4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1 Baterai Lithium-Ion
Baterai lithium ion telah dikembangkan menjadi sumber tenaga listrik yang digunakan untuk berbagai kebutuhan elektronik seperti pada alat-alat listrik, kendaraan listrik, dan alat elektronik portabel, sebab baterai lithium ion memiliki energi densitas yang tinggi, potensial kerja yang tinggi dan umur pemakaian yang panjang. Baterai Lithium ion memiliki 4 komponen, yaitu:
a. Katoda
Katoda adalah elektroda positif yang berkaitan dengan reaksi reduksi setengah sel yang menerima elektron dari sirkuit luar. Terdapat banyak sekali katoda yang digunakan pada baterai lithium ion, antara lain lithium nickel cobalt alumunium (LiAl0.05Co0.15Ni0.8O2), lithium mangan oxide (LiMn2O4), lithium cobalt oxide (LiCoO2) dan lithium iron phospate (LiFePO4).
b. Anoda
Anoda adalah elektroda negatif yang berkaitan dengan reaksi oksidasi setengah sel yang melepaskan elektron ke dalam sirkuit eksternal.
c. Separator
Komponen ini berfungsi sebagai penghalang antara elektroda untuk menjamin tidak terjadinya hubungan pendek yang bisa menyebabkan kegagalan dalam baterai.
d. Larutan elektrolit
Larutan elektrolit berfungsi sebagai material yang mampu menjadi penghubung reaksi.
5 Gambar II.1 Komponen Baterai Lithium Ion
(www.4muda.com)
II.2 Baterai NCA (LiNi0.80Co0.15Al0.05O2)
Baterai NCA tersusun atas beberapa komponen senyawa yaitu alumina, nikel, dan kobalt. NCA adalah bahan katoda yang sangat menjanjikan karena memiliki kepadatan energi spesifik tinggi, densitas daya spesifik dan berumur panjang dibandingkan dengan LiCoO2. Energi spesifik NCA mencapai 180-200 Wh / kg dan tegangan antara 3.0-4.2 V / sel (Purwanto, 2018). Namun material katoda NCA ini memiliki biaya produksi yang tidak murah serta tidak ramah lingkungan. Terdapat beberapa metode yang digunakan untuk mensintesis katoda NCA, diantaranya meliputi: sintesis kimia padat (Solid State Reaction), metode sol-gel, kristalisasi, dan teknologi Flame Assisted Spray Pyrolysis.
Gambar II.2 Struktur Atom Katoda NCA
(Wiryawan,2017)
6 1. Sifat Fisika:
- Strukturnya berlapis - Susunan atom hexagonal - Memiliki kekristalan tinggi - Berwarna hitam
- Densitas : 1,6-2,5 g/mL
- Spesifik energy : 200-260 Wh/kg
- Tegangan : 3,0 – 4,2 V/cell
- Performa elektrokimia optimal : 2,8 – 4,5 V
(Zhuang,2014) 2. Sifat Kimia:
- Kapasitas teoritis : 279 mAh
- Kapasitas kerja : 200 mAh/g
- Kandungan nikel tinggi dibandingkan kandungan kobalt - Logam Ni, Co dan Al memiliki bilangan oksidasi 3+
- Memiliki laju pengisian daya 0,1 C mA/g diperoleh kapasitas siklus dan retensi kapasitas >50%. Kapasitas spesifik 200 mAh/g dengan kemampuan cycling sebesar 1000
(Zhuang,2014)
II.3 Metode Pembuatan Material Katoda II.3.1 Solid State Synthesis
Salah satu metode yang sering digunakan untuk pembuatan material katoda adalah metode solid state. Metode solid state merupakan suatu cara yang dilakukan dengan mereaksikan padatan dengan padatan lainnya dengan suhu yang tinggi bahkan mencapai 1000oC hingga 1500 oC, hal ini dilakukan karena padatan tidak akan bereaksi pada suhu kamar, tetapi pada suhu tinggi padatan juga akan mengalami laju reaksi yang tinggi pula. Metode solid state biasanya digunakan untuk produksi masal, struktur lanjut, seperti keramik khusus. Metode ini merupakan metode yang paling banyak digunakan dalam sintesis senyawa anorganik. Hal ini dikarenakan metodenya yang sederhana dan tidak banyak
7 menggunakan prekursor. Sedangkan kelemahan dari metode ini diantaranya membutuhkan temperatur yang tinggi, waktu reaksi yang sangat panjang, dan produk sulit untuk diatur homogenitasnya (Febriani, 2018).
II.3.2 Kopresipitasi
Sintesis material metode kopresipitasi merupakan pembuatan prekusor pada fase cair. Pada metode ini, reaktan dalam bentuk garam yang dilarutkan di air dan dicampurkan secara bersama-sama. Kemudian terjadi pengendapan dari logam-logamnya, lalu disaring dan dikalsinasi, biasanya menggunakan presipitan seperti NaOH, dan Na2CO3. Presipitasi juga dapat dipercepat dengan cara mengurangi kadar zat pelarutnya atau dengan menambahkan agen presipitasi.
Faktor yang memengaruhi metode ini yaitu konsentrasi, presipitan, suhu, pH, dan penghelat. Kopresipitasi merupakan metode yang disukai karena kemampuannya untuk menghasilkan bahan dengan homogenitas tinggi tanpa membutuhkan peralatan canggih selama proses sintesis (Purwanto, 2018). Namun metode ini memiliki kelemahan, diantaranya waktu sintering yang cukup lama dan diperlukannya agen penghelat untuk memastikan material telah homogen.
II.3.3 Flame Assisted Spray Pyrolysis
Flame Assisted Spray Pyrolysis adalah metode untuk memperoleh bubuk
dengan menyemprotkan larutan prekursor pada permukaan yang dipanaskan.
Komponen dalam larutan prekursor perlu dipilih sedemikian rupa sehingga produk yang diinginkan adalah murni. Sementara senyawa lain yang tidak diinginkan mudah menguap pada suhu pengendapan yang disukai (Purwanto, 2018). Metode ini sangat efektif untuk menghasilkan partikel keramik halus dengan fase kristal yang sangat baik dalam waktu singkat. Dibandingkan dengan partikel yang dihasilkan dengan metode solid state konvensional, distribusi ukuran partikel lebih sempit dengan dikontrol dari micrometer ke kisaran submicrometer, kemurnian produk yang tinggi, dan proses sintesis dari bubuk mudah untuk dikontrol (Zhang, 2012).
8 Keterangan :
1. Larutan prekursor 2. Syring pump 3. Kompressor 4. Air Brush 5. Gas LPG 6. Flame glass 7. Colector glass
microfiber filter
Gambar II.3 Metode Flame Assisted Spray Pyrolysis II.4 Asam Organik Dalam Larutan Prekursor
II.4.1 Asam Malat (C4H6O5)
Asam malat (malic acid) adalah asam dikarboksilat yang memberikan rasa asam dan getir dalam berbagai buah seperti apel hijau dan anggur. Jenis asam ini memiliki rantai senyawa dasar yang mencakup atom karbon terikat dengan ikatan ganda atom oksigen serta senyawa hidroksida Asam malat merupakan senyawa organik yang memiliki rumus kimia C4H6O5. Asam malat merupakan senyawa alami yang ditemukan dalam banyak buah.
1. Sifat Fisika:
- Berwarna putih
- Berat molekul: 134,09 gram/mol - Titik beku : 10 C
- Titik didih : 140 C - Bau : tidak berbau - Densitas : 1,6 gram/cm3
9 2. Sifat Kimia:
- Kontak langsung (paparan) dengan asam malat yang bersifat kering dan larut, akan mengakibatkan iritasi pada mata.
- Kontak langsung pada lingkungan (kontrol paparan lingkungan) dengan asam malat sebaiknya jauhkan dari saluran air, air permukaan dan air tanah, karena asam malat bersifat kering dan larut
II.4.2 Asam Sitrat (C6H8O7) 1. Sifat Fisika :
- Berat molekul : 192 gr/mol - Spesific gravity - C
- C
- Kelarutan dalam air : 207,7 gr / 100 mL ( 25° C )
- Pada titik didihnya asam sitrat terurai ( terdekomposisi )
- Berbentuk kristal berwarna putih, tidak berbau, dan memiliki rasa asam.
2. Sifat Kimia :
- Kontak langsung (paparan) dengan asam sitrat yang bersifat kering dan larut, akan mengakibatkan iritasi pada kulit dan mata.
- Mampu mengikat ion-ion logam sehingga dapat digunakan sebagai pengawet dan kesadahan dalam air.
- Keasaman pada asam sitrat, didapatkan dari gabungan tiga gugus karboksi-COOH yang dapat melepas proton dalam larutan. Asam sitrat dapat berupa kristal anhidrat yang bebas air atau berupa kristal monohidrat yang mengandung satu molekul air untuk setiap molekulnya.
- Bentuk anhidrat asam sitrat mengkristal dalam air panas, sedangkan bentuk monohidrat didapatkan dari kristalisasi asam sitrat dalam air dingin.
10 - Bentuk monohidrat asam sitrat dapat diubah menjadi bentuk,
anhidrat dengan pemanasan pada suhu 70 – 75° C
- Jika dipanaskan diatas suhu 175°C akan terurai/terdekomposisi dengan melepaskan karbon dioksida (CO2) dan air (H2O).
( Rohma, A.2015 )
II.5 Pengujian Bahan Katoda NCA II.5.1 Uji XRD
Uji XRD (X-Ray Diffractometer) bertujuan untuk menentukan sistem kristal dari katoda NCA. Metode difraksi sinar-X dapat menerangkan parameter kisi, jenis struktur, susunan atom yang berbeda pada kristal, adanya ketidaksempurnaan pada kristal, orientasi, butir-butir, dan ukuran butir (Smallman, 1991).
II.5.2 Uji SEM
Uji SEM (Scanning Electron Microscopy) digunakan untuk mengetahui struktur morfologi nanopartikel dari katoda NCA. Morfologi nanopartikel dari uji SEM dapat berupa bentuk dan ukurannya dengan berbagai macam variasi laju alir.
II.5.3 Uji FTIR
Uji FTIR (Fourier Transform Infra Red) merupakan salah satu alat yang digunakan untuk menganalisa gugus fungsi dan senyawa kimia. Spektra inframerah suatu senyawa dapat memberikan gambaran dan struktur molekul senyawa tersebut. Spektra IR dapat dihasilkan dengan mengukur absorbsi radiasi, refleksi atau emisi di daerah IR.
II.5.3 Uji Performa Elektrokimia (Charge dan Discharge)
Uji performa elektrokimia berfungsi untuk menguji kapasitas charge (pengisian) dan discharge (pengosongan), efisiensi dan stabilitas baterai lithium ion. Pada saat pengisian (charging) ion lithium mengalir dari katoda ke anoda.
Sedangkan saat pengosongan (discharging) ion lithium akan kembali berpindah dari anoda ke katoda. Sedangkan, di luar sirkuit elektron mengalir dari katoda
11 menuju anoda, bersamaan dengan itu listrik pun mengalir. Ion akan mengalir dengan perantara elektrolit dan melewati separator. Kemampuan kapasitas energi yang tersimpan dalam baterai lithium tergantung pada beberapa banyak ion litium yang dapat disimpan dalam struktur bahan elektrodanya dan berapa banyak yang dapat digerakkan dalam proses charging dan discharging.
II.6 Pemilihan Grafit Sebagai Bahan Anoda
Anoda adalah elektroda negatif yang berkaitan dengan reaksi oksidasi setengah sel yang melepaskan elektron ke dalam sirkuit eksternal. Lembaran anoda biasanya berupa tembaga (Cu foil). Salah satu bahan yang digunakan sebagai bahan anoda adalah material yang berbasis karbon, seperti grafit (LiC6).
Grafit dipilih sebagai bahan anoda karena grafit memiliki kemampuan menyimpan dan melepas muatan/ion yang baik, memiliki tingkat siklus pemakaian yang lama, mudah untuk di proses, aman dalam pemakaian (tidak mengandung racun) dan harganya murah.
