BAB IV METODE 4.1 Alat dan Bahan Penelitian
4.2 Peralatan dan Pengujian
Peralatan yang digunakan pada percobaan ini adalah 1. Autoclave
Digunakan untuk proses hidrotermal. 2. Neraca Analitik (Digital)
Digunakan untuk menimbang massa dari bahan-bahan penelitian seperti NaOH, TiO2 anatase, dan LiOH
3. Kaca Arloji
Digunakan sebagai tempat penimbangan bahan-bahan saat proses penelitian 4. Mortar dan Pestle
Digunakan sebagai penghancur dan menghaluskan serta pencampuran dalam proses penelitian
5. Beaker Glass
Digunakan untuk wadah melarutkan bahan dalam proses penelitian 6. Gelas Ukur
Digunakan untuk mengukur volume larutan 7. Spatula
Digunakan sebagai pengaduk dalam proses penelitian 8. Hot plate with magnetic stirrer
Digunakan untuk mencampur dan mengaduk larutan agar menjadi homogen
9. Muffle Furnace
Digunakan untuk melakukan pemanasan dalam proses hidrotermal dan proses pengeringan 10. Crucible
Digunakan sebagai wadah specimen hasil sintesis hidrotermal dalam proses kalsinasi dan pengeringan
11. Gloves
Untuk melindungi tangan saat bekerja dengan bahan-bahan berbahaya 12. Alat uji karakterisasi morfologi dan struktur material
a. SEM (Scaning Electron Microscope) b. XRD (X-ray Diffraction)
13. Alat uji electrochemical performance a. Galvanostatic charge-discharge (CD) b. Cyclic Voltammetry (CV)
Diagram alir penelitian untuk tahun kedua
Assembly baterai
Uji CV Uji EIS Uji CD Pembuatan elektroda kerja
Analisa data
Selesai Kesimpulan
Drying diikuti kalsinasi endapan H-Li-Ti-O
terbentuk selama 4 jam pada 800 oC, udara
Uji XRD Uji SEM
Mixing serbuk H-Ti-O + LiOH
Variasi stoikiometri LiOH 0.9, 1.1, dan 1.3 A
Diagram alir penelitian untuk tahun ketiga Mulai LTO : LiF 1 : 0 LTO : LiF 1 : 0,15 LTO : LiF 1 : 0,1
Ball mill dalam larutan etanol 600 rpm ( 6 jam )
Preparasi Alat dan Bahan
Selesai Kalsinasi pada T 700 °C (12 jam) Kalsinasi pada T 750 °C (12 jam) Kalsinasi pada T 800 °C (12 jam) LTO : LiF 1 : 0,2 Li4Ti5O12-x, Fx powder XRD SEM Carbon Analyzer Analisis Data
Mencampurkan bahan Li2CO3, TiO2 dan LiF dengan variasi rasio mol
Coating Carbon menggunakan Asetilene Gas + Argon Gas (6 jam)
Li4Ti5O12-x, Fx /C powder
Kesimpulan
Sintesis Anoda Li4Ti5O12/C
Penelitian ini menggunakan Li2CO3 (merck), dan TiO2 (merck) sebagai prekursor anoda baterai Li-ion. Acetylene gas yang digunakan berperan sebagai sumber karbon. Tahap pertama yang harus dilakukan untuk sintesis Li4Ti5O12 adalah menimbang masing-masing serbuk yakni 14,778 gr Li2CO3 dan 39,933 gr TiO2, setelah itu dilakukan pencampuran kedua serbuk dengan akohol (99%) dalam High Temperature Ball Milling yang dilengkapi zirconia balls dan dikalsinasi pada temperatur 750 0C selama 6 jam. Variasi waktu yag digunakan ketika pencampuran adalah 2, 3 dan 4 jam dengan kecepatan 150 rpm kemudian dikeringkan dalam oven selama 24 jam.
2Li2CO3(S) + 5TiO2(S) = Li4Ti5O12(S) + 2CO2(g) (3.1)
Material yang telah dilakukan pencampuran menggunakan Ball Milling kemudian dilapisi dengan
carbon yang bersumber dari acetylene gas. Variasi waktu pelapisan carbon dengan acetylene gas
yang digunakan adalah 0, 10, 20 menit.
Pembuatan Working Electrode
Untuk membuat working elektroda dilakukan dengan mencampurkan 80% sampel Li4Ti5O12/C, 10%
acetelyne black (AB), dan 10% Polivinil Difluoride (PVDF) yang berfungsi sebagai pengikat (binder). Kemudian ketiga bahan tersebut dicampurkan melalui proses mixing dengan menggunakan
mortar yang berbahan dasar agate hingga homogen. Kemudian hasil pencampuran, ditambahkan larutan N-methylpyrrolidone (NMP) yang berfungsi sebagai pelarut pada material anoda sedikit demi sedikit sampai membentuk slurry. Slurry yang telah terbentuk, dilapiskan ke current collector yang terbuat dari Tembaga dengan ketebalan 100 µm. Hasil pelapisan slurry ke current collector, dikeringkan pada temperatur 100˚C selama 10 jam sebelum di susun menjadi baterai full cell.
Pengujian Karakterisasi Material X –ray Diffraction (XRD)
Pada penelitian ini unutuk mengetahui fasa yang terbentuk pada sampel maka dilakukan pengujian XRD menggunakan instrument PANAnalytical dengan range sudut 10◦-90◦ dan menggunakan panjang gelombang CuKα sebesar 1.54056 Ȧ yang dilakuka di jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS. Sebelum dilakukan pengujian XRD dilakukan preparasi terhadap sampel berupa digerus terlebih dahulu menggunakan mortar agar didapatkan ukuran yang homogen, kemudian sampel diletakan di tengah-tengah plate agar tepat pada titik fokus hamburan sinar-X .
Secara umum prinsip kerja XRD ditunjukkan oleh Gambar 3.7 pengujian XRD. Generator tegangan tinggi berfungsi sebagai catu daya sumber sinar-X
1. Sampel berbentuk serbuk diletakkan diatas tatakan (palate) yang dapat diatur.
2. Berkas sinar-x didifraksikan oleh sampel dan difokuskan melewati celah, kemudan masuk ke alat pencacah. Apabila sampel berputar sebesar 2θ maka alat berputar sebesar θ.
3. Pola difraksi sinar-x direkam dalam bentuk kurva intensitas terhadap sudut difraksi
Untuk menentukan fasa yang terbentuk dapat dilakukan dengan metode pencocokan terhadap difraksi acuan. Pada penelitian ini digunakan data standar yang diperoleh melalui Joint Committee
of Powder Difraction Standart (JCPDS)
Melalui bantuan software highscore plus pertama dilakukan pencarian puncak-puncak difraksi dari sampel (search peak), kemudian dilakukan pencocokan terhadap JCPDS refrensi dalam hal ini adalaha JCPDS No. 49-0207 Akan terlihat puncak yang bersesuaian terhadap acuan, dan apabila ditemukan puncak lain dengan intensitas tinggi namun tidak bersesuaian dengan acuan dapat dikatakan ada suatu pengotor yang harus diidentifikasi
Scanning Electron Microscop (SEM)
Pada penelitian ini menggunakan mesin SEM Inspect S50 menggunakan energy 20 kV dan diambil foto morfologi dengan perbesaran 5000x, 15000x dan 25000x. Preparasi specimen dilakukan dengan cara digerus menggnaka mortar. Pengujian SEM dilakukan di laboratorium karakterisasi jurusan Teknik Material dan Metalurgi ITS.
SEM (Scanning Electron Microscope) adalah salah satu jenis mikroskop electron yang menghasilkan gambar dari sampel dengan menggunakan electron yang terfokuskan. Electron berinteraksi dengan electron pada smpel, menghasilkan beberapa jenis sinyal yang dapat dideteksi dan mengandung informasi tentang topografi permukaan sampel dan komposisinya. Mengamati permukaan pada dengan perbesaran M= 10-100000 X, resolusi permukaan hingga kedalaman 3-100 nm. Gambar mesin SEM yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.8
Prinsip kerja dari SEM adalah sebagai berikut:
1. Sebuah pistol elektron memproduksi sinar elektron dan dipercepat dengan anoda. 2. Lensa magnetik memfokuskan elektron menuju ke sampel.
3. Sinar elektron yang terfokus memindai (scan) keseluruhan sampel dengan diarahkan oleh koil pemindai.
4. Ketika elektron mengenai sampel maka sampel akan mengeluarkan elektron baru yang akan diterima oleh detektor dan dikirim ke monitor (CRT).
Pengujian Performa Elektrokimia Galvanostatic charge/discharge
Pengujian charge/discharge dilakukan di Laboratorium Baterai Lithium, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia - Fisika (LIPI – Fisika) menggunakan alat Automatic Battery Cycler WonATech WBCS3000, seperti pada Gambar 3.10. Pengujian charge discharge digunakan untuk mengetahui kemampuan suatu material untuk menyimpan energi. Kapasitas energi atau muatan dinyatakan dalam satuan mAh/gr. Tes charge-discharge dilakukan dengan kepadatan arus konstan. Kapasitas (Q) dapat dihitung berdasarkan waktu charge discharge menggunakan rumus Q = I x t, dimana I adalah kerapatan arus dan t adalah waktu. Pengaturan waktu dibagi menjadi 2 yaitu T1 sebagai waktu charging, dan T1 sebagai waktu discharging. Kemudian ∆T untuk mengatur waktu jeda antara charging dan discharging. Pengaturan dari ∆T diperlukan untuk mengamati tegangan dari baterai VOCV. Kemudian didapatkan pengamatan rekaman waktu (t / ms), arus (i / Ma), dan tegangan (V / volt). Dari grafik itu dihasilkan grafik utama yang menunjukkan hasil dari proses
charge - discharge yang menampilkan hubungan potensial (V / volt) dan waktu (t / ms seperti yang
terlihat pada Gambar . Pengujian charge – discharge dilakukan di Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia. Pada pengujian ini dihasilkan grafik antara kapasitas dan tegangan, seperti pada Gambar
3.9.
Electrochemical Impedance Spectroscopy
Pengujian EIS pada penelitian ini dilakukan dengan mesin HIOKI resistance meter RM3544 yang dilakukan di pusat studi fisika LIPI, Serpong dengan range frekuensi 0,1 – 20000 Hz seperti pada Gambar 3.11 (a).
Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) adalah suatu metode untuk menganalisa
suatu elektroda terhadap sinyal potensial AC pada amplitudo rendah (~10 mV) dengan frekuensi 0,1 – 20000 Hz dari rentang frekuensi yang sangat lebar.
Prinsip kerja alat ini adalah awalnnya investigasi karakteritik listrik reaksi dalam elektrokimia menggunakan potensial DC sebagai signal pengukuran. Namun penggunan signal DC ini menyebabkan kondisi sistem elektrokimia yang teramati tidak berasa pada fasa kesetimbangan reaksi sesungguhnya akibat potensial DC telah mengubah potensial reaksi yang terjadi. Dan informasi yang terekam pun merupakan kolektifitas seluruh kontribusi individual, sehingga kontribusi dari
tiap individu yang merupakan parameter internal dinamik reaksi elektrokimia tidak dapat diekstrak dari data dengan signal DC ini. Kemudian dicoba dengan menumpangkan signal AC pada tegangan DC. Hasil dari pengujian EIS ini berupa grafik seperti pada Gambar 3.11 (b)
Gambar 3.9 Contoh grafik hasil pengujian charge discharge α-MnO2 nanowire
Gambar 3.11 (a) Alat EIS HIOKI RM3544 (b) Hasil kurva dari pengujian spektroskopi
impedansi elektrokimia dari sistem baterai lithium (Hong - Yi Cheng, 2011)
AC impedance spectrocospy merupakan teknik yang sangat bagus untuk menentukan parameter kinetik dari proses elektroda termasuk didalam elektrolit, pasivasi layer, charge transfer, dan Li+ diffusion. Charge-transfer resistance (Rct) salah satu parameter yang penting untuk mengkarakterisasikan kuantitatif kecepatan sebuah reaksi elektroda. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan signal pertubasi AC yang ditumpangkan pada tegangan DC bias, sehingga tidak mengganggu kesetimbangan dari reaksi elektrokimia sel. Spektrum frekuensi yang dibangkitkan akan mengidentifikasi perubahan impedansi komplek yang terkait dengan reaksi elektrokimia yang terjadi, yang menginterpretasikan gejala dinamika internal reaksi elektrokimia. Biasanya, resistansi charge-transfer yang besar menunjukan reaksi elektrokimia yang lambat. Rct dapat dihitung dari
electrochemical impedance Cyclic Voltametry
Pengujian cyclic voltammetry dilakukan di pusat studi fisika LIPI, serpong menggunakan alat voltammetry AutoLab PGSTAT tipe 302N Metrohm. Pure lithium digunakan sebagai elektroda pembanding, LiPF6 sebagai elektrolit dan copper foil sebagai elektroda pembantu. Initial voltage dan cut-off voltage dari 0.0-3.0 volt dengan scan rate 0.1 mV/s
Prinsip kerja adalah dengan memberikan potensial tertentu pada elektroda kerja, maka akan diketahui arus yang terjadi. Plot antara arus yang diukur dengan potensial kerja yang diberikan disebut voltammogram. Arus yang dihasilkan dari reaksi reduksi disebut arus katodik dan arus yang dihasilkan dari reaksi oksidasi disebut arus anodik. Berdasarkan potensialnya, CV dilakukan sapuan bolak-balik sehingga informasi reduksi dan oksidasi dapat diketahui dengan baik. Dimulai dengan tanda polaritas negatif. Pada titik B potensial menjadi semakin negatif sehingga analit pada elektroda kerja dapat diteduksi, ditandai dengan munculnya arus katodik. Proses reduksi berlangsung hingga hampir semua analit tereduksi, ditandai dengan munculnya puncak arus katodik pada titik C. Arus akan berkurang hingga mencapai titik D, dan tanda polaritas negatifnya mulai berkurang. Arus katodik terus berkurang hingga potensial mencapai titik E, kemudian arus katodik mulai dominan.
Pada titik F arus anodik akan bertambah dengan berkurangnya konsentrasi analit yang tereduksi. Arus anodik berkurang dari puncak hingga kembali kepotensial awal.
A B
Gambar 3.12 (a) Voltamogram hubungan arus terhadap potensial (b) Contoh grafik CV α-MnO2
nanowire (Yi Zang, 2013)
BAB IV
