MATERIAL ANODA BATERAI ION-Li BERBASIS GRAFIT
BEKAS BATERAI PRIMER DAN BERBASIS TiO2
Disusun Oleh ;
NOSAFARMA MUDA PRAKARSA
M0310033
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian
persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains dalam bidang ilmu kimia
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
Februari, 2015
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi
MATERIAL ANODA BATERAI ION-Li BERBASIS GRAFIT
BEKAS BATERAI PRIMER DAN BERBASIS TiO2
NOSAFARMA MUDA PRAKARSA M0310033
Skripsi ini dibimbing oleh :
Pembimbing I Pembimbing II
Dr. rer. nat. Fajar Rakhman Wibowo., M.Si Dr. Fitria Rahmawati, M.Si NIP. 19730605 200003 1001 NIP. 19751010 200003 2001
Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada : Hari : Kamis
Tanggal : 5 Februari 2015 Anggota Tim Penguji :
1. Dr. Sayekti Wahyuningsih., M.Si 1………. NIP. 19711211 199702 2001
2. Dr. rer. Nat Witri Wahyu Lestari., M.Sc 2………. NIP. 19801222 200312 2003
Disahkan Oleh : Jurusan Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta
iii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “MATERIAL ANODA BATERAI ION-Li BERBASIS GRAFIT BEKAS BATERAI PRIMER DAN BERBASIS TiO2” belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Surakarta, 3 Januari 2015
Nosafarma Muda Prakarsa
MATERIAL ANODA BATERAI ION Li BERBASIS GRAFIT BEKAS BATERAI PRIMER DAN BERBASIS TiO2
NOSAFARMA MUDA PRAKARSA
Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian tentang material anoda berbasis grafit bekas baterai primer dan TiO2. Litium titanat disintesis menggunakan metode solution synthetic. Sedangkan grafit bekas merupakan katoda dari baterai zink-karbon bekas. Material hasil sintesis dikarakterisasi menggunakan difraksi sinar-X untuk menentukan struktur kristal, analisa morfologi menggunakan scanning electron microscope (SEM), sedangkan kapasitas spesifik diperoleh melalui uji elektrokimia baterai. Data hasil analisis XRD digunakan pada analisis komputasi dengan metode density functional theory (DFT) dengan fungsi B3LYP yang selanjutnya dianalisis ikatannya dengan menggunakan natural bonding orbital (NBO).
Pola difraksi XRD dari Li-TiO2 menunjukkan adanya kandungan TiO2 anatase dengan struktur kristal tetragonal. Selain itu juga terdapat kandungan senyawaan nonstoikiometrik Li0,026TiO2, Li0,54Ti2O6 dan Li0,74Ti3O6. Sedangkan pada grafit bekas menunjukkan adanya kandungan grafit, SO3 dan SiO2. Hasil uji kapasitas baterai dengan menggunakan Li-TiO2 sebagai anoda tidak didapatkan nilai discharge. Analisis komputasi mendapatkan bahwa pada Li0,026TiO2 ion Li sulit untuk berpindah pada saat proses charge-discharge karena banyak terdapat interaksi antar ikatan Li-Ti dan Li-O. Baterai ion litium dengan grafit bekas sebagai anoda memiliki kapasitas spesifik pada kisaran 158 hingga 128 Ah/g pada siklus pertama charge-discharge. Analisis komputasi pada interaksi Li-grafit menunjukkan bahwa ion-ion Li dapat bergerak atau bersifat mobile pada proses charge-discharge.
v
ANODE MATERIAL FOR Li-ION BATTERIES FROM WASTE GRAPHITE OF PRIMARY BATTERIES AND TiO2
NOSAFARMA MUDA PRAKARSA
Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Natural Science Sebelas Maret University
ABSTRACT
The research of anode material from graphite waste of primary batteries and TiO2 has been done. Lithium titanate has been synthesized by solution synthetic method. Meanwhile, the anode graphite was taken from cathode of waste zinc-carbon primary batteries. The materials were characterized by X-Ray Diffraction (XRD) to determine its crystal structure. The morphological analysis was conducted by Scanning Electron Microscope (SEM). The specific capacity was tested through electrochemical battery analysis. The diffraction data was used for computation analysis with density functional theory (DFT) with B3LYP functional and analysis of atomic interaction by natural bonding orbital (NBO).
The diffraction pattern of Li-TiO2 shows the presence of TiO2 anatase with tetragonal structure. In addition, the presence of nonstoichiometric phases of have Li0.026TiO2, Li0.54Ti2O6 , Li0.74Ti3O6 are also found. Meanwhile, the diffraction pattern of waste graphite contain of graphite, SO3, and SiO2 peaks. Battery performance on Li-ion battery with Li-TiO2 as anode, did not result discharge values. Computational analysis confirms that in Li0,026TiO2 consist of many bounding between Li-Ti and Li-O and it caused Li ions could not migrate easily during charge-discharge process. Li ion graphite with waste graphite as anode shows specific capacity at around 158 – 128 Ah/g at first charge-discharge cycle. Computational analysis on Li-graphite interaction shows that Li ions would have ability to be mobile during charge-discharge process.
Keywords : Li-TiO2, waste graphite, anode material, Li-ion battery
MOTTO
Sesungguhnya sesudah kesulitan ada kemudahan. Maka apabila kamu telah selesai (urusan dunia), bersungguh-sungguhlah (dalam beribadah), dan hanya kepada
Tuhanmulah kamu berharap (Q.S Al Insyirah: 6-8)
Anda tidak bisa mengubah orang lain, Anda harus menjadi perubahan yang Anda harapkan dari orang lain (Mahatma Gandhi)
Jadikanlah sabar dan sholat sebagai penolongmu. Sungguh, Allah bersama orang – orang yang sabar
vii
PERSEMBAHAN
Teriring syukur dalam sujudku kepada-Mu atas terselesaikannya skripsi ini. Kupersembahkan skripsi ini kepada :
Kedua orang tuaku yang selalu memberikan support dan doanya,
Adikku paling nakal, Novandra Muda Syawalla, atas keceriaan dalam hari-hariku,
Special one, Ilma Fadlilah, atas keceriaan, semangat, nasihat dan doa yang selalu menemani hari-hariku… Para sahabat-sahabatku, yang selalu menemaniku ...
Keluarga RCM 2010 atas dukungan selama ini…
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan ridho, rahmat serta hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Material Anoda Baterai Ion Li Berbasis Grafit Bekas Baterai
Primer Dan Berbasis TiO2” dapat diselesaikan berkat bantuan dari berbagai
pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terimakasih kepada:
1. Prof. Ir. Ari Hamdono Ramelan, M.Sc. (Hons)., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret.
2. Dr. Eddy Heraldy, M.Si., selaku ketua jurusan KIMIA FMIPA UNS 3. Dr. rer. nat. Fajar Rakhman Wibowo., M.Si., selaku pembimbing I yang
telah banyak memberikan waktu, masukan, dan ilmunya.
4. Dr. Fitria Rahmawati, M.Si., selaku pembimbing II yang telah banyak memberikan waktu, masukan, dan ilmunya.
5. Dr. Khoirina Dwi, M.Si., selaku pembimbing akademik yang telah memberikan banyak masukan dan nasihatnya.
6. Seluruh Dosen Kimia FMIPA UNS, atas ilmu serta ajaran hidup yang telah diberikan.
7. Seluruh Laboran Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret.
ix
Penulis menyadari bahwa skripsi ini tidak seluruhnya sempurna,untuk itu penulis dengan senang hati menerima kritik dan saran demi kesempurnaan karya ini.Semoga skripsi ini dapat memberi manfaatbagi perkembangan ilmu pengetahuan. Akhir kata, penulis mohon maaf apabila ada kesalahan.
Surakarta, Januari 2015
Penulis
DAFTAR ISI
JUDUL ... i
HALAMAN PENGESAHAN ... ii
HALAMAN PERNYATAAN ... iii
HALAMAN ABSTRAK ... iv
HALAMAN ABSTRACT ... v
HALAMAN MOTTO ... vi
HALAMAN PERSEMBAHAN ... vii
KATA PENGANTAR ... viii
1. Identifikasi Masalah ... 4
xi
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 21
A. Metode Penelitian ... 21
B. Waktu dan Tempat Penelitian ... 21
C. Alat dan Bahan Penelitian ... 21
1. Alat ... 21
2. Bahan ... 22
D. Prosedur Penelitian ... 23
1. Preparasi Grafit ... 23
2. Preparasi Litium Titanat ... 23
3. Fabrikasi Baterai Ion-Li ... 23
4. Uji Elektrokimia ... 24
5. Uji Analisa Komputasi ... 24
a. Optimasi Lix-TiyOz, dan grafit bekas ... 24
b. Analisa Interaksi Li-TiO2 dan Li-Grafit ... 24
6. Karakterisasi ... 25
E. Teknik Pengumpulan dan Analisa Data ... 25
1. Pengumpulan Data ... 25
2. Analisa Data ... 25
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. Preparasi Litium Titanat ... 27
B. Fabrikasi Baterai Ion-Li ... 34
C. Hasil Analisis Komputasi ... 40
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 45
A.Kesimpulan ... 45
B.Saran ... 45
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Data parameter sel dan struktur kristal dari serbuk TiO2 ... 29
Tabel 2. Data parameter sel dan struktur kristal dari Li-TiO2 ... 31
Tabel 3. Data parameter sel dan struktur kristal dari grafit bekas ... 33
Tabel 4. Data hasil analisis NBO pada Li0,026TiO2 ... 40
Tabel 5. Data hasil analisis NBO pada Li0,74Ti3O6 ... 41
Tabel 6. Data hasil analisis NBO pada Li0,54Ti2O6 ... 41
Tabel 7. Data parameter sel dan struktur kristal dari Li-grafit ... 43
Tabel 8. Data hasil analisis NBO pada Li2C2 ICSD# 89535 ... 43
Tabel 9. Data hasil analisis NBO pada Li2C2 ICSD# 89536 ... 44
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Struktur kristal anatase dan rutil titanium dioksida ... 7
Gambar 2. Struktur grafit ... 8
Gambar 3. Pola difraksi grafit bekas baterai primer zinc-karbon ... 8
Gambar 4. Proses interkalasi dalam baterai litium ... 11
Gambar 5.Tiga model host dari bahan katoda dan anoda ... 11
Gambar 6. Struktur kristal dari Li4Ti5O12 ... 12
Gambar 7. Skema proses interkalasi litium kedalam grafit ... 12
Gambar 8. Pola difraksi sinar X TiO2 dengan berbagai perlakuan ... 14
Gambar 9. Kurva charge-discharge dari Li4Ti5O12 dengan tegangan 1-2,5V ... 16
Gambar 10. Foto hasil interkalasi litium kedalam TiO2 ... 27
Gambar 11. Perbandingan pola difraksi sinar X dari campuran prekursor Li dan TiO2 dengan pola difraksi serbuk TiO2 anatase, standar TiO2 anatase dan TiO2 rutil ... 28
Gambar 12. Hasil refinement data difraksi sinar X dari serbuk TiO2 dengan memasukkan 1 fasa yaitu fasa TiO2 anatase ... 29
Gambar 13. Struktur kristal anatase (tetragonal) ... 29
Gambar 14. Hasil refinement data difraksi sinar X dari hasil sintesis Li-TiO2 dengan memasukkan 4 fasa yaitu fasa TiO2 anatase, Li0,026TiO2, Li0,54Ti2O6 dan Li0,74Ti3O6 ... 30
Gambar 15. Struktur Kristal Li0,026TiO2 (a), Li0,54Ti2O6 (b) dan Li0,74Ti3O6 (c) ... 31
Gambar 16. Perbandingan pola difraksi sinar X dari grafit bekas dengan pola difraksi grafit #ICSD 617290 (Rahmawati et al., 2014) ... 32
xv
Gambar 20. Morfologi sampel grafit bekas dengan perbesaran 10000 kali ... 34 Gambar 21. Foto proses doctor blade dengan ketebalan 100�� ... 35 Gambar 22. Foto hasil pemotongan sampel dengan diameter 2 cm menggunakan
alat disc cutting ... 35 Gambar 23. Desain rangkaian split flat cell ... 36 Gambar 24. Grafik charge-discharge baterai ion-Li dengan grafit bekas sebagai
Anoda (Rahmawati et al., 2014) ... 37 Gambar 25. Grafik charge-discharge baterai ion-Li dengan TiO2 anatase sebagai
anoda ... 38 Gambar 26. Grafik charge-discharge baterai ion-Li dengan Li-TiO2 sebagai
anoda ... 39 Gambar 27. Struktur senyawa Li0,026TiO2(a), Li0,74Ti3O6(b) dan Li0,54Ti2O6 (c)
hasil analisa NBO ... 40 Gambar 28. Perbandingan pola difraksi sinar X dari Li-grafit dengan pola
difraksi grafit, Li2C2 #ICSD 89535, Li2C2 #ICSD 89536 dan SiO2
#ICSD 81382 ... 42 Gambar 29. Hasil refinement data difraksi sinar X dari hasil Li-grafit dengan
memasukkan 4 fasa yaitu fasa grafit, Li2C2 #ICSD 89535,89536 dan SiO2 #ICSD 81382 ... 42 Gambar 30. Struktur senyawa Li2C2 ICSD# 89535 (a) dan Li2C2 ICSD# 89536
(b) hasil analisa NBO ... 43
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Bagan Prosedur Kerja ... 52 Lampiran 2. Grafik Pola Difraksi Sinar-X TiO2 anatase, litium titanat dan grafit
