BAB II
DASAR TEORI
2.1 Baterai
2.1.1 Pengertian Baterai
Baterai merupakan suatu alat yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia. Ada dua macam sel elektrokimia, yaitu:
Sel volta ( sel galvani)
Dalam sel ini, energi kimia diubah menjadi energi listrik atau reaksi redoks menghasilkan arus listrik dimana katoda sebagai elektroda positif yang menerima elektron dari rangkaian luar serta mengalami proses reduksi pada proses elektrokimia, dan anoda sebagai elektroda negatif yang melepaskan elektron ke rangkaian luar serta mnegalami proses oksidasi pada proses elektrokimia. Contohnya adalah cara kerja baterai.
Sel Elektrolisis
Dalam sel ini, energi listrik diubah menjadi energi kimia atau arus listrik menghasilkan reaksi redoks. Dimana katoda sebagai elektroda negatif, dan anoda sebagai elektroda positif. Contohnya penyepuhan logam.
2.1.2 Jenis-jenis beterai
Berdasarkan kemampuannya untuk dikosongkan (dischargerd) dan diisi ulang (rechargerd), baterai dibagi menjadi dua, yaitu Baterai primer dan Baterai sekunder.
Baterai Primer
memerlukan perawatan. Beberapa contoh baterai jenis ini adalah baterai alkalin, baterai seng-karbon (baterai kering), dan baterai merkuri.
Baterai Sekunder
Yang termasuk kedalam baterai sekunder adalah baterai yang dapat diisi ulang (charge). Baterai jenis ini disebut juga sebagai baterai penyimpan / storage battery. Beberapa contoh baterai sekunder adalah baterai Timbel-Asam (Aki),
baterai Ni-Cd, dan baterai ion Lithium. 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. Sebagai sumber energi listrik pada portabel divais, pengganti baterai primer (David,2002).
2.2 Baterai Ion Lithium
2.2.1 Pengertian Baterai Ion Lithium
Lithium Ion Battery atau baterai lithium ion merupakan salah satu jenis
baterai sumber arus sekunder yang dapat diisi ulang.
Baterai lithium-ion memiliki kemampuan penyimpanan energi tinggi persatuan
volume. Energi yang tersimpan merupakan jenis energi elektrokimia.
2.2.2 Bagian Utama Pada Lithium Ion Battery
Lithium Ion Battery pada umumnya memiliki empat komponen utama yaitu elektroda positif (katoda), elektroda negatif (anoda), elektrolit, dan separator.
Elektroda Negatif (Anoda)
atau tidak beracun, dan harganya murah. Material anoda yang paling umum adalah beberapa bentuk karbon biasanya grafit dalam bentuk serbuk. Grafit mempunyai kepadatan energi secara teori yang dihasilkan adalah berkisar 372 mAh/g. Selain grafit, material berbasis karbon yang dapat digunakan untuk anoda yaitu soft carbon,graphene, dan hard carbon. Material lain yang dapat berperan sebagai anoda antara lain lithium titanium oxide (LTO) dengan kepadatan energi yang dihasilkannya 175 mAh/g. Material ini aman dipakai serta memiliki tingkat siklus pemakaian yang cukup lama.
Tabel 2.1. Beberapa material yang dipakai untuk anoda (Gritzner, 1993).
Material Beda Potensial
material ini yaitu memiliki kestabilan yang rendah dan harganya mahal. Sejalan dengan peningkatan performa katoda, beberapa penelitian yang dilakukan antara lain membuat katoda dari LiMO2 (M = Co (Cobalt); Ni (Nikel); Mn (Mangan). LiMO2 tersebut dibentuk dalam bentuk layer-layer. Adapula material yang digunakan sebagai katoda dibentuk dalam bentuk spinel LiM2O4 (M: Mn (Mangan)) ; serta olivine LiMPO4 (M : Fe) (Bo, Xu, 2012)
Tabel 2.2. Beberapa material yang dipakai untuk katoda (Gritzner, 1993).
Material Beda potensial Rata-rata (Volt)
Kapasitas Spesific (mAh/g)
Energi specific (kWh/kg)
LiCoO2 3,7 140 0,518
LiMn2O4 4,0 100 0,400
LiNiO2 3,5 180 0,360
LiFePO4 3,3 150 0,495
Elektrolit
Separator
Separator adalah suatu material berpori yang terletak diantara anoda dan katoda. Fungsi separator yaitu sebagai pemisah untuk mencegah kontak langsung antara anoda dan katoda. Pori-pori diseparator memungkinkan transfer ion lithium dengan difusi selama pengisian dan pengosongan. Beberapa hal yang penting untuk memilih material sebagai separator antara lain material tersebut bersifat insulator, memiliki hambatan listrik yang kecil, kestabilan mekanik atau tidak mudah rusak, memiliki sifat hambatan kimiawi untuk tidak mudah terdegradasi dengan elektrolit serta memiliki ketebalan lapisan yang sama diseluruh permukaan. Beberapa material yang dapat digunakan sebagai separator antara Polyethylene yang terbuat dari plastik film microporous (nanopori) dengan ketebalan < 25 µm (Ritchie, 2005).
2.2.3 Prinsip Kerja Baterai Lithium
Didalam Baterai sekunder terdapat elektroda negatif atau anoda yang berkaitan dengan reaksi oksidasi setengah sel yang melepaskan elektron kedalam
sirkuit eksternal. Dan elektroda positif atau katoda dimana terjadi reaksi setengah sel, yaitu reaksi reduksi yang menerima elektron dari sirkuit luar sehingga reaksi kimia reduksi terjadi pada katoda. Material aktif yang umumnya berbasiskan
material keramik yang mampu bereaksi secara kimia menghasilkan aliran arus listrik selama baterai mengalami proses charging dan discharging. Reaksi kimia dalam baterai sekunder bersifat reversible. Kemampuan kapasitas energi yang tersimpan dalam baterai lithiuam tergantung pada beberapa banyak ion lithium yang dapat disimpan dalam struktur bahan elektrodanya dan beberapa banyak yang dapat digerakkan dalam proses charging dan discharging, karena jumlah arus elektron yang tersimpan dan tersalurkan sebanding dengan jumlah ion lithium yang bergerak.
Gambar 2.1 Proses Charging pada baterai lithium
Pada proses discharging, material anoda akan terionisasi, menghasilkan ion lithium bermuatan positif dan bermigrasi kedalam elektrolit menuju komponen katoda, sementara elektron yang diberikan akan dilepaskan bergerak melalui rangkaian luar menuju katoda. Ion lithium ini akan masuk kedalam katoda melalui mekanisme interkalasi ( David, 1994)
Gambar 2.2 Proses Discharging pada baterai lithium
pada suatu molekul atau atom. Sebagai contoh,misalkan kita memakai LiCoO2 sebagai katoda, Li2C6 sebagai anodanya. Maka reaksi yang terjadi adalah:
Charge
Pada katoda : Li (1-x) CoO2 + xLi+ + xe- LiCoO2 Discharge
Charge
Pada anoda : LiC6 xLi+ + xe- + C6 Discharge
Charge
Reaksi total : LiC6 + Li (1-x) CoO2 LixC6 + LiCoO2 Discharge
Suatu material elektrokimia dapat berfungsi baik sebagai elektroda anoda maupun katoda bergantung pada pemilihan material (material selection) yang akan menentukan karakteristik perbedaan nilai tegangan kerja (working voltage) dari kedua material yang dipilih. Potensial tegangan yang terbentuk antara elektroda anoda dan katoda bergantung dari reaksi kimia reduksi-oksidasi dari bahan elektroda yang dipilih. Beberapa material dapat berfungsi sebagai anoda terhadap material katoda lainnya jika memiliki potensial Li+ yang lebih rendah. Contoh, grafit adalah anoda dalam sistem elektroda LiMn2O4, namun akan berfungsi sebagai katoda saat dipasangkan dengan elektroda Li metal sebagai anodanya ( Yan-jing, Hao. 2005)
2.3 Karbon Sebagai Bahan Anoda
Sejauh ini, banyak bahan anoda telah diselidiki, termasuk grafit sintetik, grafit alam, karbon amorf, nitrida, timah oksida, paduan berbasis timah dan beberapa komposit. Material berbasis karbon (grafit) merupakan material yang lebih disukai saat ini untuk anoda baterai sekunder lithium, karena material jenis ini telah dikomersialkan pada baterai ion lithium oleh sony pada tahun 1990. Beberapa alasan penggunaan karbon untuk baterai ion lithum adalah biaya rendah, ramah lingkungan, potensial elektroda rendah relative terhadap logam lithium, dan kapasitas spesifik lebih tinggi dibandingkan dengan oksida logam transisi atau sulfide logam transisi. Peningkatan utama dari teknologi baterai lithium ion dalam hal kepadatan energi telah dicapai dengan meningkatkan kristalinitas elektroda negatif karbon, yaitu dengan mengganti karbon amorf dengan grafit. Kapasitas teoritis maksimum grafit 372 mA hg-1. Namun karena memiliki potensial yang rendah (< 1,0 V) maka akan mudah terbentuk SEI dan dendrite lithium yang sangat berbahaya (Trarascon J.m, 2001).
2.3.1 Grafit
Dalam komponen anoda, material yang sering digunakan adalah grafit. 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. Grafit adalah salah satu inti karbon yang merupakan konduktor listrik yang bisa digunakan sebagai material elektroda pada sebuah lampu listrik. 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.
normal, tetapi grafit merupakan alotrop yang paling stabil secara termodinamika diantara alotrop-alotrop lainnya.Grafit biasa digunakan sebagai elektroda negatif ( anoda) karena, kinerja siklus yang baik, dan strukturnya yang baik.
Keuntungan menggunakan elektroda grafit antara lain adalah harganya yang relatif murah dibandingkan elektroda logam karena pemurnian grafit untuk elektroda. Diantara begitu banyak jenis bahan karbon, bahan anoda praktis yang paling banyak digunakan dalam baterai lithium ion dapat diklasifikasikan kedalam dua jenis yaitu grafit alam dan grafit sintesis ( Kwiecinska B, 2004)
Gambar 2.3 grafit yang dibentuk oleh tumpukan lembaran graphene (Castro Neto, 2009).
Natural Graphite (Grafit Alam)
Sekarang, grafit alam menjadi salah satu kandidat yang paling menjanjikan
sebagai bahan anoda baterai lithium ion terutama karena biaya rendah dan kapasitas reversible relatif tinggi (330-350 mAh/g).
2.4 Bahan Katoda Untuk Baterai Lithium
Sampai saat ini material katoda menjadi acuan dalam menghitung kapasitas sel baterai secara teoritik. Untuk setiap berat material katoda, jumlah ion lithium yang dilepaskan material katoda saat charging dan jumlah ion lithium yang kembali dalam waktu tertentu ke material katoda saat discharging menggambarkan densitas energi dan densitas power sel baterai.
Semakin banyak ion lithium dipindahkan dari katoda ke anoda maka semakin besar pula densitas energi sel baterai. Semakin banyak ion lithium yang kembali ke katoda dari anoda setiap detiknya, maka semakin besar densitas powernya. Kapasitas sel baterai sangat bergantung pada kondisi transfer muatan/ charge transfer.
Mekanisme ini berkaitan erat dengan proses difusi dan konduktifitas elektronik dan ionik dari komponen pembentuk sel baterai. Material katoda tidak saja harus bersifat konduktif ionik, namun juga harus bersifat konduktif elektronik. Saat proses charging ion lithium akan dilepaskan dari katoda ke anoda melalui elektrolit, dengan begitu katoda harus bersifat konduktif ionik. Bersamaan
dengan itu elektron akan dilepaskan melewati rangkaian luar menuju anoda, ini berarti katoda juga harus bersifat konduktif elektronik ( Guan wang, 2006).
2.4.1 Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2)
Sebagian besar baterai ion lithium untuk aplikasi portabel menggunakan katoda berbasis kobalt. Baterai ion lithium kobalt juga dikenal sebagai baterai ion lithium berkekuatan tinggi karena kepadatan energi yang tinggi. Lithium ion kobalt bila di pasangkan dengan anoda grafit karbon maka akan memiliki beda potensial sebesar 3,6 V dan beda ptensial ini tiga kali lipat bila dibandingkan dengan NICD atau NiMH yang hanya mempunyai beda potensial 1,2 V (Mehul,2010).
2.5 Komponen Tambahan Penyusun Anoda Baterai 2.5.1 Binder Polyvynilidene Flouride (PVDF)
Polyvynilidene Flouride adalah termoplastik floropolimer murni dan
padatnya. Selain itu PVDF tidak larut dalam air. PVDF memiliki temperatur transisi gelas (Tg) sekitar -35ºC dan sekitar 50-60% kristalin. Adapun struktur dari PVDF dapat dilihat pada gambar 2.4 dibawah ini.
Gambar 2.4 Struktur kimia PVDF ( B. Tareev, 1975)
Dalam PVDF memiliki sifat piezoelektrik, yaitu sifat dari beberapa material dimana material tersebut dapat menimbulkan potensial listrik sebagai respon dari beban mekanis yang diterimanya, dimana PVDF dapat menyebabkan polarisasi elektrik secara spontan yang membuat PVDF memiliki sifat piezoelektrik dan piroelektrik ( kemampuan material untuk menimbulkan potensial listrik saat dipanaskan atau didinginkan).
Aplikasi dari PVDF pada umumnya meliputi bidang kimiawi, semikonduktor, medis, dan industri pertahanan. Adapun contoh produk dari PVDF antara lain pipa, lembaran, pelat, baterai lithium ion, serta insulator untuk kabel (B. Treev, 1975).
2.5.2 Zat Aditif Acetylene Black (AB)
Acetylene Balack atau AB adalah karbon hitam yang dibentuk oleh dekomposisi eksotermis asetilena yang ditandai dengan tingkat tertinggi agregasi dan kristal orientasi jika dibandingkan dengan jenis carbon black. Pada umumnya AB dapat menyerap hingga delapan kali nya berat dalam cairan,memiliki struktur tiga dimensi. Acetylene black ditandai dengan konduktivitas listrik yang relatif tinggi. karakteristik ini membuat bahan yang ideal dalam produksi sel kering,
Oleh karena itu acetylene black telah digunakan sebagai bahan dasar untuk memproduksi sel baterai kering, serta sebagai zat aditif dalam karet atau plastik bahan antistatik dan elektrik konduktif yang digunakan dalam berbagai bidang industri, seperti kabel listrik, ban, sabuk, selang, pemanas, cat, perekat dan banyak alat elektronik lainnya. Penggunaan acetylene black didalam baterai memiliki beberapa keunggulan yaitu dari absorpsi yang tinggi dan bersifat konduktif sehingga acetylen black digunakan untuk mempertahankan larutan elektrolit dalam baterai kering dan meningkatkan konduktivitas listrik dari elektroda baterai. ( Safety data sheet, 2014)
2.5.3 Pelarut N-N DIMETHYLACETAMIDE
N-N Dimethylacetamide (DMAC) adalah pelarut yang dapat digunakan sebagai pelarut PVDF pada baterai ion lithium. DMAC pada dasarnya netral, tidak ada hydroxylic, pelarut dengan konstanta dielektrik yang tinggi.
Kelarutan DMAC larut dalam air, ester, dan senyawa aromatik DMAC umumnya larut dalam senyawa alifatik tidak jenuh. Stabilitas dimethylacetamide stabil sampai titik didih atmosfer dalam bahan asam dan basa. DMAC kestabilan yang bagus, pada dasarnya DMAC tidak akan mengalami degradasi dan perubahan warna jika dipanaskan dibawah suhu 3500C (Safety Data Sheet).
2.6Prosedur Pengujian
2.6.1 Analisis Struktur kristal dengan XRD
Pengamatan struktur kristal dengan XRD dilakukan sebagai tahap awal karakterisasi untuk mengidentifikasi sejauh mana fasa yang terbentuk seperti yang diinginkan dan fasa lainnya yang tidak diharapkan.
Sinar- X adalah gelombang elektromagnetik yang medan listriknya berubah secara sinusoidal pada setiap waktu dan setiap titik berkas (beam) nya. Medan listrik ini akan memberikan gaya listrik pada partikel bermuatan, seperti elektron, yang akan menyebabkan elektron bergerak berisolasi disekitar titik setimbangnya.
gelombang EM. Dikatakan elektron telah menghamburkan sinar-x yang mempunyai panjang gelombang dan frekuensi yang sama dengan sinar datang, yang disebut koheren satu sama lain. Gejala penghamburan atau difraksi ini akan direkam sebagai identifikasi yang terkait dengan struktur kristal. Gambar 2.5 menunjukkan prinsip dasar XRD.
Gambar 2.5 Difraksi sinar –X oleh atom-atom pada bidang kristal ( Bert Keyaerts,2010)
struktur kristal dalam material berfasa tunggal atau lebih akan memiliki pola XRD yang unik. Pola-pola XRD ini tersimpan dalam kumpulan data JCPDS/ICDD yang dapat digunakan sebagai data pencocokan puncak-puncak β dan intensitas dari data XRD sampel yang diuji.
2.6.2 Pengujian SEM ( Scanning Electron Microscopi)
permukaan sampel ketika permukaan sampel tersebut discan dengan sinar elektron. Elektron sekunder atau elektron pantul yang terdeteksi selanjutnya diperkuat sinyalnya., kemudian besar amplitudonya ditampilkan dalam gradasi gelap – terang pada layar monitor CRT (cathode ray tube). Dilayar CRT inilah gambar struktur obyek yang sudah diperbesar bisa dilihat. Pada operasinya SEM tidak memerlukan sampel yang ditipiskan, sehingga bisa digunakan untuk melihat objek dari sudut pandang tiga dimensi.
SEM dan mikroskopi optik metalurgi menggunakan prinsip refleksi, dalam arti permukaan spesimen memantulkan berkas media. Teknik SEM pada hakekatnya merupakan pemeriksaan dan analisis permukaan. Data atau tampilan yang diperoleh adalah data dari permukaan atau dari lapisan yang tebalnya sekitar 20µm dari permukaan. Gambar permukaan yang diperoleh merupakan gambar topografi dengan segala tonjolan dan lekukan permukaan. Gambar topografi diperoleh dari penangkapan pengolahan elektron sekunder yang dipancarkan oleh spesimen. Prinsip kerja SEM adalah scanning yang berarti bahwa berkas elektron ‘’menyapu’’ permukaan spesimen, titik demi titik dengan sapuan membentuk garis demi garis. Sinyal elektron sekunder yang dihasilkannya adalah dari titik pada permukaan, yang selanjutnya ditangkap oleh SE detector dan kemudian diolah dan ditampilkan pada layar CRT. Scanning coil yang mengarahkan berkas
eektron bekerja secara sinkron dengan pengarah berkas elektron pada tabung layar TV. Seingga didapatkan gambar permukaan spesimen pada layar TV.
Prinsip kerja SEM adalah difraksi elektron, yaitu dengan cara menembakkan permukaan benda dengan berkas elektron berenergi tinggi pada permukaan sampel. Kemudian berkas elektron yang mengenai permukaan sampel akan menghasilkan pantulan berupa berkas elektron sekunder yang memancarkan kesegala arah. Berkas elektron sekunder yang memancar kesegala arah ini akan tertangkap oleh detektor. Kemudian informasi dari detektor dilanjutkan ke transducer yang berfungsi mengubah signal menjadi image. Image yang
Gambar 2.6 Diagram SEM (http://www.microscopy.ethz.Ch/sem.htm) (Diakses tanggal 18 april 2015)
2.6.3 Pengujian Charge –Discharge
Pengujian sel baterai dilakukan dengan proses charging dan discharging. Untuk mendapatkan performa sebuah baterai maka diperlukan pengujian charge/discharge sehingga didapatkan kapasitas pada sel baterai.
Hal yang diutamakan menentukan performa sel baterai terletak pada aspek kimia permukaan yang menghasilkan kontak permukaan yang bagus sehingga menjamin proses interkalasi dan deinterkalasi berjalan dengan baik.
Kapasitas baterai adalah ukuran muatan yang disimpan suatu baterai, yang ditentukan oleh massa aktif material didalamnya. Kapasitas menggambarkan sejumlah energi maksimum yang dapat dikeluarkan dari sebuah baterai. Tetapi kemampuan penyimpanan baterai dapat berbeda dari kapasitas nominalnya, diantaranya karena kapasitas baterai bergantung pada umur dan keadaan baterai.
Kapasitas baterai sering dinyatakan dalam Ampere hours ditentukan sebagai waktu dalam jam yang dibutuhkan baterai untuk secara kontinu
Satuan Ah sering digunakan ketika tegangan baterai bervariasi selama siklus charging dan discharging. Nilai charging, dalam ampere adalah sejumlah muatan yang diberikan pada baterai persatuan waktu. Sedangkan discharging, dalam ampere adalah sejumlah muatan yang digunakan kerangkaian luar (beban), yang diambil dari baterai. Nilai charge-discharge ditentukan dengan membagi kapasitas baterai (Ah) dengan jam yang dibutuhkan untuk charging-discharging baterai.
Nilai charging dan discharging berpengaruh terhadap nilai kapasitas baterai. Jika baterai di discharge sangat cepat (arus discharge tinggi), maka sejumlah energi yang digunakan oleh baterai menjadi berkurang sehingga kapasitas baterai menjadi lebih rendah. Hal ini dikarenakan kebutuhan suatu materi/komponen untuk reaksi yang terjadi tidak mempunyai waktu yang cukup untuk bergerak keposisi seharusnya.
2.6.4 Pengujian Cyclic Voltammetry
Voltametri siklik merupakan teknik voltametri dimana arus diukur selama
penyapuan potensial dari potensial awal ke potensial akhir dan kembali lagi ke potensial awal atau disebut juga penyapuan (scanning) dapat dibalik kembali setelah reaksi berlangsung.
Dengan demikian arus katodik maupun anodik dapat terukur. Arus katodik adalah arus yang digunakan pada saat penyapuan dari potensial yang paling besar menuju potensial yang paling kecil dan arus anodik adalah sebaliknya yaitu penyapuan dari potensial yang paling kecil menuju potensial yang paling besar.
Voltametri siklik terdiri dari siklus potensial dari suatu elektroda yang dicelupkan kedalam larutan yang tidak diaduk yang mengandung spesies elektroaktif dan mengukur arus yang dihasilkan.
Gambar 2.7 sinyal eksitasi untuk voltametri siklik (Scholz, 2010)
Potensial sinyal eksitasi segitiga menyapu potensial elektroda antara dua nilai. Sinyal eksitasi pada Gambar 2.7 menyebabkan potensial pertama untuk penyapuan negatif dari +0,08 (potensial awal) ke -0,20 V (potensial akhir), sedangkan titik arah penyapuan balik (switching potensial) menghasilkan penyapuan positif kembali ke potensial awal 0,80 V. Kecepatam penyapuan terlihat pada kemiringan garis yaitu 50 mV perdetik.
Voltamogram siklik diperoleh dengan mengukur arus pada elektroda kerja selama scan potensial. Arus dapat dianggap sebagai respon sinyal terhadap potensial eksitasi. Voltamogram yang dihasilkan merupakan kurva antara arus (pada sumbu vertikal) versus potensial (sumbu horizontal).
