PENGARUH SOLID CONTENT PADA KINERJA
ELEKTROKIMIA ANODA GRAFIT BATERAI ION LITHIUM
SKRIPSI
LEYONI METANENCYA BUTARBUTAR 170801089
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N
2021
PENGARUH SOLID CONTENT PADA KINERJA
ELEKTROKIMIA ANODA GRAFIT BATERAI ION LITHIUM
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains
LEYONI METANENCYA BUTARBUTAR 170801089
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2021
PERNYATAAN ORISINALITAS
PENGARUH SOLID CONTENT PADA KINERJA
ELEKTROKIMIA ANODA GRAFIT BATERAI ION LITHIUM
SKRIPSI
Saya menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, 2021
Leyoni Metanencya Butarbutar
170801089
ii
PENGARUH SOLID CONTENT PADA KINERJA
ELEKTROKIMIA ANODA GRAFIT BATERAI ION LITHIUM
ABSTRAK
Baterai isi ulang telah diterapkan di sebagian besar perangkat elektronik portabel.
Baterai lithium-ion (LIB), sebagai sumber daya utama, mendominasi pasar perangkat portabel karena kepadatan energinya yang tinggi, umur simpan yang lama, dan pengoperasian yang ramah lingkungan. Dalam baterai lithium-ion yang dapat diisi ulang, terdapat empat komponen utama, salah satunya adalah anoda. Bahan anoda yang digunakan adalah grafit komersial. Dengan demikian, penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh pelarut yang mengandung padatan terhadap kinerja baterai. Pembahasan utama dalam penelitian ini adalah menganalisis pengaruh variasi pelarut N,N Dimethyl Acetamide (DMAC) terhadap karakteristik lembaran dan perbedaan solid content lembaran anoda grafit terhadap kinerja baterai. Identifikasi fasa yang terbentuk dilakukan dengan XRD, reaksi reduksi dan oksidasi dengan uji voltametri siklik, kapasitas baterai dengan uji charge/discharge, dan mempelajari karakteristik elektrokimia bahan elektroda dengan uji spektroskopi impedansi elektrokimia. Karakteristik fisik lembaran anoda terbaik diperoleh dengan mencampur pelarut DMAC 2,5 mL pada ketebalan 0,07 mm dengan kandungan padatan 25%.
Hasil uji charge-discharge menunjukkan kapasitas spesifik sebesar 309,33 mAh/g pada siklus pertama.
Kata kunci : Baterai Ion Lithium, Grafit, Solid Content, Kapasitas Spesifik
iii
THE EFFECT OF SOLID CONTENT ON ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE OF LITHIUM ION BATTERY
GRAPHITE ANODES
ABSTRACT
Rechargeable batteries have been implemented in the most of portable electronic devices. Lithium-ion batteries (LIB), as the main power source, dominate the portable device market due to their high energy density, long shelf life, and environmentally friendly operation. In a rechargeable lithium-ion battery, there are four main components, one of which is the anode. The anode material used is commercial graphite. Thus, this study aims to determine the effect of solvents containing solids on battery performance. The main discussion in this research is to analyze the effect of solvent variations of N, N Dimethyl Acetamide (DMAC) on sheet characteristics and differences in the solid content of graphite anode sheets on battery performance.
Identification of the formed phase was carried out by XRD, reduction and oxidation reactions by cyclic voltammetry test, battery capacity by charge/discharge test, and studying the electrochemical characteristics of the electrode material by electrochemical impedance spectroscopy test. The best physical characteristics of the anode sheet were obtained by mixing 2.5 mL DMAC solvent at a thickness of 0.07 mm with a solid content of 25%. The results of the charge-discharge test showed a specific capacity of 309.33 mAh/g in the first cycle.
Keywords: Lithium Ion Battery, Graphite, Solid Content, Specific Capacity
iv
PENGHARGAAN
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan perlindunganya- Nya, penulis mampu menyelesaikan skripsi yang berjudul “Pengaruh Solid Content pada Kinerja Elektrokimia Anoda Grafit Baterai Ion Lithium”. Penelitian ini dilaksanakan di Pusat Penelitian Fisika (P2F) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Serpong Tangerang Selatan. Skripsi ini disusun sebagai syarat akademis dalam menyelesaikan studi program Sarjana (S1) Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara.
Berkat dan anugerah-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini serta dengan bantuan tenaga, pikiran, sarana, dan dana dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati, penulis mengucapkan Terima Kasih kepada Bapak Drs. Aditia warman, M.Si selaku Dosen Pembimbing yang memberikan arahan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini. Terima Kasih kepada Bapak Slamet Priyono, S.Si, M.T selaku Dosen Pembimbing di LIPI yang dengan sabar memberikan Ilmu serta bimbingan maupun bantuan selama penyusunan skripsi ini.
Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Ibu Dr. Susilawati, M.Si dan Bapak Yuan Alfinsyah Sihombing S.Pd, M.Sc selaku dosen pembanding atas kritik dan saran yang diberikan.
Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Ferdinan Sinuhaji, M.S selaku Ketua Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara dan seluruh staf pengajar beserta pegawai administrasi di Departemen Fisika yang telah memberikan fasilitas kepada penulis selama perkuliahan.
Penulis ingin menyampaikan terima kasih sebesar-besarnya kepada kedua
orangtua, Bapak H. Butarbutar dan Ibu R. Sihombing atas doa dan dukungan yang telah diberikan hingga penyelesaian skripsi ini. Penulis juga mengucapkan
Terima kasih kepada Bapatua, Matua, Adik, Sepupu serta seluruh keluarga besar
penulis yang telah memberi dukungan moral dan materi kepada penulis selama proses
perkuliahan sampai penyelesaian skripsi ini.
v Terima Kasih penulis ucapkan kepada sahabat-sahabat seperjuangan dari awal perkuliahan hingga sampai skripsian ini. Terima Kasih kepada kakak Fisika 2016 yang tak bisa penulis sebutkan satu persatu untuk bantuan dan dukungannya.
Dan terima kasih juga untuk seluruh sahabat-sahabat yang selalu mendoakan dan memberikan dukungan serta motivasi yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Kiranya Tuhan senantiasa membalas semua kebaikan yang telah diberikan. Semoga penelitian ini dapat bermanfaat bagi peneliti umumnya kepada pembaca.
Medan, 30 Juli 2021
Leyoni Metanencya Butarbutar
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 Batasan Masalah 4
1.4 Tujuan Penelitian 4
1.5 Manfaat Penelitian 4
1.6 Sistematika Penulisan 5
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Baterai 6
2.1.1 Pengertian Baterai 6
2.1.2 Jenis-Jenis Baterai 6
2.1.3 Parameter Baterai 7
2.2 Baterai Ion Lithium 9
2.2.1 Pengertian Baterai Ion Lithium 9
2.2.2 Komponen Utama Baterai Lithium 10
2.2.3 Prinsip Kerja Baterai Lithium 11
2.3 Material Anoda 12
2.4 Material Tambahan Penyususn Anoda Baterai 13
2.4.1 Polivinilidena Fluorida (PVDF) 13
2.4.2 Super-P 14
2.4.3 Grafit 15
2.4.4 Pelarut N-N Dimethyl acetamide (DMAC) 16 2.4.5 Elektrolit Lithium hexafluorophosphate (LiPF
6) 16
2.4.6 Lithium-Metal 17
2.5 Cu Foil 18
2.6 Karakterisasi dan Pengujian 18
2.6.1 Analisis Struktur Kristal dengan XRD 19 2.6.2 Pengujian Cyclic Voltammetry (CV) 20
2.6.3 Pengujian Charge Discharge (CD) 21
2.6.4 Pengujian Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) 22
vii BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian 23
3.2 Alat dan Bahan Penelitian 23
3.2.1 Alat-alat Penelitian 23
3.2.2 Bahan Penelitian 24
3.2.3 Perhitungan Massa Bahan 25
3.3 Diagram Alir Metode Penelitian 26
3.4 Tahapan Penelitian 27
3.4.1 Pembuatan Slurry Material Aktif Grafit 27
3.4.2 Cetakan Lembaran Anoda Grafit 28
3.4.3 Proses Pembuatan Coin Cell 29
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisa XRD Grafit 30
4.2 Pembuatan Lembaran Anoda Grafit Baterai Lithium 31
4.3 Analisa Pengujian Cyclic Voltammetry 33
4.4 Analisa Pengujian Charge Discharge 35
4.5 Analisa Pengujian Electrochemical Impedance Spectroscopy 38 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
4.1 Kesimpulan 40
4.2 Saran 40
DAFTAR PUSTAKA 41
LAMPIRAN 44
viii
DAFTAR TABEL
Nomor Tabel
Judul Halaman
3.1 Perbandingan komposisi bahan untuk pembuatan lembaran anoda
25 4.1 Data untuk tiga puncak tertinggi dan indeks miller grafit 31
4.2 Hasil pengukuran kristalit 31
4.3 Perbandingan komposisi bahan untuk pembuatan lembaran anoda
33
4.4 Nilai konduktivitas dari keempat sampel grafit 39
ix
DAFTAR GAMBAR
No Judul Halaman
2.1 Prinsip kerja dasar baterai lithium-ion (Li-ion) 12
2.2 Struktur PVDF 13
2.3 (a) Struktur grafit yang terdiri dari lapisan graphene (b) Struktur graphene
15
2.4 Cu Foil 18
2.5 Sinar yang masuk terdifraksi oleh bidang atom 19 3.1
3.2
Diagram alir penelitian
(a) penimbangan bahan (b) hot plate dan sttirer bahan (c) slurry
26 27
3.3 Lembaran anoda Grafit 28
3.4 Pembuatan Coin Cell 29
4.1 Grafik hubungan difraksi (2θ(
o)) terhadap intensitas (Cps) pada hasil XRD Grafit
30 4.2 Hasil lembaran anoda grafit (A) 17,85%(0,1 mm), (B) 20,8 %
(0,1 mm), (C)25% (0,07 mm), (D) 25 % (0,1 mm)
32 4.3 Voltamogram siklik pada sampel (A) 17,85%(0,1 mm), (B) 20,8
% (0,1 mm), (C)25% (0,07 mm), (D) 25 % (0,1 mm)
34 4.4 Kurva charge dan discharge anoda grafit A) 17,85%(0,1 mm),
(B) 20,8 % (0,1 mm), (C)25% (0,07 mm), (D) 25 % (0,1 mm)
36 4.5 Performa Baterai pada charge-discharge dalam tiga siklus 37 4.6 Grafik EIS anoda grafit pada sampel (A) 17,85%(0,1 mm), (B)
20,8 % (0,1 mm), (C)25% (0,07 mm), (D) 25 % (0,1 mm)
38
x
DAFTAR LAMPIRAN
No Lampiran
Judul Halaman
1 Perhitungan komposisi bahan, ukuran kristalit dan kapasitas spesifik
44
2 Bahan dan Alat penelitian 48
3 Proses pembuatan baterai lithium 40
4 Hasil Pengujian 51
xi
DAFTAR SINGKATAN
XRD X-Ray Diffraction
CV Cyclic Voltammetry
CD Charge Discharge
EIS Electrochemical Impedance Spectroscopy
SEI Solid Electrolyte Interphase
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Meningkatnya kebutuhan energi seiring dengan kemajuan zaman. Keadaan seperti ini menunjukkan tingkat kebutuhan pada baterai juga semakin meningkat.
Baterai memiliki biaya rendah, umur pakai yang panjang, aman serta ramah lingkungan sehingga dapat diandalkan. Baterai sekarang ini sangat diminta untuk memenuhi beberapa tuntutan penting dari masyarakat modern, yang memenuhi kebutuhan dan permintaan sumber daya untuk berbagai macam perangkat elektronik konsumen portable.
Dalam hal ini, perangkat portable dengan fungsi yang berbeda-beda membutuhkan sumber daya dengan efisiensi tinggi untuk mempertahankan penggunaannya. Sekarang ini, baterai isi ulang telah diterapkan di sebagian besar perangkat elektronik portable. Baterai lithium-ion (LIB), sebagai sumber tenaga utama yang mendominasi pasar perangkat portable karena kepadatan energinya yang tinggi, umur simpan yang panjang dan pengoperasian yang ramah lingkungan. Untuk memenuhi portabilitas pasar, pengembangan baterai lithium menciptakan baterai yang ringan, tipis, fleksibel dan kecil. Sementara saat ini jenis baterai yang banyak digunakan masih terlalu berat, tebal, kaku dan besar (Zhou et al., 2014).
Dalam beberapa tahun terakhir, banyak upaya penelitian telah dilakukan untuk meningkatkan baterai isi ulang dan mengembangkan baterai baru menggunakan bahan baru, teknik yang canggih, dan kimia energi yang muncul. Selanjutnya, banyak sistem baterai baru juga sedang dieksplorasi. Dalam Hal ini baterai lithium menjadi objek penelitian dengan tujuan lebih meningkatkan sifat dan karakterisasinya. Salah satu komponen dalam sistem sel baterai lithium adalah anoda. (Liang, 2019).
Dan terlepas dari upaya penelitian ekstensif untuk menemukan alternatif yang
sesuai dengan daya atau kepadatan energi yang ditingkatkan, dengan tetap menjaga
stabilitas siklus yang sangat baik, grafit masih digunakan di sebagian besar baterai
lithium-ion komersial yang tersedia saat ini. Pengembangan anoda berbasis grafit,
menggantikan karbon lunak dan keras yang awalnya digunakan, karena sifat
tegangannya rendah dan kapasitas (teoritis) tinggi sebesar 372 mAhg
− 1. Motivasi utama untuk memilih bahan ini karena berbiaya rendah, operasional tegangan rendah serta konduktivitas listrik dan stabilitas termalnya yang tinggi (Asenbauer et al., 2020).
Pada penelitian sebelumnya telah dilakukan oleh Yuni (2015) yaitu membuat lembaran anoda dengan material aktif yang digunakan berupa serbuk natural grafit.
Selain itu, akan dilakukan variasi komposisi pelarut N,N Dimethyl Acetamide (DMAC) yang digunakan untuk membuat lembaran anoda. Bahasan utama dalam penelitian tersebut adalah menganalisa pengaruh variasi pelarut N,N Dimethyl Acetamide (DMAC) dengan material aktif 37,5%, 33,3% dan 30% untuk melihat kapasitas baterai. Slurry yang optimal diperoleh dari pencampuran serbuk PVDF, Serbuk Acytilen Black (AB) dan Natural graphite yaitu pencampuran 30% berat pelarut DMAC. Lembaran anoda yang paling baik diperoleh dengan menggunakan 30%
pelarut DMAC dengan serbuk natural graphite tanpa kalsinasi dan mengetahui pengaruh pelarut N,N Dimethyl Acetamide (DMAC) terhadap performa baterai. Hasil dari uji performa baterai tidak menunjukkan bahwa semakin tebal lembaran maka semakin baik kapasitasnya.
Pada penelitian Kartika (2015) melakukan pembuatan baterai lithium menggunakan bahan aktif mesocarbon microbead (MCMB) sebagai anoda dengan variasi persentase berat pelarut N,N Dimethyl Acetamide (DMAC) sebesar 42,85%, 33,33%, 27,27% terhadap material aktifnya untuk melihat performa anoda baterai dengan membandingkan baterai yang dibuat dengan MCMB kalsinasi 5000C dan MCMB tanpa kalsinasi. Pembuatan lembaran anoda baterai menggunakan MCMB sebagai material aktif, Polyvinylidene Flouride (PVDF) sebagai binder dan Acetylenene Black (AB) sebagai zat aditif. Hasil yang diperoleh serbuk MCMB tanpa kalsinasi memiliki struktur kristal berbentuk heksagonal dengan komposisi grafit yang belum 100%. Lembaran anoda yang paling baik dihasilkan dari pencampuran dengan persentase berat pelarut 33,33% DMAC dengan serbuk MCMB tanpa kalsinasi.
Pada penelitan Satia (2019) melakukan analisis hasil pengujian elektroda
Grafit /C/CMC dengan variasi metode deposisi untuk aplikasi baterai ion lithium dan
dan diuji karakteristiknya dalam model sel baterai. CMC (Carboxy Methyl Cellulose)
digunakan sebagai perekat (host) dari bahan aktif grafit untuk mendapatkan film
dengan sifat mekanik yang baik. Anoda dibuat dengan mencampurkan bahan
grafit/C/CMC dengan pelarut H
2O kemudian dideposisikan di atas substrat copper foil menjadi lapisan tipis dengan menggunakan metode solution casting dan metode spraying. Hasil pengujian umur pakai sel baterai diperoleh siklus terbanyak pada sampel grafit dengan metode deposisi Spraying konsentrasi 0,2 gram/mL dengan jumlah 691 siklus.
Pada penelitian ini, akan membuat lembaran anoda dengan material aktif grafit komersial. Pembuatan lembaran anoda grafit ini diaplikasikan dalam baterai setengah cell dengan bentuk coin cell. Selain itu, akan dilakukan variasi komposisi pelarut N,N Dimethyl Acetamide (DMAC) yang digunakan untuk membuat lembaran anoda.
Penggunaan pelarut akan memberikan efek kekentalan pada bubur, yaitu hasil pencampuran komposisi bahan atau disebut dengan slurry. Dari variasi pelarut dan ketebalan yang berbeda akan dilihat perbandingan solid content yang mempengaruhi kinerja baterai ion lithium. Kemudian lembaran anoda di potong dengan diameter 16 cm, dengan separator polyetilene, serta LiPF
6sebagai elektrolit yang kemudian dibentuk kedalam baterai lithium berbentuk coin cell. Uji karakteristik serbuk dilakukan dengan XRD. Uji performa baterai mencakup uji cyclic voltamemetry, charge/discharge dan electrocemical impedance spectroscopy. Penelitian ini diharapkan dapat membantu, untuk menentukan komposisi pada saat pembuatan slurry sehingga menghasilkan solid content yang bagus dan membuat ketebalan lembaran yang pas serta menghasilkan kinerja baterai yang bagus.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Bagaimana pembuatan lembaran anoda dengan grafit sebagai filler, Super-P sebagai bahan aditif, Polyvinylidene Fluoride (PVDF) sebagai matriks polimer, dan N,N Dimethyl Acetamide (DMAC) sebagai pelarut?
2. Bagaimana pengaruh variasi pelarut terhadap karakteristik fisik lembaran?
3. Bagaimana pengaruh perbedaan solid content lembaran anoda terhadap
kinerja baterai?
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Pembuatan lembaran anoda menggunakan komposisi Grafit, PVDF, Super-P dan pelarut DMAC.
2. Komposisi pembuatan slurry dengan menggunakan perbandingan material Grafit, PVDF dan Super-P berturut-turut sebagai berikut 80% : 10% : 10%.
Dan variasi pelarut DMAC yang digunakan sebesar 3,5 mL, 3 mL, 2,5 mL dan 2,5 mL.
3. Perbandingan solid content dari empat sampel sebesar 17,8% (0,1 mm), 20,8% (0,1 mm), 25% (0,07 mm), 25% (0,1 mm).
4. Pengujian karakteristik serbuk dilakukan dengan alat XRD, sedangkan
pengujian performa baterai yaitu uji cyclic voltammetry (CV), charge/ discharge (CD) dan electrochemical impedance spectoscopy (EIS).
1.4 Tujuan penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Untuk membuat lembaran anoda dengan komposisi grafit sebagai filler, Super-P sebagai bahan aditif, Polyvinylidene Fluoride (PVDF) sebagai matriks polimer, dan N,N Dimethyl Acetamide (DMAC) sebagai pelarut.
2. Untuk mengetahui pengaruh variasi pelarut DMAC terhadap karakterisrik fisik lembaran anoda.
3. Untuk mengetahui pengaruh perbedaan solid content lembaran anoda grafit terhadap kinerja baterai.
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi yang positif terhadap
perkembangan penelitian baterai mengenai pengaruh solid content pada kinerja
elektrokimia anoda grafit baterai ion lithium.
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, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian dan manfaat penelitian serta sistematika penulisan.
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.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Baterai
2.1.1 Pengertian Baterai
Perangkat yang mengubah energi kimia yang tersimpan dalam bahan aktif menjadi energi listrik disebut sebagai baterai. Pada dasarnya, baterai merupakan kombinasi dari elektroda dalam suatu zat elektrolit yang memungkinkan suatu pertukaran ion terjadi untuk menghantarkan listrik. Dimana baterai mengandung elektroda positif (katoda) dan elektroda negatif (anoda). Baterai listrik pada perangkat yang dapat diisi ulang adalah perangkat yang digunakan untuk menyimpan energi sebagai sistem tenaga (Keshan et al., 2016).
2.1.2 Jenis-Jenis Baterai
Baterai diidentifikasi sebagai primer (tidak dapat diisi ulang) atau sekunder (dapat diisi ulang) tergantung pada kemampuan dan ketidakmampuan baterai untuk diisi ulang.
1. Baterai primer
Baterai ini tidak dapat diisi ulang atau dengan penggunaan sekali pakai saja. Baterai primer memiliki batasan untuk mengisi ulang serta memiliki kendala pada energi aktivasi, reaksi samping yang merusak, masalah keamanan, efisiensi energi, biaya dan lainnya. Karenanya, baterai ini tidak cocok untuk diisi ulang. Baterai primer merupakan sumber energi kemasan yang nyaman, biasanya murah, dan ringan untuk perangkat elektronika serta berbagai aplikasi lainnya. Keuntungan umum dari baterai primer yaitu memiliki masa simpan yang baik dan kepadatan energi tinggi. Baterai primer berkapasitas tinggi digunakan dalam aplikasi militer, persinyalan dan daya siaga. Sebagian besar baterai primer berukuran kecil dan berbentuk kaleng silinder sel tunggal.
2. Baterai sekunder
Baterai sekunder dapat diisi ulang secara elektrik, setelah dikosongkan. Baterai ini
Merupakan perangkat penyimpanan energi listrik dan juga dikenal sebagai baterai penyimpanan atau akumulator. Namun, dalam beberapa kasus, seperti asam timbal dan sel lithium ion, baterai diproduksi dalam keadaan habis dan harus benar-benar diisi sebelum bisa berfungsi.
Aplikasi baterai sekunder terbagi dalam dua kategori utama:
a. Penyimpanan energi untuk daya cadangan atau penggunaan sesekali. Baterai disambungkan secara elektrik dan tetap diisi oleh sumber energi utama dan mengirimkan energi ke beban untuk melengkapi sistem tenaga utama. Contohnya adalah daya darurat dan siaga.
b. Pasokan energi primer. Baterai sekunder digunakan atau habis pada dasarnya sebagai baterai primer, tetapi diisi ulang setelah digunakan daripada dibuang.
Contohnya termasuk elektronik konsumen portable, perkakas listrik, dan lain-lain (Reddy, 2011).
2.1.3 Parameter-Parameter baterai
Untuk mengukur kinerja dari suatu baterai dan memahami karakteristik baterai tertentu kita dapat melihat parameter-parameter yang terkait. Misalnya, untuk mengetahui berapa banyak energi yang bisa disimpan, tegangan nominal dan kapasitas baterai. Untuk mengetahui masa suatu baterai bisa dipakai, kita perlu tahu jumlah siklusnya untuk depth of discharge dan temperatur tertentu, berikut adalah parameter-parameter baterai.
1. Tegangan
Besar tegangan kerja yang dikeluarkan oleh baterai disebut sebagai tegangan nominal. Untuk baterai yang dijual di pasaran misalnya baterai asam timbal, tegangan nominal biasanya kelipatan 12V, paling umum yaitu 12, 24, dan 48 V.
Perlu diperhatikan bahwa tegangan yang terjadi pada praktiknya tidak selalu sama dengan tegangan nominal baterai. Tegangan pada praktiknya akan dikenakan kepada usia baterai, kepada keadaan muatan, dan temperatur.
2. Kapasitas
Kapasitas merupakan banyaknya muatan yang tersimpan dalam baterai, biasanya
ada dalam satuan Ah (Ampere-hour). Kalau dilihat dari strukturnya, tegangan
baterai dipengaruhi oleh jenis material katoda dan anoda yang digunakan.
Sedangkan kapasitas ditentukan secara langsung oleh kuantitas katoda dan anoda yang digunakan. Oleh karena itu, untuk jenis katoda dan anoda yang sama, secara umum baterai yang lebih besar akan memiliki kapasitas baterai yang lebih besar tetapi tegangannya sama. Seiring penggunaan baterai dan berjalannya waktu, nilai kapasitas baterai akan berkurang dikarenakan material anoda dan katoda tidak bisa benar-benar kembali ke semula saat proses charging. Kemudian, temperatur juga memiliki efek yang cukup signifikan. Pada temperatur tinggi, zat-zat kimia dalam baterai menjadi semakin aktif sehingga kapasitas baterai akan meningkat.
3. Jumlah siklus
Jumlah siklus ini secara praktis menunjukkan seberapa lama umur suatu baterai.
Secara umum, jumlah siklus didefinisikan sebagai banyaknya jumlah charge dan discharge atau merupakan satu kali urutan pengisian dan pemakaian
.Lead acid baterai ditentukan sebagai siklus pakai atau jumlah siklus sebelum baterai mengalami penurunan kapasitas atau rusak. Baterai lithium biasanya memiliki umur 300 dan 500 siklus dalam kondisi normal.
4. Self-discharge rate
Tingkat penurunan kapasitas baterai tanpa terhubung ke beban atau karena aktivitas kimia internal.
5. Penuaan
Seperti yang sudah dibahas sebelumnya mengenai kapasitas baterai, secara umum performa baterai memang cenderung berkurang seiring berjalannya waktu. Efek penuaan disebabkan tumbuhnya kristal sulfat pada baterai yang tidak dapat diubah lagi menjadi timbal (lead) atau lead oxide. Penyebab penuaan lainnya adalah korosi timbal pada elektroda. Ketika timbal sudah terkorosi, maka baterai akan memiliki hambatan listrik yang lebih besar yang menyebabkan tegangan baterai akan drop saat baterai sedang digunakan untuk memberi listrik beban. Selain itu, baterai menjadi mudah panas (Smets et al., 2015).
6. C-rates dan E-rates
Dalam menjelaskan baterai, arus pelepasan sering dinyatakan sebagai C-rate untuk
menormalkan kembali kapasitas baterai, yang seringkali sangat berbeda antar
baterai. C-rate adalah ukuran kecepatan baterai yang dikosongkan relatif terhadap
kapasitas maksimum. Parameter C-rates menunjukkan seberapa besar listrik yang
dapat dikeluarkan saat proses discharge sedangkan E-rates besar listrik yang dapat masuk ke baterai saat proses charge.
7. Energi Density
Energi density adalah energi baterai nominal per satuan volume. Energi density memiliki satuan (Wh/L). Energi spesifik adalah karakteristik dari kimia dan kemasan baterai (MIT, 2008). Parameter ini sangat penting untuk memilih baterai dalam aplikasi tertentu. Rapat energi merupakan banyaknya energi per volume baterai, satuannya Wh/L. Kemudian, energi spesifik merupakan banyaknya energi yang ada per massa baterai, satuannya Wh/kg. Pada dasarnya rapat energi dan energi spesifik menyatakan “densitas energi”, hanya penamaan saja, bahwa spesifik energi berarti per massa (Congress, 2009).
8. Internal Resistance
Resistensi internal adalah salah satu parameter terpenting, yang mencirikan kinerja baterai lithium ion dalam penggunaan otomotif. Pengetahuan yang tepat tentang hambatan internal sangat penting untuk menentukan efisiensi energi, daya, dan panas yang hilang dari sel ion litium. Resistensi internal baterai diperlukan untuk penghitungan efisiensi energi, pengukuran sistem baterai, estimasi daya, dan untuk mengukur sistem pendingin baterai (Schweiger et al., 2010).
2.2 Baterai Ion Lithium
2.2.1 Pengertian Baterai Ion Lithium
Baterai lithium adalah jenis baterai isi ulang dengan sumber arus sekunder.
Baterai lithium termasuk baterai yang ramah lingkungan dan tidak mengalami memory
effect sehingga dapat diisi ulang kapan saja serta memiliki waktu yang singkat saat
pengisiaan (Eriksson, 2001). Baterai lithium juga merupakan perangkat elektrokimia
yang dapat dibalik serta diakui secara luas karena kepadatan dayanya, tidak perlu
perawatan, keandalan, dan masa pakai yang lama. Pada baterai lithium terdapat
komponen utama dimana, energi baterai Li-ion disimpan dalam bahan elektroda dan
elektrolit pusat memastikan transfer ion (Chen & Rincon-Mora, 2006).
2.2.2 Komponen Utama Baterai Lithium
Baterai menyimpan energi dalam bentuk energi kimia. Dan dapat mengalirkan listrik karena adanya beda potensial antara katoda dan anoda. Baterai ion lithium memiliki empat buah komponen utama yaitu katoda, anoda, elektrolit dan separator.
1. Katoda
Katoda adalah kutub positif dari baterai. Secara umum, katoda didefinisikan sebagai tempat pada sel elektrokimia di mana terjadi proses reduksi, yaitu proses penangkapan elektron. Pada kasus baterai yang termasuk sel volta, katoda merupakan kutub positif. Namun, pada kasus elektrolisis, katoda merupakan kutub negatif. Umumnya, tegangan katoda tinggi diinginkan sebagai energi yang disimpan sebanding dengan tegangan operasi sel. Namun, stabilitas elektrolit harus tetap diperhatikan dalam memilih bahan katoda tegangan tinggi.
2. Anoda
Anoda adalah kutub negatif dari baterai. Kebalikan dari katoda, secara umum anoda didefinisikan sebagai tempat pada sel elektrokimia di mana terjadi oksidasi, yaitu proses pelepasan elektron
.Pada kasus elektrolisis, anoda merupakan kutub positif.
Jadi, ketika baterai disambungkan dengan rangkaian eksternal, elektron akan mengalir dari anoda ke katoda. Dengan kata lain, arus mengalir dari katoda ke anoda, sehingga katoda merupakan kutub positif dan anoda kutub negatif. Bahan anoda diselidiki secara ekstensif dan memang ada kumpulan kandidat dan material yang lebih besar. Performa elektrokimia, termasuk siklus, kecepatan pengisian, dan kepadatan energi, baterai Li-ion sangat terpengaruh oleh bahan anoda yang dipilih.
Sejak komersialisasi pertama karbon anoda, karbon masih dominan di baterai Li-ion komersial saat ini.
3. Separator
Separator merupakan komponen penting dari baterai Li-ion. Faktanya, separator
biasanya digunakan di sebagian besar sistem elektrokimia dengan elektrolit cair,
termasuk bahan bakar sel, kapasitor dan berbagai jenis baterai berdasarkan kimia
yang berbeda. Separator adalah pemisah antara katoda dan anoda. Baterai berfungsi
untuk mengalirkan elektron hanya melalui rangkaian eksternal, jadi diperlukan
komponen baterai untuk mencegah aliran elektron dari anoda ke katoda di dalam
baterai, itulah tugas separator. Separator memiliki sifat isolator untuk elektron,
tetapi konduktor untuk ion. Ketika logam anoda teroksidasi melepaskan elektron, maka akan menjadi ion logam. Ion tersebut akan mengalir menuju katoda melalui separator, sedangkan elektron akan mengalir menuju katoda melalui rangkaian eksternal.
4. Elektrolit
Elektrolit adalah suatu zat yang terlarut dalam bentuk ion-ionnya dan merupakan konduktor yang baik. Elektrolit biasanya berfasa cair, bisa berupa garam, asam, basa, atau senyawa kimia lainnya. Dua contoh elektrolit yang sering dipakai dalam baterai adalah larutan LiPF
6dan larutan NaCl. Saat ini, bentuk elektrolit cair paling sering dipakai untuk baterai sekunder. Elektrolit harus dipilih dengan hati-hati untuk menahan redoks lingkungan di kedua sisi katoda dan anoda dan rentang tegangan terlibat tanpa dekomposisi atau degradasi. Selain itu, elektrolit harus inert dan stabil dalam kisaran suhu yang dapat diterima. Secara komersial Baterai Li-ion, biasanya elektrolit cair adalah larutan garam lithium dalam pelarut organik.
Penawaran elektrolit yang diformulasikan stabilitas yang cukup baik pada rentang potensi yang luas.
Keempat komponen di atas adalah komponen utama baterai lithium. Namun, bukan berarti tidak ada komponen baterai lainnya. Terdapat komponen-komponen lain yang pada umumnya bekerja sebagai pelengkap. Misalnya, current collecting rods adalah batang yang mengalirkan arus melalui rangkaian eksternal karena proses redoks baterai. Kemudian, terdapat lapisan yang melindungi elektroda dari kontak langsung dengan elektrolit. Elektroda pada umumnya mengandung unsur logam reaktif seperti litium, sehingga tidak boleh terkena kontak langsung dengan cairan karena bisa terreduksi dengan mudah oleh larutan dan mengeluarkan panas atau bahkan api.
Kemudian, terdapat juga case yang menjadi bagian luar baterai dan digunakan sebagai pelindung serta menghindari terjadinya kerusakan (Deng, 2015).
2.2.3 Prinsip Kerja Baterai Lithium
Baterai lithium terdiri dari elektroda yang berperan sebagai tempat penyimpanan ion litium meliputi reaksi redoks saat proses charge/discharge terjadi.
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. Dan Current collector berperan sebagai pengumpul arus (Raihan, 2020). Baterai lithium-ion (Li-ion) yang dapat diisi ulang banyak digunakan pada perangkat elektronik portable dan dianggap sebagai sumber daya paling potensial untuk kendaraan listrik karena kepadatan energinya yang tinggi dan masa pakainya yang panjang. Saat pengosongan, ion litium bergerak dari anoda ke katoda melalui elektrolit, sehingga menghasilkan arus listrik, dan saat mengisi daya perangkat, ion litium dilepaskan oleh katoda dan kemudian kembali ke anoda. Pada Elektroda positif dan negatif dengan pemisah di antaranya, merupakan konduktor ionik tetapi isolator elektronik dicelupkan ke dalam elektrolit yang sesuai. Kepadatan energi dan kinerja baterai lithium sangat dipengaruhi oleh sifat bahan elektroda (Rout et al., 2019).
Gambar 2.1 Prinsip kerja dasar baterai lithium-ion (Li-ion) (DWIRM, 2015).
2.3 Material Anoda
Bahan anoda diperlukan dalam baterai, karena bahan tersebut akan sangat menghindari pembentukan dendrit litium yang meningkatkan keamanan sel. Dalam pekerjaan ini, Penekanan utama inovasi material ada pada sisi anoda. Saat ini, bahan anoda yang paling umum digunakan dalam baterai masih grafit, sama seperti baterai Li-ion pertama yang diperkenalkan 25 tahun lalu. Namun, beberapa kemajuan telah dibuat di sisi anoda dan beberapa di antaranya dalam transisi untuk dikomersialkan.
Umumnya ada empat kelompok materi yang paling menarik perhatian sebagai bahan anoda, yaitu bahan karbon, anoda paduan bahan, bahan konversi, litium titanat dan titanium oksida (Y. Li et al., 2017).
Anoda ideal untuk baterai Li-ion harus memenuhi persyaratan kapasitas
gravimetri dan volumetrik reversibel tinggi; potensial rendah terhadap bahan katoda;
kemampuan tingkat tinggi; siklus hidup yang panjang; biaya rendah; toleransi penyalahgunaan yang sangat baik; dan kompatibilitas lingkungan. Logam litium murni jelas merupakan bahan anoda terbaik karena tidak membawa bobot mati, jika hanya memperhitungkan kapasitas spesifiknya. Namun, pelapisan litium dendritik selama pengisian dapat menyebabkan korsleting internal, yang menyebabkan masalah keamanan yang parah (Lu et al., 2018).
2.4 Material Tambahan Penyusun Anoda Baterai 2.4.1 Polyvinylidene Fluoride (PVDF)
Polyvinylidene fluoride (PVDF) adalah pengikat utama dalam baterai komersial. Jenis pengikat terbagi dalam dua kategori utama, yaitu larut dalam pelarut organik dengan jenis pengikat diwakili oleh Polyvinylidene fluoride (PVDF), dan yang lainnya adalah larut dalam air dengan jenis pengikat diwakili oleh karboksimetil selulosa (CMC) atau stirena karet butadiene (SBR). PVDF merupakan pengikat terlarut pelarut organik yang paling menjanjikan pada baterai lithium dalam kemampuan mengikat dan stabilitas elektrokimia. Pengikat bekerja dengan menghubungkan setiap bagian sistem elektroda dan melakukan dua fungsi utama:
yang pertama adalah menggabungkan bahan aktif dan melakukan agen aditif ke dalamnya serta mengikat laminasi matriks dan pengumpul arus bersama-sama. Yang kedua adalah membangun sirkuit elektron dan ion untuk menjamin efektivitasnya litiasi dan delitiasi.
Oleh karena itu, pengikat dengan kandungan kecil di elektroda sistem tidak hanya menjamin integritas elektroda tetapi juga sangat besar berdampak pada stabilitas dan kinerja siklik elektroda (Yue, 2019).
Gambar 2.2 Struktur PVDF (Guo et al., 2015).
PVDF memiliki komposi kimia (CH
2-CF
2)n atau lebih dikenal sebagai 1,1 difluoro-ethylene. Adapun struktur dari PVDF dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Polyvinylidene fluoride (PVDF) digunakan sebagai polimer dasar dari berbagai membran karena keunggulan seperti kemurnian tinggi, kekuatan mekanik tinggi, dan ketahanan tinggi terhadap klorin, pelarut, asam, basa serta panas. Namun, membran PVDF tidak secara inheren dapat dibasahi oleh air. Properti ini membatasi kegunaannya difiltrasi larutan air dan menunjukkan kecenderungan pengotoran yang tinggi selama penyaringan larutan yang mengandung protein dan bahan alami (Novel, 2012).
2.4.2 Super-P
Nanomaterial karbon adalah karbon hitam, Super-P, asetilen hitam, serat nano karbon, dan carbon nanotube, yang semuanya memiliki sifat unggul seperti rendah berat, inersia kimia tinggi dan luas permukaan spesifik yang tinggi. Mereka adalah aditif konduktif yang ideal untuk ion litium baterai. Super-P karbon hitam yang dihasilkan dari oksidasi parsial prekursor petrokimia, menunjukkan luas permukaan spesifik dan konduktivitas listrik yang luar biasa, dan karena sifat ini telah banyak digunakan sebagai aditif konduksi di elektroda untuk memperbaiki konduktivitas elektronik dalam baterai ion Li (Zhang et al., 2010). Sifat karbon yang menguntungkan adalah siklus hidup yang panjang dan kapasitas penyimpanan Li yang tinggi. Oleh karena itu, bahan konduktif yang tersedia secara komersial, karbon hitam Super-P, telah diperiksa sebagai anoda dari sel ion litium (Gnanamuthu & Lee, 2011).
Bahan berkarbon telah dipelajari secara ekstensif sebagai kandidat anoda untuk baterai ion Li karena stabilitas elektrokimia yang sangat baik dan efektivitas biaya.
Grafit telah digunakan secara komersial sebagai anoda untuk baterai Li-ion yang menunjukkan tegangan kerja rendah dan kapasitas spesifik yang tinggi. Penambahan bahan Super-P karbon hitam (SPCB) telah banyak digunakan sebagai aditif konduktor dalam baterai ion Li untuk meningkatkan daya konduksi. Struktur SPCB telah dikarakterisasi dan studi komprehensif tentang ion Li elektrokimia memiliki kemampuan serapan dan mekanisme reaksi dari SPCB menunjukkan kapasitas litiasi yang cukup besar (hingga 310 mAhg-1) dari interkalasi Li-ion dalam struktur grafit.
(Peng et al., 2017).
2.4.3 Grafit
Karbon grafit adalah bahan anoda yang paling umum digunakan untuk baterai lithium ion komersial, yang sebagian besar disebabkan kombinasi dari kapasitas spesifik yang cukup tinggi, potensi redoks yang sangat negatif (Martin, 1998).
Benda tersebut sesungguhnya tersusun dari atom–atom karbon yang membentuk struktur segi enam (hexagon) (Darminto et al., 2018). Material ini memiliki struktur yang terdiri dari lapisan struktur graphene dimana Li-ion dapat berinterkalasi diantaranya. Untuk berat yang sama, material anoda dapat menampung Li-ion lebih banyak dari Li-ion yang dilepaskan material katoda saat charging. Dalam struktur grafit, setiap atom C menggunakan 3 elektron valensi untuk membentuk 3 ikatan kovalen dengan 3 atom C lainnya, membentuk lapisan dengan cincin heksagonal (Kwiecińska & Petersen, 2004). Grafit adalah semimetal yang memiliki struktur berlapis planar. Pada setiap lapisan, atom karbon tersusun dalam kisi heksagonal sarang lebah dengan jarak atom 0,142 nm, dan jarak antara dua bidang adalah 0,335 nm (Khan et al., 2016).
A B
Gambar 2.3 (A) Struktur grafit
yang terdiri dari lapisan grephene(B) Struktur grephene (Adetayo & Runsewe, 2019)
Grafit juga termasuk sebagai agen konduktif dan pengikat. Grafit sebagai
bahan aktif untuk elektroda negatif dalam baterai litium karena kapasitasnya yang
besar dan tegangan rata-rata yang rendah dimana reversibilitas (kapasitas teoritis 372
mAh/g). Tantangan muncul untuk anoda grafit dalam baterai Li-ion dari pembentukan
elektrolit padat (SEI), yang dihasilkan dari sifat antarmuka yang buruk. Untuk
meningkatkan karakteristik Li interkalasi dan antarmuka selama operasi, grafit dianggap sebagai bahan anoda alternatif dalam baterai Li-ion karena luas permukaannya yang tinggi, konduktivitas listrik yang tinggi, dan integritas mekanis yang kuat (Pezeshk et al., 2012).
2.4.4 Pelarut N-N Dimethylacetamide (DMAC)
Dimethyl acetamide (DMAC) adalah senyawa organik sintetik yang dihasilkan dari reaksi dimetilamina dan asam asetat atau anhidrida asetat. Ini adalah cairan tidak berwarna sampai kuning dengan bau samar menyerupai amonia. DMAC memiliki massa jenis yang mirip dengan air dan dapat larut dengan air dan zat organik. Senyawa organik ini umumnya dikaitkan dengan banyak kegunaan industri, baik sebagai bahan awal atau perantara. DMAC merupakan pelarut baik yang digunakan dalam pelarutan polimer, khususnya dalam industri serat. Dimethyl acetamide (DMAC) digunakan sebagai aditif penstabil elektrolit untuk baterai lithium ion. Efek DMAC pada peningkatan stabilitas termal elektrolit dan solid electrolyte interfases (SEI) pada anoda grafit dan katoda LiFePO4 diselidiki melalui kombinasi metode elektrokimia.
(Ghazali & Inayat-Hussain, 2014).
2.4.5 Elektrolit Lithium hexafluorophosphate (LiPF
6)
Baterai lithium-ion komersial biasanya menggunakan elektrolit cair berdasarkan garam litium dan pelarut organik (mudah menguap) yang sesuai.
Sedangkan untuk elektrolit polimer kering, pengembangan elektrolit anorganik padat yang bebas pelarut dimulai dari persyaratan yang semakin ketat untuk pembuatan yang sangat aman. Pada saat yang sama, baterai litium berkinerja tinggi. Selain itu, elektrolit tersebut menunjukkan banyak masalah teknologi yang umumnya tidak diperbolehkan untuk sel cair. Sehubungan dengan elektrolit polimer, yang anorganik lebih kuat secara kimiawi dan termal tetapi, lebih rapuh dan kurang fleksibel, menyebabkan kehilangan kontak dantar muka dengan elektroda (Montanino et al., 2015).
Bahan elektrolit (pelarut dan garam) saat ini merupakan hambatan utama untuk
kemajuan baterai Li-ion generasi berikutnya, karena timbulnya reaksi samping yang
tidak diinginkan. Elektrolit yang diterapkan dapat dibagi menjadi dua kategori
berdasarkan jenis pelarutnya: karbonat organik (etilen karbonat (EC), propilen
karbonat (PC), dimetilkarbonat (DMC), dietil karbonat (DEC) ), yang melarutkan garam litium seperti LiPF
6. Penambahan elektrolit berdampak besar pada mekanisme pembentukan SEI dan kinerjanya (Bhatt & O’Dwyer, 2015).
Lithium hexafluorophosphate (LiPF
6) adalah garam yang paling umum digunakan dalam baterai ion lithium, karena propertinya sangat sesuai untuk baterai ion lithium (misalnya, konduktivitas ionik, konstanta disosiasi, mobilitas, stabilitas anodik, dll.). Meski berhasil pemanfaatan dalam baterai ion lithium, sifat sensitif LiPF
6terhadap kelembaban masih menjadi tantangan. Jumlah jejak air hadir dalam elektrolit berbasis karbon bereaksi dengan LiPF
6menjadi menghasilkan asam fluorida korosif (HF) yang mengubah sifat elektrolit dan mengarah ke destabilisasi SEI. Jadi, itu penting untuk memahami bagaimana melacak jumlah air dalam system dapat mempengaruhi kimia antarmuka, dan khususnya, evolusi SEI pada elektroda baterai ion lithium (Ha et al., 2020).
2.4.6 Lithium-metal
Elektroda negatif di semua jenis baterai litium (logam Li, senyawa Li-karbon, dan paduan litium) adalah zat pereduksi tinggi yang mudah bereaksi dengan semua komponen larutan (pelarut, anion garam, kontaminan atmosfer, dll.). Dengan demikian, untuk memodifikasi kimia permukaan elektroda ini dengan aditif, yang terakhir harus lebih reaktif daripada komponen larutan. Perhatikan bahwa ada perbedaan besar antara elektroda Li-metal dan Li-karbon atau paduan litium, dalam waktu reaksi permukaan. Dalam kasus baterai litium (logam), permukaan elektroda akan langsung aktif, setelah bersentuhan dengan larutan. Oleh karena itu, aditif harus cukup reaktif untuk bersaing dengan reaksi permukaan litium dengan spesies larutan, meskipun konsentrasi komponen terakhir relatif tinggi. Dalam kasus baterai Li-ion, elektroda negatif (karbon, silikon, timah dan paduan atau oksidanya, dll.) adalah awalnya tidak aktif.
Proses pertama dalam sistem ini adalah pengisian selalu lambat, yang berarti
katodik bertahap polarisasi dan litisasi elektroda negatif. Dalam kasus seperti itu,
kimia permukaan negatif elektroda dapat dimodifikasi dengan aditif yang potensi
redoksnya lebih tinggi daripada komponen larutan, sehingga mereka dapat dikurangi
selama polarisasi katodik pertama dari elektroda dan membentuk lapisan permukaan yang diinginkan sebelum reduksi larutan masif terjadi saat mencapai potensial rendah.
Secara umum, untuk memodifikasi kimia permukaan elektroda Li-metal sangat terbatas, terutama dalam sistem yang dapat diisi ulang, ketika endapan litium berulang kali terkena larutan. Bagaimanapun, sebagian besar larutan elektrolit cair tidak berair yang umum digunakan tidak cocok untuk sistem baterai Li-metal yang dapat diisi ulang (Aurbach & Chusid, 2009).
2.5
Cu Foil
Foil tembaga ini digunakan sebagai pengumpul arus untuk pelapis bahan anoda pada penelitian baterai Li-Ion. Foil tembaga sering digunakan sebagai pengumpul arus dalam baterai karena konduktivitas dan ketahanan kimianya yang sangat baik. Pelapis tembaga baterai selalu membutuhkan kualitas permukaan yang tinggi, keseimbangan kekuatan yang baik, dan fleksibilitas dengan ketebalan yang kecil (<12µm).
Persyaratan ini menjadi tantangan baik untuk foil tembaga yang digulung maupun foil tembaga yang dilapis dengan listrik (Yin, 2016).
Gambar 2.4 Cu Foil
2.6 Karakterisasi dan Pengujian
Untuk mengetahui sifat dan kemampuan dari suatu material maka karakterisassi dan pengujian sangat penting dilakukan. Karakterisasi dan pengujian dilakukan pada serbuk material aktif dan baterai.
Pada serbuk material aktif dilakukan pengujian X-Ray Difraction (XRD) untuk
mengetahui fasa dan struktur kristal. Sedangkan pada baterai diuji kemampuan baterai
dan reaksi reduksi-oksidasi yang terjadi pada elektroda baterai dengan pengujian Cyclic Voltamettry (CV), Pengujian Charge-Discharge (CD) untuk melihat kapasitas dari baterai dan Electrochemical Impedance Spectroskopy (EIS) untuk memahami transformasi kimia.
2.6.1 Analisis Struktur Kristal Dengan X-ray Difraction (XRD)
Difraksi sinar-X (XRD) adalah metode analisis dalam kristalografi. Hal ini merupakan cara untuk menentukan struktur atom sebuah kristal, tetapi saat ini dapat digunakan untuk menentukan lebih banyak informasi, misalnya parameter sel, distorsi, ketegangan dan ukuran kristal yang diperoleh melalui XRD.
Saat mengirim sinar-X ke sampel, sinar tersebut akan tersebar oleh atomnya.
Berkas sinar-X yang mengenai atom tersebar ke segala arah. Balok tersebar dari atom yang berbeda tetapi dalam arah yang sama akan menempuh jarak yang berbeda dan oleh karena itu akan keluar fase satu sama lain ketika mencapai titik yang ditentukan, misalnya sebuah detektor. Hamburan ini akan mengganggu dan menimbulkan gelombang yang merupakan lilitan gelombang yang tersebar. Dalam sampel cairan, posisi atom benar-benar acak dan oleh karena itu hamburan yang dihasilkan juga akan acak. Ini akan memberi efek cahaya pada keseluruhan detektor jika diposisikan di belakang sampel sehubungan dengan sinar yang masuk. Tetapi ketika sinar X mengenai sampel kristal, pantulan hanya terjadi pada sudut yang ditentukan.
Gambar 2.5 Sinar yang masuk terdifraksi oleh bidang atom (Nordh, 2013).
Dalam kristal sempurna, ada jumlah atom teratur yang tak terhingga. Semua atom ini membentuk sejumlah bidang kisi virtual, dengan jarak tertentu. Bidang ini mencerminkan sinar-X masuk secara teratur. Jarak ekstra yang ditempuh antara pantulan gelombang dari dua bidang tetangga dilambangkan dengan D seperti pada Gambar 2.5 dan terdiri dari salah satu sisi dalam dua segitiga siku-siku yang identik dan oleh karena itu dapat dihitung dengan:
D = 2dsinθ
(2.1)Dimana θ adalah sudut datang ke bidang, d jarak antara bidang dan D itu total jarak ekstra yang ditempuh. Jika D sama dengan bilangan bulat panjang gelombang, maka terjadi interferensi konstruktif lengkap dan akan terjadi difraksi. Ini diungkapkan oleh apa yang dikenal sebagai hukum Bragg:
2dsinθ = nλ (2.2) Dimana λ adalah panjang gelombang dan n adalah bilangan bulat, karena hukum Bragg terpenuhi jika D sama dengan jumlah panjang gelombang (Nordh, 2013).
2.6.2 Pengujian Cyclic Voltammetry (CV)
Cyclic Voltammetry (CV) adalah tes elektrokimia dasar untuk bahan. Dalam hal ini, arusnya direkam dengan menyapu potensial bolak-balik (dari positif ke negatif dan negatif ke positif) antara batas yang dipilih. Informasi yang didapat dari CV dapat digunakan untuk mempelajari tentang perilaku elektrokimia. Analisis grafis dari voltamogram siklik memberikan puncak redoks yaitu puncak reduksi dan oksidasi dari material, dimana memprediksi perilaku kapasitif elektroda. Oleh karena itu, potensial bahan yang teroksidasi dan tereduksi dapat ditemukan (Kim et al., 2016).
Jika arus puncak meningkat dengan meningkatkan kecepatan pemindaian, maka itu menunjukkan kemampuan kecepatan yang baik dari bahan elektroda.
Scanrate yang lebih tinggi menghasilkan jumlah reaksi redoks yang lebih tinggi karena
adanya jenis elektroaktif di permukaan elektroda (elektroda kerja). Untuk laju
pemindaian yang lebih lambat, namun, ada kemungkinan kehilangan puncak (baik
puncak pemindaian maju atau mundur) karena waktu yang tersedia cukup untuk
produk dari reduksi atau oksidasi untuk berpartisipasi dalam reaksi kimia yang
produknya mungkin bukan elektroaktif. CV membantu menemukan koefisien transfer
elektron (jumlah elektron yang ditransfer), faktor pembatas laju (faktor yang
membatasi laju reaksi), dan konstanta laju reaksi (Yan et al., 2012). Perbedaan antara kedua puncak tersebut potensial CV memberikan gambaran tentang efek tingkat difusi analisis. Juga, sifat yang dapat dibalik, tidak dapat diubah, dan semu dari sistem dapat ditemukan dengan menggunakan rasio anodik dan katodik arus puncak. Jika rasio tersebut sama dengan 1, itu berarti anodik dan arus puncak katodik adalah sama, dan ini menceritakan tentang sifat yang dapat dibalik dari sistem. Jika rasio tersebut tidak sama dengan 1, maka rasio tersebut menyatakan tentang sifat sistem semu yang dapat dibalik, sedangkan sistem dapat dikatakan tidak dapat diubah bila produk yang teroksidasi atau tereduksi tidak dapat dibalik. Pengujian CV juga dapat membantu dalam fungsionalisasi bahan dengan melakukan berbagai reaksi redoks menggunakan beberapa pemindaian (W. Liu et al., 2012).
2.2.3 Pengujian Charge-Discharge (CD)
Pengujian ini menjelaskan tentang keteraturan suatu bahan atau kestabilan elektrokimia sel. Kinerja dinamis dari baterai dalam pengisian dan pengosongan adalah kecepatan pada arus yang dapat dimasukkan dan diambil dari penyimpanan.
Tegangan terminal naik selama pengisian dan pemakaian. Dinamika pengisian dan pengosongan baterai dapat dicirikan dengan pengukuran tegangan dengan muatan konstan dan debit input arus. Melalui pengujian ini dapat menunjukkan baterai sedang diisi dengan daya rendah, sedang dan tarif tinggi. Kasus pelepasan laju tinggi menunjukkan bahwa tegangan turun dengan cepat sehingga hanya sebagian dari kapasitas yang dapat digunakan pada laju pelepasan yang tinggi.
Siklus pembentukan adalah proses yang terdiri dari pengisian dan pengosongan
sel untuk pertama kalinya setelah dirakit. Selama proses ini, sel bersiklus beberapa kali
berturut-turut, menggunakan arus yang sangat rendah. Alasan untuk melakukan siklus
formasi adalah untuk membangun film secara bertahap yang terbentuk di permukaan
elektroda disebut solid electrolyte interphase (SEI), yang memungkinkan aliran ion Li
lebih lancar dan stabil dan mencegahnya korslet internal. Setelah pembentukan, sel
dapat menjalani serangkaian karakterisasi dan pengukuran. Profil saat ini dan protokol
pengujian untuk perputaran formasi serupa dengan tes kapasitas. Tes kapasitas
dirancang untuk mengukur kapasitas maksimum atau muatan yang dapat disuplai sel
antara dua batas tegangan yang telah ditentukan. Voltase batas tergantung pada bahan anoda atau katoda (J. Liu, 2015).
2.6.4 Pengujian Electrocemical Impedance Spectroscopy (EIS)
digunakan untuk mencari impedansi sel elektrokimia. Impedansi dapat dihitung dengan menerapkan tegangan sinusoidal (AC) kecil amplitudo ke elektroda yang diteliti, yang menghasilkan arus, amplitudo dan sudut fasa diukur sehubungan dengan menerapkan tegangan sinusoidal. Setelah ini, menggunakan hukum Ohm, impedansinya ditentukan. Ini adalah dasar dari percobaan EIS. Karena impedansinya merupakan fungsi frekuensi, untuk mendapatkan spektrum impedansi, yaitu rentang frekuensi yang berbeda harus diperiksa (Souto et al., 2016).
EIS digunakan untuk mencari impedansi sel elektrokimia. Impedansi dapat dihitung dengan menerapkan tegangan sinusoidal (AC) kecil amplitudo ke elektroda yang diteliti, yang menghasilkan arus, amplitudo dan sudut fasa diukur sehubungan dengan menerapkan tegangan sinusoidal. Setelah ini, menggunakan hukum Ohm, impedansinya ditentukan. Ini adalah dasar dari percobaan EIS. Karena impedansinya merupakan fungsi frekuensi, untuk mendapatkan spektrum impedansi, yaitu rentang frekuensi yang berbeda harus diperiksa. Dengan membandingkan hasil secara kuantitatif dari plot Nyquist (melalui EIS) dan tes polarisasi, kebenarannya perilaku korosi dapat dikonfirmasi.
Plot Nyquist adalah tidak lain adalah keluaran grafis dari EIS. Plot Nyquist
terdiri dari dua wilayah, satu frekuensi tinggi dan yang lainnya frekuensi rendah. Itu
resistansi transfer muatan (Rct) terjadi pada antarmuka elektroda / elektrolit, dan
bertanggung jawab atas sifat setengah lingkaran dari grafik dalam frekuensi tinggi
wilayah. Namun, difusi ion dari elektrolit menjadi bagian dalam bahan elektroda, yang
disebut impedansi Warburg (Zw), bertanggung jawab atas perilaku garis lurus
(kemiringan konstan) dari grafik di wilayah frekuensi rendah dari spektrum EIS. EIS
dapat digunakan untuk pengambilan elektrolit air. Diperlukan elektrolit konduktif
yang cukup untuk melakukan pengukuran melalui EIS. Dalam hal yang sama, berbagai
jenis garam digunakan supaya dapat membantu meningkatkan konduktivitas elektrolit
(H. Li et al., 2016).
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan selama 3 bulan, dimulai dari tanggal 15 Februari 2021 sampai 15 Mei 2021 di Pusat Penelitian Fisika (P2F) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Puspiptek Serpong Tangerang Selatan.
3.2 Alat dan Bahan Penelitian 3.2.1 Alat Penelitian
1. Neraca Digital
Fungsi : Untuk mengukur massa dari bahan.
2. Spatula
Fungsi : Untuk mengambil dan mengaduk bahan.
3. Pipet Tetes
Fungsi : Untuk memindahkan cairan dari wadah ke beaker glass.
4. Cawan
Fungsi : Sebagai wadah/tempat dalam menimbang bahan.
5. Beaker Glass 5 mL
Fungsi : Sebagai wadah pembuatan slurry.
6. Magnetik Stirrer Bar
Fungsi : Sebagai pengaduk dalam menghomogenkan larutan.
7. Pinset
Fungsi : Untuk menjepit bahan dalam pembuatan coin cell.
8. Cu Foil
Fungsi : Sebagai wadah slurry dalam pembuatan lembaran anoda.
9. Pengukur Ketebalan (Feeler Gauge)
Fungsi : Sebagai pengukur celah suatu lembaran Cu Foil.
10. Fume Hood
Fungsi : Untuk pembuangan udara limbah.
11. Hot Plate
Fungsi :
Untuk memanaskan dan mengaduk larutan satu dengan larutan lain yang bertujuan untuk membuat slurry menjadi homogen.12. Doctor Blade Mesin Coating MSK-AFA-III
Fungsi : Untuk melapisi slurry pada lembaran Cu Foil.
13. Automatic Coating machine
Fungsi : Untuk mengeringkan slurry pada lembaran Cu Foil.
14. Oven
Fungsi : Untuk menyimpan lembaran anoda, mengeringkan coin cell serta Penyimpanan Bahan Baku.
15. Glove Box
Fungsi : Untuk tempat assembling baterai.
16. WBCS3000
Fungsi : Untuk pengujian sifat elektrokimia bahan aktif yang terdiri dari pengujian cyclic voltammetry dan charge discharge.
17. AUTOLAB
Fungsi : Sebagai alat dalam pengujian electrochemical impedance spectroscopy (EIS)
3.2.2 Bahan Penelitian 1. Grafit
Fungsi : Sebagai material aktif (bahan anoda).
2. Polyvinylidene Fluoride (PVDF)
Fungsi : Sebagai polimer pengikat (binder) . 3. Super-P
Fungsi : Sebagai sumber karbon konduktif.
4.
Dimethyl Acetamide (DMAC)Fungsi : Sebagai pelarut bahan.
5. Etanol
Fungsi : Untuk membersihkan peralatan penelitian yang digunakan.
6. Lithium Metal
Fungsi : Sebagai anoda pada pengujian sel baterai.
7. Separator
Fungsi : Untuk mencegah terjadinya hubungan singkat antara plat positf dan negatif.
8. LiPF
6Fungsi : Sebagai elektrolit dalam pembuatan sel baterai.
3.2.3 Perhitungan Massa Bahan
Tabel 3.1 Perbandingan komposisi bahan untuk pembuatan lembaran anoda.
Kode Sampel
Graphite (g)
PVDF (g)
Super-P (g)
DMAC (mL)
Ketebalan (mm)
A 0,5 0,0625 0,0625 3,0 0,10
B 0,5 0,0625 0,0625 3,5 0,10
C 0,5 0,0625 0,0625 2,5 0,07
D 0,5 0,0625 0,0625 2,5 0,10
Dari perbandingan komposisi bahan pada Tabel 3.1 akan dilakukan pembuatan
slurry material aktif garfit, cetakan lembaran anoda grafit, pembuatan coin cell,
assembly baterai atau perakitan baterai, karakterisasi bahan serta pengujian CV, CD,
dan EIS. Pencampuran komposisi bahan yang terdiri dari Grafit, PVDF, Super-P dan
larutan DMAC yang tercampur secara homogen sehingga menjadi bubur disebut
dengan slurry. Slurry tersebut memiliki kandungan padat atau disebut dengan solid
content sebagai parameter fisik lembaran seperti kepadatan dan ketebalan.
3.3 Diagram Alir Metode Penelitian
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian
3.4 Tahapan Penelitian
Urutan kerja pada tahap pembuatan lembaran anoda material Grafit adalah sebagai berikut:
3.4.1 Pembuatan Slurry Material Aktif Grafit
1. Ditimbang bahan dengan komposisi perbandingan berat sebagai berikut:
Grafit:PVDF:Super P (80:10:10). Untuk 0,5 gram Grafit diperlukan 0,0625 gram PVDF, 0,0625 gram Super-P yang diperlukan sebagai pelarut bahan baku. Setiap serbuk diletakkan dicawan petri.
2. Ditutup bahan dengan aluminium foil agar tidak terkontaminasi.
3. Diisi beaker glass 5 mL dengan DMAC dan diletakkan magnetic bar di dalam beaker glass.
4. Dihidupkan hot plate HS 65 dan diletakkan beaker glass tersebut di atas magnetic.
5. Stirrer serta diatur suhu pemanasnya 50°C dengan kecepatan putarannya 300 rpm.
6. Dimasukkan PVDF kedalam beaker glass dan tunggu sampai homogen sekitar 15 menit.
7. Ditambahkan Super-P sedikit demi sedikit dan tunggu sampai homogen sekitar 15 menit.
8. Ditambahkan material pengisi Grafit sedikit demi sedikit kedalam campuran dengan kondisi magnetic stirrer yang tetap beroperasi.
9. Ditunggu pengadukan material pengisi didalam matriks selama 30 menit.
(a) (b) (c)
Gambar 3.2 (a) Penimbangan bahan (b) Hot plate dan sttirer bahan (c) Slurry
3.4.2 Cetakan Lembaran Anoda Grafit
1. Disiapkan slurry yang merupakan hasil dari campuran material matriks, material pengisi Grafit dan aditif yang telah dibuat sebelumnya.
2. Dibersihkan Mesin Coating MSK-AFA-III, Doctor Blade, dan pisau ukur mesin coating dengan aseton.
3. Dihidupkan Mesin Coating dan diatur celah Doctor Blade dengan ketebalan 0,1 mm dengan pisau ukur agar dapat melewati celah alat Doctor Blade.
4. Diletakkan lembaran Cu dengan ukuran 20 cm x 20 cm di atas mesin coating dan tombol vakum dihidupkan.
5. Dibersihkan lembaran dengan Aseton dan diratakan lembaran agar tidak sobek.
6. Diletakkan Doctor Blade diatas lembaran dan dituang slurry di atas permukaan lembaran Cu sedikit demi sedikit dengan spatula.
7. Diratakan campuran dengan sekali gerakan ke satu arah dengan seksama untuk mencegah rusaknya lembaran. Campuran yang tertuang di awal akan kering terlebih dahulu.
8. Diangkat lembaran anoda dengan menggunakan kertas sebagai alasnya.
9. Dikeringkan lembaran menggunakan oven coating MSK-AFA-III dengan suhu 70° C, sampai mengering.
10. Diletakkan lembaran katoda didalam oven anoda agar lembaran anoda tidak terkontaminasi.
Gambar 3.3 Lembaran anoda grafit
3.4.3 Proses Pembuatan Coin Cell
1. Dipotong lembaran anoda yang telah kering berbentuk lingkaran dengan diameter 16 mm dan potongan separator sebesar 19 mm.
2. Dipersiapkan casing coin cell, lembaran anoda Grafit, anoda lithium metal, separator dan speciment.
3. Dibersihkan casing coin cell, spacer dan kawat dengan etanol kemudian dikeringkan di dalam oven selama 10 menit .
4. Dihidupkan mesin glovebox untuk pembuatan baterai coin cell.
5. Disusun baterai coin cell sesuai dengan Gambar 3.3.
Gambar 3.4 Pembuatan coin cell
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisa XRD Grafit
Pengujian pada serbuk grafit menggunakan XRD. Pengujian dilakukan dengan sinar X menggunakan panjang gelombang Cu-Kα (λ=1,54187 Å) yang bertujuan untuk mengetahui jenis fasa dan ukuran kristalin. Hasil pengujian XRD dapat dilihat pada Gambar 4.1.
2θ(°)
Gambar 4.1 Grafik hubungan difraksi (2θ(°)) terhadap intensitas (Cps) pada hasil XRD grafit
Dari hasil XRD yang ditunjukkan pada Gambar 4.1 Serbuk grafit memiliki fasa tunggal yaitu grafit dengan komposisi 100% dan memiliki struktur kristal heksagonal.
Untuk mengetahui data pada tiga puncak tertinggi dan nilai indeks miller yang dihasilkan dapat dilihat pada Tabel 4.1. Berdasarkan Tabel 4.1 dapat dilihat bahwa semakin besar sudut 2θ yang dihasilkan maka jarak antar bidang dalam kristal semakin kecil. Secara umum dalam peninjauan jarak yang merupakan fungsi dari (hkl)
Intensitas (Cps)
