia ditingkatkan dalam sistem ini, dengan mengembangkan bahan elektroda. Bahan elektroda maju berperan penting dalam konversi energi dan penyimpanan dalam sistem baterai ion lithium saat reaksi
lingkungan dan memiliki lifecycle panjang (500-1000 siklus), densitas energi tinggi dan kapasitas spesifik lebih tinggi dibandingkan dengan baterai sekunder yang lain (Chew, 2008).
Sel Ion Lithium (Li-ion) dapat mengubah energi potensial kimia menjadi energi listrik melalui reaksi oksidasi dan reduksi. Sel Ion Lithium adalah dua sel elektrokimia elektroda yang terdiri dari kutub positif dan negatif yang dilapisi pada kolektor yang terhubung pada sirkuit eksternal. Anoda baterai Ion Lithium komersial berupa kristal karbon, Oksida Logam (LiCoC2) sebagai katoda, separator sebagai lapisan pemisah antar elektroda, serta elektrolit berupa larutan garam Lithium (LiPF6, LiBF4 atau LiClO4) (Herstedt, 2003). Secara umum, baterai Ion Lithium terdiri dari tiga komponen utama yaitu Elektrolit, Anoda dan Katoda. Material elektrolit yang digunakan antara lain adalah Lithium Hexafluorophosphat (LiPF6). Material elektrolit tersebut berfungsi sebagai media transfer ion. Sementara itu, material anodanya adalah metalik litium dengan kapasitas spesifik hingga 3860 mAh/g.
Saat ini, semua siklus hidup baterai didasarkan pada baterai Lithium Ion dengan anoda berbasis grafit. Namun, siklus hidup baterai lithium ion dengan anoda grafit terbatas karena terbentuknya lapisan pasif Solid Electrolyte Interphasa (SEI) dan penebalan pada anoda grafit, terjadi lithium plating saat pengisian di bawah suhu rendah, dan terjadi reaksi samping lainnya. Anoda Lithium Titanium Oksida (Li4Ti5O12) dianggap sebagai pilihan yang lebih baik daripada anoda grafit konvensional (Scrosati, 2010). Hal ini dikarenakan Li4Ti5O12 memiliki tegangan operasi yang yang stabil, yaitu sebesar 1,55 V vs. Li+/Li yang tidak menyebabkkan adanya dendrit ion lithium pada anoda selama interkalasi, memiliki kapasitas yang tinggi 175 mAh/g, laju charging-discharging yang tinggi dan juga termasuk kedalam material Zero-Strain yang memiliki struktrur spinel yang kuat, hal ini mengakibatkan struktur atau volume kisi dari material Li4Ti5O12 sulit untuk berubah pada saat proses interkalasi atau proses insersi atau ekstraksi lithium selama siklus baterai (Wen, 2012 & Nordh, 2013).
Dalam fabrikasi sel baterai dengan material aktif Li4Ti5O12 sebagai anoda, material aktif berupa serbuk dan harus dibuat dalam bentuk lembaran anoda
dengan cara dilapiskan pada Cu Foil. Ada beberapa yang harus diperhatikan dalam proses membuat lembaran anoda seperti komposisi bahan, lama pencampuran, suhu pemanasan, kecepatan pencampuran, viskositas slurry, ketebalan coating, kecepatan coating, suhu dan lama pengeringan (Suci, 2015). Parameter ini yang mempengaruhi karakteristik lembaran elektroda baterai yang pada akhirnya mempengaruhi performa sel baterai. Ketepatan dalam mencampurkan bahan pada komposisi yang pas sangat perlu diperhatikan dalam hal ini, karena komposisi bahan akan menentukan morfologi lembaran anoda dan efeknya berpengaruh terhadap kinerja elektroda.
Densitas daya (Power Density) dan kepadatan energi (Energy Density) pada performa sel baterai baterai sangat bergantung pada ketebalan lapisan material aktif. Lapisan material aktif yang banyak menyebabkan energy density menurun karena jumlah pada bahan material aktif yang besar sehingga meningkatkan jarak difusi ion lithium panjang. Sebaliknya, lapisan material aktif yang tipis menyebabkan jarak difusi ion lithium singkat sehingga menyebabkan Power Density meningkat (Nordh, 2013).
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah dijelaskan diatas, maka permasalahan dalam penelitian ini adalah mengoptimalkan variasi ketebalan material aktif Li4Ti5O12 dalam pembuatan lembaran anoda pada baterai ion lithium sehingga nantinya dihasilkan lembaran anoda yang dapat meningkatkan performa dari elektrokimia sel baterai. Dengan ketebalan material aktif yang optimum diharapkan dapat memperoleh Kapasitas Spesifik, Energy Density dan Power Density yang optimum.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1.4 Manfaat Penelitian
Dari penelitian ini diharapkan dapat mengetahui nilai optimalisasi performa Li4Ti5O12 sebagai material anoda pada sel baterai ion lithium.
1.5 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Penelitian ini difokuskan pada sintesis dan pembuatan lembaran anoda Li4Ti5O12.
2. Bahan baku yang digunakan adalah serbuk LiOH.H2O, dan TiO2 . 3. Komposisi lembaran anoda terdiri dari serbuk Li4Ti5O12, PVDF dan AB
dengan perbandingan 85:10:5, dengan pelarut N,N-Dimethylacetamide. 4. Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini meliputi karakterisasi
material anoda Li4Ti5O12 (uji XRD) dan karakterisasi lembaran dalam sel setengah baterai (Electrochemical Impedance Spectroscopy, Cyclic Voltammetry dan Charge/Discharge).
1.6 Sistematika Penulisan
Adapun sistematika dalam penulisan Skripsi ini mencakup beberapa bab dan subbab seperti dijelaskan di bawah ini:
BAB 1 : Pendahuluan
Bab ini terdiri atas latar belakang penelitian, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dalam penelitian, serta sistematika penulisan laporan penelitian.
BAB 2 : Tinjauan Pustaka
Bab ini berisi dasar-dasar teori yang terkait kajian dan analisa dalam penelitian, yakni teori baterai secara umum, baterai Ion Lithium, baterai Lithium Titanate, karakteristik dari masing-masing bahan baku dan variasi ketebalan dalam pembuatan lembaran anoda Li4Ti5O12.
BAB 3 : Metodologi Penelitian
Bab ini berisi tempat dan waktu penelitian, metode yang digunakan dalam penelitian meliputi bahan dan peralatan yang digunakan serta diagram alir penelitian.
BAB 4 : Hasil dan Pembahasan
Bab ini mencakup pembahasan dari hasil penelitian berupa hasil XRD (X-ray Diffraction) , EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) , Cyclic Voltammetry dan Charge/Discharge.
BAB 5 : Kesimpulan dan Saran
Bab ini berisi kesimpulan yang diperoleh dari bab sebelumnya yaitu hasil dan pembahasan terkait tujuan dari penelitian. Dan juga saran yang diberikan untuk kajian lebih lanjut dari skripsi.
PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li4Ti5O12) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP
PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM
ABSTRAK
Telah dilakukan pembuatan serbuk Li4Ti5O12 dan studi pengaruh ketebalan terhadap performa elektrokimia baterai ion lithium. Li4Ti5O12 disintesis dari bahan baku LiOH.H2O dan TiO2 dengan metode metalurgi serbuk. Lembaran elektroda dibuat dengan mencampurkan serbuk Li4Ti5O12dengan PVDF, AB serta pelarut N-N,DMAC hingga menjadi lumpur dan dilapiskan pada Cu foil dengan variasi ketebalan 50 m, 80 m, dan 120 m. Dari lembaran tersebut dibuat baterai setengah sel dengan menggunakan elektroda referensi metalik lithium dan elektrolit LiPF6. Karakterisasi yang dilakukan meliputi X-Ray Diffraction (XRD) untuk mengetahui struktur kristal dan fasa serbuk dan performa setangah sel baterai dilakukan dengan uji Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), Cyclic Voltammetry (CV) dan Charge/Discharge (CD). Dari hasil pengujian XRD menunjukkan ada dua fasa yang terbentuk, yaitu fasa Li4Ti5O12 sebesar 77,3 % dengan struktur kristal cubic dan fasa TiO2 rutile sebesar 22,7 % dengan struktur kristal tetragonal. Hasil konduktivitas yang tertinggi pada lembaran anoda dengan menggunakan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) adalah 3,66 x 10-5 S/cm pada ketebalan 50 m. Hasil CV menunjukkan semakin tipis lembaran anoda maka semakin cepat interkalasi dan de-interkalasi. Sedangkan, hasil CD menunjukkan bahwa ketebalan lapisan mempengaruhi nilai kapasitas spesifik, semakin tebal lapisan semakin menurun nilai kapasitas spesifiknya. Kapasitas sel baterai yang baik diperoleh pada ketebalan lapisan 50 m, dengan kapasitas charge sebesar 146,6 mAh/g dan kapasitas discharge sebesar 146,09 mAh/g.
SYNTHESIS OF Li4Ti5O12 ANODE AND STUDY OF ELECTRODE THICKNESS EFFECTON THE ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE
OF LITHIUM ION BATTERY.
ABSTRACT
The synthesis of Li4Ti5O12 and the study of electrode thickness effect on the electrochemical performance of lithium ion batteries has been carried out. Li4Ti5O12 powders were synthesized from raw materials LiOH.H2O and TiO2 via powder metallurgy method. Electrode sheet was made by mixed Li4Ti5O12powders with PVDF, AB and NN,DMAC solvents become sluury and coated into sheet on
the Cu foil with variations in the thickness of 50μm, 80μm, and 120 μm. The
electrode sheet was assembled into half-cell battery using a coin cell with metallic lithium as reference electrode and LiFP6 as electrolyte. Characterization included X-Ray Diffraction (XRD) to know crystal structure and phases, while elctrochemical performances were conducted by Electrochemical Impedance Spectroscop (EIS), Cyclic Voltammetry (CV) and Charge/Discharge (CD). XRD test showed that there are two phases formed, namely Li4Ti5O12 with cubic structure at 77.3% and rutile TiO2 with tetragonal crystal structure at 22.7%. EIS test showed that the highest conductivity of anode sheet is 3.66 x 10-5 S/cm at a thickness of 50 μm. While, CV results showed that thicker electrode sheet will increase intercalation and de-intercalation. From CD test showed that the layer thickness affects the value of the specific capacity, the thicker of electrode layer will decreases the value of specific capacity. The best capacity of battery cells are
obtained in a layer thickness of 50 μm, with a charge capacity of 146.6 mAh/g and
the discharge capacity of 146.09 mAh/g.
PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li4Ti5O12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP
PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM
SKRIPSI
MIA AULIA DHIKA 120801004
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2016
PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li4Ti5O12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP
PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains
MIA AULIA DHIKA 120801004
DEPARTEMEN FISIKA
