SINTESIS NATRIUM LITIUM TITANAT DENGAN METODE HIDROTERMAL UNTUK APLIKASI ANODA BATERAI LITHIUM-ION

(1)

SINTESIS NATRIUM LITIUM TITANAT DENGAN

METODE HIDROTERMAL UNTUK APLIKASI ANODA

BATERAI LITHIUM-ION

LAPORAN KERJA PRAKTIK

Oleh :

SUGIANTO

105116001

PROGRAM STUDI KIMIA

FAKULTAS SAINS DAN KOMPUTER

UNIVERSITAS PERTAMINA

(2)

i

LEMBAR PERSETUJUAN LAPORAN KERJA

PRAKTIK

Judul Kerja Praktik

: Sintesis Natrium Litium Titanat Dengan Metode

Hidrotermal Untuk Aplikasi Anoda Baterai Litium-Ion

Nama Mahasiswa

: SUGIANTO

Nomor Induk Mahasiswa

: 105116001

Program Studi

: Kimia

Fakultas

: Sains dan Komputer

Tanggal Seminar

: 31 Juli 2019(LIPI) dan 29 Agustus 2019(Universitas

Pertamina)

Jakarta, 12 September 2019

MENYETUJUI,

Pembimbing Instansi

Achmad Subhan, M.T NIP

197011092000031001

1. Pembimbing Program Studi

2.

3.

4.

5. Dr. Eng. Haryo Satriya Oktaviano

NIP 116097

(3)

ii

Kata Pengantar

Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan Kerja Praktek di Pusat Penelitian Fisika (P2F) – LIPI di kelompok penelitian Baterai Lithium dan Superkapasitor. Laporan kerja praktek yang berjudul “Sintesis Natrium Litium Titanat dengan Metode Hidrotermal untuk Aplikasi Anoda Baterai Litium-Ion” yang merupakan salah satu syarat menyelesaikan mata kuliah Kerja Praktek pada semester VII di Program Studi Kimia, Fakultas Sains dan Komputer, Universitas Pertamina.

Dalam proses penulisan, penulis sadar bahwa laporan ini tak akan selesai tanpa ada bantuan masukkan dan support dari berbagai pihak. Oleh sebab itu, penulis ucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Kedua orang tua dan keluarga tercinta yang senantiasa memberikan dukungan, doa dan bantuan baik secara moral maupun materil.

2. Bapak Dr. Eng Haryo Satriya Oktavaino M.Eng, selaku Kepala Program Studi Kimia, Fakultas Sains dan Komputer, Universitas Pertamina serta sebagai Dosen Pembimbing Kerja Praktik yang telah memberikan arahan dan masukkan dalam proses penyusunan laporan.

3. Bapak Achmad Subhan, M.T selaku pembimbing lapangan dalam melaksanakan KP di Pusat Penelitian Fisika - LIPI, yang senantiasa membantu, memberi arahan, masukan dan ilmu baru kepada penulis dalam pelaksanaan KP dan penyusunan laporan. 4. Mas Ahmad Sohib, Mbak Ajeng Najihah, Mbak Nindita, Mas Zul selaku riset asisten

yang telah mendampingi, membantu, serta memberi arahan selama penulis melakukan riset di Pusat Penelitian Fisika (P2F) – LIPI.

5. Teman – teman seperjuangan KP-LIPI Serpong, yaitu Mella Ramadhani, Muchtazar Yusril, Marsel Estefan Lie dan Dedy Siahaan yang senantiasa menjadi teman diskusi dan teman berbagi di kala senang dan sedih.

Penulis menyadari tidak ada yang sempurna di dunia ini melainkan Allah SWT, begitupun dengan laporan ini yang tak luput dari segala kekurangan dan jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu kritik dan saran dari pembaca laporan ini sangat penulis harapkan. Penulis berharap laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis dan pembaca aamiin.

Penulis

(4)

iii

DAFTAR ISI

Halaman Judul ...

Lembar Persetujuan ... i

Kata Pengantar ... ii

Daftar Isi... iii

Daftar Gambar ... iv BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 6 1.2 Tujuan ... 7 1.3 Tempat Pelaksanaan ... 7 1.4 Waktu Pelaksanaan ... 7 1.5 Metode Penulisan ... 7 1.5.1 Studi Literatur ... 7 1.5.2 Eksperimen di Laboratorium ... 7 1.6 Sistematika Laporan ... 8

BAB 2 Profil Singkat Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI 2.1 Lokasi Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI ... 9

2.2 Sejarah Singkat Pusat Penelitian Fisika (P2F) – LIPI ... 9

2.3 Visi dan Misi Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI 2.3.1 Visi Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI ... 10

2.3.2 Misi Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI ... 10

2.4 Tugas Pokok dan Fungsi Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI 2.4.1 Tugas Pokok Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI ... 11

2.4.2 Fungsi Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI ... 11

2.5 Pelayanan Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI 2.5.1 Instrumentasi dan Optik ... 12

2.5.2

Fisika Bahan Baru ... 12

2.6 Kelompok Penelitian ... 13

(5)

iv

2.8 Bidang Kerja Praktik ... 14

BAB 3 Kegiatan Kerja Praktik 3.1 Tugas yang diberikan ... 15

3.1.1 Alat ... 15

3.1.2 Bahan ... 15

3.2 Cara Kerja 3.2.1 Sintesis material Na2Li2Ti6O14 ... 16

3.2.2 Pembuatan slurry ... 16

3.2.3 Assembling coin sell ... 17

BAB 4 Hasil Kerja Praktik 4.1 Uji X-Ray Diffraction (XRD) ... 18

4.2 Uji Cyclic Voltametry (CV) ... 19

4.3 Uji Coulombic Efficiency ... 20

4.4 Uji Charge-Discharge ... 21

4.5 Uji Electrochemical Impedance Spectroscopy ... 22

BAB 5 Tinjauan Teoritis 5.1 Baterai Ion Lithium ... 23

5.2 Anoda Na2Li2Ti6O14 5.2.1 Struktur Na2Li2Ti6O14 ... 25

5.2.2 Kelebihan dan Kekurangan Anoda Na2Li2Ti6O14 ... 26

5.3 Bahan Pembentuk Material Na2Li2Ti6O14 5.3.1 Titanium(IV) oksida (TiO2) ... 26

5.3.2 Lithium Karbonat (Li2CO3) ... 26

5.3.3 Natrium Bikarbonat (NaHCO3) ... 27

5.3.4 Karbon Aktif ... 27

5.3.5 Etanol ... 27

5.4 Metode 5.4.1 Solid State Reaction ... 27

(6)

v 5.5 Sintering ... 29 5.6 Karakterisasi 5.6.1 X-Ray Diffraction ... 30 5.6.2 Cyclic Voltametry ... 31 5.6.3 Charge – Discharge ... 32 5.6.4 Coulombic Efficiency ... 32

5.6.5 Electrochemical Impedance Spectroscopy ... 33

BAB 6 Kesimpulan dan Saran 6.1 Kesimpulan ... 34

6.2 Saran ... 34

DAFTAR PUSTAKA ... 35

Lampiran ... 36

Daftar Hadir Kerja Praktik ... 37

(7)

vi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Struktur Organisasi P2F-LIPI ... 7

Gambar 2. Proses Pembuatan Anoda Na2Li2Ti6O14 ... 12

Gambar 3. Pola XRD pada Na2Li2Ti6O14 ... 13

Gambar 4. Cyclic Voltametry anoda Na2Li2Ti6O14 ... 14

Gambar 5. Grafik Coulombic efficiency Na2Li2Ti6O14 ... 15

Gambar 6. Grafik Charge-Discharge anoda Na2Li2Ti6O14 ... 16

Gambar 7. Grafik uji EIS Na2Li2Ti6O14 ... 17

Gambar 8. Mekanisame ion lithium selama proses charge-discharge ... 18

Gambar 9. Struktur Na2Li2Ti6O14 ... 19

Gambar 10. Sintering ... 23

Gambar 11. Tahapan neck growth ... 23

Gambar 12. Voltamogram siklik ... 24

Gambar 13. Hasil charge-discharge ... 25

(8)

7

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang

Dewasa ini, kebutuhan akan baterai sebagai energy storage semakin pesat dengan semakin meningkatnya kebutuhan akan alat elektronik seperti handphone, laptop, bahkan alat transportasi seperti motor dan mobil listrik yang sedang dikembangkan. Hal ini didukung dengan sifat dari baterai yang aman untuk lingkungan dengan tidak membuang gas berbahaya seperti alat transportasi sekarang yang masih mengandalkan bahan bakar dari minyak bumi dan sejenisnya serta memiliki ke-efisienan yang lebih tinggi. Sehingga berkembanglah baterai yang berbasis baterai ion litium yang memiliki peranan penting dalam peradaban baterai sekarang. Baterai ion litium dikomersialkan untuk pertama kalinya oleh Sony Corporation pada tahun 1991, baterai ion litium menjadi sumber energi listrik yang paling banyak dipergunakan [1]. Kelebihan baterai ion litium adalah memiliki lifecycle panjang (500 – 1000 siklus), beda potensial tinggi, densitas energi tinggi, dan kapasitas spesifik lebih tinggi dibandingkan dengan baterai sekunder yang lain [2]. Namun, baterai ion litium sekarang masih banyak yang berbasis lithium-ion base (LIBs) dengan memanfaatkan grafit sebagai anoda, namun hal ini memiliki efek yang kurang bagus untuk baterai karena pada permukaan anoda akan terbentuk dendrite yang akan mengurangi kapasitas baterai ion litium [3-4]. Untuk mengatasi hal ini, dibutuhkanlah anoda yang tidak akan membentuk carbonecoeus atau dendrite pada permukaannya yaitu dari golongan titanat. Banyak sekali golongan titanat yang sekarang masih dikembangkan dan yang paling terkenal yaitu litium titanat (LTO) [5-6], namun disini praktikan tertarik untuk meneliti Na2Li2Ti6O14 sebagai material anoda dikarenakan memiliki potential plateu yang lebih rendah dibandingkan LTO yaitu 1.25 V vs Li/Li+ sedangkan LTO (1.55 V vs Li/Li+). Material Na2Li2Ti6O14 juga memiliki struktur yang stabil ketika proses charging dan discharging. Secara teori, Na2Li2Ti6O14 memiliki kapasitas sebesar 281 mAh/g yang sangat menjanjikan untuk baterai masa depan [7], ditambah anoda ini akan membuat baterai memiliki sifat fast-charging yang akan sangat berguna untuk dunia per-otomotif-an, dimana proses pen-charging-an akan semakin cepat sehingga menghemat waktu yang digunakan.

Senyawa Na2Li2Ti6O14 dapat disintesis dengan beberapa metode yaitu solid state reaction, sol-gel, dan hidrotermal. Namun, disini praktikan menggunakan metode solid state reaction yang dilanjutkan dengan proses hidrotermal. Metode solid state reaction adalah metode yang dilakukan dengan tidak adanya pelarut dengan menggiling atau melelehkan bahan awal bersama-sama atau hanya menerapkan panas ke campuran bahan awal. Jenis reaksi ini biasanya dilakukan untuk memperoleh padatan anorganik polikristalin tetapi juga dapat digunakan dalam sintesis organik. Solid state reaction menawarkan pengurangan biaya, penurunan jumlah limbah kimia dan kadang-kadang peningkatan hasil. Proses berlanjut ke hidrotermal yaitu metode sintesis kristal tunggal yang tergantung pada kelarutan mineral dalam air panas di bawah tekanan tinggi. Pertumbuhan kristal dilakukan dalam peralatan yang terdiri dari bejana tekanan baja yang disebut autoklaf, di mana nutrisi disuplai bersama dengan air. Sehingga menumbuhkan biji kristal yang diinginkan yaitu murni senyawa Na2Li2Ti6O14.

(9)

8

1.2 Tujuan

1.2.1 Mensintesis senyawa Na2Li2Ti6O14 dengan metode solid state reaction dilanjutkan dengan hidrotermal

1.2.2 Mengkarakterisasi senyawa Na2Li2Ti6O14 hasil sintesis dengan metode XRD 1.2.3 Mengkarakterisasi senyawa Na2Li2Ti6O14 sebagai anoda pada performa coin sell baterai dengan metode Electron Impedance Spectroscopy (EIS), Charge – Discharge (CD), Cyclic Voltametry (CV) dan Coulombic Efficiency

1.3 Tempat Pelaksanaan

Kawasan Puspitek Serpong Gedung 440-442, Tangerang Selatan 15314 Telp. (021)7560570, 7560556; Fax. (021)7560554;

Email : [email protected]

1.4 Waktu Pelaksanaan

Waktu pelaksanaan Kerja Praktek di Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI di kelompok penelitian Baterai Litium dan Superkapasitor selama satu bulan dimulai dari tanggal 17 Juni – 17 Juli 2019 pada hari senin - jumat pada pukul 7.30 – 16.00 WIB.

1.5 Metode Penulisan

Metode penulisan yang dilakukan membutuhkan pengumpulan data, teknik yang digunakan yaitu :

1.5.1 Studi literatur

Studi literatur dilakukan sebelum melakukan eksperimen dan mencari data pembanding sebagai referensi dengan membaca journal dan paper

1.5.2 Eksperimen di Laboratorium

Eksperimen dilakukan di Laboratorium Baterai Litium dan Superkapasitor di Kawasan Puspitek Serpong Gedung 440, Tangerang Selatan 15314

1.6 Sistematika Laporan

Sistematika penulisan laporan dapat memberikan gambaran atau kerangka secara singkat mengenai laporan kerja praktik agar setiap pembahasannya lebih sistematis. Adapun sistematika laporan kerja praktik yang terdiri dari beberapa bab adalah sebagai berikut :

Bab I Pendahuluan

Bab I berisi latar belakang pemilihan topik kerja praktik, tujuan, tempat dan waktu pelaksanaan, metode penulisan dan sistematika laporan.

Bab II Profil instansi/lembaga/perusahaan

Bagian ini berisi sejarah singkat instansi/lembaga/perusahaan dan penjelasan penempatan peserta KP di dalam instansi/lembaga/perusahaan selama

melaksanakan KP.

Bab III Kegiatan Kerja Praktik

Penjelasan mengenai kegiatan yang dilakukan selama melaksanakan KP. Termasuk didalamnya adalah tugas yang diberikan dan pencapaiannya.

(10)

9

Bab IV Hasil Kerja Praktik

Penjelasan mengenai pengetahuan dan keterampilan baru yang didapatkan selama kerja praktik.

Bab V Tinjauan Teoritis

Penjelasan mengenai keterkaitan pengetahuan dan atau keterampilan baru yang diperoleh selama KP dengan apa yang dipelajari pada proses pembelajaran.

Bab VI Kesimpulan dan Saran

Penjelasan mengenai kesimpulan yang didapatkan dari kegiatan yang dilakukan.Kesimpulan merupakan jawaban dari tujuan KP yang disebutkan pada Bab I. Pada bagian saran, mahasiswa memberikan usulan yang membangun ke pada instansi tempat dilaksanakan KP sebagai hasil evaluasi pengalaman KP.

(11)

10

BAB II

Profil Singkat Pusat Penelitian Fisika(P2F)-LIPI

2.1 Lokasi Pusat Penelitian Fisika (P2F) – LIPI

Kawasan Puspitek Serpong Gedung 440-442, Tangerang Selatan 15314 Telp. (021)7560570, 7560556; Fax. (021)7560554;

Email : [email protected]

2.2 Sejarah Singkat Pusat Penelitian Fisika (P2F) - LIPI

Pusat Penelitian Fisika – Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (P2F-LIPI) didirikan pada tahun 1967 dengan nama Lembaga Fisika Nasional (LFN). Pada tahun 1986, Lembaga Fisika Nasional (LFN) berubah nama menjadi Pusat Penelitian dan Pengembangan Fisika Terapan (P3FT). Berdasarkan SK Kepala LIPI No. 1151/M/2001, maka sejak tanggal 5 Juni 2001, Pusat Penelitian dan Pengembangan Fisika Terapan berubah nama menjadi Pusat Penelitian Fisika (P2F) sampai sekarang. Secara institusi, P2F-LIPI merupakan institusi pemerintah dibawah Lembaga Pemerintah Non Kementerian yaitu Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) yang merupakan salah satu pusat penelitian dibawah Kedeputian Bidang Ilmu Pengetahuan Teknik (IPT LIPI).

Tugas dan Fungsi P2F-LIPI dituangkan pada bagian ketiga Pasal 187 dan 188, Peraturan Kepala LIPI No. 1 Tahun 2014 yaitu melaksanakan penelitiaan di bidang fisika dengan fungsi :

 Melakukan penyusunan kebijakan teknis, rencana, dan program penelitian di bidang fisika;

 Melakukan penelitian di bidang fisika;

 Melakukan pemantauan, evaluasi, dan pelaporan pelaksanaan;

Berdasarkan Peraturan Kepala LIPI No. 1 Tahun 2014, P2F-LIPI yang dipimpin oleh seorang Kepala Pusat setingkat eselon IIa membawahi tiga eselon IIIa dan membawahi langsung kelompok penelitian (Keltian) yang dikoordinir oleh seorang ketua kelompok penelitian. Struktur demikian diharapkan dapat mensinergiskan semua potensi yang ada dalam menjalankan Tugas dan Fungsi P2F-LIPI. P2F-LIPI berkomitmen untuk mengoptimalkan seluruh potensi organisasi melalui dukungan sumber daya manusia (SDM), dana, sarana, dan prasarana yang ada, serta terus menerus melaksanakan, memantau, dan mengevaluasi seluruh kegiatan untuk meningkatkan koordinasi dan sinergi baik secara internal maupun kerjasama institusional dengan pihak lain. Visi dituangkan dalam Rencana Strategis Implementatif menjadi Pusat Penelitian Berkelas Dunia di bidang fisika dengan moto memasyarakat dan mendunia diharapkan mampu memberikan semnagat menghasilkan kebaharuan dan inovasi riset di bidang ilmu pengetahuan dan teknologi fisika.

(12)

11

2.3 Visi dan Misi Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI

2.3.1 Visi Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI

Menjadi pusat penelitian ilmu pengetahuan dan teknologi berbasis fisika yang handal dan terpercaya untuk mendukung LIPI menjadi lembaga ilmu pengetahuan berkelas dunia.

2.3.2 Misi Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI

Untuk mencapai visi yang telah ditetapkan di atas, maka misi Pusat Penelitian Fisika-LIPI sebagai berikut:

1. Melaksanakan penelitian yang bersifat inventif dan inovatif dalam bidang fisika untuk menciptakan great science (terobosan ilmiah) dalam rangka meningkatkan daya saing industri dan perekonomian nasional.

2. Memanfaatkan ilmu pengetahuan dan teknologi berbasis fisika untuk mendukung proses penciptaan Good Governance.

3. Meningkatkan pendayagunaan hasil-hasil penelitian bidang fisika untuk memberikan solusi terhadap masalah-masalah aktual nasional.

4. Memperkuat infrastuktur lembaga untuk meningkatkan kinerja penelitian dan pelayanan masyarakat dalam bidang fisika.

2.4 Tugas Pokok dan Fungsi Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI

Tugas dan fungsi Pusat Penelitian Fisika-LIPI sesuai dengan SK Kepala LIPI No. 1151/M/2001, tanggal 5 Mei 2001.

2.4.1 Tugas Pokok Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI

Pusat Penelitian Fisika-LIPI mempunyai tugas melaksanakan penyiapan bahan perumusan kebijakan, penyusunan pedoman, pemberian bimbingan teknis, penyusunan rencana dan program, pelaksanaan penelitian bidang fisika serta evaluasi, dan penyusunan laporan.

2.4.2 Fungsi Pusat Penelitian Fisika(P2F) - LIPI

Untuk menyelenggarakan tugas pokok tersebut, Pusat Penelitian Fisika-LIPI mempunyai fungsi :

1. Penyiapan bahan perumusan kebijakan penelitian bidang fisika.

2. Penyusunan pedoman, pembinaan, dan pemberian bimbingan teknis penelitian bidang fisika.

3. Penyusunan rencana, program, dan pelaksanaan penelitian bidang fisika. 4. Pemantauan pemanfaatan hasil penelitian bidang fisika.

(13)

12 5. Pelayanan jasa ilmu pengetahuan dan teknologi bidang fisika.

6. Evaluasi dan penyusunan laporan penelitian bidang fisika.

2.5 Pelayanan Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI

Adapun pelayanan yang disediakan oleh Pusat Penelitian Fiska(P2F) – LIPI sebagai berikut :

2.5.1. Instrumentasi dan Optik

Bidang ini menyelenggarakan penelitian, pengembangan, penerapan, perekayasaan dan pelayanan iptek khususnya di bidang pengukuran atau pengujian fisis dan optoelektronika. Kegiatan utama diarahkan pada aplikasi laser dan serat optik, pelapisan, instrumentasi, dan kontrol, uji atau evaluasi optik dan ultrasonik, serta fisika teoritik dan komputasi.

Adapun peralatan utamanya didalam riset Instrumentasi dan Optik adalah : a. Aneka sumber cahaya laser He-Ne, Ar, He-Cd, Nd-YAG.

b. Instrumentasi laser dan sistem serat optik: laser lampu tala, Optical Spectrum Analyzer, PZT Driver, Optical Time Domain Reflectrometer, Fusion Splicer, Fibre Polisher, dan Optical Power Meter.

c. Sistem pelapisan dengan: Plasma Laser, Detonation Gun dan Ultrasonic Fogger. d. Peralatan untuk uji tak merusak (NDT): Non-Destructive Electronic Speckle Pattern Interferometer System, Acoustic Emission System, Non-destructive Testing ultrasonic. e. Liquid Phase Epitaxy, Chemical Vapour Deposision dan Photolithigraphy system

untuk pembuatan piranti fotonik berbasis senyawa III-V.

f. Sistem komputasi paralel dengan Central Processing Unit Clustering.

2.5.2 Fisika Bahan Baru

Bidang ini menyelenggarakan penelitian, pengembangan, penerapan, perekayasaan dan

pelayanan jasa ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya di bidang fisika bahan baru dengan memanfaatkan sumber daya yang ada (manusia dan alam) dalam rangka memenuhi kebutuhan bahan baru untuk industri, perguruan tinggi, dan litbang. Peralatan utama yang menunjang kegiatan antara lain :

a. Ion Sputtering, Cryogenic Crusher, Injection Moulding, Mikroskopik Optik, Fourier Transform Infra Red, Hardness tester, gloss meter, color difference meter, Universal

Tensile Machine.

b. Abration Tester, Dumbell Cutting Machine, Dynamic Mechanical Analysis, Fatigue Tester, Hot/Cold Press, Laboplastomil (mixer-extruder), Wheather-O-meter. c. High Energy Milling and Ball Milling.

(14)

13 e. Peralatan Karakterisasi : Transmission Electron Microscopy (TEM), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Powder Diffraction (XRD), X-Ray Fluorescence (XRF), Differential Thermal Analysis (DTA), Battery Utility, Magnetizer.

2.6 Kelompok Penelitian

 Material Nano Magnetik

 Baterai Litium dan Superkapasitor

 Laser

 Fisika Komputasi

 Fisika Tektonik

 Material Berketahanan Tinggi

 Teknologi Fuel Cell dan Hidrogen

 Fisika Teori Energi Tinggi

 Optoelektronik

2.7 Struktur Organisasi Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI

Gambar 1. Struktur Organisasi Pusat Penelitian Fisika Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia

Kepala Pusat : Rike Yudianti

Kepala Bidang Pengelolaan dan Diseminasi Hasil : Agus Suheri Kepala Sub Bidang Sarana Penelitian Fisika Khusus : Imam Syaifullah Kepala Bidang Sarana Penelitian : Heri Kresnadi Kepala Sub Bidang Sarana Penelitiaan Fisika Umum : Suryadi

(15)

14 Kepala Sub Bagian Keuangan : Iin Pardini

Kepala Sub Bidang Pengelolaan Hasil Penelitian : Ester Laekha

Kepala Sub Bagian Kepegawaian : Retno Ayu Widiyaningrum Kepala Sub Bidang Diseminasi dan Kerja Sama : Th. Ningsi Astuti

Kepala Sub Bagian Umum : Andi Suhandi

2.8 Bidang Kerja Praktik

Praktikan ditempatkan di Departemen Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI Serpong, Tangerang Selatan pada kelompok penelitian Baterai Litium dan Superkapasitor dengan pembimbing Bapak Achmad Subhan, M.T yang berfokus pada anoda baterai Li-ion dengan topik sintesis material Na2Li2Ti6O14 dengan metode solid state reaction dilanjutkan dengan hidrotermal sebagai material anoda.

(16)

15

BAB III Kegiatan Kerja Praktik

3.1 Tugas yang diberikan

Kerja praktek di Pusat Penelitian Fisika(P2F) – LIPI kelompok penelitian Baterai Litium dan Superkapasitor terlebih dahulu dibagi topik yang menjadi fokus penelitian praktikan yang akan dilaksanakan. Praktikan mendapat topik Na2Li2Ti6O14 sebagai material anoda pada baterai ion litium. Kemudian dilakukan studi literatur sebelum melakukan eksperimen material anoda tersebut. Setelah studi literatur maka dilakukan eksperimen sintesis senyawa Na2Li2Ti6O14 dengan metode solid state reaction yang dilanjutkan dengan hidrotermal dan kemudian di sintering. Berikut alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian :

3.1.1 Alat

Alat yang digunakan yaitu : 1. Beaker glass 25mL 2. Spatula

3. Alu dan mortar 4. Perahu timbangan 5. Cawan patri

6. Neraca analitik digital 7. Bulb

8. Magnetic stirrer

9. Hotplate IKA C-MAG HS 10 10. Pipet volume (10 dan 25 mL) 11. Crucible

12. Furnace

13. MSK-AFA-III automatic Thick Film Coater 14. Set coin sell

15. Glove box 16. Autoclave 17. Oven

3.1.2 Bahan

Bahan yang digunakan adalah 1. Titanium(IV) oksida (MERCK)

(17)

16 2. Litium karbonat (MERCK)

3. Carbon aktif 4. Etanol (MERCK) 5. NaHCO3 (Tek. Cina)

6. Poly(vinylidene fluoride) (Sigma Aldrich) 7. Super P

8. N,N-Dimetil-acetaamide (MERCK) 9. LiPF6

10. Lembaran Cu

11. Celgard Li-ion battery separator film (25 μmT x 85 mm W)

3.2 Cara Kerja

3.2.1 Sintesis material Na2Li2Ti6O14

Metode solid state reaction dilakukan sebelum di hidrotermal-kan dengan cara mencampurkan 2,942 g NaHCO3 sebagai sumber Na dengan 1,294 g Li2CO3 sebagai sumber Li dan 8,392 g TiO2 sebagai sumber Ti yang diharapkan akan menghasilkan 10 g Na2Li2Ti6O14 yang terbentuk kemudian di doping dengan aktif karbon 3% dari 10 gram Na2Li2Ti6O14 yang diharapkan. Setelah itu, semua bahan dicampur dan dihaluskan di alu dengan mortar selama 45 menit agar tercampur merata dan memiliki ukuran nano. Kemudian sampel dimasukkan kedalam autoclave dan ditambahkan 25 mL etanol untuk proses hidrotermal. Sampel dipanaskan pada suhu 200℃ selama 20 jam pada oven dengan kecepatan pemanasan 5℃ per

menit. Setelah itu, sampel didinginkan pada suhu ruang, kemudian dikeringkan dengan cara menuangkan semua bahan yang ada di autoclave pada cawan patri dan dibiarkan sampai mengering. Kemudian sampel digerus kembali agar lebih halus. Setelah halus, sampel di sintering pada rate 10℃/min dengan lama waktu sintering 100℃ selama 1 jam dilanjutkan

400℃ selama 1 jam dan terakhir 850℃ selama 9 jam. Setelah di-sintering, sampel dihaluskan

kembali menggunakan alu dan mortar kemudian di karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction.

3.2.2 Pembuatan slurry

Material Na2Li2Ti6O14 yang telah halus kemudian di bentuk lembaran pada lembaran Cu dengan cara dibentuk slurry. Pembuatan slurry dengan cara memanaskan 3,5 g DMAC pada suhu 80℃, kemudian di masukkan 0,1 g PVDF secara perlahan sampai larut sempurna

ditandai dengan warna bening, sebelumnya sampel yang telah dihaluskan dicampur dengan 0,1 g Super P pada alu kemudian di haluskan dengan mortar agar tercampur merata. Kemudian, sampel yang telah tercampur super P dimasukkan secara perlahan kedalam larutan DMAC dan PVDF. Setelah itu, ditunggu sampai terbentuk slurry pada campuran tersebut. Slurry kemudian di coating pada lembaran Cu dengan speed display 5-6. Kemudian di panaskan pada oven dengan suhu 80℃. Setelah kering, lembaran kemudian di potong lingkaran dengan diameter 16 mm sebanyak 2 lembaran.

(18)

17

3.2.3 Assembling coin sell

Sebanyak 2 lembar lingkaran material Na2Li2Ti6O14 yang telah ter-coating pada lembaran Cu kemudian di bentuk menjadi coin sell berbentuk half cell sebagai anoda dengan katodanya Li metal dan separator yang digunakan Celgard li-ion battery (25µmT x 85mm W) dengan elektrolit LiPF6 sebanyak 3 tetes. Coin sell kemudian di uji cyclic voltametry (CV), charge-discharge (CD), Coulombic Efficiency dan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS).

(19)

18

BAB 4 Hasil Kerja Praktik

Proses sintesis dan pembentukan anoda dengan material Na2Li2Ti6O14 melewati beberapa macam proses, mulai dari material dasar kemudian hidrotermal, sintering, pembuatan slurry, peng-coating-an pada lembaran Cu dan assembling coin sell. Berikut gambaran proses pada sampel material Na2Li2Ti6O14 yang terjadi :

Gambar 2. Proses Pembentukan Anoda Na2Li2Ti6O14 menjadi Coin Sell

Sebelum proses hidrotermal, material dasar terlebih dahulu dihaluskan dan dicampurkan pada mortar menggunakan alu yang bertujuan untuk membentuk partikel berukuran kecil. Kemudian sampel di hidrotermal dengan etanol pada suhu 200 ℃ dengan kecepatan

pemanasan 5℃/min selama 20 jam yang bertujuan untuk membentuk material Na2Li2Ti6O14 dengan memanfaatkan tekanan akibat uap dari etanol yang telah mendidih pada suhu 78.37

℃. Setelah proses hidrotermal selesai dilanjutkan pengeringan dan menghasilkan sampel

seperti gambar 3. Sampel kemudian di-sintering yang bertujuan untuk membentuk kristal Na2Li2Ti6O14 yang murni tanpa ada senyawa lain dan menghilangkan etanol atau senyawa lain yang masih tersisa. Terjadi perubahan warna sampel dari abu kehitam-hitaman menjadi putih dikarenakan terbentuk senyawa oksida-nya. Setelah itu, sampel di bentuk menjadi slurry yang akan di coating pada lembaran Cu karena sebagai anoda, terakhir di assembling menjadi coin sell dengan elektrolit LiPF6 (3 tetes) dan seperator Celgard Li-Ion battery seperator film (d = 21mm). Coin sell siap dikarakterisasi menggunakan Cyclic Voltametry, Charge-Discharge, Coulombic Efficiency dan Electrochemical Impedance Spectroscopy.

(20)

19 Material Na2Li2Ti6O14 yang telah disintesis kemudian dilakukan karakterisasi :

4.1.Uji X-ray Diffraction (XRD)

Uji X-ray diffraction digunakan untuk menentukan fase kristal yang terbentuk dari hasil sintesis [8]. Material Na2Li2Ti6O14 hasil sintesis disiapkan beberapa mg kemudian di uji X-ray diffraction dengan panjang gelombang CuKα (1.541862

Å

) dan X ray ( 40 kV, 30 mA). Hasil uji XRD pada material Na2Li2Ti6O14 hasil sintesis dan referensi sebagai berikut :

Gambar 3. Pola XRD Na2Li2Ti6O14 a. referensi [9]; b. sampel

Berdasarkan hasil XRD pada material Na2Li2Ti6O14 hasil sintesis dan referensi bahwa material Na2Li2Ti6O14 hasil sintesis dengan metode solid state reaction yang dilanjutkan dengan metode hidrotermal berhasil disintesis dengan ditunjukkan keberadaan peak yang sama antara hasil sintesis dan referensi serta terbentuk hanya satu fasa yaitu murni material Na2Li2Ti6O14 dengan kemunculan peak pada 2θ di 18.3˚, 32.7 ˚ dan 45.4 ˚ [9].

111

511

(21)

20

4.2 Uji Cyclic Voltametry (CV)

Uji Cyclic voltametry dilakukan untuk uji elektrokimia yang mengukur arus yang berkembang dalam sel elektrokimia dalam kondisi di mana tegangan melebihi yang diprediksi oleh persamaan Nernst [10]. Uji cyclic voltametry pada material Na2Li2Ti6O14 berfungsi untuk menentukan puncak voltase reduksi dan oksidasi sehingga dapat menentukan kapasitas masing-masing pada setiap proses yang terjadi dan menentukan reversible atau tidak nya suatu anoda. Berikut hasil uji Cyclic voltametry pada material Na2Li2Ti6O14 sampel dan

referensi :

Gambar 4. Cyclic voltametry untuk Na2Li2Ti6O14 a. referensi [9]; b. sampel

Berdasarkan uji Cyclic Voltametry, terdapat perbedaan puncak oksidasi antara sampel dan referensi yaitu 0.029 V serta perbedaan puncak reduksi yaitu 0.014 V. Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada perbedaan yang terlalu siginifikan. Berdasarkan peak pada sampel, kapasitas saat proses oksidasi sebesar 93.61 mAh/g dan reduksi sebesar 95.419 mAh/g. Hal ini dikarenakan oleh katoda yang digunakan adalah Li metal dimana coin sell yang digunakan masih half cell sehingga kapasitas saat reduksi meningkat.

(22)

21

4.3 Uji Coulumbic Efficiency

Uji Coulumb efficiency dilakukan untuk melihat ketahanan baterai dan kapasitas setelah pemakaian yang berulang. Berikut data coulombic efficiency untuk sampel dan referensi _:

Gambar 5. Grafik Coulumb efficiency a. sampel; b. referensi [9]

Berdasarkan uji couloumbic efficiency untuk sampel stabil 100% dengan semakin banyaknya cycle dengan kapasitas yang meningkat sedikit yaitu dari 76.48 mAh/g menjadi 80.54 mAh/g sedangkan pada referensi kapasitas semakin menurun dengan semakin banyaknya cycle yang telah dilewati oleh sampel anoda yang digunakan.

4.4 Uji Charge-Discharge

Uji Charge-discharge dilakukan untuk menentukan berapa kali baterai dapat digunakan dengan mengevaluasinya sampai memburuk setelah siklus berulang pengisian dan pemakaian [11]. Berikut hasil charge-discharge serta coulumb efficiency pada material Na2Li2Ti6O14 :

(23)

22 Berdasarkan uji charge-discharge pada sampel terlihat bahwa potential plateau tertinggi pada rentang 1.2 -1.4 V dengan kapasitas 92.7 mAh/g sedangkan pada referensi yaitu 74.3 mAh/g [9]. Hal ini menunjukkan bahwa sampel memiliki sifat elektrokimia yang lebih baik.

4.5 Uji Electrochemical Impedance Spectroscopy

Uji Electrochemical Impedance Spectroscopy dilakukan untuk mengukur sifat resistansi dan kapasitansi suatu bahan melalui penerapan sinyal eksitasi AC sinusoidal dari 2–10 mV [12]. Berikut hasil uji EIS pada material Na2Li2Ti6O14 hasil sintesis dan referensi :

Gambar 7.Grafik uji EIS Na2Li2Ti6O14 a. sampel; b. referensi [9]

Berdasarkan uji EIS pada sampel, bahwa hambatannya sebesar 215 Ω, sedangkan pada referensi sebesar 233,93 Ω. Hal ini menunjukkan bahwa sampel memiliki konduktivitas yang lebih baik daripada referensi dengan metode yang berbeda. Sehingga mendukung untuk membuat anoda baterai yang fast charging.

(24)

23

BAB 5 Tinjauan Teoritis

5.1 Baterai Ion Litium

Baterai adalah kumpulan satu atau lebih sel yang reaksi kimianya menciptakan aliran elektron dalam suatu rangkaian. Dalam satu sel baterai terdiri dari suatu sistem proses elektrokimia yaitu elektroda (katoda dan anoda), elektrolit, separator, wadah, dan current collector/terminal. Baterai banyak digunakan pada masa elektronik yang serba portable sekarang. Berikut adalah komponen terpenting dari sel baterai :

1. Anoda(Elektroda negatif) yaitu elektroda yang mengalami proses oksidasi pada sel elektrokimia sehingga melepaskan elektron kerangkaian luar.

2. Katoda(Elektroda positif), yaitu elektroda yang mengalami proses reduksi pada sel elektrokimia sehingga berperan sebagai penerima dari electron yang dihasilkan oleh elektroda negatif.

3. Elektrolit(Penghantar ion), yaitu media transfer ion yang bergerak dari elektroda yang mengalami oksidasi (anoda) menuju elektroda yang mengalami reduksi (katoda) dalam sel baterai pada saat penggunaan. Elektrolit pada umumnya berupa cairan/larutan dimana pada cairan/larutan tersebut terdapat molekul garam didalamnya [11].

Baterai sendiri terdiri dari dua jenis, yaitu baterai primer dan baterai sekunder. Baterai primer adalah baterai yang dapat dibilang sebagai baterai sekali pakai. Contohnya baterai jenis Zinc-carbon, alkali, litium dan silver oxide. Sedangkan, baterai sekunder adalah baterai yang dapat di charge kembali sehingga memiliki energi listrik kembali yang tersimpan. Contohnya baterai jenis Li-ion, Ni-Cd, dan Ni-MH.

Baterai ion litium merupakan bagian dari jenis baterai sekunder yang dapat di charge kembali. Baterai ion litium banyak memiliki keunggulan, seperti memiliki lifecycle yang panjang (500-1000 siklus), memiliki memory effect yang kecil, tegangan kerja yang tinggi (3,6 V), dan memiliki kapasitas spesifik lebih tinggi daripada baterai sekunder yang lain [13]. Prinsip kerja baterai ion litium yaitu berdasarkan fenomena interkalasi ion Li+, dimana ion Li+ akan bermigrasi dari katoda ke anoda selama proses charging dan sebaliknya dari anoda ke katoda selama proses discharging [14]. Berikut mekanisme migrasi yang terjadi pada ion litium ketika proses charge dan discharge:

(25)

24 Gambar 8. Mekanisme Ion Litium selama Proses Charge dan Discharge [15]

Kapasitas suatu baterai ion litium akan sangat bergantung dengan banyaknya jumlah ion Li+ yang dapat di simpan pada struktur bahan anoda yang digunakan dan berapa banyak yang dapat dilepaskan kembali karena jumlah ion Li+_{yang bergerak akan sebanding dengan} jumlah electron yang dilepaskan. Hal ini akan menunjukkan pada coulombic efficiency suatu sel baterai, dimana akan baik bila coulombic efficiency 100% yang menunjukkan bahwa sel baterai tersebut reversible pada ion Li+-nya. Sel baterai ion litium mengalami proses charging dan discharging. Proses pemakaian (discharging) terjadi perubahan dari energi kimia menjadi energi listrik dimana elektron dari anoda mengalir ke katoda melalui kabel konektor sedangkan litium yang berada pada sistem (di dalam baterai) lepas dari anoda karena kekurangan elektron untuk berpindah menuju katoda melalui elektrolit yang digunakan. Dan proses pengisian (charging) terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia, dimana elektron dari katoda mengalir menuju anoda sedangkan ion litium dalam sistem berpindah dari katoda menuju anoda melalui elektrolit. Dalam sistem ini digunakan separator yang terletak di antara anoda dan katoda berfungsi untuk mencegah agar tidak terjadi hubungan singkat dan kontak antara katoda dan anoda serta menjadi penyaring ion yang dapat melewatinya, sehingga murni ion Li+. Berikut adalah karakterisasi dari baterai litium-ion :

Tabel 1. Karakteristik Baterai Ion Litium

Karakteristik Baterai ion litium

Densitas Energi (aWh/L) 250-360

Energi Spesifik (Wh/kg) 110-175

Suhu pemakaian -20ºC - 55ºC

Efisiensi 97%

(26)

25

Biaya pemeliharaan Tidak ada

Harga Baterai ($/KWh) 600(19.200Baht) Sumber : Anuphappharadorn et al., 2014

5.2 Anoda Na

2

Li

2

Ti

6

O

14

5.2.1 Struktur Na2Li2Ti6O14

Struktur Na2Li2Ti6O14 digunakan sebagai anoda pada baterai litium-ion pada satu fase dalam sistem ternary yaitu MO-Li2O-TiO2. Struktur yang terbentuk adalah face center cubic (FCC) [16]. Berikut adalah struktur Na2Li2Ti6O14 pada kondisi sebelum dan sesudah di insersi oleh ion Li+_{pada proses charge :}

Gambar 9. Struktur Na2Li2Ti6O14 a. sebelum, b. setelah insersi ion Li+[17]

Struktur TiO6 berbagi-tepi dan berbagi-sudut oktahedral membangun jaringan tiga dimensi untuk ion litium yang akan simpan dan didifusikan kembali . Dalam struktur Na2Li2Ti6O14, ion litium akan menempati situs kosong tetrahedral dan oktahedral antara dua lapisan

(27)

26 oktahedral TiO6 selama proses lithiation yaitu proses charge. Dengan ion litium terisi penuh di situs yang kosong, Ti4+_{akan sepenuhnya direduksi menjadi Ti}3+_[17]

5.2 Kelebihan dan Kekurangan Anoda Na

2

Li

2

Ti

6

O

14

Anoda Na2Li2Ti6O14 pada baterai ion litium memiliki kelebihan dan kekurangan. Berikut adalah kelebihan anoda Na2Li2Ti6O14 :

1. Memiliki potential plateau yang lebih rendah dibandingkan LTO yaitu 1.25 V vs Li/Li+

2. Memiliki struktur yang stabil pada saat proses charging dan discharging 3. Memiliki kapasitas yang reversibel

4. Memiliki kapasitas secara teori yaitu 281 mAh/g

5. Mudah untuk disintesis dengan cara solid-state reaction, sol-gel dan lelehan. 6. Tidak membentuk dendrite

Sedangkan, kekurangan dari anoda Na2Li2Ti6O14 :

1. Memiliki sifat intrinsik konduktivitas listrik yang rendah

2. Memiliki koefisien difusi yang rendah sehingga akan memiliki perfoma yang rendah ketika pada kondisi charge dan discharge pada kecepatan tinggi. [18]

5.3 Bahan Pembentuk Material Na

2

Li

2

Ti

6

O

14

5.3.1 Titanium(IV) Oksida (TiO2)

Titanium(IV) oksida adalah senyawa kimia yang berbentuk padatan berwarna putih dengan berat molekul 79.87 g/mol, dengan densitas bulk 850 kg/m3, titik didih 2900℃, titik

leleh 1855℃, nilai pH 7-8 dalam 100g/L air pada suhu 20℃ dalam bentuk bubur. TiO2 stabil pada suhu ruangan. Debu dari senyawa jangan sampai terhirup karena berbahaya untuk kesehatan tubuh.

5.3.2. Litium Karbonat (Li2CO3)

Litium karbonat adalah senyawa kimia yang berbentuk padatan berwarna putih dengan berat molekul 73.89 g/mol, dengan densitas 2.1 g/cm3 pada suhu 20_℃, titik leleh 720℃, nilai pH 10-11 pada 5g/L air pada suhu 20℃, densitas bulk 250 kg/m3_{dan solubilitas} 13g/L. Sampel stabil pada suhu ruang namun berbahaya bila terkena kulit karena dapet menyebabkan iritasi dan jangan sampai tertelan.

(28)

27

5.3.3 Natrium Bikarbonat (NaHCO3)

Natrium bikarbonat adalah senyawa kimia yang memiliki bentuk padatan berwarna putih dengan berat molekul 84.01 g/mol, dengan densitas 2.159 g/cm3_{, titik leleh 270}_℃_{, larut} pada air dalam 6.9 g/100mL. Natrium bikarbonat dapat menyebabkan iritasi pada kulit.

5.3.4 Karbon aktif

Karbon aktif adalah senyawa kimia yang memiliki bentuk serbuk berwarna hitam, tidak larut dalam air, memiliki densitas 1.8 – 2.1 g/cm3_{, dengan pH 5.0 – 10.0, dan titik leleh} 3550℃. Senyawa stabil pada suhu ruang namun memiliki kesensitifan dari kelembapan.

5.3.5 Etanol

Etanol adalah senyawa kimia yang memiliki liquid berwarna bening dengan berat molekul 46.07 g/mol, dengan densitas 0.790-0.793 g/cm3_{pada suhu 20}_℃_{, titik didih 78.3}_℃_, flash point 12℃, suhu nyala 425℃, titik leleh -114.5℃, nilai pH 7.0 pada 10g/L dalam air pada

suhu 20℃. Etanol adalah senyawa yang flammeable dan dapat menyebabkan iritasi.

5.4 Metode

5.4.1 Solid State Reaction

Solid state reaction adalah metode yang dilakukan dengan tidak adanya pelarut dengan menggiling atau melelehkan bahan awal bersama-sama atau hanya menerapkan panas ke campuran bahan awal. Jenis reaksi ini biasanya dilakukan untuk memperoleh padatan anorganik polikristalin tetapi juga dapat digunakan dalam sintesis organik. Metode ini berbeda dengan yang menggunakan larutan, dimana pada solid state reaction dibatasi oleh lingkungan kisi kristal yang kaku. Reaksi ini berupa proses interkalasi atau penyisipan (insertion), yaitu ion atau molekul ditambahkan ke dalam struktur dasar senyawa tanpa merubah bentuk, dan juga dalam bentuk penggantian ion (ion-exchange), yaitu ketika satu ion dalam senyawa diganti dengan ion yang berbeda. Solid state reaction dipengaruhi oleh suhu tinggi dan tekanan. Pada solid state reaction, campuran beberapa material dasar senyawa digerus dengan mortar dan dibuat dalam bentuk pellet dengan di tekanan, lalu ditempatkan pada cawan yang kemudian dipanaskan di tanur. Cawan yang digunakan harus terbuat dari bahan yang inert seperti silika, alumina, atau platina agar tidak terjadi reaksi sampingan dengan cawan. Reaksi antar padatan sangat luas penggunaannya pada senyawa oksida biner atau tersier[19].

Solid state reaction memiliki keuntungan dibandingkan dengan metode menggunakan larutan, yaitu :

1. Pembentukan produk samping terbatas

2. Tidak memerlukan pelarut dalam reaksi sehingga tidak perlu memikirkan limbah 3. Reaksi enantioselektif lebih memungkinkan dalam chiral cavity

4. pembentukan organometal lebih memungkinkan menggunakan metode ini Berikut beberapa jenis solid state reaction :

(29)

28 1. Solid state kimia organik

2. solid state kimia koordinasi 3. Solid state reaksi organometal

4. Solid state/solventless isomerisation reactions

5.4.2 Hidrotermal

Hidrotermal merupakan salah satu metode untuk pengkristalan suatu senyawa pada temperatur tinggi dengan memanfaatkan tekanan tinggi dari uap larutan. Pertumbuhan kristal dibentuk dalam alat yang disebut autoclave, yang mana nutrient dihasilkan terus bersama air. Gradien suhu ditentukan pada akhir kebalikan dari ruang pertumbuhan. Prinsip teknik hidrotermal yaitu pemanasan reaktan dalam wadah tertutup dengan menggunakan medium air dimana sistem yang tertutup ini memungkinkan tekanan dan suhu yang meningkat dengan cepat. Sintesis hidrotermal biasanya dilakukan pada suhu dibawah 300°C. Sehingga memperoleh hasil kemurnian dan kristalinitas yang tinggi[20]. Kelebihan dari teknik sintesis hidrotermal diantaranya adalah :

1. Terbentuk serbuk secara langsung dari larutan,

2. Ukuran partikel dan bentuknya dapat dikontrol dengan menggunakan material awal dan kondisi hidrotermal yang berbeda, dan

3. Kereaktifan bubuk yang dihasilkan tinggi, ini disebabkan oleh penggunaan suhu yang sangat tinggi

4. Pada kondisi super-heated water, oksida logam yang tidak larut dalam air dapat menjadi larut.

Pada kondisi temperatur dan tekanan tersebut belum mampu, maka dapat ditambahkan garam alkali atau logam yang anionnnya dapat membentu kompleks dengan padatan sehingga padatan menjadi larut.

Sedangkan kekurangan teknik ini adalah

1. Solubilitas tidak diketahui, sebab kemampuan suatu zat untuk dapat larut dalam suatu pelarut awal harus diketahui untuk mengatur temperatur dan tekanan supaya sampel yang digunakan dapat bercampur secara homogen ,

2. Slurry hidrotermal bersifat korosif, dan

3. Penggunaan bejana tekanan tinggi akan berbahaya jika terjadi kecelakaan 4. Membutuhkan temperatur tinggi (energi tinggi)

5. Waktu reaksi sangat panjang., membutuhkan waktu lebih dari 24 jam

6. Produk tidak homogen dalam komposisi, ini disebabkan oleh kemampuan solubilitas awal material tidak diketahui.

(30)

29

5.5 Sintering

Sintering adalah suatu proses pemanasan pada suhu dan waktu tertentu. Pada proses ini terjadi perubahan struktur mikro seperti perubahan ukuran pori, pertumbuhan butir (grain growth), peningkatan densitas, dan penyusutan massa. Proses sintering dimulai dengan partikel halus yang beraglomerasi menjadi bubuk yang dikehendaki, dilanjutkan dengan pembakaran yang dapat mengikat partikel. Sintering memerlukan suhu tinggi agar partikel halus dapat beraglomerasi menjadi bahan padat. Sintering menyebabkan butiran-butiran partikel saling mendekat sehingga menyebabkan transformasi padatan berpori menjadi padat [21]. Faktor-faktor yang menentukan proses sintering antara lain adalah jenis bahan, komposisi, bahan pengotornya, dan ukuran partikel. Proses sintering berlangsung apabila terjadi transfer materi diantara butiran (difusi) dan terdapat sumber energi untuk mengaktifkan transfer materi (menggerakan butiran sehingga terjadi kontak dan ikatan yang sempurna). Berikut proses perubahan saat sintering :

Gambar 10. (a) Proses Pemadatan (densification), (b) Pengasaran (coarsening) [22]

Proses sintering dibagi menjadi tiga tahap yaitu: tahap awal, tahap medium (pertengahan), dan tahap akhir. Selama tahap awal, kontak titik antar partikel terus meningkat hingga membentuk pertumbuhan leher (neck growth). Pada tahap pertengahan, penggabungan antar butir terus terjadi sehingga membentuk saluran pori yang kontinu, rongga mulai hilang dari saluran silinder. Pada tahap akhir, saluran pori yang kontinyu menghilang dan berubah bentuk menjadi pori-pori individu [22].

(31)

30 (a) Tahap awal sintering dengan kontak tangensial antar bola, (b) Akhir tahap awal, bola-bola mulai bergabung, (c) Tahap intermediate; butiran membentuk dodecahedra, menutup saluran pori pada ujung butiran, (d) Tahap akhir, pori-pori terbentuk dari penggabungan tetrahedral pada ujung dimana empat dodecahedra bertemu. [22]

5.6 Karakterisasi

5.6.1 X-Ray Diffraction

Kristalografi sinar-X adalah metode atau alat yang digunakan untuk menentukan struktur atom dan molekul sebuah kristal dengan cara mendifraksikan seberkas sinar-X ke segala arah. Dengan mengukur sudut dan intensitas difraksi sinar ini, kristalografer dapat menghasilkan gambar tiga dimensi mengenai kepadatan elektron di dalam kristal. Dari gambar kepadatan elektron ini, posisi rata-rata atom di dalam kristal dapat ditentukan, serta ikatan kimia yang terkandung dalam atom tersebut, entropi, dan berbagai informasi lainnya. Karena banyak materi yang bisa membentuk kristal, seperti garam, logam, mineral, semikonduktor, dan sebagainya, kristalografi sinar-X telah menjadi hal yang mendasar dalam pengembangan berbagai bidang ilmu. Pada dekade pertama penggunaannya, metode ini menentukan ukuran atom, panjang dan jenis ikatan kimia, serta perbedaan skala atom pada berbagai materi, terutama mineral dan logam padu.

5.6.2 Cyclic Voltametry

Cyclic Voltammetry merupakan metode yang digunakan dalam teknik elektrokimia untuk mempelajari proses reduksi dan oksidasi (redoks). Hal ini dicapai dengan melihat hubungan antara potensial yang diberikan dan arus yang terukur. Karena sistem ini melibatkan reaksi redoks di anoda dan katoda maka peristiwa reaksi di kedua elektroda tersebut dimonitor besarnya arus yang timbul. Pengukuran arus listrik dilakukan dengan rentang potensial awal dan akhir yang sama. Potensial awal diberikan pada awal tidak terjadi reaksi elektrokimia pada permukaan elektroda. Kemudian dialurkan secara linier dengan laju tertentu menuju suatu nilai potensial ketika senyawa aktif mengalami reaksi reduksi.

Voltamogram siklik diperoleh dengan mengukur arus pada elektroda kerja selama scan potensial. Arus dapat dianggap sebagai respon sinyal terhadap potensial. Voltamogram yang dihasilkan merupakan kurva antara arus (pada sumbu vertikal) versus potensial (sumbu horizontal).

(32)

31

5.6.3 Charge-Discharge

Charge-discharge adalah teknik standar yang digunakan untuk menguji performa dan life-cycle dari baterai. Cycle sendiri adalah proses berulang dalam charging dan discharging.Kebanyakan, charge dan discharge dihubungkan dengan arus yang konstan untuk dapat menentukan voltage yang ingin capai. Berikut persamaan kapasitas dalam dalam farad(F) :

Dimana : Q = muatan (coulomb) V = voltage window

Biasanya, muatan sering disebut kapasitas. Satuan untuk kapasitas yaitu ampere-hour (Ah), dimana 1Ah = 3600 coulomb. Berikut adalah contoh grafik dari hasil analisa charge-discharge

Gambar 13. Hasil charge-discharge dari NCM sebagai katoda [23]

5.6.4 Coulombic Efficiency

Coulombic efficiency (CE), juga disebut efisiensi faradaic atau efisiensi saat ini, menjelaskan efisiensi pengisian daya saat elektron dipindahkan dalam baterai. CE adalah rasio total muatan yang diekstrak dari baterai ke total muatan yang dimasukkan ke dalam

(33)

32 baterai selama satu siklus penuh. Li-ion memiliki peringkat CE tertinggi dalam baterai isi ulang. Ini menawarkan efisiensi yang melebihi 99 persen hanya mungkin bila diisi pada arus sedang dan pada suhu dingin. Pengisian ultra-cepat menurunkan CE karena kehilangan karena penerimaan muatan dan panas, demikian juga pengisian yang sangat lambat di mana self-discharge ikut berperan.

Efisiensi coulombic Li-ion meningkat dengan bertambahnya cycle. Untuk membuktikannya, baterai Panasonic, E-one Moli, Sony, LG dan Samsung Li-ion dalam format sel 18650 di mana ber-cycling. Beberapa sel dimulai dengan efisiensi coulombic dari 99,1 persen dan meningkat menjadi 99,5 persen dengan 15 siklus. Beberapa dimulai pada 99,5 persen dan mencapai 99,9 persen dengan 30 siklus. Konsistensi pada pengujian ulang tinggi, mencerminkan bahwa Li-ion adalah sistem baterai yang sangat stabil. ketika baterai menjadi hangat menjelang akhir pengisian merupakan faktor penyebab CE rendah. Efisiensi terbaik dari semua baterai dicapai dalam kondisi sedang pengisian daya berkisar antara 30 hingga 70 persen. Semua sistem baterai memberikan nilai CE yang unik yang bervariasi dengan tingkat pengisian dan suhu.

5.6.5 Electrochemical Impedance Spectroscopy

Impedansi adalah jumlah hambatan total yang terjadi selama adanya aliran arus di dalam suatu sirkuit yang terdiri atas resistor, kapasitor, induktor atau kombinasi dari dua atau ketiga komponen tersebut. Impedansi pada pengujian electrochemical impedance spectroscopy (EIS) menentukan besarnya hambatan total pada rentang frekuensi yang telah ditentukan. Hasil analisis EIS dinyatakan dalam suatu vektor yang mempunyai sumbu nyata (Z’) dan sumbu imajiner (Z’’)

sesuai dengan persamaan :

Z (ω) = Z’ + iZ’’

eq. 5.2

Dimana : i = √−1 .

Contoh grafik dari Electrochemical Impedance Spectroscopy

(34)

33

BAB 6 Kesimpulan dan Saran

6.1 Kesimpulan

Sintesis Na2Li2Ti6O14 dengan metode solid state reaction yang dilanjutkan dengan hidrotermal berhasil dilakukan ditunjukkan dengan hasil XRD yang sama dengan referensi dan yang terbentuk satu fasa yaitu material Na2Li2Ti6O14. Material kemudian dibentuk menjadi anoda baterai ion litium dan dibentuk half cell pada coin sell. Coin sell kemudian dikarakterisasi menggunakan Cyclic voltametry, charge-discharge dan Electrochemical Impedance Spectroscopy untuk melihat sifat elektrokimia nya. Berdasarkan hasil karakterisasi dari Cyclic voltametry bahwa coin sell dengan anoda Na2Li2Ti6O14 memiliki puncak potensial reduksi dan oksidasi pada 1.176 V dan 1.409 V dengan kapasitas masing-masing 95.419 mAh/g dan 93.61 mAh/g. Bila dibandingkan dengan referensi[9] maka sampel memiliki sifat yang kurang reversible pada saat proses reduksi dan oksidasi dikarenakan perbedaan puncak potensial yang lebih besar dibandingkan dengan referensi. Dari hasil karakterisasi Charge-discharge bahwa sampel mengalami lithiation pada puncak potensial 1.3 V sedangkan delithiation pada 1.25 V, kemudian coin sell di karakterisasi dengan couloumbic efficiency untuk melihat ketahanan kapasitas baterai seiring dengan pemakaian berulang kali. Terlihat bahwa trend couloumbic efficiency yang stabil di 100% dan diikuti dengan peningkatan kapasitas yang tidak terlalu signifikan dari 76.48 mAh/g menjadi 80.54 mAh/g setelah 101 Cycle yang berjalan. Setelah itu sampel dikarakterisasi dengan Electrochemical Impedance Spectroscopy untuk menentukan besaran hambatan pada material anoda yang digunakan, hasilnya menunjukkan bahwa sampel memiliki hambatan sebesar 215 Ω sedangkan referensi sebesar 233.93 Ω. Hal ini menunjukkan bahwa sampel memiliki konduktivitas yang lebih baik dibandingkan referensi yang menggunakan metode solid state reaction yang langsung di sintering. Berdasarkan hasil semua karakterisasi yang telah dilakukan bahwa sampel memiliki karakterisasi yang lebih baik setelah menggunakan metode hidrotermal dahulu dibandingkan dengan langsung sintering.

6.2 Saran

Sebaiknya proses pencampuran dan penghalusan material dasar sampel lebih lama lagi atau mungkin menggunakan ball milling yang kemudian dilanjutkan dengan hidrotermal. Kemudian, proses assembling coin sell melibatkan praktikan agar dapat lebih memahami.

(35)

34

DAFTAR PUSTAKA

[1] Rao, M. C. 2013, Improving Electrochemical Performance of Litium-Ion Batteries using LiMn2O4 Cathodes, J. Chem. Bio, Phy. Sci. Sec.C, 1:00-00.

[2] Allison-Bruce, S.A., dan Abumere, O.E. 2015. Microwave Assisted Hydrothermal Synthesis of LiFePO4/C Composite Cathode Material for Litium-Ion Batteries. Department of Physics,

University of Port Harcourt. Port Harcourt.

[3] Wu, Y.; Rahm, E.; Holze, R. Carbon Anode Materials for Litium Ion Batteries. J. Power Sources 2003, 114, 228−236

[4] Bruce, P. G.; Scrosati, B.; Tarascon, J. M. Nanomaterials for Rechargeable Litium Batteries. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 2930−2946.

[5] Barker, J.; Saidi, M. Y.; Swoyer, J. L. Electrochemical Insertion Properties of Litium Vanadium Titanat, LiVTiO4. Solid State Ionics 2004, 167, 413−418.

[6] Wang, L.; Xiao, Q. Z.; Wu, L. J.; Lei, G. T.; Li, Z. H. Spinel LiCrTiO4 Fibers as an Advanced

Anode Material in High Performance Litium Ion Batteries. Solid State Ionics 2013, 236, 43−47

[7] K.Q. Wu, D.J. Wang, X.T. Lin, L.Y. Shao, M. Shui, X.X. Jiang, N.B. Long, Y.L. Ren, J. Shu, J. Electroanal. Chem. 717 (2014) 10-16.

[8] Bish, DL and Post, JE, editors. 1989. Modern Powder Diffraction. Reviews in Mienralogy, v. 20. Mineralogical Society of America.

[9] Wang, P., Li, P., Yi, T., Lin, X., Yu, H., Zhu, Y., . . . Shu, J. (2015). Enhanced litium storage capability of sodium litium titanat via litium-site doping. Journal of Power Sources, 297, 283-294. doi:10.1016/j.jpowsour.2015.08.007

[10] Kissinger, P. T., Heineman, W. R., Cyclic Voltammetry, Journal of Chemical Education, 60, 702 (1983).

[11] Linden, David and Thomas B. Reddy. 2002. Handbook of Batteries 3 Ed. Amerika Serikat: The McGraw-Hills Companies, Inc.

[12] Honeychurch, K. (2012). Printed thick-film biosensors. Printed Films, 366–409. doi: 10.1533/9780857096210.2.366

[13] F. Ronci, P. Reale, B. Scrosati, S. Panero, P.A. Moro, V.R. Albertini, P. Perfetti, T. Vergata, R.J. Horowitz, The Journal of Physical Chemistry 106 (2002) 3082

[14] Y. Liu, W. Wang, Y. Ying, Y. Wang, and X. Peng, Binder-free layered Ti3C2/CNTs nanocomposite anodes with enhanced capacity and long-cycle life for litium-ion batteries, Dalton Transactions, vol. 44, no. 16, 2015, pp. 7123–7126

[15] Zhao, xin et al. 2011. In Plane Vacancy Enabled High Power Si Graphene Composite Electrode For Litium Ion Batteries. Journal of advanced energy materials.

(36)

35 [16] I. Koseva, J.P. Chaminade, P. Gravereau, S. Pechev, P. Peshev, J. Etourneau, A new family of isostructural titanats, MLi2Ti6O14 (M ¼ Sr, Ba, Pb), J. Alloys Compd. 389 (2005) 47-54.

[17] Shu, J., Wu, K., Wang, P., Li, P., Lin, X., Shao, L., … Wang, D. (2015). Lithiation and delithiation behavior of sodium litium titanat anode. Electrochimica Acta, 173, 595– 606. doi: 10.1016/j.electacta.2015.05.106

[18] Goodenough, J. B.; Kim, Y. Challenges for Rechargeable Li Batteries. Chem. Mater. 2010, 22, 587−603.

[19] (n.d.). Chemical reactions. Retrieved from

https://www.labochema.com/applications/solid-state-reaction/

[20] The earliest occurrence of the word "hydrothermal" appears to be: Sir Charles Lyell, A Manual of Elementary Geology … , 5th ed. (Boston, Massachusetts: Little, Brown, and Company, 1855), page 603

[21] Smith, W. F. 1990. Material Science and Engineering. University of Central Florida. Pp. 102, 616-674.

[22] Barsoum, Michel W. 2003. Fundamentals of Ceramics. USA : Department of Materials Engineering, Drexel University.

[23] Cao, X. (2016). Synthesis and Characterization of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 as Cathode Materials for Li-Ion Batteries via an Efficacious Sol- Gel Method. International Journal of Electrochemical Science, 5267–5278. doi: 10.20964/2016.06.93

(37)

36

Lampiran

 Stoikiometri Bahan Pembentuk Na2Li2Ti6O14

6TiO2(s) + Li2CO3(s) + 2NaHCO3(s) Na2Li2Ti6O14(s) + …… 0.10506 mol 0.0175 mol 0.03502 mol 10 g

8.392 g 1.294 g 2.942 g 0.0175 mol

Mr TiO2 = 79.87 g/mol

Mr Li2CO3 = 73.89 g/mol Mr NaHCO3 = 84.01 g/mol Mr Na2Li2Ti6O4 = 571.43 g/mol

Perhitungan diatas dengan asumsi terbentuk senyawa Na2Li2Ti6O14 sebanyak 10 g sehingga dapat ditentukan molalitas-nya. Kemudian, dengan molalitasnya dapat menentukan massa raw material dengan perbandingan koefisien masing-masing material.

(38)

37