Pengaruh Ketebalan Katoda LiFePO4 Terhadap Variasi Komposisi dan Ketebalan Anoda Mesocarbon Microbead (MCMB) pada Kapasitas Baterai Ion Lithium

(1)

PENGARUH KETEBALAN KATODA LiFePO4

TERHADAP VARIASI KOMPOSISI SERTA KETEBALAN

ANODA MESOCARBON MICROBEAD (MCMB)

PADA KAPASITAS BATERAI ION LITHIUM

SKRIPSI

LENI DAULAY

110801062

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN

ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

PENGARUH KETEBALAN KATODA LiFePO

TERHADAP VARIASI KOMPOSISI SERTA KETEBALAN

ANODA MESOCARBON MICROBEAD (MCMB) PADA

KAPASITAS BATERAI ION LITHIUM

4

SKRIPSI

Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai

gelar Sarjana Sains

LENI DAULAY

NIM : 110801062

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN

ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(3)

PERNYATAAN

PENGARUH KETEBALAN KATODA LiFePO4 TERHADAP VARIASI KOMPOSISI SERTA KETEBALAN ANODA MESOCARBON MICROBEAD (MCMB) PADA KAPASITAS BATERAI ION LITHIUM

SKRIPSI

Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.

Medan, 11 Agustus 2015

(4)

PENGHARGAAN

Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan rahmat,

hidayah, kesehatan dan kekuatan lahir serta batin sehingga penulis bisa

menyelesaikan penyusunan skripsi ini. Shalawat dan salam kepada Nabi besar

Muhammad SAW beserta keluarga dan sahabatnya yang merupakan suri tauladan

bagi kita semua.

Skripsi dengan judul “Pengaruh Ketebalan Katoda LiFePO4

1. Dr. Marhaposan Situmorang selaku Ketua Departemen Fisika Universitas

Sumatera Utara, Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc. selaku Sekretaris Departemen

Fisika Universitas Sumatera Utara, dan seluruh staf pengajar beserta pegawai

administrasi di Departemen Fisika yang telah memberikan fasilitas kepada

penulis selama perkuliahan.

Terhadap

Variasi Komposisi dan Ketebalan Anoda Mesocarbon Microbead (MCMB) pada

Kapasitas Baterai Ion Lithium” disusun untuk memenuhi persyaratan akademis

dalam meraih gelar Sarjana Sains pada Program studi Fisika, Fakultas Matematika

dan Ilmu Pengetahuan Alam USU. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan

skripsi ini tidak terlepas dari bantuan dan bimbingan berbagai pihak. Oleh karena

itu, pada kesempatan ini penulis ingin memberikan penghargaan dan ucapan

terima kasih kepada :

2. Drs. Herli Ginting, MS. dan Ir. Joko Triwibowo, M.Sc., M.T. selaku dosen

pembimbing yang telah sabar dalam memberikan bimbingan, arahan, waktu,

tenaga dan pikiran dalam penelitian hingga penulisan skripsi ini.

3. Prof. Dr. Timbangen Sembiring, M.Sc. selaku ketua penguji, Drs. Aditia

Warman, M.Si. selaku sekretaris penguji dan Drs. Achiruddin, MS. selaku

anggota penguji yang telah memberikan kritik, saran, dan arahan kepada

penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

4. Grup Peneliti Baterai (Pak Slamet, Pak Fadli, Pak Majid dan Pak Ibrahim),

Grup Sintesis (Mas Edi, Kak Riza dan Kak Ali), Recepcionist (Bu Yati dan Pak

(5)

motivasi, semangat dan bantuan moralnya serta bu Neneng atas kasih sayang

dan doanya.

5. Orangtua (Bapak Rusdi Daulay dan Ibu Nurmalige), Kakak dan Adik (Melisa,

Taupik, Pauja dan Hapis), Sepupu (Bang Udin, Akbar dan Budi), Uwak

(Musinem, Ratni dan Ratna) dan seluruh keluarga tercinta yang selalu

memberikan kasih sayang, semangat, doa dan restu serta pengorbanan baik

moral maupun materi kepada penulis.

6. Sahabat terbaik, Riyama (Sri, Ria dan Elma), Aini, JKRT K4, dan rekan-rekan

seperjuangan mahasiswa Reguler Fisika angkatan 2011 yang selama ini

sama-sama berbagi suka dan duka saat menjalani perkuliahan.

7. Teman-teman satu kost penulis (Rici, Winda, Intan, Mei-Mei, Zannah, Nurul,

Khaliza, Wenny, Leli dan Tia) atas motivasi dan doanya.

Penulis berharap Allah SWT berkenan membalas segala kebaikan semua

pihak yang telah membantu skripsi ini. Penulis menyadari “Tiada Gading yang

Tak Retak”, dengan segala kekurangan yang ada, penulis mengharapkan kritik

dan saran yang membangun untuk penyempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini

dapat memberi manfaat dan kontribusi dalam pengembangan ilmu pengetahuan

dan teknologi khususnya baterai.

“Amin”.

Penulis

(6)

THE EFFECTS OF LiFePO4

THE VARIED MESOCARBON MICROBEAD (MCMB)

COMPOSITION AND THICKNESS OF LITHIUM ION

BATTERIES CAPACITY

CATHODE THICKNESS ON

ABSTRACT

A research has been done about the manufactured of lithium ion batteries. The

materials that used were of LiFePO4 powders as cathode filler, MCMB as anode

filler, Super P as additives carbon, PvDf as matrix and DMAC as solvent. The

composition of LiFePO4 cathode sheet the consisted of 85 % LiFePO4, 10 %

Super P and 5 % PvDf in DMAC solvent with different thickness of 100 µm,

150 µm and 300 µm. The same composition of MCMB anode sheet as LiFePO4

cathode sheet with varied thickness of 100 μm and 150 μm and varied

composition of 85 : 10 : 5 and 80 : 13 : 7 with a thickness of 150 µm. The electrode sheets prepared by using sheet casting based on doctor blade and assembling process of batteries cells by using stacking method with prismatic

batteries model. The batteries used liquid electrolytes was 1M LiPF6 and

polyolefin seperator. The analysis of crystal structure on active material powders were examined by using XRD, surface morphology and particle size on active

material powder and morphology LiFePO4 cathode sheet analyzed by using SEM,

surface morphology of the electrode sheets by using Optical Microscope and battery capacity by BST8-10A30V. The results of research showed that the

highest capacity is 300 μm cathode thickness and the smallest is 100 µm

thickness. The influence of varied composition for MCMB anode, the composition of 80 : 13 : 7 has higher specific capacity at cathode thickness of 100 µm, 150 µm and 300 µm with each has specific capacity is 69,65 mAh/gr, 73,61 mAh/gr and 81,93 mAh/gr. Each battery has efficiency above 98 %. The

varied thickness of MCMB anode, so the thickness of 100 μm has a higher

specific capacity at cathode thickness of 100 µm, 150 µm and 300 µm with each has specific capacity is 79,10 mAh/gr, 82,54 mAh/gr and 88 mAh/gr. The efficiency of each battery above 99 %. The highest battery capacity and efficiency at 300 µm cathode thickness reached 88 mAh/gr with MCMB anode composition

of 85 : 10 : 5 at 100 μm thickness.

(7)

(8)

BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN 33

4.2.2 Material Aktif Anoda MCMB 49

4.3.1 Lembaran Katoda LiFePO4

BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN 77

5.1 Kesimpulan 77

5.2 Saran 77

(9)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.3. Karakteristik Elektrokimia dari Beberapa Material Katoda 16 Tabel 2.4. Karakteristik dari LiFePO4

Tabel 2.5. Perbandingan antara Grafit, Hard Carbon dan Soft Carbon 21 18

Tabel 2.6. Karakteristik dari Mesocarbon Microbead (MCMB) 22

Tabel 2.7. Karakteristik dari Super P 23

Tabel 2.8. Sifat Umum Polyvinylidene Fluoride (PvDf) 24

Tabel 2.9. Sifat Fisik dan Kimia DMAC 24

Tabel2.10 Karakteristik dari Lithium Hexafluorophosphate (LiPF6

Tabel 3.1 Pembuatan Material Katoda LiFePO

) 25

4

85 : 10 : 5

dengan Komposisi 39

Tabel 3.2. Pembuatan Material Anoda MCMB dengan Komposisi 39

85 : 10 : 5

Tabel 3.3. Pembuatan Material Anoda MCMB dengan Komposisi 39

80 : 13 : 7

Tabel 4.1. Parameter Kisi Serbuk LiFePO4

PDXL

Hasil Pembacaan Software 46

Tabel 4.2. Parameter Kisi Serbuk MCMB Hasil Pembacaan Software 48

PDXL

Tabel 4.3. Kapasitas Baterai LD 1 pada Cycle ke 1, 2 dan 3 58

Tabel 4.6. Hasil Kapasitas Charge-Discharge Baterai dengan Komposisi 61 Anoda MCMB 85 : 10 : 5 Ketebalan 150 µm

Tabel 4.10. Hasil Kapasitas Charge-Discharge Baterai dengan Komposisi 66 Anoda MCMB 80 : 13 : 7 Ketebalan 150 µm

(10)

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman Gambar

Gambar 2.1. Perbandingan Baterai ion Lithium dengan Baterai Sekunder 11 Lainnya

Gambar 2.2. Tiga Model Host dari Bahan Anoda dan Katoda 12

Gambar 2.3. Proses Interkalasi pada Baterai ion Lithium saat Charge- 13

Discharge

Gambar 2.4. Tegangan Kerja pada Beberapa Material Elektroda pada 14 Baterai ion Lithium

Gambar 2.5. a) Struktur Layered pada material Katoda LiCoO2

b) Struktur Spinel pada LiMnO

Gambar 2.6. a) Struktur Kristal LiFePO

16

4

b) Struktur Kristal LiFePO

dan 17

4

Gambar 2.7. a) Struktur Graphene berupa Lapisan dengan Ketebalan 19

saat Charge-Discharge 17

1 Atom C

b) Struktur Grafit yang terdiri dari lapisan Graphene 19 Gambar 2.8. Struktur a) Soft Carbon, b) Hard Carbon dan c) Grafit 20

Gambar 2.9. Struktur MCMB tipe Brooks-Taylor 21

Gambar 2.10. Struktur Kimia PvDf 23

Gambar 2.11. Seperator dalam Sel Baterai ion Lithium 26

Gambar 2.12. Prinsip Kerja XRD 27

Gambar 2.13. Sinyal-Sinyal dalam SEM 29

Gambar 2.14. Prinsip Kerja SEM 30

Gambar 2.15. Bagian-Bagian dari Mikroskop Optik 31

Gambar 3.1. a) Proses Pencampuran PvDf dan Pelarut DMAC 40

b) Proses Pencampuran dengan Serbuk Super P 40

Gambar 3.2. a) Proses Mixing di Vacum Mixing 41

b) Slurry Katoda LiFePO4

Gambar 3.3. Proses Sheet Casting Katoda LiFePO4 dengan Doctor Blade 41 41

Gambar 3.4. Proses Pengeringan Lembaran Katoda dengan MSK AFA 42 E 300

Gambar 3.5. Proses Sheet Casting Anoda MCMB dengan Doctor Blade 42

Gambar 3.6. Proses Pemotongan (Cutting) dan Calendring 42

Gambar 3.7. Proses Calendring Lembaran Elektroda dengan Mesin 43

Calendring

Gambar 3.8. Proses Penggulungan Lembaran Elektroda dengan Seperator 43 Gambar 3.9. Proses Pemasukan Lembaran Baterai dalam Kantung Baterai 44 Gambar 3.10. Proses Perekatan Pinggiran Kantung Baterai dengan alat 44 MSK 140

(11)

Gambar 3.12 Baterai ion Lithium yang akan di Uji 44 Gambar 4.1. Serbuk Material Aktif LiFePO4

dan b) 10.000 x

Perbesaran a) 5000 x 48

Gambar 4.2. Serbuk Material Aktif MCMB Perbesaran a) 1000 x 49

dan b) 2000 x

Gambar 4.3. Hasil Mikroskop Optik pada Lembaran Katoda LiFePO4

a) Serbuk LiFePO

51

4

b) Ketebalan laminate 150 µm dan d) Ketebalan laminate , b) Ketebalan laminate 100 µm

300 µm

Gambar 4.4. Hasil Mikroskop Optik pada Lembaran Anoda MCMB 52

a) Serbuk MCMB, b) Komposisi 80 : 13 : 7 Ketebalan 150 µm b) Komposisi 85 : 10 : 5 Ketebalan c) 100 µm dan d) 150 µm Gambar 4.5. Hasil Morfologi Lembaran Katoda LiFePO4

Perbesaran a) 1000 x dan c) 5000 x

dengan SEM 54

(12)

DAFTAR GRAFIK

Nomor Judul Halaman Grafik

Grafik 4.1. Pola Difraksi Sinar-X pada Serbuk LiFePO4

Grafik 4.2. Pola Difraksi Sinar-X pada Serbuk MCMB 47

45 Grafik 4.13. Kapasitas pada Baterai LD 9 pada Cycle ke 1, 2 dan 3 69

Grafik 4.14. Kapasitas pada Baterai LD 7, LD 8 dan LD 9 pada 70

Cycle ketiga

Grafik 4.15. Kapasitas Spesifik Baterai ion Lithium pada Variasi 73 Komposisi Anoda

(13)

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Judul Halaman Lampiran

LAMPIRAN A Alat-Alat Percobaan 81

LAMPIRAN B Bahan-Bahan Percobaan 84

LAMPIRAN C Lembaran Katoda LiFePO4

LAMPIRAN D Perhitungan Data Pengujian 88

dan Anoda MCMB 86

LAMPIRAN E Hasil Uji XRD pada Serbuk Material Aktif 92

LAMPIRAN F Hasil Pengukuran pada Ukuran Butir Serbuk Material 93