PEMBUATAN BATERAI LITHIUM MENGGUNAKAN BAHAN
AKTIF
MESOCARBON MICROBEAD
(MCMB) SEBAGAI
ANODA DENGAN VARIASI PERSENTASE BERAT
PELARUT
N,N-DIMETHYL ACETAMIDE
(DMAC)
SKRIPSI
KARTIKA SARI
110801014
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PEMBUATAN BATERAI LITHIUM MENGGUNAKAN BAHAN
AKTIF
MESOCARBON MICROBEAD
(MCMB) SEBAGAI
ANODA DENGAN VARIASI PERSENTASE BERAT
PELARUT
N,N DIMETHYL ACETAMIDE
(DMAC)
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas akhir dan memenuhi syarat mencapai gelar
Sarjana Sains
KARTIKA SARI
1108011014
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PERNYATAAN
PEMBUATAN BATERAI LITHIUM MENGGUNAKAN BAHAN
AKTIF
MESOCARBON MICROBEAD
(MCMB) SEBAGAI
ANODA DENGAN VARIASI PERSENTASE BERAT
PELARUT
N,N-DIMETHYL ACETAMIDE
(DMAC)
SKRIPSI
Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri. Kecuali beberapa
kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, 24 Agustus 2012
Kartika Sari
PENGHARGAAN
Assalamu’alaikum wr.wb.
Alhamdulillah, puji syukur kepada Allah SWT, Tuhan semesta alam yang telah
memberikan rahmat dan karunia sehingga penulis dapat menyelasikan tugas akhir.
Salawat beriring salam teruntuk Nabi besar Muhammad SAW yang menjadi
teladan dalam menjalani kehidupan. Penulis menyadari bahwa dalam penelitian
dan penyusunan karya ini tidak bisa lepas dari bantuan berbagai pihak. Oleh
karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikanungkapan terima
kasih kepada:
1. Dr. Marhaposan Situmorang selaku Ketua Departemen Fisika Universitas
Sumatera Utara, Drs. Syahrul Humaidi, MSc. selaku Sekertaris Departemen
Fisika Universitas Sumatera Utara, dan seluruh staf pengajar beserta pegawai
administrasi di Departemen Fisika yang telah memberikan fasilitas kepada
penulis selama perkuliahan.
2. Prof. Dr. Timbangen Sembiring, M.Sc. Selaku dosen pembimbing akademik
penulis, yang selalu mendorong penulis untuk meningkatkan prestasi selama
masa perkuliahan.
3. Dr. Perdinan Sinuhaji, MS. dan Fadli Rohman, M.Si. Selaku dosen
pembimbing yang banyak memberi bantuan, arahan dan sumbangan
pemikiran kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir.
4. Slamet Priyono, M.T. yang tidak pernah bosan menjawab pertanyaan dan
pemikiran penulis baik pada saat penulis masih melakukan penelitian di LIPI
maupun setelah penulis kembali ke USU.
5. Prof. Dr. Timbangen Sembiring, M.Sc. selaku ketua penguji, Drs. Aditia
Warman, MS. selaku sekretaris penguji, dan Drs. Ackhiruddin MS selaku
anggota penguji yang telah memberikan kritik, saran, dan arahan kepada
penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
6. Orangtua dan keluarga tercinta yang selalu memberikan dukungan moral dan
spiritual kepada penulis.
7. Yuni, Rani, Shelly, Memei, Suci, Sri, Leni, Tri, Elma, Ria selaku teman
Fisika stambuk 2011 yang juga memberikan dukungan moral dan spritual
kepada penulis.
8. Seluruh sahabat dan teman-teman kost yang selalu memberikan bantuan, doa
dan kekeluargaanya kepada penulis,
Penulis berharap tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pengembangan
ilmu pengetahuan khususnya energi terbarukan.
Medan, 24 Agustus 2015
PEMBUATAN BATERAI LITHIUM MENGGUNAKAN BAHAN AKTIF MESOCARBON MICROBEAD (MCMB) SEBAGAI
ANODA DENGAN VARIASI PERSENTASE BERAT PELARUT N,N DIMETHYL ACETAMIDE (DMAC)
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian pembuatan anoda baterai ion lithium dengan menggunakan material aktif Mesocarbon Microbead (MCMB) dengan memvariasikan persentase berat pelarut N,N-Dimethyl Acetamide (DMAC) sebesar 42,85%, 33,33%, 27,27% terhadap material aktifnya untuk melihat performa anoda baterai dengan membandingkan baterai yang dibuat dengan MCMB kalsinasi 5000C dan MCMB tanpa kalsinasi. Pengujian performa baterai menggunakan alat uji Charge-discharge dan Cyclic voltammetry (CV) Pembuatan lembaran anoda baterai menggunakan MCMB sebagai material aktif, Polyvinilidene Flouride (PVDF) sebagai binder dan Acetylenene Black (AB) sebagai zat aditif. Hasil yang diperoleh serbuk MCMB tanpa kalsinasi memiliki struktur kristal berbentuk heksagonal dengan komposisi grafit yang belum 100%. Morfologi partikelnya teratur dengan diameter sekitar 106 m. Lembaran anoda yang paling baik dihasilkan dari pencampuran dengan persentase berat pelarut 33,33% DMAC dengan serbuk MCMB tanpa kalsinasi. Hasil uji charge-discharge menunjukkan kapasitas maksimal baterai untuk proses charge 3,32 mAh dan kapasitas dischargenya 1,63 mAh dengan kapasitas spesifik sebesar 20,12 mAh/g.
PREPARATION LITHIUM ION BATTERY USING
MESOCARBON MICROBEAD (MCMB) AS AN ANODE ACTIVE MATERIAL WITH VARIATION ON WEIGHT FRACTION OF
N,N-DIMETHYL ACETAMIDE (DMAC) SOLVENT ABSTRACT
Preparation anode lithium ion battery using Mesocarbon Microbead (MCMB) as an active material had been done with variation on the weight fraction of N,N Dimethyl Acetamide (DMAC) solvent by 42,85%, 33,3%, 27,27% against the active material to see the battery performance by comparing battery made by MCMB powder heat treat 5000 C with MCMB powder without treatment. Battery performance testing using a Charge-discharge test and Cyclic voltamettry (CV). Preparation of sheet battery using MCMB as an anode active material, Polynilidene Flouride (PVDF) as a binder and Acetylenene Black (AB) as an additive. The result obtained MCMB powder without treat has a hexagonal crystal structur with graphite composition has not been 100%. The particle morphology is meeting with diameter range of 106 m. The most well anode sheet resulting from mixing with 33,33% weight fraction DMAC with MCMB powder without treat. Charge-discharge test result show the maximum charge capacity is by 3,32 mAh and discharge capacity is 1,63 mAh with spesific capacity is 20,12 mAh/g.
DAFTAR ISI
2.2.1 Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium 11
2.3 Bahan Anoda Untuk Baterai Ion Lithium 14
2.3.1 Karbon Sebagai Material Anoda Pada Baterai 14
Ion Lithium
2.3.2 Mesocarbon Microbead (MCMB) 17
2.3.3 Perkembangan Mesocarbon Microbead (MCMB) 18
2.4 Bahan Katoda Untuk Baterai Ion Lithium 19
2.4.1 Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2) 20
2.5 Komponen Tambahan Penyusun Anoda 20
2.5.1 Binder PVDF (Poly Vinylidene Flouride) 20
2.5.2 Zat Aditif Acetylene Black 21
2.5.3 Pelarut DMAC (N-N Dimethyl Acetamide ) 22
2.5.4 Copper Foil (Cu Foil) 23
2.6 Perkembangan Baterai Lithium Sebagai Energi Terbarukan 24
2.7 Karekterisasi dan Pengujian 25
2.7.1 Karakterisasi XRD 25
2.7.2 Karakterisasi SEM 26
2.7.4 Pengujian Charge Discharge (CD) 30
BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN 32
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian 32
3.4.1 Diagram Alir Penelitian 36
3.4.2 Penyiapan Serbuk MCMB 37
3.4.3 Pembuatan Slurry 37
3.4.4 Pembuatan Lembaran 37
3.4.5 Calendering dan Cutting Lembaran Anoda MCMB 38
3.4.6 Assembly Baterai 38
BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN 39
4.1 Pembuatan Lembaran Anoda MCMB Baterai Lithium 39
4.2 Analisis Karakterisasi dan Pengujian 41
4.2.1 Analisis XRD 41
4.2.2 Analisis SEM 44
4.2.3 Analisis Cyclic Voltammetry (CV) 45
4.2.4 Analisis Chrage-discharge (CD) 48
BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN 54
5.1 Kesimpulan 54
5.2 Saran 54
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
Tabel
Tabel 2.1 Beberapa Material yang Digunakan untuk Anoda 8
Tabel 2.2 Beberapa Material yang Digunakan untuk Katoda 9
Tabel 2.3 Persyaratan Umum untuk Separator 10
Tabel 2.4 Karakteristik dari Mesocarbon Microbead (MCMB) 18
Tabel 2.5 Ringkasan Spesifik Baterai 20
Tabel 3.1 Komposisi Pencampuran Bahan Baku 35
Tabel 4.1 Parameter Pada Sampel Sel Anoda MCMB Kalsinasi 40
Dan MCMB tanpa Kalsinasi
Tabel 4.2.a Data puncak tertinggi MCMB kalsinasi 42
Tabel 4.2.b Data Puncak tertinggi MCMB tanpa kalsinasi 42
Tabel 4.3.a Analisis Struktur Kristal untuk MCMB Kalsinasi 42
Tabel 4.3.b Analisis Struktur Kristal untuk MCMB tanpa Kalsinasi 43
Tabel 4.4 Hasil Cyclic Voltammetry pada sampel 47
Tabel 4.5 Performa baterai pada charge-discharge siklus pertama 50
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
Gambar
Gambar 1.1 Diagram Kebutuhan Energi Di Indonesia 1
Gambar 2.1 Proses charge-discharge pada Baterai Ion Lithium dengan 12
Anoda Grafit dan Katoda Lithium Kobalt
Gambar 2.2 Tegangan Kerja Elektroda Baterai Ion Lithium 13
Gambar 2.3 Bagan Pembagian Jenis Karbon 15
Gambar 2.4 Struktur Karbon 15
Gambar 2.5 Struktur Grephen dan Grafit 16
Gambar 2.6 Struktur MCMB tipe Brooks Taylor 19
Gambar 2.7 Struktur PVDF 22
Gambar 2.8 Produk Acetylene Black 22
Gambar 2.19 Copper-foil 23
Gambar 2.10 Bentuk Susunan Sel Baterai Lithium Ion 23
Gambar 2.11 Prinsip Kerja SEM 27
Gambar 2.12 Skema Secondary Electron dan Backscattered Electron 28
Gambar 2.13 Sinyal Eksitasi untuk Voltametri Siklik 29
Gambar 2.14 Voltamogram Siklik Redoks 29
Gambar 3.1 Lembaran Anoda MCMB yang Telah Dikeringkan 37
Gambar 3.2 Desain Lembaran Anoda MCMB 38
DAFTAR GRAFIK
Nomor Judul Halaman
Grafik
Grafik 4.1 Hasil Uji XRD MCMB kalsinasi dan MCMB tanpa kalsinasi 41
Grafik 4.2 Hasil Uji CV Sampel A 45
Grafik 4.3 Hasil Uji CV Sampel B 46
Grafik 4.4 Hasil Uji CV Sampel C 46
Grafik 4.5 Hasil Uji CV Sampel D 47
Grafik 4.6 Hasil Uji Charge-discharge Sampel A 48
Grafik 4.7 Hasil Uji Charge-discharge Sampel B 49
Grafik 4.8 Hasil Uji Charge-discharge Sampel C 50
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Lampiran Judul Halaman
LAMPIRAN A Bahan dan Peralatan 57
LAMPIRAN B Pembuatan Baterai Lithium Prismatik 61
LAMPIRAN C Hasil Uji Serbuk 63
LAMPIRAN D Hasil Uji Performa Baterai 79
PEMBUATAN BATERAI LITHIUM MENGGUNAKAN BAHAN AKTIF MESOCARBON MICROBEAD (MCMB) SEBAGAI
ANODA DENGAN VARIASI PERSENTASE BERAT PELARUT N,N DIMETHYL ACETAMIDE (DMAC)
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian pembuatan anoda baterai ion lithium dengan menggunakan material aktif Mesocarbon Microbead (MCMB) dengan memvariasikan persentase berat pelarut N,N-Dimethyl Acetamide (DMAC) sebesar 42,85%, 33,33%, 27,27% terhadap material aktifnya untuk melihat performa anoda baterai dengan membandingkan baterai yang dibuat dengan MCMB kalsinasi 5000C dan MCMB tanpa kalsinasi. Pengujian performa baterai menggunakan alat uji Charge-discharge dan Cyclic voltammetry (CV) Pembuatan lembaran anoda baterai menggunakan MCMB sebagai material aktif, Polyvinilidene Flouride (PVDF) sebagai binder dan Acetylenene Black (AB) sebagai zat aditif. Hasil yang diperoleh serbuk MCMB tanpa kalsinasi memiliki struktur kristal berbentuk heksagonal dengan komposisi grafit yang belum 100%. Morfologi partikelnya teratur dengan diameter sekitar 106 m. Lembaran anoda yang paling baik dihasilkan dari pencampuran dengan persentase berat pelarut 33,33% DMAC dengan serbuk MCMB tanpa kalsinasi. Hasil uji charge-discharge menunjukkan kapasitas maksimal baterai untuk proses charge 3,32 mAh dan kapasitas dischargenya 1,63 mAh dengan kapasitas spesifik sebesar 20,12 mAh/g.
PREPARATION LITHIUM ION BATTERY USING
MESOCARBON MICROBEAD (MCMB) AS AN ANODE ACTIVE MATERIAL WITH VARIATION ON WEIGHT FRACTION OF
N,N-DIMETHYL ACETAMIDE (DMAC) SOLVENT ABSTRACT
Preparation anode lithium ion battery using Mesocarbon Microbead (MCMB) as an active material had been done with variation on the weight fraction of N,N Dimethyl Acetamide (DMAC) solvent by 42,85%, 33,3%, 27,27% against the active material to see the battery performance by comparing battery made by MCMB powder heat treat 5000 C with MCMB powder without treatment. Battery performance testing using a Charge-discharge test and Cyclic voltamettry (CV). Preparation of sheet battery using MCMB as an anode active material, Polynilidene Flouride (PVDF) as a binder and Acetylenene Black (AB) as an additive. The result obtained MCMB powder without treat has a hexagonal crystal structur with graphite composition has not been 100%. The particle morphology is meeting with diameter range of 106 m. The most well anode sheet resulting from mixing with 33,33% weight fraction DMAC with MCMB powder without treat. Charge-discharge test result show the maximum charge capacity is by 3,32 mAh and discharge capacity is 1,63 mAh with spesific capacity is 20,12 mAh/g.
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Merupakan suatu kenyataan bahwa kebutuhan akan energi, makin berkembang
menjadi bagian tak terpisahkan dari kebutuhan hidup masyarakat sehari-hari.
Apalagi, baterai menjadi kebutuhan utama yang akan berkembang pada masa
depan, salah satunya adalah baterai ion lithium. Baterai ion lithium telah menjadi
sektor penting pada baterai sekunder. Baterai ini telah banyak digunakan dalam
perangkat teknologi yang sifatnya mobile seperti ponsel, laptop, kamera,
handycam, alat-alat militer, bahkan kendaraan mobil hybrid. Hal ini dikarenakan
baterai ion lithium memiliki rapat energi yang tinggi (150-275 mAh/g), ramah
lingkungan (zero emission) dan memiliki lama pemakaian (life cycle) yang lama
(hingga 10-15 tahun). Selain itu, baterai ion lithium memiliki stabilitas termal
pada suhu (50-600C) (Ang Xiao, 2006), tidak ada memory effect sehingga
kapasitas baterai relatif konstan/tetap, kapasitas listrik dan tegangannya yang
besar, serta memiliki kebebasan yang lebih luas untuk pemilihan yang ramah
lingkungan sebagai material pembentuknya. Kebutuhan energi di Indonesia dapat
dilihat pada Gambar 1.1. Dengan adanya pengembangan baterai ion lithium di
Indonesia, diharapkan mampu memberi dampak positif untuk perkembangan
energi di Indonesia sendiri.
Gambar 1.1 Diagram kebutuhan energi di Indonesia (Prihandoko,2015)
Secara umum beberapa kriteria primer yang perlu dipertimbangkan dalam
lifetime dan temperatur operasi. Dengan memperhatikan faktor-faktor ini dapat,
dipertimbangkan material-material yang cocok untuk komponen baterai ion
lithium agar memenuhi persyaratan. (Ying, 2012)
Komponen utama penyusun baterai ion lithium yaitu, anoda, katoda,
elektrolit dan separator. Di dalam sistem baterai akan terjadi reaksi oksidasi dan
reduksi pada elektrodanya. Katoda adalah elektroda positif. Pada saat discharging
katoda akan mengalami reaksi reduksi dan ion lithium akan bergerak kekatoda di
dalam sistem baterai. Anoda adalah elektroda negatif. Pada saat discharging
anoda akan mengalami reaksi oksidasi dan ion lithium berggerak meninggalkan
anoda. Sedangkan elektrolit adalah perantara bagi ion lithium untuk bergerak dari
anoda ke katoda dan sebaliknya dan separator adalah pemisah berpori antara
anoda dan katoda agar tidak terjadi short contact.
Dalam desain elektroda, ketebalan elektroda (muatan material aktif),
porositas elektroda dan komposisi kimia merupakan parameter penting yang
mempengaruhi energi dan kapabilitas daya pada sel. Untuk material aktif yang
diberikan, densitas energi elektroda dapat ditingkatkan dengan teknik pendekataan
termasuk meningkatkan ketebalan elektroda, mengurangi porositas elektroda dan
mengurangi isi bahan aktif (pengikat polimer dan karbon konduktif) (Zheng et all,
2012). Komposisi kimia elektroda juga jauh mempengaruhi kinerja elektrokimia
keseluruhan baterai ion lithium. (Liu et all, 2008)
Analisa kualitatif telah disajikan untuk menemukan hubungan antara
desain variabel dan kinerja elektrokimia untuk berbagai sistem baterai. Ketebalan
elektroda dikenal sebagai parameter desain penting yang mempengaruhi kinerja
elektrokimia sel, meskipun hasil eksperimen rinci dan kuantitatif yang berkaitan
dengan efek tebal elektroda tidak cukup, dan terkadang bahkan tidak tersedia.
Studi yang dilaporkan belum sepenuhnya menjelaskan efek difusi ion lithium
dalam elektroda karena kesulitan dan kompleksitas proses transportasi. Beberapa
masalah ilmiah mendasar yang berkaitan dengan efek ketebalan elektroda tetap
soal dugaan. Sebuah pemahaman yang komprehensif tentang efek tebal elektroda
adalah sangat penting untuk merancang kualitas tinggi elektroda untuk memenuhi
Anoda pada baterai biasanya digunakan adalah karbon berbasis grafit,
karena grafit memiliki densitas energi yang lebih tinggi dan keselarasan struktur
yang lebih baik dibanding dengan anoda yang tidak berbasis karbon seperti
Lithium Titanate Oxside (LTO), di mana LTO memiliki beda potensial yang
cukup besar yaitu 1,5 terhadap lithium metal. Anoda berbasis karbon yang
menarik perhatian luas yang sering digunakan yaitu Mesocarbon Microbead
(MCMB). MCMB memiliki struktur spiral yang unik dengan diameter 1-40 m
densitas yang tinggi, dan kompatibiliti elektrolit yang baik. MCMB memiliki luas
permukaan yang kecil sehingga pada saat charge-discharge reaksi pada
permukaan dapat di minimalisir. MCMB merupakan karbon black yang memiliki
struktur mikrokristalin mirip dengan grafit. (Chin-Wei Shen, 2014)
Pada penelitian ini, akan dibuat lembaran anoda dengan material aktif
yang menggunakan serbuk MCMB selain itu akan dilakukan variasi persentase
berat N,N – Dimethyl Acetamide (DMAC) yang digunakan sebagai pelarut untuk
membuat lembaran anoda. Penggunaan pelarut akan memberikan efek kekentalan
pada slurry, dan jika dikeringkan maka pelarut akan menguap sehingga secara
otomatis akan mempengaruhi ketebalan dari lembaran anoda tersebut. Dari
variasi persentase berat pelarut dan ketebalan yang berbeda akan dilihat
perbandingan dari performa baterai ion lithium. Penelitian ini diharapkan dapat
membantu, untuk menentukan komposisi, khususnya komposisi dari pelarut pada
saat pembuatan slurry sehingga dapat membuat ketebalan yang pas sehingga
lembaran tersebut akan memiliki performa baterai yang bagus.
1.2Perumusan Masalah
Untuk mendapatkan performa baterai yang bagus pada sel baterai ion lithium
dengan menggunkan anoda berbasis karbon yaitu MCMB, struktur awal dari
MCMB yang digunakan merupakan hal penting yang harus diketahui. Maka,
perumusan masalah pada penelitian ini adalah :
1. Bagaimana karakteristik dari MCMB yang digunakan.
2. Bagaimana pengaruh variasi persentase berat pelarut DMAC terhadap
3. Bagaimana pengaruh serbuk MCMB kalsinasi dan tanpa kalsinasi terhadap
performa baterai.
1.3Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Membuat lembaran anoda MCMB dengan persentase berat MCMB terhadap
pelarut DMAC sebagai berikut 42,86%, 33,33%, 27,27% .
2. Menganalisis pengaruh variasi persentase berat pelarut DMAC terhadap
ketebalan lembaran anoda dari MCMB.
3. Menganalisis pengaruh variasi persentase berat pelarut DMAC terhadap
performa anoda MCMB pada sel baterai lithium.
1.4Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan memberikan kontribusi yang positif terhadap
perkembangan baterai ion lithium di Indonesia diantaranya :
1. Mendapatkan persentase berat pelarut DMAC yang terbaik untuk membuat
slurry pada anoda MCMB.
2. Mendapatkan lembaran anoda MCMB yang terbaik pada performa sel baterai
ion lithium.
3. Memberikan informasi sebagai pengembangan pengetahuan pada penelitian
lanjutan khususnya bidang material energi terbarukan.
1.5Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Pembuatan lembaran anoda menggunakan bahan baku sebagai berikut,
material aktif serbuk MCMB import, pelarut DMAC, binder Polyvinylidene
Fluoride (PVDF), dan zat aditif Acetylene Black (AB).
2. Komposis pembuatan slurry dengan menggunakan perbandingan material
aktif, binder dan zat aditif berturut-turut sebagai berikut 85% : 10% : 5%.
Dan persentase berat pelarut DMAC yang digunakan sebesar 42,85%,
3. Membuat baterai prismatik dengan lembaran anoda MCMB dan LiCoO2
sebagai katoda, LiPF6 sebagai elektrolit dan separator Polyetylene (PE)
4. Pengujian karakterisasi serbuk dilakukan dengan alat Scanning Electron
Microscopy (SEM), X-Ray Difraction (XRD). Sedangkan pengujian performa
baterai dilakukan dengan alat Cyclic Voltamettry (CV) dan Charge-Discharge
(CD).
1.6Sistematika Penulisan
Laporan tugas akhir ini disusun dengan sistematika sebagai berikut:
Bab 1 Pendahuluan
Bab ini berisi tentang latar belakang penelitian, perumusan masalah,
tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dan sistematika
penulisan.
Bab 2 Tinjauan Pustaka
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk
proses pengembilan data, analisa data serta pembahasan.
Bab 3 Metodologi Penelitian
Bab ini membahas tentang rancangan penelitian, tempat dan waktu
penelitian, peralatan dan bahan penelitian, prosedur penelitian serta
diagram alir penelitian.
Bab 4 Hasil dan Pembahasan Penelitian
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa data yang
diperoleh dari penelitian.
Bab 5 Kesimpulan dan Saran
Bab ini menyajikan kesimpulan dari seluruh kegiatan dan hasil
penelitian dan berisi saran-saran yang diperlukan untuk
pengembangan dan penelitian lebih lanjut.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Baterai
Baterai adalah suatu sel elektrokimia yang mengubah energi kimia menjadi energi
listrik. Listrik yang dihasilkan oleh sebuah baterai muncul akibat adanya
perbedaan potensial energi listrik dari kedua buah elektrodanya (katoda dan
anoda). Perbedaan potensial ini dikenal dengan potensial sel atau (ggl). Baterai
yang kita gunakan sekarang mempunyai perbedaan yang besar dengan baterai
generasi awal. Dari segi konstruksi, baterai generasi awal mempunyai ukuran
yang besar dan mempunyai komponen komponen yang rawan akan kerusakan.
Baterai sekarang mempunyai ukuran yang kecil dan sebagian komponennya
padat, sehingga lebih aman. Dari segi kapasitas energi, baterai sekarang
mempunyai rasio energi terhadap massa yang jauh lebih besar dibandingkan
baterai generasi awal.
2.1.1 Jenis – Jenis Baterai
Berdasarkan kemampuannya untuk dikosongkan (dischargerd) dan diisi ulang
(recharged), baterai dibagi menjadi dua, yaitu baterai primer dan baterai sekunder.
Kemampuan atau ketidakmampuan sebuah baterai untuk diisi ulang terletak pada
reaksi kimiawi dalam baterai tersebut.
1. Baterai Primer
Baterai primer adalah baterai yang tidak dapat diisi ulang. Setelah
kapasitas baterai habis (fully discharged), baterai tidak dapat dipakai
kembali. Beberapa contoh baterai jenis ini adalah baterai Seng-Karbon
(Baterai Kering), baterai Alkalin dan baterai Merkuri.
2. Baterai Sekunder
Baterai sekunder adalah baterai yang dapat diisi ulang. Kemampuan diisi
ulang baterai sekunder bervariasi antara 100-500 kali (Satu siklus adalah
adalah baterai Timbal-Asam (Aki), baterai Ni-Cd, baterai Ni-MH, dan
salah satu jenis baterai yang saat ini berkembang adalah Lithium Ion
Battery atau baterai ion lithium.
2.2 Baterai Ion Lithium
Baterai ion lithium merupakan salah satu jenis baterai sumber arus sekunder yang
dapat diisi ulang dan merupakan baterai yang ramah lingkungan karena tidak
mengandung bahan yang berbahaya seperti baterai baterai yg berkembang lebih
dahulu yaitu baterai NI-Cd dan Ni-MH. Kelebihan lainnya yaitu baterai ion
lithium tidak mengalami memory effect sehingga dapat diisi kapan saja, waktu
pengisian singkat (2- 4 jam) karena arus pengisian baterai tertinggi (0,5 – 1 A),
laju penurunan efisiansi baterai rendah (5 – 10% per bulan) serta lebih tahan lama
(masa hidup 3 tahun) (Eriksson, 2001). Jenis baterai ini pertama kali
diperkenalkan oleh peneliti dari Exxon yang bernama M. S. Whittingham yang
melakukan penelitian dengan judul ―Electrical Energy Storage and Intercalation
Chemistry” pada tahun 1970. Beliau menjelaskan mengenai proses interkalasi pada baterai litium ion menggunakan titanium (II) sulfide sebagai katoda dan
logam litium sebagai anoda. Proses interkalasi adalah proses perpindahan ion
lithium dari anoda ke katoda dan sebaliknya pada baterai lithium ion.
Lithium Ion Battery pada umumnya memiliki empat komponen utama
yaitu elektroda negatif (anoda), elektroda positif (katoda), elektrolit, dan
separator.
1. Anoda ( Elektroda Negatif )
Anoda merupakan elektroda negatif yang berkaitan dengan reaksi
oksidasi setengah sel yang melepaskan elektron ke dalam sirkuit eksternal.
(Subhan,2011). Anoda berfungsi sebagai tempat pengumpulan ion lithium
serta merupakan tempat bagi material aktif, dimana lembaran pada anoda
biasanya berupa tembaga (Cu foil). Material yang dapat dipakai sebagai
anoda harus memiliki karakteristik antara lain memiliki kapasitas energi yang
besar, memiliki profil kemampuan menyimpan dan melepas muatan/ion yang
baik, memiliki tingkat siklus pemakaian yang lama, mudah untuk di proses,
Salah satu material yang dapat berperan sebagai anoda adalah material yang
berbasis karbon seperti grafit (LiC6). Material aktif lain yang dapat digunakan
sebagai anoda antar lain lithium titanium oxide (LTO). Material ini aman
dipakai serta memiliki tingkat siklus pemakaian yang cukup lama. Pada Tabel
2.1 memberikan contoh beberapa material yang pernah digunakan sebagai
anoda dengan kapasitas energinya.
Ge(Li4,4Ge) 0,7-1,2 1624 1,137-1,949
2. Katoda (Elektroda Positif)
Katoda merupakan elektroda positif. (Subhan, 2011). Pada dasarnya
katoda merupakan elektroda yang fungsinya sama seperti anoda yaitu
berfungsi sebagai tempat pengumpulan ion lithium serta merupakan tempat
bagi material aktif, dimana lembaran pada katoda biasanya adalah aluminium
(Al Foil). Beberapa karakteristik yang harus dipenuhi suatu material yang
digunakan sebagai katoda antara lain material tersebut terdiri dari ion yang
mudah melakukan reaksi reduksi dan oksidasi, memiliki konduktifitas yang
tinggi seperti logam, memiliki kerapatan energi yang tinggi, memiliki
kapasitas energi yang tinggi, memiliki kestabilan yang tinggi (tidak mudah
berubah strukturnya atau terdegradasi baik saat pemakaian maupun pengisian
ulang), harganya murah dan ramah lingkungan. Tabel 2.2 menunjukkan
beberapa jenis material yang dapat digunakan untuk katoda dengan besar
Tabel 2.2 Beberapa jenis material yang digunakan untuk katoda
Elektrolit merupakan perangkat elektrokimia yang sangat penting
dalam suatu baterai. Elektrolit merupakan material yang bersifat penghantar
ionik. Fungsi elektrolit ialah sebagai media untuk mentransfer ion lithium
antara katoda dan anoda. Ada beragam jenis elektrolit seperti cair, padat,
polimer dan komposit elektrolit. Elektrolit yang banyak digunakan pada
baterai lithium adalah elektrolit cair yang terdiri dari garam lithium yang
dilarutkan dalam pelarut berair. Hal yang paling penting dalam suatu elektrolit
adalah interaksi antara elektrolit dan elektroda pada baterai. Hubungan dua
bahan ini akan mempengaruhi kinerja baterai secara signifikan. (Fadhel,
2009). Karakteristik elektrolit yang penting untuk diperhatikan antara lain
konduktivitas ion yang tinggi tetapi konduktivitas elektron yang rendah,
viskositas yang rendah, titik leleh yang rendah, titik didih yang tinggi aman
(tidak beracun) serta harganya murah.
4. Separator
Separator adalah material berpori yang terletak di antara anoda dan
katoda dan diaplikasikan sebagai penjamin faktor keamanan baterai. Material
ini berfungsi sebagai barrier antara elektroda untuk menjamin tidak
terjadinya hubungan pendek yang bisa menyebabkan kegagalan dalam
baterai. Separator dapat berupa elektrolit yang berbentuk gel, atau plastik film
elektrolit cair. Sifat listrik separator ini mampu dilewati oleh ion tetapi juga
mampu memblokir elektron, jadi bersifat konduktif ionik sekaligus tidak
konduktif elektron. (Subhan, 2011). Karakteristik yang penting untuk
dijadikan separator pada baterai yaitu bersifat insulator, memiliki hambatan
listrik yang kecil, kestabilan mekanik (tidak mudah rusak), memiliki sifat
hambatan kimiawi untuk tidak mudah terdegradasi dengan elektrolit serta
memiliki ketebalan lapisan yang seragam atau sama diseluruh permukaan.
Persyaratan umum separator yang dapat digunakan untuk baterai ion lithium
dapat di lihat pada Tabel 2.3
Ketebalan <25 m ASTM D5947-96
Hambatan listrik <2 Ωcm2 US 4.464.238
Ukuran pori <1 m ASTM E 128-99
Porositas ± 40 % ASTM E 128-99
Wettabilitas Basah keseluruhan
pada elektrolit
Stabilitas kimia Stabil dalam baterai
untuk penggunaan
Beberapa material yang dapat digunakan sebagai separator antara lain
polyolefins (PE dan PP), Poly vinylidene fluoride (PVDF), PTFE (teflon), PVC,
2.2.1 Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium
Reaksi kimia dalam baterai sekunder bersifat reversible, sehingga material
tersebut memiliki struktur kristal dengan kemampuan insertion compound (David,
1994), yaitu material keramik yang mampu menerima dan melepaskan x koefisien
ion lithium per mol AzBy tanpa mengalami perubahan besar atau kerusakan dalam
struktur kristalnya. Kemampuan kapasitas energi yang tersimpan dalam baterai
lithium tergantung pada berapa banyak ion lithium yang dapat disimpan dalam
struktur bahan elektrodanya dan berapa banyak yang dapat bergerak dalam proses
charge dan discharge, karena jumlah arus elektron yang tersimpan dan
tersalurkan sebanding dengan jumlah ion lithium yang bergerak.
Lithium merupakan atom logam alkali yang terdapat pada golongan IA
didalam unsur periodik. Atom-atom logam alkali golongan IA memiliki energi
ionisasi yang paling kecil, dimana energi ionisasi merupakan energi yang
diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron terluar dari suatu atom. Sehingga
semakin kecil energi ionisasi yang dimiliki suatu unsur maka akan semakin
mudah atom tersebut melepaskan elektron. Teori ini yang mendasari bahwajumlah
ion lithium yang bergerak akan sama dengan jumlah elektron yang dihasilkan.
Pada proses discharge material anoda akan terionisasi menghasilkan ion
lithium bermuatan positif dan akan bergerak ke dalam elektrolit menuju
komponen katoda sementara elektron yang dihasilkan akan dilepas bergerak
melalui rangkaian luar menuju katoda. Ion lithium ini akan masuk kedalam anoda
melalui mekanisme interkalasi seperti pada Gambar 2.1. Saat charge akan terjadi
Electrolyte LiPF6 Charge
Discharge
Separator
Li C6 LiCoO2
Gambar 2.1 Proses charge -discharge pada baterai ion lithium dengan anoda grafit dan katoda lithium kobalt
Ketika berbicara tentang konduksi ion didalam kristal, hal yang paling
penting untuk diperhatikan yaitu struktur host pada materianya. Perpindahan ion
lithium pada material katoda sangat bergantung pada potensial interaksi antara ion
lithium dan struktur host material. Model sederhana untuk menentukan difusi ion
dalam berbagai struktur kristal dalap dilihat dalam persamaan berikut
WT = WC + WP + WR (2.1)
diasumsikan bahwa perpindahan ion telah terjadi mengikuti jalan total energi
minimum sesuai dengan bentuk jalur difusi (1D, 2D, dan 3D).
Reaksi yang terjadi pada sistem baterai lithium merupakan reaksi reduksi
dan oksidasi yang terjadi pada katoda dan anoda baterai. Reaksi reduksi adalah
reaksi penambahan elektron oleh suatu molekul atau atom sedangkan reaksi
oksidasi adalah reaksi pelepasan elektron pada suatu molekul atau atom. Pada
percobaan ini material yang dipakai pada adalah LiC6 dan material katoda yang
Charge
Pada anoda : LiC6 xLi+ + xe- + C6
Discharge
Charge
Pada katoda : Li (1-x) CoO2 + xLi+ + xe- LiCoO2
Discharge
Charge
Reaksi total : LiC6 + Li (1-x) CoO2 LixC6 + LiCoO2
Discharge
Suatu material elektrokimia dapat berfungsi dengan baik sebagai elektroda
anoda maupun katoda bergantung pada pemilihan material yang akan menentukan
karakteristik perbedaan nilai tegangan kerja dari kedua material yang dipilih.
Untuk memperoleh perbedaan potensial yang besar maka material katoda harus
memiliki tegangan kerja yang besar dan material anoda harus memiliki tegangan
kerja yang kecil ( ).
Potensial tegangan yang terbentuk antara elektroda katoda dan anoda
bergantung pada reaksi kimia reduksi-oksidasi dari bahan elektroda yang dipilih.
Beberapa material dapat berfungsi sebagai anoda terhadap material katoda lainnya
jika memiliki potensial Li+ yang lebih rendah. Contoh, grafit adalah anoda dalam
sistem elektroda LiMn2O4, namun akan berfugsi sebagai katoda saat dipasangkan
dengan elektroda Li metal sebagai anodanya. (Subhan, 2011). Gambar 2.2
menunjukkan tegangan kerja pada beberapa material.
Gambar 2.2 Tegangan kerja dari beberapa material yang sering digunakan
2.3 Bahan Anoda Untuk Baterai Ion Lithium
Sebelum munculnya baterai ion lithium, logam lithium digunakan untuk baterai
lithium primer. Ketika lithium digunakan sebagai anoda pada baterai lithium
sekunder diperoleh densitas energi yang tinggi, karena lithium murni memiliki
spesifik kapasitas yang tinggi. Namun menggunakan bahan ini masih tidak
efesian, alasannya karena bahan yang digunakan yaitu logam lithium yang
berbahaya bagi kesehatan. Pada siklus charge-discharge, lithium sering
terdeposisi menjadi sebuah dendrit. Dendrit pada lithium ini memiliki pori, luas
permukaan yang tinggi, dan sangat reaktif dalam elektrolit organik. Dendrit
lithium secara bertahap tumbuh pada siklus baterai digunakan dan menembus
separator setelah beberapa siklus pemakaian. Hal ini akan mengakibatkan arus
pendek dan dapat menyebabkan kebakaran atau ledakan. Masalah yang berkaitan
dengan penggunaan logam lithium sebagai anoda dapat diatasi dengan
menggunakan bahan paduan sebagai anoda baterai lithium. Bahan yang paling
umum digunakan sebagai anoda yaitu karbon ( (Yueping, 2003).
Ada tiga persyaratan dasar untuk bahan anoda :
1. Potensial dari interkalasi dan deinterkalasi dari Li+/Li harus serendah
mungkin
2. Jumlah lithium yang dapat ditampung anoda harus setinggi mungkin
untuk mencapai kapasitas yang tinggi
3. Host pada anoda harus dapat bertahan pada proses interkalasi dan
deinterkalasi ion lithium tanpa adanya kerusakan struktur pada siklus
penggunaan yang relatif panjang. (Yueping, 2003)
2.3.1 Karbon Sebagai Material Anoda Pada Baterai Ion Lithium
Pada tahun 1990 Sony Corparation berhasil menemukan bahan yang dapat
digunakan sebagai anoda yang memiliki tegangan rendah dan reversible yaitu
karbon. Sebgai pengganti dari bahan anoda yang digunakan sebelumnya. (Fauteux
et al, 1993)
Karbon grafit ditemukan memiliki dimensi yang stabil untuk proses
interkalasi dan deinterkalasi pada atom lithium. Oleh karena itu, grafit menjadi
disisipkan satu atom lithium. Jarak antara layernya adalah 0,335 nanometer.
Kepadatan energi secara teori yang dihasilkan dari material ini adalah berkisar
372 Ah/kg.
Ada ratusan jenis karbon yang tersedia secara komersil, termasuk karbon
alam dan grafit sintesis, karbon hitam, karbon aktif, serat karbon, kokas dan
berbagai bahan karbon lainnya. (Yueping, 2003). Bahan- bahan anoda karbon
umumnya dikategorikan seperti bagan berikut ini.
Gambar 2.3 Bagan pembagian jenis karbon
Menurut (Dahn et al) dijelaskan beberapa kelas karbon yang relevan
dengan baterai ion lithium. Pertama karbon grafit, biasanya disiapkan dengan
memanaskan karbon tersebut dengan prekursor biasa disebut soft carbon.
Grafitisasi akan berhasil jika dilakukan treatment pada suhu 1300 – 2400 0C.
Kedua yaitu hard carbon dimana karbon ini disebut (non-grafit) karena bahan ini
sulit untuk menjadi grafit walaupun telah diberi treatment pada suhu tinggi.
Hard carbon tidak dapat digunakan sebagai material anoda pada baterai
ini disebabkan karena tempat difusi pada hard carbon tampak seperti labirin
sehingga menyulitkan ion lithium untuk berinterkalasi.(Masaki et al, 2009).
Strukturnya karbonnya dapat dilihat pada Gambar 2.4 Dibawah ini
(a) (b) (c)
Gambar 2.4 (a) stuktur soft carbon (b) struktur hard carbon (c) Grafit (Wakihara, 2001)
Hard Carbon
Grafit Sintesis Karbon
Untuk membuat bahan menjadi anoda baterai maka diperlukan bahan yang
membuat suatu jenis material lebih sederhana yang dikenal dengan
grephene. Struktur dari grafit dan grephene dapat dilihat pada gambar
berikut.
Gambar 2.5 (a) Struktur grephene berupa lapisan dengan ketebalan 1 atom C
(b) Struktur grafit yang terdiri dari lapisan grephene (Buchmann, 2001)
Sekarang grafit alam merupakan salah satu kandidat yang paling
menjanjikan sebgai bahan anoda baterai ion lithium, alasanya karena biaya
rendah, potensial listrik rendah,kepadatan energi yang lebih tinggi, dan
kapasitas reversible relatif tinggi (330-350 mAh/g). (Yoshio, 2009).Grafit
memiliki struktur laminar yang sangat baik, dan interkalasi ion lithium
antara lapisan grafit membentuk senyawa LixC6. Namun grafit alam
memiliki beberapa kekurangan yaitu ketika digunakan sebagai elektroda
negatif dalam baterai lithium ion, grafit alam akan mengalami penurunan
kapasitas dan kompatibilitas terhadap elektrolit yang buruk, dimana
molekul elektrolit masuk diantara lapisan grafit selama pengisian (charge)
dan akan membentuk SEI (Solid Electrolit Interphase) pada permukaan
grafit. Maka dapat disimpulkan baterai tersebut tidak dapat digunakan
dalam siklus charge-discharge yang berkelanjutan. (Chin-Wei Shen et al,
2. Grafit Sintesis
Grafit sintesis pada dasarnya memiliki sifat yang sama seperti grafit alam.
Selain itu, grafit sintesis memiliki kemurnian yang tinggi, memiliki
struktur yang cocok untuk proses interkalasi dan diinterkalasi ion lithium.
Namun, grafit sintesis memiliki sebuah kekurangan yaitu struktur
kristalnya berbentuk amorf sehingga untuk membuatnya memiliki struktur
kristal menggunakan biaya yang tinggi karena memerlukan perlakuan pada
suhu (>2.8000C) pada proses grafitisasinya. (Yoshio, 2009)
2.3.2 Mesocarbon Microbead (MCMB)
Mesocarbon microbead (MCMB) adalah bagian dari soft carbon yang memiliki
struktur kristal lebih sedikit dibanding dengan grafit alam. Mesocarbon microbead
(MCMB) telah dipelajari oleh Mabuchi et al. Material ini diperoleh dari biji
batu-bara, bahan mentah pertama kali dikarbonisasi di furnance yang di aliri gas inert
(Argon,Nitrogen) dan di grafitisasi pada suhu berkisar 1200-28000C. Pada
percobaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa MCMB yang
digrafitisasi dengan suhu 10000C tidak menunjukkan ketergantungan pada
elektrolit yang mengakibatkan tegangannya semakin lama semakin menurun.
Dikondisi yang lain, pada saat MCMB di grafitisasi pada suhu tinggi, 28000C
sampel menunjukkan dependence dengan elektrolit. Kinerja siklusnya meningkat
ke kapasitas muatan sebesar 240 mAh/g. (Besenhard et al, 1998).
Langkah penting untuk memperoleh MCMB yang memiliki struktur kristal
yang tinggi adalah kalsinasi pada MCMB pada temperatur tertentu. Tujuan dari
kalsinasi ini adalah untuk :
1. Menghilangkan kotoran pelarut yang digunakan selama ekstraksi yang
terperangkap didalam MCMB.
2. Menyesuaikan jumlah komponen pengikat yang terdapat pada MCMB.
Proses kalsinasi ini dapat dilakukan dengan furnance yang di aliri gas inert
maupun yang tidak dialiri gas inert. (Aggrwal et al, 2000)
Grafitisasi MCMB memiliki banyak kelebihan bila digunakan sebagai
(Fabrice, 2010) Packing densitas yang tinggi menjamin densitas energi yang
tinggi pula. Luas permukaan yang kecil menurunkan kapasitas ireversible sesuai
dengan dekomposisi elektrolit. MCMB memiliki struktur spinel sehingga ion
lithium mudah berinterkalasi dan hal tersebut akan meningkatkan kapasitas
baterai. MCMB dapat dengan mudah menyepar ke Cu-foil.(Yoshio, 2009).
Karakteristik dari Mesocarbon microbead (MCMB) dapat dilihat pada tabel
berikut.
Tabel 2.4 Karakterisasi dari Mesocarbon microbead (MCMB) (Safety data sheet, June 2010)
Karakteristik
Kadar C 99,6 %
Spesifik kapasitas 345,2 mAh/g
Efficiency 93,4 %
Temp Sintering 1800-2500 K
Warna Hitam
Bau Tidak berbau
2.3.3 Perkembangan Mesocarbon Microbead (MCMB)
Ada berbgai jenis struktur MCMB yang di produksi di pasaran yaitu MCMB tipe
Brooks-Taylor, tipe Honda, tipe Kovac-Lewis, dan tipe Huttinger. Dijepang, ada
dua perusahaan utma yang memproduksi MCMB secara besar-besaran yaitu
Osaka Gas dan Kawasaki Steel Co Ltd. Produk MCMB mereka termasuk tipe
Brooks-Taylor, secara skematis strukturnya di tunjukkan pada Gambar 2.6
Gambar 2.6 Struktur MCMB tipe Brooks-Taylor
Di indonesia sendiri penegembangan MCMB mulai dilakukan oleh Puslitbang
Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan mengembangkan riset
tentang mesocarbon microbead (MCMB). Gustan Pari dkk telah melakukan riset
pembuatan karbon sphere dari pati singkong karet (racun). Selain ramah
lingkungan juga bahan bakunya mudah didapatkan. Tepung singkong racun ini
mampu menghasilkan sphare dengan menghilangkan unsur racunnya terlebih
dahulu. Tepung tapioka itu diolah menjadi karbon sphere melalui proses
hidrotermal karbonisasi dengan suhu tinggi untuk menciptakan pori-pori nano
porous karbon. Syarat utama pembentukan karbon sphere ini harus berbentuk
kelereng agar dapat menghasilkan energi tinggi. Saat ini riset karbon sphere
digunakan sebagai pengisi baterai lithium kendaraan berbasis listrik baru sampai
pada tahap pemanasan dengan suhu 8000C.
2.4 Bahan Katoda Untuk Baterai Ion Lithium
Bahan katoda untuk baterai ion lithium dirancang untuk mengoptimalkan dua
faktor penting, densitas energi dan kapasitas. Densitas energi ditentukan oleh
reversible kapasitas dan tegangan operasional, yang sebagian besar ditentukan
oleh bahan intrinsik kimia, seperti pasangan redoks dan konsentrasi maksimum
ion lithium pada bahan aktif. Untuk silkus penggunaan, mobilitas elektron dan ion
merupakan faktor utama, meskipun morfologi partikel juga merupakan faktor
2.4.1 Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2)
Sebagian besar baterai ion lithium untuk aplikasi portabel menggunakan katoda
berbasis kobalt. Baterai ion lithium kobalt juga dikenal sebagai baterai ion lithium
berkekuatan tinggi karena kepadatan energi yang tinggi. Lithium ion kobalt bila di
pasangkan dengan anoda grafit karbon maka akan memiliki beda potensial
sebesar 3,6 V dan beda ptensial ini tiga kali lipat bila dibandingkan dengan NICD
atau NiMH yang hanya mempunyai beda potensial 1,2 V (Mehul, 2010).
Walaupun sekarang untuk katoda pada baterai ion lithium banyak
menggunakan Lithium Iron Phospat, namun Lithium Cobalt Oxide masih
memegang kualitas yang lebih baik, seperti yang dilihatkan pada Tabel 2.5 berikut
ini.
Tabel 2.5 Ringkasan spesifikasi baterai (Mehul, 2010)
Katoda Tipe Baterai Volume
(m3)
2.5 Komponen Tambahan Penyusun Anoda Baterai
Semakin besar komposisi bahan aktif mengisi volume baterai, semakin besar pula
kekuatan yang diperoleh. Dengan demikian setiap komponen selain dari material
aktif, seperti binder, elektroda (Cu-foil) dan aditif konduktif harus dikurangi
sebanyak mungkin.
2.5.1 Binder PVDF (poly vinylidene fluoride)
Binder adalah bagian penting dari formulasi elektroda pada baterai ion lithium
karena binder mempertahankan struktur fisik elektroda, tanpa binder elektroda
akan berantakan. (Fabrice et al, 2010). Sangat diharapkan bahwa binder memiliki
titik leleh yang tinggi, dan struktur komposit dari material aktif dan binder harus
dalam elektrolit melebihi ambang batas, kontak listrik antara material aktif dan
anoda akan hilang, maka pada saat itu kapasitas pun akan mengecil. Potensi
kelemahan dari binder yaitu binder mungkin saja melapisi permukaan material
aktif. Jadi sangat penting bahwa ion lithium dapat melewati bahan pengikat.
Wilayah amorf di PVDF (poly vinylidene fluoride) adalah matrik yang baik untuk
molekul polar, dan ion lithium dapat melewati lapisan tipis PVDF. (Tsunemi,K et
al,1983). Akhirnya, jika binder bisa menghantarkan listrik dengan baik, kinerja
baterai akan lebih meningkat.
PVDF memiliki properti yang baik, PVDF tidak tereduksi pada potensial
rendah (5 mV vs Li/Li+) atau teroksidasi pada potensial tinggi (5 V vs Li/Li+)
(Fabrice M et al,2010). Karakteristik penting dari PVDF adalah kristalinitasnya.
PVDF memiliki beberapa bentuk kristal. XRD menunjukkan bahwa sekitar 50%
PVDF memiliki struktur amorf. (Tsunemi et al,1983). Gambar 2.7. merupakan
struktur dari PVDF dan interaksi PVDF dengan material aktif.
(a) (b)
Gambar 2.7. (a) Struktur PVDF (b) ilustrasi binder PVDF dengan
material aktif (Yoshio, 2000)
2.5.2 Zat Aditif Acetylene Black
Acetylene Black adalah karbon black yang dihasilkan dari dekomposisi terus
menerus gas asetilena. Acetylene black terdiri dari partikel karbon black berukuran
koloid, dan memiliki sifat unik seperti konduktivitas listrik yang baik, kapasitas
absorpsi yang tinggi, konduktivitas termal yang baik dan lain-lain. Karena
karakteristik berikut setiap partikel acetylene black terdiri dari
1. Komposisi kristal yang besar
2. Membentuk struktur panjang
Oleh karena itu acetylene black telah digunakan sebagai bahan dasar untuk
memproduksi sel baterai kering, serta sebagai zat aditif dalam karet atau plastik
bahan antistatik dan elektrik konduktif yang digunakan dalam berbagai bidang
industri, seperti kabel listrik, ban, sabuk, selang, pemanas, cat, perekat dan banyak
alat elektronik lainnya. Penggunaan acetylene black didalam baterai memiliki
beberapa keunggulan yaitu dari absorpsi yang tinggi dan bersifat konduktif
sehingga acetylen black digunakan untuk mempertahankan larutan elektrolit
dalam banyak baterai kering dan meningkatkan konduktivitas listrik dari elektroda
baterai. ( Safety data sheet, 2002)
Gambar 2.8 merupakan serbuk Acetylene Black yang digunakan sebagai
bahan zat aditif pembuatan baterai.
Gambar 2.8 Produk Acetylene black (www.denka.co.jp, diakses 18 Maret 2015)
2.5.3 Pelarut DMAC ( N-N Dimethyl Acetamide)
DMAC adalah pelarut industri yang kuat dan serbaguna yang memiliki kelarutan
terhadap bahan organik dan anorganik yang tinggi, titik didih tinggi, titik beku
yang rendah, dan stabilitas yang baik. Selain itu DMAC tidak reaktif dalam reaksi
kimia.
DMAC memiliki konstanta dielektrik yang tinggi, DMAC benar-benar
larut dalam air, eter, ester, keton dan senyawa aromatik. DMAC umumnya larut
dalam senyawa alifatik tidak jenuh. DMAC kestabilan yang bagus, pada dasarnya
DMAC tidak akan mengalami degradasi dan perubahan warna jika dipanaskan
2.5.4 Copper F oil ( Cu –F oil )
Copper foil ( Cu – Foil ) adalah lembaran berwarna kuning keemasan yang
digunakan sebagai tempat menempelnya material aktif anoda baterai ion lithium.
Cu –foil memiliki densitas 0.54 g/m2. Komposisi dari Cu –foil dapat dilihat pada
tabel berikut ini.
Lembaran untuk anoda menggunakan Cu-Foil sebagai substrat anoda
memiliki sifat yang lebih baik seperti:
1. Konduktivitas listrik yang lebiih baik dan resistivitas yang kecil
2. Kekuatan mekanik yang lebih baik dan ketangguhan untuk menghindari
hubungan pendek yang disebabkan oleh pertumbuhan dendrit
3. Kekuatan lapisan yang lebih baik dengan bahan elektroda.
Gambar 2.9 Copper foil ( Cu –foil ) (www.basiccopper.com , diakses 18 Maret 2015)
Lembaran komponen baterai yang telah siap kemudian disusun menjadi
sel baterai utuh. Berapa banyak material aktif yang digunakan dalam satu sel
baterai tergantung dari kapsitas baterai yang diinginkan. Penyusunan komponen
sel baterai mengenal beberapa bentuk, yaitu silindris, prismatis, kancing dan
kantung, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.11 dibawah ini.
(c) (d)
Gambar 2.10 Bentuk susunan sel baterai lithium ion (a)Koin; (b)Silindris;
(c)Kantung; (d)Prismatis (Menhul, 2010)
2.6 Perkembangan Baterai Lithium Sebagai Energi Terbarukan
Perkembangan baterai lithium sebagai penyimpan energi semakin banyak
digunakan dalam perangkat teknologi yang sifatnya mobile seperti ponsel, laptop,
kamera handycam, alat-alat militer, kendaraan mobil hybrid, bahkan baterai
lithium digunakan pada pesawat impulse bertenaga surya yang berasal dari Swiss
yang saat ini sedang menjalankan misi mengelilingi dunia, di 12 penerbangan
tanpa bahan bakar. Solar Impluse 2 adalah sebuah proyek untuk mengenalkan
teknologi bersih, merupakan satu dari banyak proyek sebagai inovasi dan
teknologi untuk masa depan.
Pesawat terbang Solar Impluse mempunyai 4 partner utama yang
semuanya adalah perusahaan besar, diantaranya; ABB, OMEGA, Schindler dan
Solvay. Solar Impluse menggunakan teknologi ―solar cell‖ yang dapat meng
-konversi sumber energi cahaya menjadi muatan listrik yang disimpan dalam
baterai lithium. Dari teknologi yang sudah ada pada prototipe sebelumnya
(HB-SIA), Solar Impluse HB-SIB membutuhkan pengembangan material baru dan
metode kontruksi baru. Perusahaan rekanan Solvay telah menciptakan elektrolit
yang memungkinkan kepadatan energi dari baterai yang meningkat dan keputusan
menggunakna serat karbon yang ringan dalam berat daripada yang tampak pada
Solar cell atau panel surya pada SI-2 terdapat lebih dari 17.000 sel surya
yang mampu mengumpulkan hingga 340 kWh energi surya perhari yang dapat
mewakili oleh luas sekitar 269,5 m2 dibagian atas sayap sepanjang 72 meter.
Energi yang dikumpuklan oleh sel surya disimpan dalam baterai lithium polimer,
yang kepadatan energi dioptimalkan untuk 260 Wh/kg. Baterai tersebut terisolasi
oleh busa high density dan dipasang diempat nacelles mesin, dengan sistem untuk
mengontrol pengisisan ambang batas dan suhu. Berat baterai total adalah 633 kg
sekitar seperempat dari semua berat pesawat. (Mukhlis,2015)
2.7 Karakterisasi dan Pengujian
Pengkarakterisasian dilakukan pada serbuk material aktif dan baterai. Pada serbuk
material aktif dilakukan pengujian X-Ray Difraction (XRD) dan Scanning
Electron Microscopy (SEM) untuk melihat struktur dan morfologinya. Sedangkan
pada baterai diuji kemampuan baterai dan reaksi reduksi-oksidasi yang terjadi
pada elektroda baterai dengan pengujian Cyclic Voltamettry (CV) dan
Charge-Discharge (CD) untuk melihat kapasitas dari baterai tersebut.
2.7.1 Karakterisasi XRD
Difraksi sinar – X digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal suatu padatan
dengan membandingkan nilai jarak d (bidang kristal) dan intensitas puncak
difraksi dengan data standar. Sinar- x merupakan radiasi elektromagnetik dengan
panjang gelombang sekitar 100 pm yang dihasilkan dari penembakan logam
dengan elektron berenergi tinggi. Melalui analisi XRD diketahui dimensi kisi (d =
jarak antar kisi) dalam struktur material. Sehingga dapat ditentukan apakah suatu
material mempunyai kerapatan yang tinggi atau tidak, dan difraksi sinar-x suatu
kristal. Hal ini dapat diketahui dari persamaan Bragg yaitu nilai sudut difraksi
yang berbanding terbalik dengan nilai jarak d (jarak antar kisi) dalam kristal.
Sesuai dengan persamaan Bragg :
n = 2d sin ... (2.2) dengan : d = jarak antar bidang
= panjang gelombang sinar-X
Prinsip dasar dari XRD adalah hamburan elektron yang mengenai
permukaan kristal. Bila sinar dilewatkan ke permukaan kristal, sebagian sinar
tersebut akan terhamburkan dan sebagian lagi akan di teruskan ke lapisan
berikutnya. Sinar yang dihamburkan akan berinterferensi inilah yang digunakan
untuk menganalisis.
Difraksi sinar-X hanya akan terjadi pada sudut tertentu sehingga suatu zat
akan mempunyai pola difraksi tertentu. Pengukuran kristalinitas relatif dapat
dilakukan dengan membandingkan jumlah tinggi puncak pada sudut-sudut
tertentu dengan jumlah tinggi puncak pada sampel standar.
Didalam kisi kristal, tempat kedudukan sederetan ion atau atom disebut
bidang kristal. Bidang kristal ini berfungsi sebagai cermin untuk merefleksikan
sinar-X yang datang. Posisi dan arah dari bidang kristal ini disebut indeks miller.
Setiap kristal memiliki bidang kristal dengan posisi dan arah yang khas, sehingga
jika disinari dengan sinar-X pada analisis XRD akan memberikan difraktogram
yang khas pula.
Dari data XRD yang di peroleh, dilakukan identifikasi puncak-puncak
grafik XRD dengan cara mencocokkan puncak yang ada pada grafik tersebut
dengan database ICDD (International Centre for Diffraction Data . Setelah itu,
dilakukan refinement pada data XRD dengan menggunakan metode Analisis
Rietveld yang terdapat pada program RIETAN. Melalui refinement tersebut, fase
beserta struktur, space group,dan parameter kisi yang ada pada sampel yang
diketahui.
2.7.2 Karakterisasi SEM
SEM (Scanning Elektron Microscope) adalah salah satu jenis Mikroscop Elektron
yang menggunakan berkas electron untuk menggambarkan bentuk permukaan
dari material yang dianalisis dengan gambar tiga dimensi. SEM memiliki empat
komponen pokok yaitu kolom elektron, ruang sampel, sistem pompa vakum,
kontrol elektron dan sistem magnetik. Didalam kolom elektron terdapat penembak
elektron yang terdiri dari katoda dan anoda. Elektron yang terlepas dari katoda
oleh lensa magnetik hingga di dapatkan berkas elektron yang terfokus ke arah
sampel.
Prinsip kerja dari SEM ini adalah berkas elektron yang dihasilkan oleh
electron gun akan menyapu permukaan sampel dalam daerah yang sangat kecil,
baris demi baris seperti yang ditunjukkan oleh skema pada Gambar 2.12 Pada saat
elektron berinteraksi dengan sampel, maka akan dihasilkan secondary electron
(SE) dan backscattered electron (BE). Penampakan tiga dimensi dari bayangan
yang diperoleh berasal dari kedalaman yang besar yang dapat ditembus oleh
medan SEM seperti juga efek bayangan dari secondary electron.
Gambar 2.11 Prinsip Kerja SEM
(http://www.microscopy.ethz. Ch/sem.htm, diakses 20 Maret 2015)
Secondary electron (SE)
Pada SEM digunakan berkas elektron yang dibangkitkan dari filamen, lalu
diarahkan pada sampel. Untuk elektron yang energinya dibawah 50kV
berinteraksi langsung dengan elektron pada atom sampel dipermukaan.
Akibatnya elektron – elektron yang ada di kulit terluar atom permukaan
sampel terlempar keluar dan oleh detektor dikumpulkan dan dihasilkan
gambar topografi permukaan sampel. Secondary electron hanya membawa
sedikit informasi tentang komposisi unsur dari sampel, namun
bagaimanapun sensitivitas topografi dan resolusi yang tinggi mereka
menyebabkan Secondary electron ini dipakai untuk memperoleh bayangan
mikroskopik. Karena alasan sensitivitas topografi inilah maka bayangan
secara visual karena gambar yang dihasilkan sama dengan lokasi, itulah
sebabnya lekuk-lekuk permukaan sampel dapat terlihat dengan jelas.
Backscattered electron (BE)
jika electron gun berinteraksi dengan inti atom atau satu elektron dari atom
sampel, electron gun ini dapat dipantulkan kesuatu arah dengan mengalami
dsedikit kehilangan energi sebagian dari beberapa Backscattered electron
ini dapat saja mengarah keluar sampel sehingga, setelah beberapa kali
pantulan dapat dideteksi. Backscattered electron memberikan perbedaan
kehitaman gambar berdasarkan nomor atom (Z) dari unsur-unsur fasa yang
ada pada sampel. Bahan yang nomor atom lebih besar, akan tampak lebih
terang dibanding bahan dengan nomor atom yang lebih kecil.
(a) (b)
Gambar 2.12 (a) Skema basic prinsip dari Secondary electron (SE) (b)Skema basic prinsip dari Backscattered electron (BE)
(www.robertson-cgg.com, diakses 20 April 2015)
2.7.4 Pengujian Cyclic Voltammetry (CV)
Voltametri siklik merupakan teknik voltametri dimana arus diukur selama
penyapuan potensial dari potensial awal ke potensial akhir dan kembali lagi ke
potensial awal atau disebut juga dengan penyapuan (scanning) dapat dibalik
kembali setelah reaksi berlangsung. Dengan demikian arus katodik maupun
anodik dapat terukur. Arus katodik adalah arus yang digunakan pada saat
penyapuan dari potensial yang paling besar menuju potensial yang paling kecil
dan arus anodik adalah sebaliknya yaitu penyapuan dari potensial yang paling
voltametri siklik adalah penyapuan pootensial linear dengan gelombang segitiga
seperti yang diberikan Gambar 2.14
Gambar 2.13 Sinyal eksitasi untuk voltametri siklik (Scholz,2010)
Voltametri siklik diperoleh dengan mengukur arus pada elektroda kerja
selama scan potensial. Arus dapat dianggap sebagai respon sinyal terhadap
potensial eksitasi. Voltamogram yang dihasilkan merupakan kurva antara arus
(pada sumbu vertikal ) versus potensial (sumbu horizontal). Saat variasi potensial
linear terhadap waktu, sumbu horizontal dapt dianggap sebagi sumbu waktu,
seperti yang diberikan Gambar 2.15
Gambar 2.14 Voltamogram siklik reaksi reduksi-oksidasi secara
reversible (Siti, 2010)
Suatu dari banyak kegunaan voltametri sklik adalah informasi kualitatif
mengenai mekanisme reaksi dari proses reduksi-oksidasi. Adanya kemungkinan
reaksi lain saat reduksi-oksidasi berlangsung dapat dilihat dari voltamogramnya.
Perubahan pada voltamogram siklik dapat disebabkan oleh persaingan reaksi
jalan reaksi. Hal lain dari penggunaan voltametri siklik ini adalah untuk
mempelajari proses adsorpsi molekul elektroaktif pada permukaan elektroda.
2.7.3 Pengujian Charge-Discharge (CD)
Kapasitas baterai adalah ukuran muatan yang disimpan suatu baterai, yang
ditentukan oleh masa aktif material didalamnya. Kapasitas menggambarkan
sejumlah energi maksimum yang dapat dikeluarkan dari sebuah baterai dengan
kondisi tertentu. Tetapi kemampuan penyimpanan baterai dapat berbeda dari
kapsitas nominalnya, diantaranya karena kapasitas baterai bergantung pada umur
dan keadaan baterai, parameter charging - discharging, dan temperatur. Kapasitas
baterai ini sering dinyatakan dalam Ampare hours (walau kadang dalam Wh),
ditentukan sebagai waktu dalam jam yang dibutuhkan baterai untuk secara
kontinu mengalirkan arus atau nilai discharge pada tegangan nominal baterai.
Satuan Ah sering digunakan ketika tegangan baterai bervariasi selama siklus
charging dan discharging. Kapasitas Wh dapat diperkirakan dengan mangalikan
kapasitas Ah dengan tegangan nominal.
Nilai charging, dalam ampere adalah sejumlah muatan yang diberikan
pada baterai persatuan waktu. Sedangkan discharging, dalam ampere adalah
sejumlah muatan yang digunakan kerangkaian luar (beban), yang diambil dari
baterai. Nilai charge-discharge ditentukan dengan mambagi kapasitas baterai
(Ah) dengan jam yang dibutuhkan untuk charging-discharging baterai. Nilai
charging dan discharging berpengaruh terhadap nilai kapasitas baterai. Jika
baterai di discharge sangat cepat (arus discharge tinggi) , maka sejumlah energi
yang digunakan oleh baterai menjadi berkurang sehingga kapaitas baterai
menjadi lebih rendah. Hal ini dikarenakan kebutuhan suatu materi/ komponen
untuk reaksi yang terjadi tidak mempunyai waktu yang cukup untuk bergerak
keposisi seharusnya. Hanya sejumlah reaktan yang diubah kebentuk lain, sehingga
energi yang tersedia menjadi berkurang. Jadi seharusnya arus discharge yang
digunakan sekecil mungkin, sehingga energi yang digunakan kecil dan kapasitas
baterai menjadi lebih tinggi.
Kemampuan baterai juga harus dinilai dari besar kecilnya efesiensi
dengan muatan (elektron) ditansfer dalam sistem yang memudahkan reaksi
elektrokimia.
Efesiensi coloumb =
BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Tempat penelitian dilakukan di Laboratorium Baterai Pusat Penelitian Fisika
(P2F) Serpong Tanggerang Selatan. Penelitian dimulai pada 05 Februari sampai
30 April 2015. Penelitian dilakukan dari penyiapan bahan sampai pembuatan
baterai dan pengujiannya.
3.2 Peralatan dan Bahan Penelitian 3.2.1 Peralatan Penelitian
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain :
1. Cruicible
Berfungsi sebagai tempat mensintering serbuk MCMB.
2. Beaker glass
Berfungsi sebagai tempat pencampuran bahan menjadi slurry.
3. Cawan petri
Berfungsi sebagai tempat peletakan bahan baku.
4. Sendok
Berfungsi sebagai alat untuk mengambil dan memasukkan bahan baku.
5. Aluminium foil
Berfungsi untuk melapisi cawan agar serbuk MCMB tidak terkontaminasi
dan menutupi beaker glass pada saat pembuatan slurry.
6. Furnace
Berfungsi sebagai alat mensintering serbuk MCMB.
7. Timbangan digital
Berfungsi sebagai alat untuk menimbang bahan baku.
8. Hot Plate
9. Stirrer
Berfungsi sebagai pengaduk bahan di atas hot plate.
10.Docter Blade
Berfungsi untuk membuat lembaran dan mengeringkan lembaran anoda.
11.Pisau Docter Blade
Berfungsi untuk mengukur ketebalan pada saat pembuatan lembaran
sesuai dengan yang diinginkan.
12.Mesin Calendering
Berfungsi untuk menghomogenisasikan lembaran dan menghilangkan
tegangan sisa.
13.Lembaran Kaca
Berfungsi sebagai alas memotong lembaran
14.Mesin stacking MSK-112A
Berfungsi untuk menggulung lembaraan (stacking)
15.Mesin welding MSK-800
Berfungsi untuk mengetab lembaran (welding)
16.Mesin sealing MSK-140
Berfungsi untuk merekatkan casing baterai
17.Alat- alat lain
Perlengkapan lain yang digunakan antara lain : penggaris, tissu, pisau,
sarung tangan, masker, plastik, kertas label, spidol, multimeter dan
lain-lain
3.2.2 Peralatan Karakterisasi
Adapun peralatan karakterisasi yang digunakan dalam penelitian ini yaitu :
1. XRD
Berfungsi untuk mengkarakterisasi kristal dan fasa pada serbuk MCMB
yang digunakan.
2. SEM
Berfungsi untuk mengkarakterisasi morfologi dari serbuk MCMB yang
3. Uji CV (Cyclic Voltamettry)
Berfungsi untuk mengetahui reaksi redoks yang terjadi pada baterai.
4. Uji Charge-Discharge
Berfungsi untuk mengetahui kapasitas baterai.
3.2.3 Bahan
Bahan- bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain :
1. Serbuk MCMB (MessoCarbon Microbead) teknis merk Lin Yi Gelon,
China.
Berfungsi sebagai material aktif pembuatan anoda baterai ion lithium.
2. Serbuk PVDF (poly vinylidene fluoride) teknis merk Kynar Flex, Arkema.
Berfungsi sebagai perekat (binder) pada proses pembuatan slurry.
3. DMAC (N-N Dimethyl Acetamid ) produk KgaA, Jerman.
Berfungsi sebagai pelarut pada proses pembuatan slurry dengan komposisi
tertentu.
4. Serbuk AB (Acytilene Black) teknis merk Lin Yi Gelon, China.
Berfungsi sebagai zat aditif.
5. Lembar Tembaga ( Cu- foil)
Berfungsi sebagai lembaran yang digunakan untuk membuat anoda
MCMB.
6. LiCoO2 komersil
Berfungsi sebagai katoda pada sel baterai ion lithium.
7. Separator polyethilene
Berfungsi sebagai separator pembatas antara katoda dan anoda pada sel
baterai ion lithium.
8. Elektrolit LiPF6 Produk Lin Yi Gelon, China.
Berfungsi sebagai elektrolit untuk menghantarkan ion lithium dari anoda
ke katoda atau sebaliknya.
9. Casing baterai
