PENGARUH DOPING Al
2O
3DAN COATING CARBON PADA ANODA Li
4Ti
5O
12TERHADAP STRUKTUR KRISTAL,
MORFOLOGI DAN PERFORMA ELEKTROKIMIA
SKRIPSI
LISDA ANNISA W.R 160801016
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N 2020
Universitas Sumatera Utara
PENGARUH DOPING Al
2O
3DAN COATING CARBON PADA ANODA Li
4Ti
5O
12TERHADAP STRUKTUR KRISTAL,
MORFOLOGI DAN PERFORMA ELEKTROKIMIA
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains
LISDA ANNISA W.R 160801016
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2020
PERNYATAAN ORISINALITAS
PENGARUH DOPING Al
2O
3DAN COATING CARBON PADA ANODA Li
4Ti
5O
12TERHADAP STRUKTUR KRISTAL,
MORFOLOGI DAN PERFORMA ELEKTROKIMIA
SKRIPSI
Saya menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, September 2020
Lisda Annisa W.R 160801016
Universitas Sumatera Utara
ii
PENGARUH DOPING Al
2O
3DAN COATING CARBON PADA ANODA Li
4Ti
5O
12TERHADAP STRUKTUR KRISTAL,
MORFOLOGI DAN PERFORMA ELEKTROKIMIA
ABSTRAK
Pada penelitian ini telah dibuat anoda Li4Ti5O12 dengan doping Al2O3 dan coating carbon yang bertujuan untuk mengetahui pengaruh doping Al2O3 dan coating carbon terhadap struktur Kristal, morfologi dan performa elektrokimia.
Material anoda Li4Ti5O12 terdiri dari LiOH.H2O dan TiO2 dibuat dengan variasi sampel LTO tanpa doping, LTO doping carbon, LTO doping Al2O3 dan carbon menggunakan metode solid state reaction. Semua bahan baku dicampur dan digiling dengan menggunakan alat Planetary Ball Miller selama 2 jam jadi kemudian digerus untuk menjadi prekursor Li4Ti5O12. Prekursor Li4Ti5O12 disintering dengan suhu 850oC selama 4 jam. Produk akhir dikarakterisasi menggunakan alat X-Ray Difraction (XRD) untuk mengetahui pembentukan fasa Li4Ti5O12, Scanning Electron Microscopy (SEM) untuk menganalisa morfologi yang terbentuk, dan Cyclic Voltammetry untuk mengetahui performa elektrokimia. Hasil karakterisasi XRD terbentuk pada fasa Lithium Titanium Oxide (Li4Ti5O12), Dilithium Titanate (Li2TiO3), dan Rutile (TiO2). Hasil karakterisasi SEM pada LTO doping carbon, LTO doping Al2O3 dan carbon menunjukkan tekstur yang kasar dibandingkan pada LTO tanpa doping yang memiliki tekstur halus. Performa elektrokimia yang dihasilkan pada LTO coating carbon memiliki puncak redoks yang ramping pada siklus pertama, hal ini menunjukkan bahwa LTO coating carbon memiliki performa elektrokimia yang bagus dibandingkan pada sampel LTO doping Al2O3 dan carbon.
Kata Kunci: Anoda Li4Ti5O12, Coating Carbon, Doping Al2O3, Metode Solid State Reaction
Universitas Sumatera Utara
THE EFFECT OF AL2O3 DOPING AND CARBON COATING ON ON Li4Ti5O12 ANODE FOR CRYSTAL STRUCTURE,
MORPHOLOGY AND ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE
ABSTRACT
In this research, Li4Ti5O12 anode with doping Al2O3 and carbon coating was made to determine the effect of doping Al2O3 and carbon coating on crystal structure, morphology and electrochemical performance. Li4Ti5O12 anode material consist of LiOH.H2O and TiO2 was made with various samples of LTO without doping, LTO doped carbon, LTO doping Al2O3 and carbon using the solid state reaction method. All raw materials are mixed and milled using a Planetary Ball Miller for 2 hours so then crushed to become a precursor to Li4Ti5O12. The Li4Ti5O12
precursor was sintered at 850 ° C for 4 hours. The final product was characterized using X-Ray Difraction (XRD) to determine the formation of Li4Ti5O12 phases, Scanning Electron Microscopy (SEM) to analyze the morphology formed, and Cyclic Voltammetry to determine electrochemical performance. The results of XRD characterization were formed in the Lithium Titanium Oxide (Li4Ti5O12), Dilithium Titanate (Li2TiO3), and Rutile (TiO2) phases. The SEM characterization results on LTO doping carbon, LTO doping Al2O3 and carbon showed a coarser texture compared to the LTO without doping which had a fine texture. The electrochemical performance produced in LTO coating carbon has a slender redox peak in the first cycle, this shows that LTO coating carbon has good electrochemical performance compared to the Al2O3 and carbon doping LTO samples.
Keywords: Li4Ti5O12 Anode, Coating Carbon, Doping Al2O3, Solid State Reaction Method
iv
PENGHARGAAN
Dengan mengucapkan Alhamdulillah segala puji dan syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT untuk segala limpahan rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Pengaruh Doping Al2O3 dan Coating Carbon Pada Anoda Li4Ti5O12 Terhadap Struktur Kristal, Morfologi dan Performa Elektrokimia”. Skripsi ini disusun sebagai syarat akademis dalam menyelesaikan studi program Sarjana (S1) Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara.
Perjalanan panjang telah penulis lalui dalam rangka perampungan penulisan skripsi ini. Banyak hambatan yang dihadapi, namun berkat kehendak-Nya penulis dapat menyelesaikan dan juga penulisan skripsi ini tidaklah dapat terselesaikan jika tidak adanya bantuan, dukungan serta saran yang tak henti-hentinya diterima oleh penulis. Penulis ingin menyampaikan rasa berterima kasih yang sebesar-besarnya atas segala bantuan, dukungan serta saran yang telah penulis dapatkan. Kepada Bapak Prof. Dr. Kerista Sebayang, MS selaku Dekan FMIPA Universitas Sumatera Utara dan Dosen Pembimbing yang dengan sabar memberikan motivasi, ilmu serta bimbingan dan arahan juga banyak meluangkan waktunya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Kepada Bapak Dr. Perdinan Sinuhaji, MS, sebagai Ketua Departemen Fisika USU, Bapak Awan Maghfirah, M.Si, sebagai Sekretaris Departemen Fisika USU, Kak Tini dan Bang Jo selaku Staf dan Pegawai Departemen Fisika USU. Terima Kasih Kepada Bapak Slamet Priyono, S.Si, M.T selaku Dosen Pembimbing LIPI yang dengan sabar memberikan motivasi, Ilmu serta bimbingan dan arahan juga banyak meluangkan waktunya
Penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada Kedua Orang Tua Tercinta, Ayahanda Wachid Nor Rachman dan Ibunda Ermawati atas doa, cinta, kasih sayang, serta pengorbanan yang telah diberikan. Kepada adikku tersayang Dewi Ratna Sari terima kasih atas perhatian, pengertian serta dukungannya.
Terima Kasih penulis ucapkan kepada sahabat-sahabat seperjuangan dari awal perkuliahan hingga sampai skripsian ini. Siti Nur Aminah Sari Hasibuan, partner seperdopingan yang selalu tak henti-hentinya memberi dukungan dan bantuan. Rini Mutiara Putri Damanik, Bonar Ferdiansyah, dan Mutiara Sari yang senantiasa selalu ada dan tak bosan-bosan dengar keluh kesah penulis. Sri Ningsih, Nadha Ananda Putri, Nesya Izzania Batubara, Khairun Nisa Gulo, Tirta Indah yang senantiasa memberi semangat dan motivasi. Dan terima kasih teman-teman seperjuangan di LIPI : Nia, Paul, Santi, Eka, Elbert, Harapan, Arisman dan Roy yang selalu memberi motivasi kepada penulis.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Dinda Namira, Nahdah Nazhifah dan Dwi Anggriani yang senantiasa memberikan motivasi dan dorongan kepada penulis.
Ardiansyah sebagai abang, teman, sahabat dan lebih dari sekedar sahabat yang selalu
Universitas Sumatera Utara
memberikan dukungan, motivasi, mendengar keluh kesah dan selalu ada untuk penulis. Terima Kasih kepada Asisten Laboraturium Fisika Gelombang dan seluruh teman-teman Fisika 16 yang tak bisa penulis sebutkan satu persatu. Kakak dan abang Fisika 2013, 2014, dan 2015. Serta kepada Adik-adik Fisika 2017 dan 2018 untuk doa dan dukungannya.
Dan untuk seluruh yang selalu mendoakan dan memberikan dukungan serta motivasi yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. Semoga Allah SWT senantiasa membalas semua kebaikan yang telah diberikan. Semoga penelitian ini dapat bermanfaat bagi peneliti umumnya kepada pembaca.
Medan, September 2020
Lisda Annisa W.R
vi
DAFTAR ISI
PENGESAHAN SKRIPSI i
ABSTRAK ii
ABSTRACT iii
PENGHARGAAN iv
DAFTAR ISI vi
DAFTAR TABEL viii
DAFTAR GAMBAR ix
DAFTAR LAMPIRAN x
DAFTAR SINGKATAN xi
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Rumusan Masalah 3
1.3 Tujuan Penelitian 4
1.4 Manfaat Penelitian 4
1.5 Batasan Masalah 4
1.6 Sistematika Penulisan 4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Baterai 6
2.2 Baterai Ion Lithium 6
2.3 Bahan Dalam Baterai Ion 7
2.3.1 Material Anoda 7
2.3.2 Material Katoda 7
2.3.3 Elektrolit 7
2.3.4 Separator 7
2.4 Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium 8
2.5 Material Aktif (LTO) 9
2.6 Anoda Li4Ti5O12 10
2.7 Sumber Karbon Untuk Proses Pelapisan 10
2.7.1 Karbon Aktif 10
2.7.2 Carbon Black 11
2.8 Penambahan Karbon Pada LTO 12
2.9 Alumina 13
2.10 Penambahan Doping Pada Serbuk LTO 14
2.11 Metode Solid State Reaction 14
2.12 Sintering 15
2.13 Karakterisasi Material 16
2.13.1 XRD (X-Ray Difraction) 16
2.13.2 Pengujian CV(Cyclic Voltammetry) 18
2.13.3 SEM (Scanning Electron Microscopy) 18
Universitas Sumatera Utara
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian 21
3.1.1 Tempat Penelitian 21
3.1.2 Waktu Penelitian 21
3.2 Peralatan dan Bahan Penelitian 21
3.2.1 Bahan-Bahan 21
3.2.2 Peralatan 21
3.3 Perhitungan Massa Bahan 21
3.4 Tahapan Penelitian 23
3.5 Diagram Alir Metode Penelitian 23
3.6 Prosedur Penelitian 24
3.6.1 Proses Sintesis Bahan Serbuk LTO 24
3.6.2 Proses Penambahan Carbon Super P pada LTO 24 3.6.3 Proses Penambahan Doping Al2O3 Pada LTO/C 25 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Karakterisasi dan Pembahasan XRD 26
4.2 Hasil Karakterisasi dan Pembahasan SEM 28
4.3 Hasil Pengeujian CV 31
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan 34
5.2 Saran 34
DAFTAR PUSTAKA 35
LAMPIRAN 38
viii
DAFTAR TABEL
Nomor
Tabel Judul Halaman
3.1 Massa Bahan Utama Untuk Pembuatan Serbuk LTO 22 4.1 Persentase Fasa Hasil Analisis XRD menggunakan
HighScore 27
4.2 Hasil pengukuran kristaltit
4.3 Ukuran Partikel Pada Grafik Histogram 31
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
No. Judul Halaman
2.1 Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium 8
2.2 (a) Struktur LTO (Li4Ti5O12), (b) Charge-Discharge pada
Kondisi Low Rates 9
2.3 Struktur Kristal mineral korondum alumina 13 2.4 Tahap proses sintering (a) partikel bebas (b) tahapan awal (c)
tahapan kedua (d) tahapan akhir 15
2.5 Prinsip kerja alat X-ray diffraction 17
2.6 Diagram Skematik Fungsi Dasar dan Cara Kerja SEM 19
3.1 Diagram Penelitian 23
4.1 Kurva XRD material Li4Ti5O12 Variasi Komposisi dengan
suhu sintering 850oC 26
4.2 Morfologi sampel LTO dengan perbesaran 5k SE dengan
suhu sintering 850oC. 29
4.3 Grafik Histogram 30
4.4 Grafik Cyclic Voltammetry 32
x
DAFTAR LAMPIRAN
No. Judul Halaman
1 Perhitungan Massa Bahan Li4Ti5O12 38
2 Perhitungan Penurunan Massa Li4Ti5O12 49
3 Perhitungan Diamater Kristal 40
4 Alat dan Bahan Penelitian 41
5 Persentase Fasa Pada Pengujian XRD 43
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SINGKATAN
SEM Scanning Elektron Microscope XRD X-Ray Diffraction
FWHM Full Width Half Maximum CV Cyclic Voltammetry SEI Solid Electrolyte Interface
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada era globalisasi ini kebutuhan masyarakat meningkat, dan terjadi pergeseran kebutuhan dari kebutuhan tersier menjadi kebutuhan primer. Kebutuhan tersier yang sangat pesat perubahannya adalah kebutuhan akan barang-barang elektronik. Hampir semua barang elektronik memerlukan baterai sebagai pasokan listriknya. Baterai adalah sebuah alat yang dapat mengubah energi kimia yang disimpannya menjadi energi listrik yang dapat digunakan oleh sesuatu perangkat elektronik.
Produksi energi yang mengandalkan bahan bakar fosil diperkiraan memiliki dampak masa depan yang buruk pada ekonomi dan ekologi dunia. Produksi energi elektrokimia sedang dipertimbangan sebagai sumber energi atau daya alternatif, karena lebih berkelanjutan (sustainable) dan ramah lingkungan (Winter, 2004).
Baterai lithium-ion merupakan tipe baterai yang paling banyak digunakan hingga saat ini. Berbagai peralatan elektronik gadget seperti handphone, tablet, laptop, jam, dan juga aplikasi untuk kendaraan listrik sangat bergantung pada tipe baterai Li-ion (Subhan dkk, 2015). Baterai lithium-ion (LIB) memiliki kepadatan energi tinggi, daya tinggi, dan masa pakai yang lama. Karakteristik ini membuat kemajuan yang luar biasa dalam teknologi elektronik portabel dan penyebaran perangkat teknologi informasi di seluruh masyarakat. Aplikasi baterai pada kendaraan listrik dan sistem penyimpanan skala besar menjadikannya solusi yang menjanjikan untuk tantangan pelestarian lingkungan dan konservasi sumber daya (Yoshio 2009).
Baterai terhubung dengan satu atau lebih sel elektrokimia yang memiliki terminal atau kontak memasok energi listrik (Winter, 2004). Baterai adalah perangkat penyimpanan energi yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Baterai terdiri dari beberapa sel elektrokimia dan setiap sel terutama mengandung elektroda negatif (anoda), elektroda positif (katoda), dan elektrolit (Mahmoud dan Xu, 2011).
Di pasar baterai Li-Ion, grafit digunakan paling luas sebagai bahan anoda.
Anoda ini dapat diklasifikasikan ke dalam 1) karbon lunak, yang dapat dengan mudah dimodifikasi oleh suhu tinggi 2) karbon keras yang tidak dapat dimodifikasi
Universitas Sumatera Utara
2
bahkan pada suhu tinggi (Mahmoud dan Xu, 2011). Grafit adalah satu inti karbon yang merupakan konduktor listrik yang bisa digunakan sebagai material elektroda pada sebuah lampu listrik. Keuntungan menggunakan elektroda grafit antara lain adalah harganya relatif murah dibandingkan elektroda logam karena pemurnian grafit untuk elektroda lebih sederhana bila dibandingkan dengan pemurnian logam untuk dijadikan elektroda.
Salah satu komponen yang mempengaruhi kemampuan daya besar adalah ditentukan pada komponen anoda baterai. Komponen yang telah digunakan selama ini berbasiskan material grafit dengan berbagai tipe seperti grafit alam, grafit sintetis, soft carbon, hard carbon memiliki kelemahan yaitu, adanya ekspansi perubahan kristal yang cukup besar selama proses charging dan discharging pada kondisi daya tinggi (Subhan dkk, 2015).
Salah satu kandidat pengganti grafit adalah lithium titanate (Li4Ti5O12) yang memiliki sifat zero strain materials, yaitu perubahan kisi-kisi kristalnya hampir tidak berubah. Keunggulan lain yang dimiliki LTO ini adalah tidak membentuk lapisan Solid Electrolyte Interface (SEI), tingkat keamanan yang tinggi, masa pemakaian yang tahan lama (long time life), fabrikasi yang mudah dan murah, serta tegangan operasi yang stabil (1,5 V vs Li+/Li). Secara teoritis specific capacity Li4Ti5O12
adalah 175 mAh/g dan pada praktiknya spesifik kapasitas yang dihasilkan hanya 150-160 mAh/g. Nilai spesifik kapasitas ini lebih rendah dari yang dimiliki karbon yaitu 372 mAh/g (Subhan dkk, 2015). Namun masih ada kelemahan yang cukup mencolok dari material lithium titanate ini yaitu rendahnya sifat konduktifitas listrik.
Untuk mengatasi ini dilakukan berbagai cara, seperti melakukan coating carbon, proses sintesa skala nanopartikel dengan teknik sol gel, hydrothermal, solvothermal dan lain-lainnya(Subhan dkk, 2015).
Pada penelitian sebelumnya yang telah dilakukan oleh Sri Yuniati pada tahun 2020, penelitian mengenai Li4Ti5O12 Doping Al 0,03 gr mendapatkan hasil yang baik, hal ini dimenunjukkan ion Al mensubstitusi ke dalam struktur spinel LTO.
Dengan meningkatnya kandungan Al maka intensitas semakin tinggi. Hal ini menunjukkan tingkat kristalinitasnya tinggi. Untuk ukuran kristalit, doping Al menyebabkan ukuran kristalit LTO semakin besar karena doping Al menyebabkan fasa impuritas menurun sehingga ukuran kristalit LTO semakin meningkat.
3
Berdasarkan karaterisasi FE-SEM, terdapat pembentukan aglomerasi pada sampel.
Diameter rata-rata doping Al 0,03 gr memiliki nilai 3,938 μm. Berdasarkan pengujian CV, doping Al 0,03 memiliki nilai koefisien difusi yang paling tinggi yaitu 3,27109.1010 cm2s1. Hal ini menunjukkan doping Al dapat meningkatkan koefisien difusi dari suatu baterai.
Pada penelitian sebelumnya yang telah dilakukan oleh, Baohua Li et al pada tahun 2011 melakukan sintesis dan karakterisasi dari masa pakai Li4Ti5O12/C . Pada hasil uji CV dan EIS menunjukkan sampel Li4Ti5O12 dengan penambahan karbon 3%
berat memiliki polarisasi reaksi elektrokimia yang paling sediit, sehingga terlihat bahwa olarisasi meningkat ketika kandungan karbon meningkat atau menurun.
Dengan demikian penambahan jumlah karbon yang berlebih dapat mengakibatkan terjadinya aglomerasi, aglomerasi sendiri dapat meningkatkan konduktivitas elektrokimia namun konduktivitas ionik menurun diakibatkan terjadinya celah dari aglomerasi yang tinggi karena karbon aktif bersifat porous.
Pada penelitian lediliocza pada tahun 2020 melakukan sintesis Li4Ti5O12 yang dilapisi karbon dengan metode solid state reaction untuk anoda ion lithium. Pada hasil uji CV, menunjukkan sampel Li4Ti5O12 dengan penambahan carbon super P memiliki puncak paling tinggi dibandingkan dengan carbon tapioka. Hal ini menunjukkan bentuk kurva yang tinggi mengindikasikan terjadinya interkalasi yang cepat. Penelitian ini akan difokuskan pada pengaruh doping Al2O3 dan coating carbon pada anoda LTO terhadap struktur Kristal, morfologi, dan performa elektrokimia.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah dijelaskan diatas, maka permasalahan dalam penelitian ini adalah:
1. Bagaimana cara membuat material LTO menjadi bahan anoda untuk baterai lithium dengan metode solid state reaction?
2. Bagaimana pengaruh coating carbon dan doping Al2O3 pada karakteristik LTO?
3. Bagaimana pengaruh coating carbon dan doping Al2O3 terhadap perfora elektrokimia?
Universitas Sumatera Utara
4
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Untuk melakukan sintesis serbuk LTO coating carbon dan doping Al sebagai bahan anoda dengan metode solid state reaction
2. Untuk mengetahui pengaruh coating dan doping terhadap karakteristik LTO 3. Untuk mengetahui performa eletrokimia yang dihasilkan
1.4 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi mengenai pengaruh coating karbon terhadap pembuatan serbuk anoda LTO dan penambahan doping terhadap serbuk anoda LTO sebagai bahan rujukan untuk penelitian selanjutnya serta memberikan kontribusi yang positif terhadap kinerja pada baterai ion lithium.
1.5 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Penelitian ini difokuskan pada sintesis serbuk LTO (Li4Ti5O12) dan penambahan doping dengan karbon terhadap serbuk LTO (Li4Ti5O12) .
2. Bahan baku yang digunakan adalah LiOH.H2O dan TiO2.
3. Metode yang digunakan adalah solid state reaction dan Suhu sintering yang digunakan yaitu 850oC.
4. Doping yang digunakan yaitu Al2O3 dan karbon yang digunakan adalah Super P.
1.6 Sistematika Penulisan
Adapun sistematika dalam penulisan skripsi ini mencakup beberapa Bab seperti yang dijelaskan dibawah ini:
BAB 1 PENDAHULUAN
Bab ini mencakup latar belakang penelitian, batasan masalah, rumusan masalah, tujuan penelitian dan manfaat penelitian serta sistematika penulisan.
5
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk proses pengambilan, analisa dan pembahasan data.
BAB 3 METODE PENELITIAN
Bab ini membahas tentang peralatan, bahan penelitian, diagram alir penelitian, prosedur penelitian serta pengujian sampel.
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian, analisa data serta pembahasan data yang telah diperoleh dari penelitian.
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini membahas tentang kesimpulan yang diperoleh dari penelitian dan memberikan saran untuk penelitian selanjutnya.
Universitas Sumatera Utara
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Baterai
Baterai merupakan komponen dari perangkat elektronik yang memiliki peran sebagai perangkat penyimpanan energi yang dapat mengkonversikan energi kimia menjadi energi listrik. Baterai terdiri dari beberapa sel elektrokimia dan setiap sel mengandung elektroda negatif (anoda), elektroda positif (katoda), dan elektrolit (Mahmoud dan Xu, 2011). Secara garis besar baterai terdiri dari dua macam yaitu baterai primer dan baterai sekunder.
1. Baterai Primer
Baterai primer adalah baterai yang hanya bisa sekali pakai, dalam baterai primer ini energi kimia yang tersimpan dalam sel disusun sedemikian rupa sehingga hanya dapat digunakan sekali untuk menghasilkan energi listrik, dimana setelah kapasitasnya habis maka tidak bisa digunakan lagi (Aifantis et al., 2010).
Keuntungan umum baterai primer adalah waktu hidup baik, densitas energi yang tinggi pada laju discharge rendah, dan mudah digunakan (Linden, 2002).
2. Baterai Sekunder
Baterai sekunder adalah baterai isi ulang, karena baterai ini dapat diisi ulang maka baterai ini dapat digunakan kembali. Dalam baterai ini terjadi reaksi redoks pada saat potensial yang diberikan lebih tinggi daripada potensial sel. Selama charging, elektron mengalir ke anoda melalui sirkuit eksternal dan difusi kation katoda melalui elektrolit ke anoda. (Aifantis et al., 2010). Baterai sekunder diaplikasikan dalam dua kategori, yaitu: 1. Sebagai alat penyimpan energi. Umumnya baterai jenis ini tersambung dengan jaringan listrik permanen dan tersambung dengan jaringan listrik primer saat digunakan. 2. Sebagi sumber energi listrik pada portable device, pengganti baterai primer (Linden, 2002).
2.2 Baterai Ion Lithium
Lithium adalah logam paling ringan dan memiliki potensi elektokimia yang tinggi. Sifat ini memungkinkan logam lithium untuk mencapai densitas energi dan
6
densitas power yang tinggi dan menjadi bahan yang menjanjikan di pasar produksi baterai (Mahmoud dan Xu, 2011). Baterai ion lithium adalah baterai yang digerakkan oleh ion lithium. Baterai ion lithium pertama dikomersialilasikan pada tahun 1990 oleh Sony Corp untuk ponsel Kyocera (Yoshio et al., 2009).
Baterai ion lithium memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan baterai sekunder lainnya yaitu ringan, densitas energinya tinggi, dapat diisi ulang (rechargeable), tahan lama, tegangannya tinggi (4V), ramah lingkungan dan penurunan kapasitas baterai ion lithium rendah sekitar 5% per bulan. Namun, baterai ion lithium masih memiliki kekurangan diantaranya sangat sensitif terhadap suhu tinggi dan biayanya lebih tinggi dibandingkan dengan baterai yang sudah ada (Oswal et al., 2010).
2.3 Bahan Dalam Baterai Ion
Untuk penggunaan akhir, mungkin kadang-kadang tampak seperti hanya ada satu jenis baterai ion lithium, tetapi kenyataannya ada beberapa jenis sel kimia yang berbeda dari sel ion lithium. Anoda standar di sebagian besar sel komersial saat ini adalah grafit. Namun, bahan katoda dan elektrolit bervariasi secara substansial dalam sel, bersama-sama dengan formulasi komposit elektroda, ukuran partikel bahan aktif, dan lain-lain (Nordh, 2013)
2.3.1 Material Anoda
Anoda atau negatif elektroda yang mereduksi elektroda dan memberikan elektron ke sirkuit eksternal dan teroksidasi selama reaksi yang sering digunakan sebagai komponen sel baterai lithium rechargeable adalah grafit/karbon dan logam lithium.
Kedua material tersebut memenuhi syarat sebagai suatu material untuk proses interkalasi. Adapun tiga syarat utama yang harus dimiliki material anoda pada baterai ion lithium yaitu sebagai berikut: 1. Potensial penyisipan dan pelepasan ion lithium pada anoda harus sekecil mungkin. 2. Banyaknya ion lithium yang dapat dimuat oleh material anoda harus besar untuk mencapai kapasitas spesifik yang besar. 3. Host pada anoda harus menahan penyisipan dan pelepasan ion lithium yang berulang- ulang tanpa kerusakan strukturnya untuk memperoleh siklus hidup yang panjang (Yao,2003). Anoda dipilih dengan mempertimbangkan: efisiensi sebagai reduktor,
Universitas Sumatera Utara
7
hasil keluaran coulomb tinggi (Ah/g), konduktivitas yang baik, stabilitas baik, kemudahan fabrikasi, dan biaya yang murah (Linden, 2002).
2.3.2 Material Katoda
Katoda merupakan elektroda positif, dimana terjadi reaksi setengah sel yaitu reduksi yang menerima elektron dari sirkuit luar sehingga reaksi kimia reduksi terjadi pada elektron (Subhan, 2011). Katoda atau elektroda positif sebagai pengoksidasi elektroda yang menerima elektron dari sirkuit eksternal dan reduksi selama reaksi elektrokimia. Katoda harus menjadi oksidator yang baik, stabil ketika berhubungan dengan elektrolit, dan memiliki tegangan kerja yang dapat digunakan dengan baik (Linden, 2002).
2.3.3 Eletrolit
Elektolit adalah bahan yang memberian konduktivitas ionik murni antara elektroda positif dan negatif dari sel (Winter, 2004). Penambahan bahan ion biasanya dalam bentuk larutan air, cair, atau padat (Aifantis et al., 2010). Elektrolit aqueous tidak dapat digunakan dalam baterai ion lithium, jadi garam anorganik terlarut dalam pelarut organik yang dapat digunakan sebagai elektrolit yang paling umum di pasar saat ini (Mahmoud dan Xu, 2011). Elektroit 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).
2.3.4 Separator
Separator adalah penghalang fisik anara elektroda positif dan negatif yang dimasukkan ke dalam desain baterai untuk mencegah korslet listrik. Separator dapat berupa gel elektrolit atau film plastik mikro atau bahan inert berpori lainnya yang nantinya diisi dengan elektrolit. Separator harus berpori antara ion dan inert dalam lingkungan baterai (Winter and Brood, 2004).
Karakteristik yang penting untuk dijadikan separator pada baterai yaitu insulator, memiliki hambatan listrik yang kecil, kestabilan mekanik (tidak mudah rusak),
8
memiliki sifat hambatan kimiawi tidak mudah terdegradasi dengan elektrolit serta memiliki ketebalan lapisan yang seragam atau sama diseluruh permukaan (Subhan, 2011).
2.4 Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium
Kemampuan kapasitas energi yang tersimpan dalam baterai lithium tergantung pada berapa banyak ion lithium yang dapat disimpan dalam struktur bahan eletrodanya dan berapa banyak yang dapat disimpan dalam proses charge dan discharge, karena jumlah arus elektron yang tersimpan dan tersalurkan sebanding dengan jumlah ion lithium yang bergerak (Subhan, 2011).
Berdasarkan prinsip kerja baterai, material anoda dan katoda harus memiliki karakteristik sebagai konduktur ionik dan elektronik yang baik, kehilangan ion lithium tidak menyebabkan perubahan struktur selama proses interkalasi, material harus memiliki tegangan kerja terhadap lithium, tidak mengalami perubahan dimensi kisi yang besar pada proses insersi ion Li, memiliki rentang tegangan kerja yang kompatibel dengan rentang kestabilan reduksi-oksidasi dari elektrolit yang menyertainya (B. Scorosati, 2002).
Gambar 2.1 Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium (Sumber: Mahmoud & Xu, 2011).
Pada umumnya anoda lithium adalah karbon (grafit), sedangkan katoda dibuat dari kobalt dioksida lithium (LiCoO2) dan elektrolit adalah non-aqueous pelarut organi termasuk garam lithium (LiPF6) (Mahmoud & Xu, 2011).
Baterai Ion Lithium bergantung pada proses interkalasi. Ion lithium dimasukkan kedalam kisi dari elektroda tanpa mengubah struktur Kristal (Mahmoud
Universitas Sumatera Utara
9
dan Xu, 2011). Selama proses charge baterai, terjadi pergerakan ion lithium dari elektroda positif (katoda) melalui separator dan elektrolit ke elektoda negatif (anoda).
Elektron cenderung mengalir ke arah yang berlawanan di sekitar sirkuit luar. Ketika semua ion berhenti mengalir, baterai seharusnya terisi penuh dan siap untuk digunakan. Baterai menyimpan energi selama proses ini (Oswal et al., 2010).
Selama discharge, ion lithium bergerak dari elektroda negatif (anoda) ke elektroda positif (katoda) melalui separator dan elektrolit, menghasilkan densitas daya pada baterai. Elektron cenderung mengalir sebaliknya melalui sirkuit luar (Oswal et al., 2010).
2.5 Material Aktif (LTO)
(a) (b)
Gambar 2.2 (a) Struktur LTO (Li4Ti5O12), (b) Charge-Discharge pada kondisi Low Rates (Sumber: Nitta, et al., 2014)
Li4Ti5O12 atau LTO merupakan material anoda yang dapat digunakan sebagai pengganti grafit dalam baterai ion lithium sekunder (Sibiryakov, 2013). Pada gambar 4 (a) memperlihatkan struktur Kristal dari LTO. LTO telah berhasil diomersilkan karena memungkinkan kombinasi stabilitas termal yang superior high rate kapasitas volumetrik yang relatif tinggi dan siklus hidup yang panjang. Meskipun biaya yang lebih mahal dari Ti, tegangan sel berkurang dan kapasitas yang lebih rendah. LTO dianggap “zero strain” karena perubahan fasa yang disebabkan oleh lithiation/delithiation hanya menghasilkan sedikit perubahan volume (0,2 %). Secara elektrokimia pada saat tegangan kecil tegangan hysteresis ditunjukkan dalam kondisi charge-discharge (Gambar 4 (b)). High Equilibrium Potential (1,55 V vs Li/Li+)
10
memungkinkan LTO untuk dioperasikan pada potensial diatas 1 V, sebagian besar dapat menghindari pembentukan dan pertumbuhan anoda SEI (Solid Electrolite Interface), yang dapat memperlambat penyisipan Li (Nitta et al., 2014).
Namun LTO juga memiliki kelemahan yang cukup besar, seperti konduktivitas dan koefisien difusi lithium spesifik yang rendah kelemahan ini dapat dihilangkan dengan cara yang berbeda, misalnya dengan penciptaan struktur cacat, pengurangan ukuran partikel, lapisan permukaan partikel dengan karbon dan doping dengan logam (tembaga, timah, perak). Reduksi ukuran partikel dapat memperpendek jarak difusi ion lithium dalam fase padat dan meningkatkan permukaan kontak dengan elektrolit (Sibiryakov et al.,, 2013).
2.6 Anoda Li4Ti5O12
Sebagai mana yang kita tau material anoda memainkan peran penting dalam penentuan keselamatan dan roda kehidupan dari baterai ion lithium. Komersial baterai menggunakan grafit atau bahan karbon lain sebagai anoda tetapi keamanannya dapat membatasi penggunaan dalam aplikasi skala besar pada daya baterai, yaitu yang pertama interkalasi ion lithium didalam karbon/grafit terjadi dekat dengan potensial lithium. Kedua, tidak adanya indikator end of charge di dalam voltage profile yang dapat memberikan sinyal permulaan evolusi oksigen dari katoda. Untuk mengatasi masalah ini berbagaibahan anoda dengan peningkatan kapasitas reversible dan stabilitas yang melebihi grafit komersial telah diusulkan untuk baterai ion lithium, salah satunya adalah anoda Li4Ti5O12 (D. K. Kim, et al., 2008). Anoda LTO memiliki beberapa keuntungan antara lain biaya rendah, power yang tinggi dan tahan pada suhu yang tinggi (Kurweil & Klaus, 2019).
2.7 Sumber Karbon untuk Proses Pelapisan 2.7.1 Karbon Aktif
Karbon aktif merupakan bentuk umum dari variasi produk yang mengandung karbon yang telah diaktifkan untuk meningkatkan luas permukaannya. Karbon aktif berbentuk Kristal mikro karbon grafit dengan pori-pori yang telah berkembang kemampuannya dalam mengadsorpsi gas dan uap dari campuran gas dan zat-zat yang tidak larut atau terdispersi dalam cairan. Daya serap ini ditentuan oleh luas
Universitas Sumatera Utara
11
permukaan karbon. Luas permuaan ini dapat diaktivasi dengan penambahan bahan- bahan kimia ataupun dengan pemanasan pada suhu tinggi.
Untuk mendapatkan karbon aktif umumnya dilakukan 3 tahapan yaitu:
1. Proses dihidrasi, proses ini berfungsi untuk menghilangkan air pada bahan baku dengan pemanasan pada suhu 170oC.
2. Proses karbonisasi, proses ini dilakukan dengan pembakaran bahan baku menggunakan udara terbatas dengan temperature udara antara 300oC sampai dengan 900oC bergantung pada kekerasan bahan baku yang digunakan.
Hasil dari proses ini adalah karbon dalam bentuk arang dengan permukaan spesifik yang sempit.
3. Proses aktivasi, dibagi kedalam 2 bagian
a. Proses aktivasi fisika, biasanya karbon dipanaskan didalam furnace pada temperatur 800oC-900oC. Kemudian dikarbonisasi untuk menghilangkan hidrokarbon yang terklorinasi dan akhirnya diaktifasi dengan uap.
b. Proses aktivasi kimia merujuk pada perlibatkan bahan-bahan kimia atau reagen pengaktif. Menurut Kirk and Othmer (1978), bahan kimia yang dapat digunakan sebagai pengaktif diantaranya CaCl2, Ca(OH)2, NaCl, MgCl2, HNO3, HCl, Ca3(PO4)2, H3PO4, ZnCl2 dan sebagainya. Hessler (1951) dan Smith (1992) menyatakan bahwa unsur-unsur mineral activator masuk diantara plat heksagon dari kristalit dan memisahkan permukaan yang mula-mula tertutup, sehingga pengotor yang berada didalam pori menjadi mudah terlepas, yang menyebabkan luas permukaan aktif bertambah besar dan mengingatkan daya serap karbon aktif (Birkl, 2015).
2.7.2 Carbon Black
Carbon Black adalah bentuk unsur karbon yang diproduksi dengan pembakaran parsial atau pirolisis terkontrol dari hidrokarbon. Dalam pembuatannya terdapat beberapa proses yang telah berkembang, diantaranya proses oin-furnace, impingement (saluran), pemanasan (penguraian gas alam) dan asitilena (penguraian).
Carbon Black diproses dari bahan sumber pembuatnya seperti furnace black, lampblack, thermal black, acetylene black, dan channel black. Perbedaan proses
12
dalam pembuatan menghasilkan perbedaan karakteristik karbon yang dihasilkan.
Salah satu produk komersil dari carbon black adalah Super P dengan nama lain acetylene black atau graphitized Carbon Black. Acetylene memiliki kandungan karbon yang tinggi (92%) dalam dekomposisi eksotermik menjadi karbon dan hydrogen, dengan begitu menjadikan acetylene bahan baku yang menarik untuk dikonversi menjadi karbon hitam.
Acetylene dibuat melalui proses dekomposisi berkelanjutan pada tekanan atmosfer pada suhu 800o-1000oC, yang kemudian dimasukkan ke dalam reactor (800oC), kemudian terjadi reaksi eksotermik dengan pendinginan menggunakan air untuk mempertahankan suhu reaksi yang konstan. Aliran hidrogen bermuatan hitam kemudian didinginkan diikuti dengan pemisahan karbon dari gas hidrogen, kemudian acetylene yang terbentuk mengembang dengan kepadatan massal 19kg/m3 yang kemudian dipadatkan untuk menjadi pelet-pelet. Acetylene yang terbentuk ini salah satunya digunakan dalam pelapisan anoda ataupun katoda baterai karena memiliki konduktivitas listrik dan termal yang tinggi (IARC Monograph, 2010).
2.8 Penambahan Karbon pada LTO
Menurut Zheng et.,al Spinel Li4Ti5O12 (LTO) menunjukkan kinerja yang menarik dari siklus panjang sebagai anoda untuk baterai lithium-ion yang digunakan untuk penyimpanan energi, kendaraan listrik dan kendaraan listrik hibrida. Tetapi aplikasi ini menghadapi kelemahan konduktivitas listrik rendah. Lapisan karbon adalah cara yang efektif dalam meningkatkan konduktivitas Li4Ti5O12 (LTO), dan sumber karbon termasuk minyak batubara, polimer organik dan asam organik.
Penambahan karbon hitam konduktif, seperti karbon hitam asetilena atau Super P, dalam prekursor sebelum sintering juga meningkatkan kinerja laju (LTO).
Alasan untuk perbaikan berasal dari penghambatan agregasi partikel LTO dan peningkatan konduktivitas elektron antara partikel dalam. Metode yang terakhir menunjukkan keuntungan dari konduktivitas elektronik yang lebih tinggi, penambahan kandungan karbon yang lebih akurat dan metode yang lebih mudah untuk sintesis.
Dalam penelitian Zheng et.,al sebelumnya, telah menganalisis efek dari kandungan karbon pada kinerja elektrokimia komposit LTO/C. Hasil menunjukkan
Universitas Sumatera Utara
13
bahwa sampel dengan penambahan 5% berat karbon Super P selama sintesis dan selanjutnya 5% berat karbon selama persiapan bubuk menunjukkan kinerja terbaik.
Tetapi ada beberapa jenis karbon konduktif yang digunakan dalam baterai lithium- ion dan beberapa di antaranya menunjukkan karakteristik fisik yang jauh berbeda.
Dalam penelitian Zheng et.,al, mensintesis komposit LTO/C menggunakan tiga jenis karbon ini dengan kandungan optimal 5% berat ditentukan dalam penelitian Zheng et.,al sebelumnya, tetapi tanpa penambahan karbon lebih lanjut selama persiapan bubur, untuk mempelajari efek dari berbagai jenis karbon pada kinerja elektrokimia komposit LTO/C. Li4Ti5O12 dengan 5% Super-P, BP-2000, VGCF disintesis oleh reaksi solid-state sederhana. Peran karbon konduktif tambahan berkaitan erat dengan karakteristiknya. Li4Ti5O12 dengan 5wt.% BP-2000 menunjukkan kinerja elektrokimia terbaik karena luas permukaan yang besar.
Retensi kapasitas dan kinerja laju LTO / VGCF lebih baik daripada LTO/SP pada laju arus tinggi karena jaringan konduktif tiga dimensi di antara partikel agregat terisolasi. Hasilnya menunjukkan luas permukaan spesifik, morfologi karbon konduktif mempengaruhi kinerja laju komposit LTO/C. (Zheng et., al, 2012).
2.9 Alumina
Aluminium oksida (alumina) adalah senyawa kimia dari aluminium dan oksigen, dengan rumus kimia Al2O3. Secara alami, alumina terdiri dari mineral korondum, dan memiliki bentuk Kristal seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.3 Struktur Kristal mineral korondum alumina (Hudson, et al., 2002).
Aluminium oksida (Al2O3) atau yang dikenal dengan alumina insulator (penghantar) panas dan listrik yang baik. Aluminium oksida (Al O ) berperan
14
penting dalam ketahanan logam aluminium terhadap perkaratan dengan udara.
Logam aluminium sebenarnya sangat mudah bereaksi dengan oksigen diudara.
Aluminium bereaksi dengan oksigen membentuk aluminium oksida yang terbentuk sebagai lapisan tipis yang dengan cepat menutupi permukaan aluminium, lapisan ini melindungi logam aluminium dari oksidasi lebih lanjut (Sidabutar, 2017).
2.10 Penambahan Doping pada Serbuk LTO
Dalam jurnal choi menyebutkan bahwa penambahan doping yang dapat menaikkan defect adalah Al, Cr, Nb, La, Sn, Pt, Zn dan Y. sehingga dari berbagai macam pilihan doping tersebut, doping yang memiliki kemampuan untuk meningkatkan defect lebih adalah Al. Hal ini disebabkan Al memiliki valensi tiga yang membentuk hole atau elektron sebagai pembawa muatan (Aziz dan Haryati, 2014).
Dalam penelitian yang telah dilakukan oleh Muhammad aziz dan Haryati purwaningsih, Penambahan 5 wt.% Al terhadap TiO2 menyebabkan menurunnya ukuran partikel TiO2, sedangkan penambahan 6 wt.% Al menyebabkan terjadinya pertumbuhan butir. Kombinasi penambahan 5% Al dilanjutkan sinter 700oC menghasilkan material TiO2 dengan struktur kristal anatase dan morfologi porous yang sesuai untuk material sensor gas (Aziz dan Haryati, 2014).
2.11 Metode Solid State Reaction
Sintesis material merupakan suatu integrasi beberapa material untuk menghasilkan material baru, material ini dapat berupa senyawa organik maupun anorganik. Dalam sintesis material anoda baterai terdapat 2 metoda umum yang biasa digunakan yaitu metode solid state reaction dan sol-gel.
Metode keadaan padat (Solid State) merupakan suatu teknik yang digunakan dalam penyediaan padatan polikristalin. Polikristalin merupakan padatan kristal yang disintesis secara langsung dari pereaksi-pereaksinya yang berwujud padat. Teknik ini menggunakan suhu tinggi bahkan mencapai 1000oC hingga 1500oC, hal ini dilakukan karena pada kenyataannya padatan tidak akan bereaksi pada suhu kamar, tetapi pada suhu tinggi padatan juga akan mengalami laju reaksi yang tinggi pula (Delfia dkk, 2014).
Universitas Sumatera Utara
15
Metode Solid-State atau dikenal dengan istilah reaksi padat diawali dengan pencampuran bahan baku dengan molaritas tertentu hingga homogen atau bercampur dengan baik (Lestariningsih, dkk, 2013). Ketika menggunakan metode solid state, maka digunakan proses pemanasan yang tinggi dan berdurasi panjang. Namun demikian, metode solid state menjadi metode sintesis yang sangat mudah dan tidak memerlukan biaya yang besar ( Masaki Ralph J, dkk., 2009).
Reaksi padatan yang digunakan dalam sintesis bahan elektroimia memiliki banyak keuntungan. Seperti proses yang sederhana, tanpa menggunakan pelarut, ramah lingkungan dan mudah untuk mendapatkan bahan berkualitas baik seperti bahan ukuran nano. Baru-baru ini, pembuatan bahan elektrokimia lebih banyak menarik perhatian karena kebutuhannya yang semakin meningkat. Oleh karena itu ketertarikan untuk mempelajari sintesis bahan elektrokimia dengan menggunakan metode reaksi padatan mendapatkan perhatian yang lebih dibandingkan dengan metode lainnya (Hao et al., 2005).
2.12 Sintering
Sintering merupakan salah satu proses perlakuan panas yang dilakukan pada material yang digabungkan (pellet dan bulk) maupun material serbuk dengan maksud untuk menyempurnakan sifat-sifatnya. Temperatur sintering dibawah titik leleh material atau dua per tiga dari titik leleh (Suryana, dkk., 1996). Terjadi perubahan struktur mikro selama proses sintering, seperti penurunan jumlah pori dan ukuran pori, peningkatan densitas, penyusutan volume, dan pertumbuhan butir (grain growth) (Randal. M.N., 1991). Perubahan struktur mikro menyebabkan terjadinya perubahan sifat mekanik dan sifat fisis pada material tersebut (Callister, W.D., 2007).
Adapun tahapan proses sintering dapat dijelaskan seperti pada Gambar 2.5.
Gambar 2.4 Tahap proses sintering (a) partikel bebas (b) tahapan awal (c) tahapan kedua (d) tahapan akhir (Suryana, dkk., 1996)
16
Material masih berupa partikel bebas sebelum dipanaskan (Gambar 2.5 a). Pada tahap awal sintering terbentuk batas butir (grain-boundary), dan pada saat yang bersamaan terbentuk pori mengecil serta batas butir juga membesar, ini terjadi pada tahap kedua. Membesarnya batas butir dan mengerutnya pori secara cepat, menyebabkan keramik (dalam bentuk pellet) mengalami penyusutan, namun densitasnya membesar. Pada tahap ini juga terjadi pertumbuhan butir (grain growth).
Tahap akhir proses sintering, hanya terdapat perubahan bentuk serta pengecilan pori secara lambat dan sampai membentuk ukuran pori terkecil (Usman, T. 2009).
Pada proses sintering terjadi difusi atau transfer antar partikel yang menyebabkan adanya ikatan antar butiran-butiran partikel (Ristic, M.M. (1988). Bila difusi terjadi pada kondisi padat, disebut solid state sintering. Bila ditambah sedikit material dalam fase cair, maka proses disebut sintering fase cair (liquid phase). Sedangkan jika dikenai tekanan eksternal selama sintering disebut sintering tekan (hot pressing) (Suparman, 2010). Proses sintering dilakukan pada suhu 850oC selama 4 jam dengan kenaikan suhu secara bertahap. Bambang, dkk 2013 melaporkan bahwa TiO2 anatase yang terbentuk pada suhu sintering 850oC sangat kecil dibandingan dengan suhu sintering 800oC dan 900oC sehingga dapat dikatakan bahwa suhu sintering 850oC hanya ada satu fasa Kristal yang terbentuk yaitu Li4Ti5O12.
2.13 Karakterisasi Material
2.13.1 XRD (X-Ray Diffraction)
X-Ray Diffraction (XRD) adalah suatu metode analisis dalam kristalografi.
Pada umumnya, itu dimulai sebagai cara untuk menentukan struktur atom dari Kristal, tapi sekarang dapat digunakan untuk menentukan informasi lebih banyak, misalnya: sebagai parameter sel, distorsi, ketegangan dan ukuran Kristal dapat diperoleh (Nordh, 2013). Untuk menghitung parameter kisi dengan struktur Kristal kubik, maka kita dapat menggunakan Persamaan 2.1.
a = 𝜆
2 sin 𝜃 (h2+k2+l2)1/2 (2.1)
Dimana a adalah parameter kisi (Ao), 𝜆 adalah panjang gelombang radiasi dari Cu K𝛼 = 1,54 Ao, 𝜃 (theta) adalah sudut yang terbentuk dan h,k,l adalah bidang
Universitas Sumatera Utara
17
Kristal dari suatu material. Kisi Bravais dapat diidentifikasi dengan mencatat keberadaan sistematis (atau ketiadaan) refleksi dalam pola difraksi.
d = 𝜆
(h2+k2+l2)1/2 (2.2) Dimana d adalah jarak bidang Kristal, a adalah parameter kisi dan h,k,l adalah bidang Kristal suatu material. Ketika sinar X dikirim ke dalam sampel, sinar akan dihamburkan oleh atomnya dan menyebar ke segala arah. Sinar yang tersebar dari atom yang berbeda tetapi dalam arah yang sama akan membuat jarak yang berbeda dan karena itu akan keluar dari fase satu sama lain etika mencapai titik yang ditetapkan, misalnya detektor. Prinsip kerja XRD ditunjukkan pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5. Prinsip kerja alat X-ray diffraction (Sumber: Nordh, 2013)
Gambar 2.5 memperlihatkan hukum Bragg terpenuhi ketika D sama dengan seluruh jumlah panjang gelombang, maka semua sinar terdifraksi akan memiliki fase satu sama lain (Nordh, 2013).
Suatu analisa yang tidak dapat dipisahkan dari data hasil uji X-Ray Difraction adalah anlisa struktur Kristal suatu bahan. Analisa ini merupakan suatu metode untuk analisa struktur ikatan kimia, struktur maupun ukuran atom penyusun kristal tersebut (Glusker, lewis dan Rossi, 1994). Suatu Kristal selalu dibatasi oleh bidang datar dengan jumlah dan kedudukan tertentu yang memenuhi hukum geometri. Bidang tersebut dikenal dengan istilah bidang muka Kristal. Yang mana bidang-bidang muka Kristal tersebut., baik letak maupun arahnya ditentukan oleh arah perpotongan dengan sumbu-sumbu Kristal (Alfredsson, 2004).
18
2.13.2 Pengujian CV (Cyclic Voltammetry)
CV (Cyclic Voltammetry) merupakan suatu jenis pengukuran elektrokimia potensiodinamik, dan merupakan salah satu metode elektrokimia yang paling sering digunakan dikarenakan relatif sederhana dan memiliki isi informasi yang tinggi. CV (Cyclic Voltammetry) sering digunakan untuk melihat proses difusi pengontrol dimana spesies elektroaktif masuk ke elektroda. Koefisien difusi kimia lithium ion dielektroda dihitung dari data CV. Singkatnya, CV (Cyclic Voltammetry) adalah alat yang nyaman untuk memperoleh informasi kualitatif tentang proses transfer elektron, serta metode cepat untuk memperoleh perkiraan yang baik dari potensi reduksi dan konstanta pembentukan (Sun, 2015).
Uji CV dapat digunakan juga untuk mengkonfirmasi keberadaan fasa hasil analisa XRD. Voltametri siklik adalah teknik yang paling banyak digunakan untuk memperoleh informasi kualitatif tentang reaksi elektrokimia. Pengujian voltametri siklik biasanya merupakan pengujian uji yang pertama kali dilakukan untuk mempelajari elektroanalitik karena dapat memberikan informasi yang cukup tentang dinamika proses redoks. Perubahan pada voltamogram siklik dapat disebabkan oleh persaingan reaksi kimia untuk produk hasil elektrokimia, ini dapat dijadikan informasi mengenai jalan reaksi. Parameter yang penting dalam voltamogram siklik adalah arus puncak dan potensial puncak yaitu keduanya berasal dari puncak katoda dan anoda (Joseph, 2000).
2.13.3 SEM (Scanning Electron Microscope)
Pada dasarnya SEM adalah alat yang dapat membentu bayangan permukaan specimen secara mikroskopik. Berkas elektron dengan diameter 5-10 nm, diarahan pada spesimen. Interaksi berkas elektron dengan spesimen menghasilkan beberapa fenomena yaitu hamburan balik berkas elektron, sinar-X, elektron sekunder, elektron auger, dan absorpsi elektron.
Teknik SEM pada hakikatnya merupakan pemeriksaan dan analisa permukaan.
Data atau tampilan yang diperoleh adalah data dari permukaan atau dari lapisan yang tebalnya sekitar 20 𝜇𝑚 dari permukaan. Gambar permukaan yang diperoleh merupakan topografi dengan segala tonjolan, lekukan dan lubang pada permukaan.
Gambar topografi diperoleh dari penangkapan elektron sekunder yang dipancarkan
Universitas Sumatera Utara
19
oleh spesimen. Sinyal elektron sekunder yang dihasilkan ditangkap oleh detektorkemudian diteruskan ke monitor pada monitor akan diperoleh gambar yang khas yang menggambarkan struktur permukaan spesimen.
Spesimen untuk SEM dapat berupa material yang tebal. Untuk pemeriksaan permukaan patahan (fraktograpi), permukaan diusahakan tetap seperti apa adanya, namun bersih dari kotoran, misalnya minyak dan debu. Selain itu permukaan spesimen harus bersifat konduktif. Jika spesimen merupakan suatu bahan isolator maka bahan perlu dilapisi dengan bahan konduktor (bahan penghantar) yang tipis.
Bahan pelapis yang biasa digunakan adalah emas, perak dan aliasi emas palladium.
Proses pelapisan dilakukan di dalam ruang penguapan vakum. Adanya material yang tidak konduktif, misalnya serat kertas atau kotoran di permukaan specimen akan menyebabkan terjadinya efek charging yang kelihatan berwarna sangat terang pada gambar SEM. Oleh karena itu permukaan spesimen harus bersih dari kotoran dan tidak terkontaminasi oleh keringat (Sutiani, 2009).
SEM merupakan salah satu jenis mikroskop elektron yang menggunakan berkas elektron untuk menggambarkan profil permukaan benda (Mikrajuddin dan Khairurrijal, 2009). Keuntungan dalam penggunaan SEM dari mikroskop optik yaitu perbesaran yang jauh lebih tinggi (>100.000 kali) dan kedalaman bidang yang lebih besar hingga 10 kali dari mikroskop optik (Hanke, 2001). Diagram skematik dan cara kerja SEM digambarkan sebagai berikut :
Gambar 2.6. Diagram Skematik Fungsi Dasar dan Cara kerja SEM (Sumber:
Syam, 2017)
Menurut Mikrajuddin dan Khairurrijal (2009), menyatakan prinsip kerja SEM adalah menembakkan permukaan benda dengan berkas elektron berenergi tinggi
20
seperti Gambar 2.7. Permukaan benda yang dikenai berkas akan memantulkan kembali berkas tersebut atau menghasilkan elektron sekunder ke segala arah. Tetapi ada satu arah dimana berkas dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Detektor didalam SEM mendeteksi elektron yang dipantulkan dan menentukan lokasi berkas yang dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Arah tersebut memberi infornasi profil permukaan benda seperti seberapa landau dan kemana arah kemiringan.
Pada saat melakukan pengamatan, lokasi permukaan benda yang ditembak dengan berkas elektron di-scan keseluruh area daerah pengamatan. Kita dapat membatasi lokasi pengamatan dengan melakukan zoom-in atau zoom-out.
Berdasarkan arah pantulan berkas pada berbagai titik pengamatan maka profil permukaan benda dapat di bangun menggunakan program pengolahan gambar yang ada dalam komputer. Syarat agar SEM dapat menghasilkan citra yang tajam adalah permukaan benda harus bersifat sebagai pemantul elektron atau melepaskan elektron sekunder ketika ditembakkan dengan berkas elektron. Material yang mempunyai sifat seperti logam.
Trewin (1988) (dalam Anggraeni, (2008)) menyatakan, SEM terdiri dari sebuah senapan elektron yang memproduksi berkas elektron pada tegangan dipercepat sebesar 2-30 kV. Berkas elektron tersebut dilewatkan pada beberapa lensa elektromagnetik untuk menghasilkan hasil image berukuran, ~ 10 nm pada sampel yang ditampilkan dalam bentuk film fotografi atau ke dalam tabung layar.
Universitas Sumatera Utara
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan selama 3 bulan, dimulai dari tanggal 03 Februari 2020 sampai 30 April 2020 di Pusat Penelitian Fisika (P2F) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Puspiptek Serpong Tangerang Selatan.
3.2 Alat dan Bahan Penelitian 3.2.1 Bahan Penelitian
1. LiOH.H2O
Fungsi : Sebagai sumber lithium untuk sintesis serbuk Li4Ti5O12. 2. TiO2
Fungsi : Sebagai sumber titanium untuk sintesis serbuk Li4Ti5O12. 3. Super P
Fungsi : Sebagai sumber karbon konduktif.
4. Al2O3
Fungsi : Sebagai sumber doping Al pada serbuk Li4Ti5O12. 5. Etanol Teknis
Fungsi : Untuk membersihkan peralatan penelitian yang digunakan.
3.2.2 Peralatan Penelitian 1. Neraca Digital
Fungsi : Untuk mengukur massa dari bahan.
2. Spatula
Fungsi : Untuk mengambil dan mengaduk bahan.
3. Cawan
Fungsi : Sebagai wadah/tempat dalam menimbang bahan.
4. Mortar dan Pastel
Fungsi : Sebagai wadah dan alat penggerus bahan.
5. Cruicible
22
Fungsi : Sebagai wadah untuk proses sintering.
6. Chumber Milling
Fungsi : Sebagai tempat meletakkan serbuk LTO.
7. Bola Milling
Fungsi : Sebagai alat untuk meratakan campuran bahan 8. Planetary Ball Miller
Fungsi : Untuk meratakan campuran dan pereduksi ukuran partikel bahan 9. Furnace
Fungsi : Sebagai alat yang digunakan untuk sintering bahan serbuk 10. XRD (X-Ray Diffraction) Rigaku tipe SmartLab 3 kW
Fungsi : Untuk mengetahui fasa dan struktur kristal material aktif.
11. WBCS battery cycler
Fungsi : Untuk karaterisasi sifat elektrokimia bahan aktif yang terdiri dari pengujian cyclic voltammetry.
12. SEM (Scanning Electron Microscope)
Fungsi : Untuk mengetahui struktur morfologi pada sampel.
3.3 Perhitungan Massa Bahan
Massa bahan material aktif Li4Ti5O12 yang digunakan dalam penelitian ini sebanyak 10 gram, perhitungan secara stoikiometri secara lengkap dapat dilihat pada lampiran 1. Berikut ini akan ditunjukkan pada tabel 3.1 massa bahan utama yang dibutuhkan untuk pembuatan serbuk LTO.
Tabel 3.1 Massa bahan utama yang dibutuhkan untuk pembuatan serbuk LTO.
Bahan Baku Massa Bahan
LiOH.H2O 3,65 gr
TiO2 8,70 gr
Al2O3 0,03 gr
Super P 0,43 gr
Universitas Sumatera Utara
23
3.4 Tahapan Penelitian
Penelitian yang dilakukan meliputi: proses sintesis bahan (penimbangan bahan, milling bahan, sintering bahan) dan karakterisasi bahan menggunakan XRD, SEM, dan CV.
3.5 Diagram Alir Metode Penelitian
Mulai
Perhitungan Stoikiometri dan Penimbangan Bahan
LiOH.H2O+TiO2
Dimilling Bahan
(Kecepatan= 20,00 Hz, t= 2 jam)
Digerus
Disintering 850˚C (t= 4 jam)
Dikarakterisasi
SEM
Analisa Data
Kesimpulan
Selesai
XRD Pengujian Cv
Sampel 2
LTO+ Al2O3+Carbon Super P
Sampel 3 LTO Pure Sampel 1
LTO+ Carbon Super P
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian
24
3.6 Prosedur Penelitian
3.6.1 Proses sintesis bahan serbuk LTO 1. Tahap Penimbangan Bahan
Ditimbang semua bahan baku sesuai hasil perhitungan stoikiometri menggunakan neraca digital dengan LiOH.H2O = 3,65 gram, TiO2 = 8,70 gram dan Dicampurkan setiap bahan kedalam mortar dan gerus kedua bahan menggunakan pastel sampai kedua bahan menjadi homogen.
2. Proses Milling Bahan Serbuk LTO
Disiapkan chumber milling sebagai tempat meletakkan serbuk LTO.
Dimasukkan serbuk LTO kedalam chumber milling. Ditimbang bola milling seberat 100 gr pada neraca digital. Dimasukkan bola milling yang sudah ditimbang ke dalam chumber milling dan tutup dengan rapat. Dimasukkan chumber milling ke dalam alat Planetary Ball Miller. Diatur waktu milling selama 2 jam dengan kecepatan 20,00 Hz. Diambil bahan yang sudah selesai di milling dan digerus menggunakan spatula hingga halus. Diletakkan bahan yang sudah digerus halus ke dalam plastik sampel.
3. Proses Sintering Bahan
Disiapkan alat Furnace untuk sintering bahan. Diambil sampel yang sudah di milling. Diletakkan sampel ke dalam cruisible. Dimasukkan cruisible kedalam alat furnace dan diatur dengan ketentuan: dari suhu ruangan (27-29oC) dinaikkan ke suhu 400oC ditahan selama 2 jam dan kemudian suhu dinaikkan kembali 850oC dan ditahan selama 2 jam. Dikeluarkan sampel dari furnace dan diambil sampel dari cruisible ke dalam mortar. Digerus sampel menggunakan pastel sampai halus dan merata. Diambil sedikit sampel untuk karakterisasi melalui alat XRD untuk mengetahui fasa dan struktur Kristal dari LTO.
3.6.2 Proses Penambahan Carbon Super P pada Serbuk LTO
Disiapkan peralatan yang diperlukan. Dimasukkan LTO kedalam chumber milling. Ditimbang Carbon Super P sebanyak 0,43 gram. Dimasukkan Carbon Super P yang telah ditimbang kedalam chumber milling. Dicampur secara merata LTO dan Carbon Super P. Ditimbang bola milling seberat 100 gr pada neraca digital.
Universitas Sumatera Utara
25
Dimasukkan bola milling yang sudah ditimbang ke dalam chumber milling dan tutup dengan rapat. Dimasukkan chumber milling ke dalam alat Planetary Ball Miller.
Diatur waktu milling selama 2 jam dengan kecepatan 20,00 Hz. Diambil bahan yang sudah selesai di milling dan digerus menggunakan spatula hingga halus. Diletakkan bahan yang sudah digerus halus ke dalam plastik sampel.
3.6.3 Proses Penambahan Doping pada Serbuk LTO/C
Disiapkan peralatan yang diperlukan. Dimasukkan LTO/C kedalam chumber milling. Ditimbang Al2O3 sebanyak 0,33255 gram. Dimasukkan Al2O3 yang telah ditimbang kedalam chumber milling. Dicampur secara merata LTO/C dan Al2O3.
Ditimbang bola milling seberat 100 gr pada neraca digital. Dimasukkan bola milling yang sudah ditimbang ke dalam chumber milling dan tutup dengan rapat.
Dimasukkan chumber milling ke dalam alat Planetary Ball Miller. Diatur waktu milling selama 2 jam dengan kecepatan 20,00 Hz. Diambil bahan yang sudah selesai di milling dan digerus menggunakan spatula hingga halus. Diletakkan bahan yang sudah digerus halus ke dalam plastik sampel.
Disiapkan alat Furnace untuk sintering bahan. Diambil sampel yang sudah di milling. Diletakkan sampel ke dalam cruisible. Dimasukkan cruisible kedalam alat furnace dan diatur dengan ketentuan: dari suhu ruangan (27-29oC) dinaikkan ke suhu 400oC ditahan selama 2 jam dan kemudian suhu dinaikkan kembali 850oC dan ditahan selama 2 jam. Dikeluarkan sampel dari furnace dan diambil sampel dari cruisible dan diletakkan ke dalam mortar. Digerus sampel menggunakan pastel sampai halus dan merata. Diambil sedikit sampel untuk karakterisasi melalui alat XRD untuk mengetahui fasa dan struktur Kristal dari LTO/C dengan penambahan doping Al2O3.
