SINTESIS DAN KARAKTERISASI LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 & LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 DENGAN METODE SOLID STATE UNTUK KATODA BATERAI ION LITIUM

SINTESIS DAN KARAKTERISASI LiNi

0.6

Co

0.2

Mn

0.2

O

2

&

LiNi

0.8

Co

0.1

Mn

0.1

O

2

DENGAN METODE SOLID STATE

UNTUK KATODA BATERAI ION LITIUM

LAPORAN TUGAS AKHIR

Oleh:

Ahmad Zaky Raihan

105116034

FAKULTAS SAINS DAN ILMU KOMPUTER

PROGRAM STUDI KIMIA

UNIVERSITAS PERTAMINA

2020

S

int

es

is

da

n K

ara

kt

eri

sa

si

L

iN

i

0.6

Co

0.2

Mn

0.2

O

2

&

L

iN

i

0.8

Co

0.1

Mn

0.1

O

2

de

nga

n M

et

od

e

A

hm

ad Z

aky Ra

iha

n

Sol

id S

tat

e

u

nt

uk K

at

oda

Ba

te

ra

i Ion L

iti

u

m

10511

6034

SINTESIS DAN KARAKTERISASI LiNi

0.6

Co

0.2

Mn

0.2

O

2

&

LiNi

0.8

Co

0.1

Mn

0.1

O

2

DENGAN METODE SOLID STATE

UNTUK KATODA BATERAI ION LITIUM

LAPORAN TUGAS AKHIR

Oleh:

Ahmad Zaky Raihan

105116034

FAKULTAS SAINS DAN ILMU KOMPUTER

PROGRAM STUDI KIMIA

UNIVERSITAS PERTAMINA

2020

LEMBAR PENGESAHAN

Judul Tugas Akhir : Sintesis dan Karakterisasi LiNi

0.6

Co

0.2

Mn

0.2

O

2

& LiNi

0.8

Co

0.1

Mn

0.1

O

2

dengan Metode

Solid

State

untuk Katoda Baterai Ion Litium

Nama Mahasiswa : Ahmad Zaky Raihan

Nomor Induk Mahasiswa : 105116034

Program Studi

: Kimia

Fakultas : Sains dan Ilmu Komputer

Tanggal Lulus Sidang Tugas Akhir : 3 September 2020

Jakarta, 16 September 2020

Disetujui oleh,

Pembimbing I

Pembimbing II

Dr. Eng. Haryo Satriya Oktaviano, S.Si., M.Eng

Achmad Subhan, M.T

NIP. 197011092000031001

Diketahui oleh,

Ketua Program Studi

Dr. Nila Tanyela Berghuis, S.Si., M.Si

LEMBAR PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa Tugas Akhir berjudul Sintesis dan Karakterisasi

LiNi

0.6

Co

0.2

Mn

0.2

O

2

& LiNi

0.8

Co

0.1

Mn

0.1

O

2

dengan Metode

Solid State

untuk Katoda Baterai

Ion Litium ini adalah benar-benar merupakan hasil karya saya sendiri dan tidak mengandung

materi yang ditulis oleh orang lain kecuali telah dikutip sebagai referensi yang sumbernya

telah dituliskan secara jelas sesuai dengan kaidah penulisan karya ilmiah.

Apabila dikemudian hari ditemukan adanya kecurangan dalam karya ini, saya bersedia

menerima sanksi dari Universitas Pertamina sesuai dengan peraturan yang berlaku.

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya menyetujui untuk memberikan kepada

Universitas Pertamina hak bebas royalti noneksklusif (

non-exclusive royalty-free right

) atas

Tugas Akhir ini beserta perangkat yang ada. Dengan hak bebas royalti noneksklusif ini

Universitas Pertamina berhak menyimpan, mengalih media/format-kan, mengelola dalam

bentuk pangkatan data (

database

), merawat, dan mempublikasikan Tugas Akhir saya selama

tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya

Jakarta, 16 September 2020

Yang membuat pernyataan,

Ahmad Zaky Raihan

ABSTRAK

Ahmad Zaky Raihan. 105116034.

Sintesis dan Karakterisasi LiNi

0.6

Co

0.2

Mn

0.2

O

2

&

LiNi

0.8

Co

0.1

Mn

0.1

O

2

dengan Metode

Solid State

untuk Katoda Baterai Ion Litium.

Penelitian ini tentang Sintesis dan Karakterisasi LiNi

0.6

Co

0.2

Mn

0.2

O

2

& LiNi

0.8

Co

0.1

Mn

0.1

O

2

dengan Metode

Solid State

untuk Katoda Baterai Ion Litium dengan tujuannya untuk

melakukan sintesis dan karakterisasi material LiNi

0.6

Co

0.2

Mn

0.2

O

2

& LiNi

0.8

Co

0.1

Mn

0.1

O

2

serta mengetahui perbandingan hasil sintesis antara LiNi

0.6

Co

0.2

Mn

0.2

O

2

dengan

LiNi

0.8

Co

0.1

Mn

0.1

O

2

yang telah dibuat dengan menggunakan metode

solid state.

Metode

yang dipergunakan adalah metode

solid state

. Hasil menunjukkan bahwa pada NCM 622

SSR menunjukkan tingkat reversibilitas (0.25 V), performa kapasitas pada

charge/discharge

siklus-1 (127/112 mAh g

-1

), konduktifitas (2.53 x 10

-5

Ω

-1

cm

-1

), dan nilai difusi litium (4.18

x 10

-7

cm

2

s

-1

) yang lebih tinggi dibanding dengan NCM 811 SSR.

ABSTRACT

Ahmad Zaky Raihan. 105116034.

Synthesis and Characterization LiNi

0.6

Co

0.2

Mn

0.2

O

2

&

LiNi

0.8

Co

0.1

Mn

0.1

O

2

with Solid State Method for Cathode

Lithium Ion Battery.

This research is about Synthesis and Characterization LiNi

0.6

Co

0.2

Mn

0.2

O

2

&

LiNi

0.8

Co

0.1

Mn

0.1

O

2

using Solid State Method for Cathode Lithium Ion Battery with the

purpose to synthesis and analize of LiNi

0.6

Co

0.2

Mn

0.2

O

2

& LiNi

0.8

Co

0.1

Mn

0.1

O

2

as well as

seeing the comparison of the synthesis results between LiNi

0.6

Co

0.2

Mn

0.2

O

2

and

LiNi

0.8

Co

0.1

Mn

0.1

O

2

which have been made using the solid state method. The method used

is solid state method. The results show that the NCM 622 SSR is the highest levels of

reversibility (0.25 V), capacity from charge/discharge on first cycle (127/112 mAh g

-1

),

conductivity (2.53 x 10

-5

Ω

-1

cm

-1

), and the diffusion value of lithium (4.18 x 10

-7

cm

2

s

-1

) than

NCM 811 SSR.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas rahmat dan karunia-Nya

sehingga laporan tugas akhir yang berjudul Sintesis dan Karakterisasi Li(Ni

0.6

Co

0.2

Mn

0.2

)O

2

&

Li(Ni

0.8

Co

0.1

Mn

0.1

)O

2

dengan Metode

Solid State

untuk Katoda Baterai Ion Litium yang

dilaksanakan di LIPI Pusat Penelitian Fisika dan Laboratorium Terintegrasi Universitas

Pertamina, telah diselesaikan. Penelitian dilaksanakan dari bulan Januari 2020 hingga

Agustus 2020.

Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Ibu Dr. Eng. Nila Tanyela Berghuis,

selaku Ketua Program Studi Kimia Universitas Pertamina, Bapak Dr. Eng. Haryo Satriya

Oktaviano, S.Si, M.Eng dan Sylvia Ayu Pradanawati, Ph.D selaku dosen pembimbing

Universitas Pertamina serta Bapak Achmad Subhan, M.T selaku pembimbing P2F-LIPI

Pusat Penelitian Fisika yang telah membantu penulis dalam penyelesaian laporan tugas akhir

ini. Tak lupa, penulis juga ucapan terima kasih ini kepada Sugianto dan Afif Thufail sebagai

rekan tim yang telah membantu penulis dalam pengerjaan penelitian serta laporan tugas akhir

ini. Penulis berharap semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi seluruh pembaca

dan bilamana terdapat beberapa kesalahan dalam laporan kerja praktik ini, izinkan penulis

mengajukan permohonan maaf. Akhir kata, penulis ucapkan terima kasih.

Jakarta, 16 September 2020

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

ABSTRACT ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR GAMBAR ... vi

DAFTAR TABEL... vii

DAFTAR SINGKATAN ... viii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1 1.2. Rumusan Masalah ... 4 1.3. Batasan Masalah ... 4 1.4. Tujuan Penelitian ... 4 1.5. Manfaat Penelitian ... 4 1.6. Lokasi Penelitian ... 4

1.7. Waktu Pelaksanaan Penelitian ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1. Definisi Baterai ... 5

2.1.1. Baterai Primer ... 5

2.1.2. Baterai Sekunder ... 5

2.2. Baterai Ion Litium ... 6

2.3. Katoda NCM ... 6

2.4. Metode Solid State ... 7

2.5. Sintering ... 8

2.6. Coating ... 8

2.7. Karakterisasi ... 9

2.7.1. X-Ray Diffraction (XRD) ... 9

2.7.2. Cyclic Voltammetry (CV) ... 9

2.7.3. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) ... 10

2.7.4. Charge-Discharge (CD) ... 11

2.7.5. Coulombic Efficiency (CE) ... 11

3.2. Metode Pengumpulan Data... 13

3.3. Metode Penelitian ... 13

3.3.1. Sintesis LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2... 13

3.3.2. Sintesis LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2... 13

3.3.3. Pembuatan Coin Cell Baterai ... 14

3.4. Alat dan Bahan ... 15

3.5. Metode Analisis Data ... 15

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 17

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 28

5.1. Kesimpulan... 28

5.2. Saran... 28

DAFTAR PUSTAKA ... 29

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1. Karakteristik komposisi pada material NCM ……….. 1

Gambar 1.2. Target karakteristik

specific energy

pada material katoda untuk tahun 2025.. 2

Gambar 1.3. Target karakteristik

energy density

pada material katoda untuk tahun 2025... 3

Gambar 2.1. Struktur katoda NCM ……….. 7

Gambar 2.2. Contoh grafik CV ……….. 10

Gambar 2.3. Hasil uji CE pada sampel NCM 622 ………. 11

Gambar 3.1. Skematik pembuatan logam karbonat ………... 14

Gambar 3.2. Skematik pembuatan NCM ………... 14

Gambar 3.3. Pembuatan

coin cell

baterai ………... 15

Gambar 4.1. Hasil uji XRD sampel NCM 622 pada percobaan pertama dengan

menggunakan metode

solid state

……….…….. 17

Gambar 4.2. Hasil

coating

pada sampel NCM 811 SSR, NCM 622 SSR, NCM 622

Komersial ………... 19

Gambar 4.3. Hasil uji XRD sampel NCM 622 komersial dan NCM 622 & 811 sintesis.. 20

Gambar 4.4. Hasil uji CV sampel NCM 811 SSR ………. 21

Gambar 4.5. Hasil uji CV sampel NCM 622 SSR ………. 21

Gambar 4.6. Hasil uji CD NCM 811 SSR ……….. 23

Gambar 4.7. Hasil uji CD NCM 622 SSR ……….. 23

Gambar 4.8. Hasil uji CD NCM 622 Komersial ………..…….. 24

Gambar 4.9. Grafik hasil uji EIS NCM 622 SSR dan NCM 622 Komersial ...……..….... 26

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1. Hasil kapasitas berdasarkan uji CV ………... 22

Tabel 4.2. Hasil uji CD ………... 24

DAFTAR SINGKATAN

Lambang/Singkatan

Arti Keterangan

NCM LiNixCoyMnzO2 NCA LiNixCoyAlzO2 LFP LiFePO4 LMO LiMnO2 LCO LiCoO2 NMP N-Methylpyrrolidone PVDF Polyvinylodene Fluoride XRD X-Ray Diffraction CD Charge-Discharge CV Cyclic Voltammetry CE Coulombic Efficiency

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.

Latar Belakang

Market produksi kendaraan listrik dari tahun ke tahun telah diperkirakan mengalami peningkatan yang mana telah didominasikan oleh kendaraan listrik berbasis teknologi baterai ion litium [1]. Baterai ion litium berkontribusi sebagai sebuah perangkat penyimpanan energi berkapasitas tinggi dengan zero emisi serta memiliki energy density

yang tinggi [2-3]. Hal tersebut berbanding lurus dengan meningkatnya permintaan baterai ion litium di dunia. Muatan kapasitas baterai bergantung pada material elektroda yang terdiri dari anoda dan katoda. Saat ini, material anoda sudah memiliki muatan kapasitas yang jauh lebih besar dibanding dengan material katoda yang ada sehingga katoda menjadi faktor penentu muatan kapasitas baterai [4]. Terdapat berbagai macam material katoda yang telah dikomersialkan, diantaranya yaitu LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, Li(NiCoMn)O2,

dan Li(NiCoAl)O2. Material katoda tersebut tentunya memiliki kelebihan serta

kekurangannya dan juga masih perlu dilakukan pengembangan untuk kedepannya [5]. Sejak tahun 1990, material katoda berbasis kobalt yaitu LCO telah dikomersialkan oleh Sony Corporation sebagai material katoda pertama yang telah digunakan pada baterai ion litium. Kapasitas yang dimilikinya hanya sebesar 150 mAh g-1_{. Namun, pada material}

tersebut memiliki masalah diantaranya yaitu biaya yang mahal, elemen Co yang bersifat toksik, dan material katoda tersebut belum aman untuk dipakai [6]. Pada era saat ini, para peneliti sudah bergerak fokus ke arah material katoda berbasis nikel akibat memiliki keunggulan dalam muatan kapasitas serta output voltage yang lebih besar dan juga pada tingkat keamanan yang lebih menjamin [4-5,7].

Selain itu, Indonesia juga merupakan salah satu negara yang memiliki kekayaan nikel terbesar di dunia [8]. Maka dari itu, Indonesia telah memiliki kesempatan untuk bersaing secara global dalam rangka produksi material katoda berbasis nikel. Adapun material katoda berbasis nikel yaitu NCM dan NCA. Akan tetapi, NCM memiliki keunggulan pada tingkat keamanan dan life span yang lebih menjamin dibanding dengan material katoda NCA [9].

Gambar 1.1. Karakteristik komposisi pada material NCM berdasarkan jurnal “Comparison of the structural and electrochemical properties of layered

Li[Ni𝑥Co𝑦Mn𝑧]O2 (x = 1/3, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 and 0.85) cathode material for lithium-ion batteries” [10].

Pada penelitian ini difokuskan pada material katoda NCM dengan komposisi Ni:Co:Mn 6:2:2 dan 8:1:1. Berdasarkan grafik tersebut, komposisi Ni:Co:Mn 6:2:2 memiliki kapasitas retensi, mutan kapasitas, dan thermal stability yang cukup baik. Sedangkan pada komposisi Ni:Co:Mn 8:1:1, memang berdasarkan kapasitas retensi dan

thermal stability yang diperoleh dibawah performa komposisi Ni:Co:Mn 6:2:2, namun

pada komposisi 811 ini memiliki keunggulan muatan kapasitas yang lebih besar.

Pada tahun 2025 mendatang, juga telah difokuskan kepada para peneliti mengenai target generasi material katoda baterai yang mana pada pengaplikasiannya difokuskan dalam bidang industri otomotif [7]. Target yang diinginkan oleh industri otomotif yang paling mencolok untuk masa yang akan datang ialah berdasarkan besarnya energy density

dan output voltage yang diperoleh.

Gambar 1.2. Target karakteristik specific energy pada material katoda untuk tahun 2025 berdasarkan jurnal “Future generations of cathode materials: an automotive

Gambar 1.3. Target karakteristik energy density pada material katoda untuk tahun 2025 berdasarkan jurnal “Future generations of cathode materials: an automotive industry

perspective” [7].

Dalam keadaan saat ini, material katoda memiliki energy density sekitar 400 W h kg-1_{. Namun, target yang diinginkan pada tahun 2025 yaitu mendekati 800 W h kg}-1_..

Kemudian, kandidat yang masuk ke dalam kategori target yang diinginkan oleh industri otomotif untuk masa yang akan datang diantaranya terdapat beberapa material katoda yang telah dikelompokkan dalam beberapa kelompok diantaraya ialah kelompok oxide, conversion, dan polyanionic yang telah dijelaskan pada jurnal “Future generations of

cathode materials: an automotive industry perspective”. Pengelompokan material katoda

tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing, namun pada kelompok oxide

ialah yang paling baik diantara ketiga kelompok tersebut akibat memiliki keunggukan pada muatan kapasitas, output voltage, dan tingkat konduktivitas yang diperoleh seperti NCM yang memungkinkan akan menjamin sebagai generasi material katoda baterai di masa yang akan datang. Selain itu, material katodaNCM dengan komposisi Ni:Co:Mn 6:2:2 dan 8:1:1 juga masuk sebagai kandidat material katoda pada tahun 2025 mendatang. Oleh karena itu, penelitian ini difokuskan pada material NCM 622 & 811 [5,7].

Terdapat beberapa metode yang digunakan untuk membuat material NCM diantaranya ialah metode sol-gel, co-precipitation, hydrothermal, dan solid state [11-14]. Pada penelitian ini, sintesis material katoda NCM telah dilakukan dengan menggunakan metode solid state yang mana pada metode ini ialah metode yang paling simpel dibanding dengan metode yang lainnya sehingga mudah untuk diindustrialisasikan [15-17].

1.2.

Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang di atas, terdapat rumusan masalah yang diperoleh sebagai berikut:

1. Bagaimana pengaruh komposisi nikel (Ni), kobalt (Co), mangan (Mn) pada material NCM?

2. Bagaimana pengaruh metode solid-state untuk membuat material NCM?

3. Bagaimana pengaruh prekursor pada pembuatan NCM dengan metode solid state?

1.3.

Batasan Masalah

Berdasarkan rumusan masalah yang terdapat di atas, adapun batasan masalah yang diperoleh sebagai berikut:

1. Penelitian ini difokuskan pada sintesis dan karakterisasi pada material NCM. 2. Menggunakan rasio komposisi Ni:Co:Mn (6:2:2) dan (8:1:1).

3. Mereaksikan bahan dasar logam sulfat dengan Na2CO3.

1.4.

Tujuan Penelitian

Pada penelitian ini, tujuan yang akan dicapai ialah sebagai berikut: 1. Melakukan sintesis dan karakterisasi pada material NCM 622 & 811.

2. Mengetahui perbandingan hasil sintesis antara NCM 622 dengan NCM 811 yang telah dibuat dengan menggunakan metode solid state.

1.5.

Manfaat Penelitian

Pada penelitian ini, terdapat beberapa manfaat yang diperoleh ialah sebagai berikut: 1. Menunjang penelitian lebih lanjut akan adanya material NCM pada komposisi 622 dan

811 yang telah dibuat dengan menggunakan metode solid state didalam penelitian ini.

2. Mengetahui pengaruh hasil sintesis NCM terhadap prekursor serta rute sintesis dalam metode yang digunakan di dalam penelitian ini.

1.6.

Lokasi Penelitian

Penelitian ini dilakukan di dua tempat, yaitu Laboratorium Sains dan Teknik Universitas Pertamina dan Pusat Penelitian Fisika – Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (P2F-LIPI), Serpong, Tangerang Selatan, Banten.

1.7.

Waktu Pelaksanaan Penelitian

Waktu pelaksanaan penelitian dilakukan sekitar 3 bulan sesuai dengan syarat yang ditentukan oleh P2F-LIPI.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1.

Definisi Baterai

Baterai adalah suatu alat yang dapat merubah energi kimia yang dihasilkan menjadi energi listrik yang akan digunakan dalam berbagai macam perangkat elektronik seperti

handphone dan laptop. Selain itu, baterai juga dapat digunakan pada kendaraan listrik seperti mobil listrik. Terdapat dua jenis baterai yang sering kita temui dalam kehidupan sehari-hari yaitu baterai primer dan baterai sekunder [18].

2.1.1. Baterai Primer

Baterai primer ialah baterai yang hanya dapat dipakai sekali saja. Baterai jenis ini sangat banyak kita temui dalam kehidupan sehari-hari dan sering kali kita gunakan dalam peralatan elektronik di rumah seperti jam dinding, jam tangan,

remote TV ataupun AC. Contoh dari baterai primer yang sering kita temui yaitu

baterai alkaline, baterai zinc-carbon, dan baterai koin silver oxide.

Pada baterai zinc-oxide, baterai ini terdiri dari material zinc merupakan sebagai material pada terminal negatif dan karbon yang berbentuk batang (rod) merupakan sebagai material positif. Baterai jenis ini ialah baterai yang lebih murah jika dibandingkan dengan baterai lainnya. Sedangkan pada baterai alkaline, baterai ini memiliki daya tahan yang lebih lama dan harga yang lebih mahal dibanding dengan baterai zinc-carbon. Pada baterai koin silver oxide, baterai ini tergolong mahal karena tingginya harga perak dan juga pada baterai ini dibuat untuk menghasilkan energi yang tinggi dengan bentuk relatif kecil dan ringan. Baterai jenis koin ini biasa dipakai pada jam tangan dan kalkulator sebagai contohnya [18].

2.1.2. Baterai Sekunder

Baterai sekunder ialah baterai yang dapat diisi ulang sehingga dapat dipakai secara berkelanjutan. Terdapat tiga contoh pada baterai sekunder yaitu baterai Ni-Cd, baterai Ni-MH, dan baterai ion litium. Baterai Ni-Cd merupakan jenis baterai sekunder yang dapat melakukan proses discharge dengan sendirinya sekitar 30% apabila saat tidak digunakan. Baterai jenis ini mengandung 15% toksik/racun dengan adanya cadmium yang bersifat karsinogenik dapat membahayakan manusia dan lingkungan hidup. Baterai jenis ini sudah dilarang dalam penggunaan serta penjualannya oleh European Union (EU) berdasarkan peraturan “Directive

2006/66/EC”. Kemudian pada baterai Ni-MH, Baterai jenis ini tidak mengandung cadmium seperti baterai Ni-Cd yang dijelaskan sebelumnya. Baterai Ni-MH biasanya digunakan sebagai baterai kamera dan baterai radio komunikasi. Selain itu, baterai ion litium merupakan jenis baterai yang paling banyak digunakan pada perangkat elektonik hingga bidang kendaraan listrik. Baterai jenis ini memiliki life cycle serta muatan kapasitas charge/discharge yang tinggi diantara baterai yang

2.2.

Baterai Ion Litium

Salah satu jenis baterai sekunder ini sudah sangat umum digunakan sebagai unit penyimpanan energi akibat keunggulan yang dimilikinya. Baterai ion litium ini memiliki bobot yang lebih ringan, serta sifat elektrokimia yang baik dibanding dengan baterai sekunder generasi sebelumnya, seperti baterai jenis lead-acid, NiCd, dan NiMH [19,20]. Tetapi, pada performa baterai litium ion ini tetap bergantung pada kualitas komponen yang digunakan. Terdapat beberapa komponen yang terkandung di dalam baterai jenis ini yaitu elektroda (katoda dan anoda), separator, current collector, dan elektrolit. Reaksi yang terjadi ialah meliputi reaksi reduksi dan oksidasi pada saat charging/discharging.

Elektroda terbagi menjadi dua bagian yang mana terdapat anoda dan katoda yang berberperan sebagai tempat penyimpanan ion litium meliputi reaksi redoks saat saat proses

charge/discharge terjadi [21]. Kemudian, elektrolit berperan sebagai media transfer ion antar elektroda. Separator terletak di antara anoda dan katoda berperan untuk mencegah terjadinya kontak hubungan singkat antara elektroda serta menjadi penyaring ion agar ion yang melewatinya adalah benar benar ion Li+

. Dalam baterai litium ion,Current collector

berperan sebagai pengumpul arus [22]. Pada lembaran katoda digunakan alumunium foil

sedangkan pada lembaran anoda digunakan cupper foil sebagai current collector.

Prinsip kerja baterai ion litium ini berdasarkan proses sel elektrolisis dan sel volta. Pada saat proses discharge bekerja sebagai sel volta dimana anoda mengalami oksidasi sedangkan katoda mengalami reduksi. Prinsip kerjanya ialah ion litiumakan berpindah dari anoda menuju katoda. Proses ini berlangsung terus menerus sampai penggunaan baterai habis. Sedangkan pada saat charging, dia bekerja sebagai sel elektrolisis dimana anoda mengalami reduksi sedangkan katoda mengalami oksidasi. Prinsip kerjanya ialah berbanding terbalik dengan sel volta, ion lithium bergerak pindah dari katoda kembali ke anoda dengan bantuan arus yang masuk dari alat pengecasan. Berikut ialah reaksi yang terjadi pada proses charge/dischare.

Proses discharge :

Elektroda positif (+) : Li1-x MO2 + xLi + xe- LiMO2 (2.1)

Elektroda negatif (-) : CnLi Cn + xLi + xe- _(2.2)

Reaksi keseluruhan : Li1-x MO2 + CnLi LiMO2 + Cn (2.3)

Proses charging :

Elektroda negatif (-) : Cn + xLi + xe- _{CnLi (2.4)}

Elektroda positif (+) : LiMO2 Li1-x MO2 + xLi + xe- (2.5)

Reaksi keseluruhan : Cn + LiMO2 CnLi + Li1-x MO2 (2.6)

2.3.

Katoda NCM

Pada katoda ini, terdiri dari logam Ni, Co, dan Mn. Material ini merupakan kategori keluarga oxide dengan tingkat konduktivitas yang tinggi. Nilai average voltage yang dimilikinya sebesar 3.7 V. Kemudian, bentuk struktur yang dimilikinya ialah

Gambar 2.1. Struktur katoda NCM pada paper “A first-principles study of the preventive effects of Al and Mg doping on the degradation in LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cathode

materials” [23].

Kelebihan pada material ini yaitu biaya yang lebih murah, specific power yang besar, keamanan yang lebih baik, serta kapasitas yang besar sehingga energy density yang diperoleh pun juga lebih besar dibanding dengan material layered oxide LCO yang dikomersialkan pertama kali. Kemudian, pada material ini memiliki daya tarik dalam dunia industri otomotif untuk masa depan. Namun, selain kelebihan yang dimiliki, material ini pun juga memiliki kekurangan dalam stabilitas thermal jika di desain pada komposisi tertentusehingga dapat memengaruhi keamanannya [6,7].

2.4.

Metode Solid State

Metode ini ialah metode yang sangat umum digunakan. Metode ini sangat berpotensi untuk diindustrialisasikan, karena metode ini memiliki kelebihan yaitu proses yang mudah, biaya yang ekonomis, dan tidak membutuhkan banyak prekursor dibanding metode lainnya seperti sol-gel, hydrothermal, dan co-precipitation. Metode ini juga tidak menghasilkan limbah dari sisa pelarutan. Namun dibalik kelebihan tersebut, metode ini juga memiliki kekurangan yaitu hasil yang diperoleh sulit untuk mencapai tingkat homogenitas yang tinggi dan hasil partikel yang diperoleh besar. Proses pembuatan dengan metode ini dilakukan dengan cara menggerus bahan dasar menjadi satu kesatuan dalam waktu tertentu yang dapat dilakukan menggunakan mortar atau planetary ball milling [15-17].

Pada penggunaan ball milling dapat memanfaatkan gaya sentrifugal pada bola-bola penggerus yang berperan sebagai pemberi beban tumbukan secara berulang agar ukuran

powder yang digunakan terduksi serta tercampur dalam satu sama lain. Proses ini dapat dilakukan dengan dua kondisi yang berbeda yaitu wet milling dan dry milling. Dalam kondisi wet milling, proses ini membutuhkan pelarut dengan mempertimbangkan kelarutannya terhadap sampel yang digunakan serta kemudahannya untuk diihilangkan seperti pelarut alkohol yang berupa etanol sebagai salah satu contohnya. Sedangkan, pada kondisi dry milling dilakukan tanpa menggunakan pelarut. Keuntungan dalam kondisi wet

dilakukan dapat meningkatkan homogenitas powder satu dengan yang lainnya. Pada penelitian ini milling dilakukan dengan kecepatan 1200 rpm dengan total waktu milling

yang digunakan selama 10 jam pada rasio perbandingan sampel terhadap bola penggerus yaitu 1:10.

2.5.

Sintering

Proses sintering ialah suatu proses pemadatan dari sekumpulan serbuk pada suhu tinggi yang mendekati titik lelehnya hingga terjadi perubahan struktur mikro seperti ukuran dan pori, peningkatan densitas dan penyusutan. Parameternya ialah meliputi suhu, waktu, kecepatan pendinginan, kecepatan pemanasan, atmosfer sintering dan jenis material.

Mekanisme pemanasan ini terdapat pre-heated/pre-sintering, difusi permukaan, dan eliminasi porositas. Pre-heated/pre-sintering merupakan proses pemanasan yang bertujuan untuk menghindari shock thermal (yang biasanya terjadi pada 1/3 suhu titik lelehnya) agar dapat mengeluarkan gas yang terjebak di dalam bahan komposit sehingga proses pemadatan diharapkan sempurna. Selanjutnya, saat suhu dinaikkan maka fenomena yang terjadi pada 2/3 suhu dari titik leleh komposit dinamakan difusi permukaan yang mana fenomena tersebut terjadi dengan adanya transportasi massa pada permukaan antar partikel yang saling berinteraksi sehingga atom-atom pada permukaan partikel serbuk saling berdifusi mengakibatkan meningkatnya gaya kohesifitas antar partikel. Kemudian proses yang terakhir ialah terbentuknya liquid bridge antar partikel yang menyebabkan terjadi eliminasi porositas sehingga terbentuknya sinter density [24-25].

Pada penyusutan, seiring dinaikannya suhu maka akan terjadi difusi permukaan antara partikel matrik dan filler yang membentuk liquid bridge/necking (fasa antara matrik dan filler bercampuran). Liquid bridge tersebut akan menutupi pori-pori. Selain itu, fenomena yang sering terjadi ialah cracking (retakan). Asal mula terjadinya retakan yaitu akibat adanya gas yang terjebak di dalam komposit yang belum sempat keluar sampai

liquid bridge terbentuk. Gas tersebut mendesak ke segala arahsehingga tekanan di dalam

komposit lebih tinggi dibanding tekanan di luar menyebabkan terjadinya retakan. Apabila ikatan di permukaan partikel komposit tidak mampu menahan besarnya tekanan dari dalam maka akan terjadi retakan yang berpengaruh terhadap proses pemadatan yang kurang sempurna.

2.6.

Coating

Pada tahap ini sangat penting dilakukan dalam pembuatan material elektroda baterai. Tahap ini dilakukan agar material katoda/anoda menempel di sebuah current collector yang berperan sebagai pengumpul arus. Bahan yang diperlukan selain material aktif dalam tahap ini biasanya membutuhkan agen konduktif untuk meningkatkan konduktivitas dari material aktif dan suatu material pengikat seperti PVDF untuk mempersatukan antara material aktif dengan agen konduktivitas pada current collector. Komposisi rasio coating ialah material aktif:binder:agen konduktif bervariasi yang tentunya dapat mempengaruhi hasil karakterisasi dari material aktif tersebut [7,20].

2.7.

Karakterisasi

Seperti yang kita ketahui, karakterisasi sangat penting untuk mengetahui hasil informasi analisis yang berkualitas mengenai sampel yang telah dibuat. Tentunya penggunaan alat karakterisasi bergantung pada masing-masing kebutuhan peneliti. Pada penelitan ini, beberapa alat karakterisasi yang digunakan akan dijelaskan sebagai berikut.

2.7.1. X-Ray Diffraction (XRD)

Metode karakterisasi ialah metode yang sangat umum digunakan untuk menentukan struktur atom dan molekul dari sebuah kristal. Hasil yang diperoleh akan dicocokkan antara pola XRD sampel dengan pola XRD database. Dalam pencocokan tersebut biasa digunakan dengan database pola XRD, yaitu JCPDS/ICDD. Untuk menentukan ukuran kristal dapat diperkirakan melalui persamaan Scherrer [26], yaitu:

D = Kʎ

ßcosƟ

(2.7)

D = ukuran kristal (nm) K = konstanta Scherrer (0.9) ß = FWHM (radians) Ɵ = sudut difraksi (radians)

ʎ = panjang gelombang sinar-X (0.15406 nm)

Kemudian, untuk menentukan dhkl juga dapat diperkirakan dengan

menggunakan persamaan hukum Bragg [26], yaitu:

nʎ = 2dsinƟ (2.8)

n = orde difraksi (1,2,3,….) ʎ = panjang gelombang sinar-X d = jarak antar kisi kristal Ɵ = sudut difraksi

Lalu, untuk mencari a & c pada struktur hexagonal menggunakan persamaan:

(2.9)

2.7.2. Cyclic Voltammetry (CV)

sehingga informasi redoks yang terjadi dapat teramati dengan baik dalam scan rate

tertentu yang digunakan. Contoh grafik pada hasil analisa CV ialah sebagai berikut.

Gambar 2.2. Contoh grafik CV oleh paper “Dopamine Detection using

Mercaptopropionic Acid and Cysteamine for Electrodes Surface Modification”

[27]. Keterangan:

Epa = potensial saat terbentuknya peak anodic

Epc = potensial saat terbentuknya peak cathodic

Ipa = arus saat terbentuknya peak anodic

Ipc = arus saat terbentuknya peak cathodic

Untuk menentukan beda potensial, menggunakan persamaan:

V = Epc - Epa (2.10)

2.7.3. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)

Impedansi adalah gabungan dari hasil reaksi hambaran (R, resistensi) dan kapasitas elektron (C, capacitance). Efek impedansi berhubungan dengan arus yakni jika semakin besar impedansinya maka akan semakin kecil arus yang dilewatinya, begitu pula sebaliknya. Seberapa besar arus yang bisa mengalir ternyata dapat memengaruhi daya maksimal yang dikeluarkan oleh suatu rangkaian. Jika hasil hambatan yang dihasilkan semakin kecil, maka dapat disimpulkan bahwa tingkat konduktivitas yang dihasilkan semakin baik. Hasil uji EIS dapat menentukan seberapa besar nilai konduktifitas material serta nilai difusi dari litiumnya dengan menggunakan rumus berikut.

Konduktivitas (Ω-1 _cm-1_{) =} L

RctA

(2.11)

Keterangan:

L = ketebalan (cm)

Rct = hambatan charge transfer (Ω) A = luas (cm2₎

DLi (cm2s-1) =

R2_T2

2n4_A2_F4_C2_σω2

(2.12)

2.7.4. Charge-Discharge (CD)

Uji karakterisasi ini berfungsi untuk menentukan kapasitas muatan dari suatu material katoda/anoda baterai yang diuji saat pengisian dan pengosongan berdasarkan jumlah mol e- _{yang terjadi di dalam reaksi.}

Capacity (mAh g-1_{) =} 𝑛𝐹

3600𝑀𝑊

𝑥 1000

(2.13)

Keterangan:

n = jumlah mol e-

F = bilangan faraday (96478 C mol-1₎

MW = molecular weight (g mol-1₎

2.7.5. Coulombic Efficiency (CE)

Uji karakterisasi ini digunakan untuk menentukan rasio total muatan kapasitas yang masuk berdasarkan total muatan yang diekstrak selama satu siklus berjalan. Kemudian, hasil uji life-cycle dari material yang diuji dapat terlihat selama siklus yang berulang. Berikut ialah contoh hasil uji CE dari material NCM 622.

Gambar 2.3. Hasil uji CE pada sampel NCM 622 oleh paper “Investigation on the effect of Na doping on structure and Li-ion kinetics of layered

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1.

Bentuk Penelitian

Penelitian “Sintesis Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2 dan Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2 dengan Metode

Solid State untuk Katoda Baterai Ion Litium” berbentuk penelitian laboratorium yang mana

penelitian ini, sintesis dan karaktersisasi NCM 622 & 811 dengan menggunakan metode

solid state hanya dapat dilakukan di laboratorium. Setelah sintesis, karaktersasi dilakukan untuk uji kualitatif beserta kuantitatif guna mengetahui karakteristik serta performa elektrokimia dari material NCM 622 & 811 menggunakan XRD (Rigaku, X-Ray : 40 kV, 30 mA;wavelength : Cu-Kα/0.154 nm;step width : 0.01 deg), CV (WBCS 3000, Voltage : ± 5 V/1 A;Scan rate : 0.12 mV/s), CD (WBCS 3000, Voltage : ± 5 V/1 A;C-rate : 0.25 C), dan EIS (Hioki 3522, test fixture 9262, Voltage bias : 10-200 mV;Frequency : 0.01-20 kHz).

Sintesis NCM NCM M

Uji XRD

Coating

Pembuatan Coin cell

Uji EIS Uji CV Informasi redoks Struktur dan fasa kristal Performa kapasitas (mAh g-1₎ Hambatan, konduktifitas dan nilai difusi litium

3.2.

Metode Pengumpulan Data

Pada penelitian ini, terdapat dua sampel yang dibuat yakni NCM 622 dan 811 dengan menggunakan metode solid state. Setelah serbuk NCM dibuat, kemudian dilakukan karakterisasi XRD (Rigaku, X-Ray : 40 kV, 30 mA;wavelength : Cu-Kα/0.154 nm;step width : 0.01 deg). Setelah itu, dilakukan coating untuk membentuk slurry yang akan dijadikan coin cell. Kemudian, karakterisasi dilakukan dalam performa coin cell

menggunakan EIS (Hioki 3522, test fixture 9262, Voltage bias : 10-200 mV;Frequency : 0.01-20 kHz), CV (WBCS 3000, Voltage : ± 5 V/1 A;Scan rate : 0.12 mV/s), dan CD (WBCS 3000, Voltage : ± 5 V/1 A;C-rate : 0.25 C).

3.3.

Metode Penelitian

3.3.1. Sintesis LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2

Pertama, dibuatkan larutan A yang berisikan NiSO4.6H2O, MnSO4.H2O,

dan CoSO4.7H2O dengan 150 mL aquades di dalam gelas kimia. Kemudian,

dibuatkan larutan B yang berisikan sebanyak Na2CO3 dilarutkan dengan 50 mL

aquades di dalam gelas kimia. Setelah itu, larutan A dengan larutan B dicampurkan secara perlahan. Lalu, diendapkan untuk menghasilkan endapan logam karbonat. Kemudian, endapan logam karbonat disaring menggunakan kertas saring dengan corong Buchner (sambil di cek apakah masih terdapat sulfatnya dengan cara mengendapkan larutan hasil saringan dengan larutan BaCl2 sampai tidak terbentuk

endapan Ba2SO4). Lalu, endapan logam karbonat dikeringkan di dalam oven pada

suhu 100 °C hingga kering. Setelah itu, milling dilakukan antaraendapan logam karbonat dengan C2H2O4.2H2O menggunakan pelarut etanol di dalam planetary

ball mill pada kecepatan 1200 rpm selama 6 jam. Kemudian, milling dilanjutkan

dengan penambahan LiOH (excess 5%) selama 4 jam. Setelah itu, sampel dipndahkan ke dalam gelas kimia dan dikeringkan di dalam oven pada suhu 80 °C hingga kering. Setelah kering, sampel digerus halus dan kemudian sintering

dilakukan menggunakan muffle furnace pada suhu 450 °C selama 5 jam dilanjutkan pada suhu 850 °C selama 16 jam pada ramp 5 °C/menit. Penjelasan tersebut diilustrasikan pada gambar 3.1.

3.3.2. Sintesis LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2

Pertama, dibuatkan larutan A yang berisikan sebanyak NiSO4.6H2O,

MnSO4.H2O, dan CoSO4.7H2O dengan 150 mL aquades di dalam gelas kimia.

Kemudian, dibuatkan larutan B yang berisikan sebanyak Na2CO3 dilarutkan

dengan 50 mL aquades di dalam gelas kimia. Setelah itu, larutan A dengan larutan B dicampurkan secara perlahan. Lalu, diendapkan untuk menghasilkan endapan logam karbonat. Kemudian, endapan logam karbonat disaring menggunakan kertas saring dengan corong Buchner (sambil di cek apakah masih terdapat sulfatnya dengan cara mengendapkan larutan hasil saringan dengan larutan BaCl2 sampai

dalam planetary ball mill pada kecepatan 1200 rpm selama 6 jam. Kemudian,

milling dilanjutkan dengan penambahan LiOH sebanyak (excess 5%) selama 4 jam.

Setelah itu, sampel dipndahkan ke dalam gelas kimia dan dikeringkan di dalam oven pada suhu 80 °C hingga kering. Setelah kering, sampel digerus halus dan kemudian sintering dilakukan menggunakan muffle furnace pada suhu 450 °C selama 5 jam dilanjutkan pada suhu 850 °C selama 16 jam pada ramp 5 °C/menit. Penjelasan tersebut diilustrasikan pada gambar 3.1.

Gambar 3.1. Skematik pembuatan logam karbonat.

Gambar 3.2. Skematik pembuatan NCM. 3.3.3. Pembuatan Coin Cell Baterai

Pada tahap ini dilakukan coating terlebih dahulu dengan perbandingan komposisi NCM:PDVF:Super P yaitu 90:5:5. Sebanyak 0.72 g NCM, 0.04 g PVDF, 0.04 g Super P digerus secara bersamaan dengan pelarut NMP

150 µm. Setelah itu, separator dan hasil coating dipotong kemudian coin cell

disusun seperti gambar dibawah dengan menggunakan elektrolit 1M LiPF6 dalam

EC:EMC (1:1). Setelah disusun, coin cell ditekan di dalam glove box. Penjelasan tersebut diilustrasikan pada gambar 3.3.

Gambar 3.3. Pembuatan coin cell baterai.

3.4.

Alat dan Bahan

Alat yang digunakan yaitu SFM-1 Desk-Top planetary ball miller, furnace, beaker glass, set coin cell, glove box, neraca analitik digital, spatula, batang pengaduk, MSK-AFA-III automatic Thick Film Coater, saringan ukuran 500 mesh, kertas saring, corong Buchner,

pompa vakum, hotplate, oven, alu, dan mortar agate. Sedangkan, bahan yang digunakan yaitu lembaran Al (KGC), Na2CO3 (MERCK)), LiOH (MERCK, 98%), NiSO4.6H2O

(MERCK), MnSO4.H2O (MERCK), CoSO4.7H2O (MERCK), C2H2O4.2H2O (MERCK),

BaCl2 (MERCK), aquades, etanol, NCM 622 Komersial (GELON, battery grade), Super P

(GELON, battery grade), PVDF (MERCK), NMP (KGC), 1M LiPF6 dalam EC:EMC (1:1)

(KGC), dan celgard li-ion battery (25µmT x 85 mm W) (KGC).

3.5.

Metode Analisis Data

Pada penelitian ini, metode analisis data yang dilakukan ialah analisis kuantitatif dan kualitatif. Instrumen yang akan digunakan untuk analisis kualitatif serta kuantitatif pada penelitian ini ialah XRD (Rigaku, X-Ray : 40 kV, 30 mA;wavelength : Cu-Kα/0.154 nm;step width : 0.01 deg), EIS (Hioki 3522, test fixture 9262, Voltage bias : 10-200 mV;Frequency : 0.01-20 kHz), CV (WBCS 3000, Voltage : ± 5 V/1 A;Scan rate : 0.12 mV/s), dan CD (WBCS 3000, Voltage : ± 5 V/1 A;C-rate : 0.25 C), yang akan dijelaskan pada paragraf berikutnya.

Setelah sintesis material NCM, coating dan pembuatan coin cell bateraidilakukan, maka langkah berikutnya ialah analisis data. Instrumen yang digunakan dalam melakukan karakterisasi sebelum dilakukan coating yaitu X-Ray Diffraction (XRD) yang digunakan untuk menentukan struktur dan fasa kristal.

Setelah dilakukan coating, kemudian dilakukan pembuatan coin cell baterai. Setelah itu, karakterisasi dilakukan dalam performa coin cell. Terdapat 4 instrumen diantaranya

Serbuk NCM

XRD Struktur dan fasa kristal

Coating

CV EIS CD

Informasi redoks

Hambatan, konduktifitas, dan nilai difusi litium

Performa kapasitas (mAh g-1₎

Pembuatan coin cell bat

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Material NCM 622 dan 811 telah disintesis menggunakan metode solid state. Prekursor yang digunakan ialah nikel sulfat, kobalt sulfat, dan mangan sulfat. Pertama, prekursor tersebut harus direaksikan dengan Na2CO3 terlebih dahulu untuk dijadikan dalam bentuk karbonat yang mana jika

tidak dijadikan dalam bentuk karbonat, maka produk NCM yang diinginkan masih terdapat banyak sulfur sebagai pengotornya. Hal tersebut telah dibuktikan dengan hasil uji XRD berdasarkan percobaan yang telah saya lakukan sebelumnya.

Gambar 4.1. Hasil uji XRD sampel NCM 622 pada percobaan pertama dengan menggunakan metode solid state.

Berdasarkan hasil uji XRD pada sintesis tersebut, telah diketahui bahwa sulfur sangat sulit untuk lepas dari strukturnya untuk membentuk fasa gas SO2). Oleh karena itu, prekursor logam sulfat

direaksikan terlebih dahulu dengan Na2CO3 untuk menukar anionnya menjadi prekursor karbonat

melalui reaksi ion exchange. Reaksi yang terjadi ialah sebagai berikut : Komposisi 622

0.6 NiSO4.6H2O(s) + 0.2 MnSO4.H2O(s) + 0.2 CoSO4.7H2O(s) + Na2CO3(s) + H2O(l)

(Ni0.6Co0.2Mn0.2)CO3(s) + Na2SO4(aq) + 15 H2O(l) (4.1)

Komposisi 811

0.8 NiSO4.6H2O(s) + 0.1 MnSO4.H2O(s) + 0.1 CoSO4.7H2O(s) + Na2CO3(s) + H2O(l)

(Ni0.8Co0.1Mn0.1)CO3(s) + Na2SO4(aq) + 15 H2O(l) (4.2)

Reaksi ion exchange terjadi saat pencampuran antara larutan prekursor logam sulfat dengan larutan Na2CO3 dilakukan hingga menandakan hadirnya 2 fasa yaitu fasa endapan dan fasa terlarut

larutan hasil filtrasi yang diperoleh dengan cara mereaksikan larutan filtrat (Na2SO4(aq)) dengan

larutan BaCl2. Secara uji kualitatif, logam golongan II akan mengendap jika bertemu dengan anion

SO42- [29]. Jika masih terdapat endapan Ba2SO4 saat proses penyaringan dilakukan, maka dapat

disimpulkan bahwa pertukaran anion belum optimal. Maka dari itu, proses penyaringan dan uji pengendapan sulfat pada larutan filtrat tetap dilakukan hingga tidak terbentuknya endapan Ba2SO4.

Reaksi yang terjadi ialah sebagai berikut:

Na2SO4(aq) + BaCl2(aq) Ba2SO4(s) + NaCl(aq) (4.3)

Setelah endapan logam karbonat sudah terbentuk, endapan tersebut dikeringkan di dalam oven menggunakan suhu 100 °C untuk menghilangkan sisa-sisa air yang masih ada dan setelah kering digerus menggunakan alu dan mortar. Kemudian, setelah endapan logam karbonat berhasil didapat, sintesis NCM menggunakan metode solid state dengan menggunakan planetary ball mill

yang mana memiliki keunggulan pada saat proses pencampuran dengan berenergi tinggi untuk mencapai tingkat homogenitas yang optimal. Proses pencampuran pertama telah dilakukan antara (NCM)CO3 dengan H2C2O4.2H2O sebagai agen pengkelat menggunakan planetary ball mill dengan

pelarut etanol pada kecepatan 1200 rpm selama 6 jam. Reaksi yang terjadi ialah sebagai berikut: Komposisi 622 (proses milling 1)

(Ni0.6Co0.2Mn0.2)CO3(s) + H2C2O4.2H2O(s)

(Ni0.6Co0.2Mn0.2)C2O4(s) (4.4)

Komposisi 811 (proses milling 1)

(Ni0.8Co0.1Mn0.1)CO3(s) + H2C2O4.2H2O(s)

(Ni0.8Co0.1Mn0.1)C2O4(s) (4.5)

Kemudian, proses pencampuran kedua dilakukan dengan menambahkan LiOH pada kecepatan 1200 rpm selama 4 jam. Reaksi yang terjadi ialah sebagai berikut:

Komposisi 622 (proses milling 2)

(Ni0.6Co0.2Mn0.2)C2O4(s) + LiOH(s) Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)C2O4(s) (4.6)

Komposisi 811 (proses milling 2)

(Ni0.8Co0.1Mn0.1)C2O4(s) + LiOH(s) Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)C2O4(s) (4.7)

Semakin lama waktu proses pencampuran, maka dapat diasumsikan bahwa pencampuran material lebih homogen.

Kemudian, sampel dikeringkan menggunakan oven pada suhu 80 °C untuk menguapkan etanol. Setelah itu, sampel digerus halus untuk siap dilakukan sintering. Proses sintering dilakukan menggunakan suhu 450 °C selama 5 jam dilanjutkan pada suhu 850 °C selama 16 jam pada ramp 5 °C/menit. Pada suhu 450 °C, digunakan untuk menghilangkan uap CO2 serta produk samping lainnya

dan pada pre-sintering ini dilakukan yang bertujuan untuk menghindari shock thermal agar dapat mengeluarkan gas yang terjebak di dalam bahan komposit sehingga proses pemadatan diharapkan sempurna dan tidak terjadinya retakan. Kemudian pada suhu 850 °C, ialah suhu optimal dimana struktur pure hexagonal telah terbentuk [30]. Reaksi yang terjadi ialah:

Komposisi 622 :

Etanol Etanol

Etanol

Komposisi 811

Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)C2O4(s) + O2(g) Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2(S) (4.9)

Setelah NCM diperoleh, uji XRD dilakukan guna untuk mengetahui hasil struktur dan peak yang diperoleh. Selanjutnya, proses coating dilakukan dengan menggunakan AutomaticFilm Coater

pada kompoisi NCM:Super P:PVDF sebesar 90:5:5 dengan ketebalan 150 µm. Super P digunakan sebagai agen konduktif untuk meningkatkan tingkat konduktifitasnya sedangkan PVDF digunakan sebagai binder pada material tersebut. Proses pembuatan slurry dilakukan dengan cara digerus menggunakan mortar agate serta menggunakan pelarut NMP yang diteteskan seperlunya hingga terbentuk slurry. Penggambaranreaksi kimia ialah sebagai berikut:

Slurry (komposisi 622)

Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2(S) Super P + PVDF Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2(s) (4.10)

Slurry (komposisi 811)

Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2(S) Super P + PVDF Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2(s) (4.11)

Gambar 4.2. Hasil coating pada sampel NCM 811 SSR, NCM 622 SSR, NCM 622 Komersial. Setelah itu, coating dilakukan diatas lembaran Al dan dikeringkan pada suhu 80 °C. Setelah itu pembuatan coin cell dilakukan untuk dilakukan uji CV, CD, CE, dan EIS.

Uji XRD dilakukan dengan menggunakan sinar Cu-Kα pada panjang gelombang 0.15418 nm, X-Ray (40 kV, 30 mA) dengan filter Cu-Kß pada range sudut 10-80°. Berikut hasil uji XRD sampel NCM 622, NCM 811 sintesis, dan NCM 622 komersial.

NMP

Gambar 4.3. Hasil uji XRD sampel NCM 622 komersial dan NCM 622 & 811 sintesis. Hasil tersebut menunjukan bahwa produk NCM yang dibuat menyerupai dengan hasil NCM komersial. Struktur NCM yang dihasilkan ialah hexagonal yang mana nilai a dan c dapat ditentukan dengan menggunakan rumus Hk. Bragg dan struktur hexagonal.

Nilai c/a pada NCM 811 SSR, 622 SSR, dan NCM 622 komersial telah diperoleh yaitu sebesar 4.94;4.96;dan 4.96. Nilai c/a tersebut dapat digunakan untuk mengindikasikan bahwa semakin meningkatnya struktur layer kristal yang mana jika nilai c/a melebihi 4.899 maka struktur layer tersebut akan semakin meningkat sehingga proses interkalasi semakin baik [31,32]. Berdasarkan nilai c/a dari ketiga sampel tersebut, dapat disimpulkan bahwa sampel NCM 622 SSR memiliki struktur layer yang mirip dengan NCM 622 komersial. Kemudian, pada pola XRD tersebut juga dapat mengindikasikan mengenai proses cation mixing yang terjadi pada material tersebut. Nilai I(003)/(104) digunakan untuk memperkirakan fenomena cation mxing yang terjadi. Jika nilai I(003)/(104) yang dihasilkan semakin besar melebihi 1.2, maka semakin kecil fenomena cation

mixing yang terjadi [33]. Pada sampel NCM 811 SSR, NCM 622 SSR, dan NCM 622 komersial

memiliki nilai I(003)/(104) sebesar 1.25;1.21;1.63 yang mana pada sampel NCM 622 SSR memiliki nilai I(003)/(104) yang paling kecil diantara ketiga sampel berikut akan tetapi nilai tersebut melebihi standar yang sudah ditetapkan. Hasil kristalinitas pun juga dapat diperoleh berdasarkan pola XRD tersebut. Pada sampel NCM 811 SSR, NCM 622 SSR, dan NCM 622 komersial memiliki kandungan kristalin yaitu sebesar 88.9%, 86.7%, dan 78.89%. Hal tersebut menandakan pada NCM yang telah disintesis memiliki kandungan kristalin yang lebih tinggi dibanding dengan NCM 622 komersial yang mana pada sintesis yang dilakukan menggunakan metode solid state ini dapat bersaing secara komersial.

Uji CV dilakukan untuk mengetahui reaksi redoks yang terjadi pada performa coin cell

reversible yang dikarenakan jarak antara puncak oksidasi dan reduksi yang terjadi semakin dekat sehingga energy yang dibutuhkan untuk terjadinya reaksi redoks tersebut semakin kecil. Selain itu, pada data CV juga dapat diperoleh specific capacity (mA/g) pada tiap siklusnya. Dengan adanya perolehan specific capacity (mA/g), maka dapat ditentukan pula waktu yang dibutuhkan saat terjadinya reaksi redoks melainkan saat proses charging/discharging. Berikut ialah data CV hasil ketiga sampel yang sudah dibuat.

Gambar 4.4. Hasil uji CV sampel NCM 811 SSR.

Berikut ialah data yang diperoleh dari hasil uji CV : Tabel 4.1. Hasil kapasitas berdasarkan uji CV

Charge

(mAh/g)

Discharge

(mAh/g) Eoksidasi (V) Ereduksi (V) ∆E (V)

NCM 811 SSR 103.63 80.17 4.06 3.49 0.56

NCM 622 SSR 135.59 132.26 3.92 3.68 0.25

NCM 622

komersial 209.8 140.18 4.11 3.43 0.68

Pada NCM 811 SSR, puncak oksidasi dan reduksi masing-masing mehasilkan potensial sebesar 4.06 V dan 3.49 V yang mana pada proses reaksi redoks tersebut diduga terjadi pada Ni2+_/Ni4+

yang terletak diantara potensial 3.6 V – 4.0 V [31]. Pada sampel NCM 622 SSR pun juga memungkinkan terdapat proses reaksi redoks yang serupa. Namun, berdasarkan ketiga grafik tersebut, reaksi redoks pada Co3+_/Co4+ _{tidak terjadi yang mana pada reaksi ini terletak pada potensial}

diatas 4.6 V. Kemudian, keadaan oksidasi pada Mn4+ _{pada ketiga sampel tersebut diduga tetap stabil}

yang mana tidak ada proses reaksi redoks yang terletak pada potensial 3.2 V [31,33]. Ni2+ _{dan Co}3+

aktif secara elektrokimia sedangkan Mn4+ _{tidak aktif, akan tetapi dengan adanya fenomena tersebut}

pada Mn4+ _{diyakini untuk menjaga stabilitas struktur [33].}

Semakin besarnya ∆E(V) yang dihasilkan maka proses charging/discharging yang terjadi serta kapasitas yang diperoleh semakin reversible. Berdasarkan tabel berikut NCM 622 SSR memiliki nilai ∆E(V) yang jauh lebih kecil diantara material katoda lainnya., hal tersebut menandakan bahwa proses chqrging/discharging yang terjadi semakin reversible. Hal tersebut dapat dibuktikan pada kapasitas spesifik dalam muatan charge/discharge yang diperoleh yaitu sebesar 135.59/132.26 mAh/g yang dimiliki oleh sampel NCM 622 SSR. Berdasarkan grafik CV dari ketiga sampel berikut, memang secara output voltage yang paling besar dimiliki pada sampel NCM 622 Komersial. Namun, secara reversibilitas yang terbaik ialah pada sampel NCM 622 SSR yang mana telah dibuat menggunakan metode solid state dapat bersaing dengan komersial.

Selanjutnya, uji CD dilakukan untuk mengetahui muatan kapasitas charging dan discharging

serta reversibilitas yang dihasilkan. Uji CD dilakukan secara 4 siklus. Hasil yang diperoleh ialah sebagai berikut.

Gambar 4.6. Hasil uji CD NCM 811 SSR.

Gambar 4.8. Hasil uji CD NCM 622 Komersial.

Tabel 4.2. Hasil uji CD

NCM 811 SSR

Cycle Charge (mAh/g) Discharge (mAh/g) Coloumbic Efficiency (%)

1 63.1 48.4 76.7

2 47.4 46.2 97.3

3 45.5 44.6 98

4 43.9 37.6 85.8

NCM 622 SSR

Cycle Charge (mAh/g) Discharge (mAh/g) Coloumbic Efficiency

1 127 112 87.8

2 113 108 95.6

NCM 622 Komersial

Cycle Charge (mAh/g) Discharge (mAh/g) Coloumbic Efficiency

1 300 135 45.1

2 213 131 61.5

3 207 134 64.6

4 208 131 62.9

Uji CD dilakukan dengan 4 siklus yang mana data tersebut telah ditampilkan pada tabel diatas. Struktur NCM terdiri dari kandungan logam transisi yang mana memiliki keadaan multivalensi. Berdasarkan literatur, keadaan oksidasi pada Ni,Co,Mn yang diperoleh yaitu +2,+3, dan +4. Keadaan tersebut dapat diyakini bahwa sifat elektrokimia yang dihasilkan akan semakin baik [33]. Namun, berdasarkan hasil charge/discharge yang diperoleh dapat diasumsikan bahwa stabilitas struktur yang rentan serta terjadinya fenomena Li/Ni disorder yang mempengaruhi sifat elektrokimia yang dihasilkan. Maka berdasarkan hasil data pada tabel 4.2 dapat diasumsikan akibat terjadinya fenomena Li/Ni disorder dapat menghalangi proses difusi litium sehingga mempengaruhi hasil muatan kaspasitas yang diperoleh.Kemudian, pada proses sintesis juga dapat mempengaruhi hasil performa elektrokimia. Hasil muatan kapasitas saat proses charge/discharge pada NCM 811 lebih kecil dibanding dengan NCM 622 SSR dan Komersial yang mana dapat diasumsikan bahwa pada NCM 811 mengalami kerusakan struktur akibat tingkat stabilitas struktur yang lebih rentan sehingga tidak dapat menampung muatan kapasitas yang lebih besar kemudian pada proses sintesis yang digunakan dapat mempengaruhi hasil performa elektrokimia. Pada sampel NCM 811 SSR setelah disintering, sifat fisik yang diperoleh memiliki sifat yang keras yang mana hal tersebut mungkin dapat mempengaruhi performa elektrokimia. Menurut jurnal “Comparison of the structural and electrochemical properties of layered Li[NixCoyMnz]O2 (x = 1/3, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 and 0.85) cathode material for lithium-ion batteries”, semakin tinggi kandungan nikel maka suhu sintering yang

diguakan semakin lebih rendah yang mana demikian pada hal tersebut telah diasumsikan dapat mempengaruhi hasil uji karakterisasi [10]. Pada NCM 622 Komersial memiiki muatan kapasitas yang paling besar diantara ketiga sampel berikut. Namun, hasil coloumbic efficiency pada NCM 622 Komersial tersebutialah yang paling rendah berdasarkan diantara ketiga sampel berikut yang mana pada NCM 622 & 811 SSR memiliki hasil coloumbic efficiency yang lebih tinggi sehingga dapat diketahui pada kedua sampel lebih reversible dibanding dengan NCM 622 komersial. Hal tersebut dapat didukung berdasarkan hasil data ∆E(V) yang diperleh pada tabel 4.1. yang mana pada NCM 622 & 811 SSR memiliki nilai ∆E(V) yang lebih rendah dibanding dengan sampel komersial. Jika ∆E(V) rendah, maka muatan kapasitas yang diperoleh saat proses charge/discharge semakin

reversible. Kemudian pada sampel NCM 622 SSR telah diduga dalam pembentukkan Solid

Electrolyte Interface (SEI) yang paling baik dari ketiga sampel berikut dengan memiliki tingat reversibilitas yang paling tinggi pada siklus ke-4.

hambatan yang diperoleh semakin besar, maka tingkat konduktifitas yang dihasilkan akan semakin kecil. Berikut ialah grafik hasil uji EIS yang telah dilakukan.

Gambar 4.9. Grafik hasil uji EIS NCM 622 SSR dan NCM 622 Komersial.

Gambar 4.10. Grafik hasil uji EIS NCM 811 SSR.

Berdasarkan grafik tersebut, pada sampel NCM 622 SSR memiliki hambatan yang lebih kecil sehingga tingkat konduktifitas yang dihasilkan lebih besar dibanding dengan sampel NCM 622 Komersial. Kemudian, hambatan yang diperoleh diantara sampel NCM 622 SSR dengan NCM 811

konduktifitas material yang dihasilkan lebih kecil dibanding dengan sampel NCM 622 SSR. Hal tersebut terbukti dengan hasil perhitungan nilai konduktifitas yang telah diperoleh antara sampel NCM 811 SSR, NCM 622 SSR, dan NCM 622 Komersial masing-masing ialah 1.56 x 10-5 _Ω-1_cm -1_{;2.53 x 10}-5 _Ω-1_cm-1_{;1.78 x 10}-5 _Ω-1_cm-1_{. Kemudian nilai difusi litium juga telah ditentukan dengan}

menggunakan rumus pada persamaan 2.12. Hasil perhitungan telah diperoleh pada masing-sampel antara NCM 811 SSR, NCM 622 SSR, dan NCM 622 Komersial yaitu 2.28 x 10-7 _cm2_s-1_{;4.18 x 10}-7

cm2_s-1; 3.46 x 10-7 _cm2_s-1_{. Hal tersebut telah disimpulkan bahwa pada NCM 622 SSR memiliki nilai}

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1.

Kesimpulan

NCM 622 & 811 SSR telah berhasil disintesis menggunakan metode solid state.

Hasil sintesis menunjukkan bahwa pada NCM 622 SSR memiliki tingkat reversibilitas yang lebih tinggi (0.25 V) dibanding dengan NCM 811 SSR (0.56 V). Kemudian, secara performa kapasitas yang dihasilkan pada NCM 622 SSR lebih besar dibanding dengan NCM 811 SSR. Pada NCM 622 SSR memiliki tingkat konduktifitas material dan nilai difusi litium yang lebih besar dibanding dengan NCM 811 SSR. Masing-masing nilai konduktifitas pada NCM 622 SSR dan NCM 811 SSR ialah 2.53 x 10-5 _Ω-1 _cm-1 _{dan 1.53 x}

10-5Ω-1 _cm-1_{. Kemudian masing-masing nilai difusi litium pada NCM 622 SSR dan NCM}

811 SSR ialah 4.18 x 10-7_cm2_s-1_{dan 2.28 x 10}-7 _cm2_s-1_{, hal tersebut menandakan pada NCM}

622 SSR memiliki tingkat konduktifitas ionik yang lebih baik.

5.2.

Saran

Pada saat mereaksikan prekursor logam sulfat dengan Na2CO3 (dalam proses

filtrasi), disarankan lebih teliti lagi dengan tidak terburu-buru untuk lebih memastikan bahwa reaksi ion exchange optimal sehingga benar benar bersih tidak ada pengotor sulfur. Kemudian saat proses milling dilakukan, rpm dan waktu yang digunakan disarankan bertahap agar pencampuran lebih sempurna. Setelah itu, pada metode sintering yang digunakan untuk NCM 811 SSR lebih diperhatikan lagi mengenai suhu yang digunakan.

DAFTAR PUSTAKA

[1] “Global EV Outlook 2020 – Analysis,” IEA. [Online]. Available: https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2020. [Accessed: 16-Sep-2020].

[2] J.-M. Tarascon and M. Armand, “Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries,” Nature, vol. 414, no. 6861, pp. 359–367, 2001.

[3] L. Wang, B. Wu, D. Mu, X. Liu, Y. Peng, H. Xu, Q. Liu, L. Gai, and F. Wu, “Single-crystal LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 as high performance cathode materials for Li-ion batteries,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 674, pp. 360–367, 2016.

[4] N. Nitta, F. Wu, J. T. Lee, and G. Yushin, “Li-ion battery materials: present and future,” Materials Today, vol. 18, no. 5, pp. 252–264, 2015.

[5] S.-T. Myung, F. Maglia, K.-J. Park, C. S. Yoon, P. Lamp, S.-J. Kim, and Y.-K. Sun, “Nickel-Rich Layered Cathode Materials for Automotive Lithium-Ion Batteries: Achievements and Perspectives,” ACS Energy Letters, vol. 2, no. 1, pp. 196–223, 2016. [6] J. J. Saavedra-Arias, N. K. Karan, D. K. Pradhan, A. Kumar, S. Nieto, R. Thomas, and R.

S. Katiyar, “Synthesis and electrochemical properties of Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 cathode material: Ex situ structural analysis by Raman scattering and X-ray diffraction at various stages of charge–discharge process,” Journal of Power Sources, vol. 183, no. 2, pp. 761– 765, 2008.

[7] D. Andre, S.-J. Kim, P. Lamp, S. F. Lux, F. Maglia, O. Paschos, and B. Stiaszny, “Future generations of cathode materials: an automotive industry perspective,” Journal of

Materials Chemistry A, vol. 3, no. 13, pp. 6709–6732, 2015.

[8] “Nickel Data Sheet - Mineral Commodity Summaries 2020.” [Online]. Available: https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2020/mcs2020-nickel.pdf. [Accessed: 06-Apr-2020]. [9] C. Graf, “Cathode materials for lithium-ion batteries,” Lithium-Ion Batteries: Basics and

Applications, pp. 29–41, 2018.

[10] H.-J. Noh, S. Youn, C. S. Yoon, and Y.-K. Sun, “Comparison of the structural and electrochemical properties of layered Li[NixCoyMnz]O2 (x = 1/3, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 and 0.85) cathode material for lithium-ion batteries,” Journal of Power Sources, vol. 233, pp. 121–130, 2013.

[11] L. Wang, B. Wu, D. Mu, X. Liu, Y. Peng, H. Xu, Q. Liu, L. Gai, and F. Wu, “Single-crystal LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 as high performance cathode materials for Li-ion batteries,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 674, pp. 360–367, 2016.

[12] S. Liu, Z. Dang, D. Liu, C. Zhang, T. Huang, and A. Yu, “Comparative studies of zirconium doping and coating on LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 cathode material at elevated

[13] H.-R. Mao, “Solid-state Synthesis of High-Capacity LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 Cathode by Transition Metal Oxides,” International Journal of Electrochemical Science, pp. 10536– 10545, 2016.

[14] H. Lu, H. Zhou, A. M. Svensson, A. Fossdal, E. Sheridan, S. Lu, and F. Vullum-Bruer, “High capacity Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2 synthesized by sol–gel and co-precipitation methods as cathode materials for lithium-ion batteries,” Solid State Ionics, vol. 249-250, pp. 105–111, 2013.

[15] C.-C. Pan, C. E. Banks, W.-X. Song, C.-W. Wang, Q.-Y. Chen, and X.-B. Ji, “Recent development of LiNixCoyMnzO2: Impact of micro/nano structures for imparting improvements in lithium batteries,” Transactions of Nonferrous Metals Society of China, vol. 23, no. 1, pp. 108–119, 2013.

[16] Y. Zhang, Q.-Y. Huo, P.-P. Du, L.-Z. Wang, A.-Q. Zhang, Y.-H. Song, Y. Lv, and G.-Y. Li, “Advances in new cathode material LiFePO4 for lithium-ion batteries,” Synthetic

Metals, vol. 162, no. 13-14, pp. 1315–1326, 2012.

[17] O. Toprakci, H. A. Toprakci, L. Ji, and X. Zhang, “Fabrication and Electrochemical Characteristics of LiFePO4 Powders for Lithium-Ion Batteries,” KONA Powder and Particle Journal, vol. 28, no. 0, pp. 50–73, 2010.

[18] D. Kho, D. B. Salasabila, and H. D. P. Al-Kayyis, “Pengertian Baterai dan Jenis-jenis Baterai,” Teknik Elektronika, 22-Jul-2017. [Online]. Available: https://teknikelektronika.com/pengertian-baterai-jenis-jenis-baterai/. [Accessed: 07-Apr-2020].

[19] I. F. Antika, “Karakteristik Anoda Baterai Lithium-Ion yang dibuat dengan Metoda Spraying Berbasis Binder CMC,” Jurnal Ilmu dan Inovasi Fisika, vol. 3, no. 2, pp. 114– 121, 2019.

[20] B. Diouf and R. Pode, “Potential of lithium-ion batteries in renewable energy,” Renewable

Energy, vol. 76, pp. 375–380, 2015.

[21] Apipah, “Pengertian Elektroda; Jenis dan contoh, Penggunaan,” Pengertian Elektroda;

Jenis dan contoh, Penggunaan (Kimia) | Usaha321.net. [Online]. Available:

https://usaha321.net/pengertian-elektroda.html. [Accessed: 07-Apr-2020].

[22] T. B. Reddy, and D. Linden, Lindens Handbook of batteries. New York: McGraw-Hill, 2008.

[23] K. Min, S.-W. Seo, Y. Y. Song, H. S. Lee, and E. Cho, “A first-principles study of the preventive effects of Al and Mg doping on the degradation in LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cathode materials,” Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 19, no. 3, pp. 1762–1769, 2017.

[24] “METALURGI SERBUK.” [Online]. Available: http://nurun.lecturer.uin-malang.ac.id/wp-content/uploads/sites/7/2013/03/ME\TALURGI-SERBUK.pdf.