SINTESIS LITHIUM MANGAN OKSIDA (LiMn
2O
4) UNTUK KATODA BATERAI LITHIUM ION
SKRIPSI
NURCITRA REHULINA BR GINTING 130801059
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2017
SINTESIS LITHIUM MANGAN OKSIDA (LiMn2O4) UNTUK KATODA BATERAI LITHIUM
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains
NURCITRA REHULINA BR GINTING 130801059
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2017
LEMBAR PENGESAHAN
SINTESIS LITHIUM MANGAN OKSIDA (LiMn2O4) UNTUK KATODA BATERAI LITHIUM ION
OLEH:
NURCITRA REHULINA BR GINTING NIM: 130801059
Disetujui Oleh:
Komisi Pembimbing
Slamet Priyono, S.Si, M.T Dr. Syahrul Humaidi, M.Sc NIP. 198610152009121004 NIP. 196505171993031009
Diketahui Oleh:
Departemen Fisika FMIPA USU Ketua,
Pusat Penelitian Fisika-LIPI Kepala,
Dr. Perdinan Sinuhaji, MS Dr. Bambang Widiyatmoko M.Eng.
NIP. 195903101987031002 NIP. 196204301988031001
PERSETUJUAN
Judul : Sintesis Lithium Mangan Oksida (LiMn2O4) untuk Katoda Baterai Lithium Ion
Kategori : Skripsi
Nama : Nurcitra Rehulina Br Ginting
Nomor Induk Mahasiswa : 1308010159 Program Studi : Sarjana (S1) Fisika
Departemen : Fisika
Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Disetujui di Medan, Mei 2017 Komisi Pembimbing
Pembimbing 2, Pembimbing 1,
Dr. Syahrul Humaidi, M.Sc Slamet Priyono S.Si, M.T NIP. 196505171993031009 NIP. 198610152009121004
Disetujui oleh Departemen Fisika FMIPA USU Ketua,
Dr. Perdinan Sinuhaji, MS NIP. 195903101987031002
PERSETUJUAN
SINTESIS LITHIUM MANGAN OKSIDA (LiMn2O4) UNTUK KATODA BATERAI LITHIUM ION
SKRIPSI
Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, Juli 2017
NURCITRA REHULINA BR GINTING 130801059
PERNYATAAN
PENGHARGAAN N
Segala puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan nikmat, rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Shalawat beriring salam penulis ucapkan teruntuk Nabi Muhammad SAW, sosok suri tauladan bagi umat islam, semoga senantiasa mengalir syafa’at beliau di hari akhir kelak, amiin ya rabbal’alamiin. Laporan Tugas Akhir dengan judul Sintesis Lithium Mangan Oksida (LiMn2O4) untuk Katoda Baterai Lithium Ion ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat mencapai gelar Sarjana Fisika. Penelitian ini dilakukan di Pusat Penelitian Fisika (P2F) LIPI Serpong, Tangerang Selatan.
Penulis menyadari bahwa selama proses penulisan skripsi ini hingga terselesaikannya penyusunan skripsi ini banyak sekali bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada Kedua Orang Tua Tercinta, Ayahanda Horas Ginting dan Ibunda Herningseh atas do’a, kasih sayang, serta pengorbanan yang telah diberikan. Kepada kakak Dewi Primadona A.md, Abang Hengki Arabia, S.T dan Riko Ramadhan, S.E, serta Adik Bima Trianda yang selalu senantiasa ada dalam memberikan semangat, perhatian dan dukungannya. Terimakasih kepada Bapak Dr. Kerista Sebayang, M.S selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) Universitas Sumatera Utara. Terimakasih kepada Bapak Dr. Perdinan Sinuhaji, M.S dan Bapak Awan Maghfirah, S.Si, M.Si selaku ketua dan sekretaris Departemen Fisika FMIPA USU. Terimakasih kepada Bapak Slamet Priyono, S.Si, M.T selaku dosen pembimbing I dan Bapak Dr. Syahrul Humaidi, M.Sc selaku dosen pembimbing II yang telah banyak meluangkan waktu untuk membimbing dan memberikan banyak ilmu pengetahuan serta arahan kepada penulis dalam meyelesaikan skripsi ini.
Kepada Bapak Dr. Kurnia Sembiring, M.S dan Ibu Dra. Sudiati, M.Si selaku dosen penguji dan seluruh staf pengajajar serta pegawai Administrasi di Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara.
Terimakasih kepada Bapak Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng, selaku Kepala Laboratorium Pusat Penelitian Fisika P2F-LIPI Serpong. Terima kasih kepada Bapak Dr. Ir. Bambang Prihandoko, M.T selaku ketua Tim Baterai di LP2F
PENGHARGAAN
PENGHARGAAN N
LIPI dan dosen-dosen pembimbing di bagian baterai yang telah membantu memberikan saran dalam proses penelitian di P2F LIPI serta semua pihak yang telah membantu penulis selama penyelesaian skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan masukan yang membangun atas hasil penelitian ini. Semoga skripsi ini dapat memberi manfaat dan kontribusi dalam pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya baterai.
Medan, Juli 2017
Nurcitra Rehulina Br Ginting
SINTESIS LITHIUM MANGAN OKSIDA (LiMn2O4) UNTUK KATODA BATERAI LITHIUM ION
ABSTRAK
Telah disintesis material katoda LiMn2O4 untuk baterai Li-ion dengan metode solid state reaction. Dalam penelitian ini, sintesis dilakukan dengan variasi sumber lithium. Bahan baku yang digunakan berupa LiOH.H2O, MnO2 dan Li2CO3
yang dicampurkan menjadi prekursor LiMn2O4. Prekursor ini di sintering pada temperatur 8000C selama 4 jam dalam atmosfer udara menjadi serbuk. Serbuk tersebut ditumbuk dan diayak menjadi partikel yang lebih halus. Serbuk dikarakterisasi dengan menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) untuk mengidentifikasi fasa dan struktur Kristal. Serbuk tersebut juga diukur wavenumbernya dengan menggunakan Fourier Transform Infra Red (FTIR) untuk mengetahui gugus fungsi. Lembaran LiMn2O4 dibuat dengan mencampurkan material aktif dengan PVDF dan AB dengan perbandingan 85%: 10%: 5% dengan menggunakan pelarut N,N-Dimethylacetamide (DMAC) menjadi slurry. Kemudian slurry dilapiskan pada Al foil menjadi sebuah lembaran. Automatic battery cycler digunakan untuk mengukur performa elektrokimia dan kapasitas spesifik sel baterai.
Analisa XRD menunjukkan sampel yang disintesis dengan Li2CO3 memiliki tingkat kristalinitas dan kemurnian yang lebih tinggi daripada sampel yang disintesis dengan LiOH.H2O. Analisa FTIR menunjukkan bahwa kedua sampel memiliki gugus fungsi yang sama tetapi sampel dengan sumber Li2CO3 cenderung untuk mengalami degradasi. Data Cyclic Voltammetry menunjukkan sampel dengan LiOH.H2O memiliki performa elektrokimia yang lebih baik. Hal ini ditunjukkan dengan adanya dua pasang puncak oksidasi/reduksi lebih tajam dari pada sampel dengan Li2CO3, tetapi sampel dengan Li2CO3 memiliki kapasitas spesifik yang lebih tinggi (64,78 mAh/g) dari pada sampel dengan LiOH.H2O (51,59 mAh/g).
Kata Kunci : Material katoda, Performa elektrokimia, Baterai Li-ion, Lithium Mangan Oksida,
SYNTHESIS LITHIUM MANGANESE OXIDE (LiMn2O4) FOR LITHIUM ION BATTERY CATHODE
ABSTRACT
LiMn2O4 as cathode material for Li ion battery has been synthesized via solid state reaction method. In this research, the synthesis has been done by varying of lithium source. Raw materials such as LiOH.H2O, MnO2 and Li2CO3 were mixed to become precursors of LiMn2O4. The precursors were sintered with high temperature furnace at 8000C for 4 hours in air atmosphere become final product.
The final products were grinded and sieved to become finer particle. The products were characterized by X-Ray Diffraction (XRD) to identify phases and crystal structure. Those also measured wavenumber with Fourier Transform Infra Red (FTIR) to find functional group. LiMn2O4 sheets were prepared by mixing active material with PVDF and AB in ratio 85%: 10%: 5% wt in N,N-Dimethylacetamide (DMAC) solvents to form slurry. Then slurry was coated on Al foil to form a sheet.
Automatic battery cycler was used to measure electrochemical performance and specific capacity of the cell. XRD analysis showed that sample synthesized with Li2CO3 has higher crystalinity and more pristine than sample synthesized with LiOH.H2O. FTIR analysis revealed that both of samples have identically functional group but sample with Li2CO3 source tend to degradable. Cyclic voltammetry data gave information that sample with LiOH.H2O source has better electrochemical performance. It showed double oxidation/reduction peaks more clearly than sample with Li2CO3. but, sample with Li2CO3 source has higher specific capacity (64,78 mAh/g) than sample with LiOH.H2O (51,59 mAh/g).
Keywords : Cathode material, electrochemical performance, Li-ion batteries, Lithium mangan oksida,
DAFTAR ISI
Halaman PERSETUJUAN i
PERNYATAAN ii
PENGHARGAAN iii
ABSTRAK v
ABSTRACT vi
DAFTAR ISI vii
DAFTAR TABEL ix
DAFTAR GAMBAR x
DAFTAR LAMPIRAN xi
DAFTAR SINGKATAN xii
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang 1
1.2. Rumusan Masalah 3
1.3. Batasan Penelitian 3
1.4. Tujuan Masalah 3
1.5. Manfaat penelitian 4
1.6. Sistematika Penulisan 4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Baterai 5
2.2. Baterai Lithium Ion 5
2.3. Bagian-Bagian Baterai Lithium Ion 6
2.3.1. Elektroda Negatif (Anoda) 7
2.3.2. Elektroda Positif (Katoda) 7
2.3.3. Elektrolit 9
2.3.4. Separator 10
2.4. Material Katoda Untuk Baterai Lithium Ion 11
2.4.1. LiCoO2 12
2.4.2. LiFePO4 12
2.4.3. LiMn2O4 (LMO) 12
2.4.4. LiNiO2 14
2.5. Karakterisasi dan Pengujian 14
2.5.1. XRD 14
2.5.2. FTIR 16
2.5.3. Cyclic Voltammetry 17
2.5.4. Charge-Discharge 18
BAB 3 METODE PENELITIAN
3.1. Tempat Dan Waktu Penelitian 19
3.2. Bahan dan Peralatan Penelitian 19
3.2.1. Bahan Penelitian 19
3.2.2. Peralatan Penelitian 20
3.3. Perhitungan Massa bahan 21
3.4. Tahapan Penelitian 22
3.4.1. Proses Pembuatan serbuk LiMn2O4 22
3.4.2. Proses Pembuatan lembaran katoda LiMn2O4 23
3.5. Prosedur Penelitian 24
3.5.1. Proses Pembuatan serbuk LiMn2O4 24
3.5.2. Proses Pembuatan lembaran katoda LiMn2O4 24
BAB 4 4. HASIL DAN PEMBAHSAN 4.1. Lembaran Katoda LiMn2O4 dengan Variasi bahan baku 26
4.2. Analisa Struktur Kristal serbuk LiMn2O4 dengan XRD 26
4.3. Pengamatan Gugus Fungsi dengan FTIR 28
4.4. Karakterisasi Performa Elektrokimia 31
4.4.1. Pengujian CV (Cyclic Voltammetry) 31
4.4.2. Pengujian CD (Charge-Discharge) 33
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 35
5.2 Saran 35
DAFTAR PUSTAKA 36
DAFTAR TABEL
Nomor Tabel
Judul Halaman
1. Sifat bahan katoda dalam baterai Li-ion 8
2. Ma Massa bahan baku pembuatan serbuk LiMn2O4 21 3. Perbandingan komposisi bahan pembuatan lembaran
LiMn2O4
21
4. Akumulasi data wavenumber dari sampel A dan B menggunakan FTIR yang dicocokkan berdasarkan literature
30
5. Parameter puncak sampel A (LiOH.H2O) dan sampel B (Li2CO3) dari LiMn2O4
32
6. Data analisa charge/discharge pada LiMn2O4 33
DAFTAR GAMBAR GAMBAR
Nomor Gambar
Judul Halaman
1. Proses charging dan discharging Pada Baterai Lithium ion
6
2. Fenomena konduktifitas Ionik dan elektronik pada material katoda
8
3. Ilustrasi Skematis pada Struktur Host dari (a) LiCoO2 (Struktur Layered), (b) LiMn2O4 (Struktur Spinel), dan (c) LiFePO4 (Struktur Olivine)
11
4.
5.
Struktur Spinel Lithium Mangan Oksida (LiMn2O4) Struktur Oksida Layered LiMO2
13 14 6. (a) Representasi geometri menurut Hukum Bragg dan
(b) Instrumentasi susunan difraktometer geometri Bragg-Brentano
15
7. (a) Siklik potensial sweep dan (b) Hasil voltamogram siklik
17
8. Kurva charge-discharge baterai lithium ion 18 9. Hasil lembaran katoda LiMn2O4 pada sampel A dan
sampel B
26
10. Grafik bidang kristal hasil XRD LiMn2O4 pada sampel A dan sampel B
27
11. Hasil analisis spektrofotometri FTIR pada sampel A dan sampel B
29
12. Grafik Cyclic Voltammetry katoda LiMn2O4 pada sampel A dan sampel B
31
13. Grafik Charge-Discharge pada sampel a dan b 33
Nomor Lamp
Judul Halaman
1. Perhitungan stoikiometri 39
2. Perbandingan komposisi bahan LiMn2O4 : 42
PVDF : AB
3. Perhitungan massa lembaran bahan 42
4. Jarak Bidang Kristal 43
5. Gambar Bahan 44
6. Gambar Peralatan 46
7. Peak List dan Profile XRD 49
8. PDF card LiMn2O4 55
DAFTAR LAMPIRAN
DMAC = Dimethylacetamide PVDF = Polyvinylidene Fluoride
WBCS = WonAtech Battery Cycler System XRD = X-Ray Diffraction
FTIR = Fourier Transform Infra Red CV = Cyclic Voltammetri
CD = Charge-Discharge
DAFTAR SINGKATAN
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Baterai kini telah menjadi bagian dari kehidupan sehari-hari, untuk kehidupan modern saat ini baterai sudah menjadi sebuah kebutuhan yang melekat pada setiap aktivitas manusia terutama yang berhubungan dengan piranti elektronika.
Baterai digunakan dalam hampir setiap aspek kehidupan modern. Barang rumah tangga sehari-hari seperti senter, remote televisi, dan bor listrik memerlukan baterai.
Bahkan ketika berpergian bergantung pada baterai untuk daya MP3 players, ponsel, dan laptop. Dengan meningkatnya ketergantungan terhadap bahan bakar fosil dan memberi dampak yang buruk terhadap lingkungan maka energi alternatif menjadi sangat penting. Sistem energi alternatif seperti surya, angin dan air sering membutuhkan baterai untuk menyimpan energi. Kendaraan hibrida atau listrik-murni juga membutuhkan baterai dengan kinerja yang tinggi untuk bersaing dengan mobil berbahan bakar gas. Peralatan-peralatan ini mendorong perbaikan teknologi baterai yang digunakan dalam hampir setiap aspek kehidupan modern (Lange, 2012).
Baterai adalah perangkat yang mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik. Meskipun baterai primer (non-rechargeable) memiliki kegunaan, baterai sekunder (isi ulang) tampak lebih populer. Baterai sekunder memungkinkan reaksi elektrokimia reversibel, dimana energi listrik dapat mengkonversi kembali ke energi kimia. Di antara jenis baterai sekunder, baterai lithium ion telah mendapatkan perhatian khusus karena memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi, kapasitas tinggi, tingkat self-discharge lambat, berat rendah, tegangan sel tinggi, memiliki energi spesifik yang tinggi dan tidak ada memori efek (Lange, 2012).
Baterai memiliki banyak keuntungan sebagai sumber alternatif pada mekanisme penyimpanan energi. Sekarang teknologi baterai konvensional, seperti lead-acid dan nikel kadmium, secara perlahan digantikan oleh baterai lithium-ion (Li-ion), teknologi fuel cell dan baterai nikel metal hidrida. Teknologi baterai Li-ion berdiri sebagai pelopor dan market leader bila dibandingkan dengan sistem energi yang lain. Alasan utama untuk menggunakan teknologi baterai ion Li ini adalah lithium merupakan logam paling ringan dan logam yang paling elektropositif, sehingga memberikan densitas energi yang tinggi. Baterai Li-ion menunjukkan siklus
hidup yang stabil (lebih dari 500 siklus), dapat dibuat dalam berbagai ukuran dan juga membutuhkan sedikit perawatan jika dibandingkan dengan baterai lainnya (Paravasthu R, 2013).
Baterai lithium terdiri dari empat komponen, yaitu: Elektroda positif (katoda), Elektroda negatif (anoda), Elektrolit dan Separator. Separator merupakan membran berpori yang berfungsi untuk mencegah terjadinya kontak antara elektroda.
Fungsi utama dari elektrolit adalah untuk memfasilitasi aliran elektron agar teratur dan stabil (Philippe B, 2016). Elektrolit yang digunakan dalam baterai adalah campuran garam litium dan pelarut organik. Anoda terbuat dari bahan yang disisipan pada tembaga foil. Katoda terbuat dari bahan yang dilapiskan pada aluminium foil.
Pasta katoda mengandung bahan katoda, termasuk oksida logam lithium, pengikat Polyvinylidene Fluoride (PVDF), bahan karbon (karbon black, bubuk grafit, serat karbon, dll) serta pelarut. Pasta dilapiskan pada aluminium foil, kemudian ditekan dengan ketebalan yang sesuai dan dikeringkan. (METI, 2009).
Beberapa material katoda pada baterai ion litium yang telah disintesis yaitu Lithium Mangan Oksida (LiMn2O4), Lithium Cobalt Oksida (LiCoO2), Lithium Nikel Oksida (LiNiO2) dan Lithium Fero Phospate (LFP) (Julien, 2014). LiMn2O4
banyak digunakan sebagai bahan katoda untuk baterai lithium rechargeable.
LiMn2O4 memiliki keunggulan dibandingkan Co dan Ni karena ketersediaannya yang melimpah, murah, ramah lingkungan dan memiliki stabilitas termal yang lebih besar (Wang, 2000) selain itu LiMn2O4 memiliki kapasitas spesifik teori sebesar 148 mAh/g, dengan konduktivitas listrik yakni sekitar 10 -6 S/cm, dan memiliki tegangan yang besar yaitu sekitar 3,9 Volt (Kasvayee, 2011). LiMn2O4 juga memiliki stabilitas struktural yang baik selama proses charge-discharge dan cukup stabil selama interkalasi (Julien, 2014). Oleh karena itu dalam penelitian ini akan dilakukan pembuatan LiMn2O4 sebagai katoda baterai ion lithium. LiMn2O4 dapat disintesis dengan mudah melalui metode solid state reaction. Proses sintesis dilakukan dengan bahan baku sumber Lithium yang berbeda yaitu LiOH.H2O dengan MnO2 dan Li2CO3 dengan MnO2. Pembuatan serbuk LiMn2O4 dengan variasi sumber lithium ini dinilai dapat mengoptimalkan dan mengefisiensikan proses sintesis. Penelitian ini dilakukan untuk membandingkan pengaruh sumber bahan baku Litium pada hasil sintesis dan performa sel baterainya.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Bagaimana pengaruh variasi bahan baku sumber lithium terhadap karakteristik fisik LiMn2O4?
2. Bagaimana pengaruh bahan baku terhadap performa elektrokimia sel baterai?
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Penelitian ini difokuskan pada sintesis dan karakterisasi LiMn2O4.
2. Pembuatan LiMn2O4 dengan bahan baku Li2CO3, LiOH.H2O, dan MnO2 melalui metode solid state reaction.
3. Sintering dilakukan pada temperature 800 0C.
4. Komposisi lembaran katoda terdiri dari serbuk LiMn2O4, binder Polyvinylidene Fluoride (PVDF) dan Acetylene Black (AB) dengan perbandingan komposisi masing-masing 85% : 10% : 5%, dengan menggunakan pelarut N,N- Dimethylacetamide (DMAC).
5. Pengujian karakterisasi serbuk dilakukan dengan alat X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infra Red (FTIR) sedangkan pengujian performa sel baterai dilakukan dengan alat Cyclic Voltametry (CV) dan Charge- Discharge (CD).
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Untuk melakukan sintesis LiMn2O4 sebagai material katoda dengan bahan baku Li2CO3 dan LiOH.H2O.
2. Untuk mengetahui pengaruh bahan baku sumber Lithium terhadap karakteristik fisik LiMn2O4.
3. Untuk mengetahui pengaruh bahan baku terhadap performa elektrokimia sel bat
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi positif terhadap proses sintesis serbuk LiMn2O4 dengan menggunakan sumber lithium yang berbeda.
1.6 Sistematika Penulisan
Adapun sistematika dalam penulisan skripsi ini mencakup beberapa bab dan subbab seperti yang dijelaskan di bawah ini:
BAB 1 PENDAHULUAN
Bab ini mencakup latar belakang penelitian, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian dan manfaat penelitian serta sistematika penulisan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk proses pengambilan data, analisa serta pembahasan.
BAB III METODE PENELITIAN
Bab ini membahas tentang peralatan dan bahan penelitian, diagram alir penelitian, prosedur penelitian dan pengujian sampel.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini mencakup pembahasan tentang data hasil penelitian dan analisa data yang diperoleh dari penelitian.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dan memberikan saran untuk penelitian selanjutnya.
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Baterai
Baterai didefinisikan sebagai perangkat penyimpanan elektrokimia yang menyimpan listrik dalam ikatan kimia. Alat ini mengubah energi kimia yang terkandung dalam bahan aktif langsung menjadi energi listrik dengan cara reaksi elektrokimia. Reaksi ini melibatkan transfer elektron dari satu materi ke materi yang lain melalui sebuah sirkuit listrik. Secara ilmiah, baterai disebut sebagai sel elektrokimia atau sel galvanik yang menyimpan energi listrik dalam bentuk energi kimia dan reaksi elektrokimia yang terjadi disebut galvanis. Proses elektrokimia ini kemudian mengalami reaksi redoks. Konversi energi kimia menjadi energi listrik dilakukan melalui transfer elektron pada sirkuit eksternal (Ho Kar Yee et al., 2014).
Baterai terdiri dari dua jenis yaitu primer dan sekunder. Dalam baterai primer, Reaksi elektroda tidak reversibel oleh karena itu sel tidak dapat diisi ulang, yaitu setelah satu charge, akan dibuang. Pada baterai sekunder, reaksi elektroda bersifat reversibel dan sel-sel dapat diisi ulang. Sebuah baterai terdiri dari tiga komponen utama: katoda, elektrolit dan anoda. Katoda merupakan elektroda tempat reaksi reduksi terjadi (yaitu elektron yang diterima dari rangkaian luar), sedangkan reaksi oksidasi terjadi pada anoda (yaitu elektron yang dilepaskan ke sirkuit luar).
Elektrolit adalah isolator elektronik, namun konduktor ionik yang baik fungsi utamanya adalah untuk memberikan transportasi menengah untuk ion melakukan perjalanan dari satu elektroda ke elektroda lainnya. (Eriksson, 2001).
2.2. Baterai Lithium Ion
Sebuah baterai Li-ion biasanya mengacu pada baterai sekunder di mana energi kimia disimpan melalui reaksi redoks yang mempekerjakan interkalasi lithium antara elektroda positif (katoda) dan elektroda negatif (anoda). Ketika charging dan discharging ion lithium bergerak bolak-balik antara katoda dan anoda. (Paravasthu, R, 2012). Pada dasarnya ada empat komponen utama dari baterai lithium ion: anoda, katoda, separator dan elektrolit. Katoda bertindak sebagai elektroda positif yang menerima elektron sekaligus mereduksi dan anoda bertindak sebagai elektroda negatif yang menyumbangkan elektron dan mengoksidasi selama siklus discharging.
elektroda tidak menyentuh satu sama lain tetapi dihubungkan secara elektrik dengan elektrolit sementara separator mencegah pencampuran antara elektroda tetapi memungkinkan ion Li untuk mengalir.
Berbagai baterai telah dikembangkan, seperti lead-acid, Ni-Cd, Ni-metal hidrida dan baterai Lithium ion. Di antara semua sistem baterai, baterai Li-Ion dapat memberikan kepadatan (densitas) energi yang lebih tinggi karena Lithium merupakan baterai yang paling elektropositif (-3,04V v.s. standar hidrogen elektroda) dan logam ringan (M = 6,94 g / mol). Selama proses pengisian dan pengosongan Li ion mentransfer seluruh elektrolit antara anoda dan katoda dengan oksidasi dan reduksi yang terjadi pada dua elektroda seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Proses Charging dan Discharging pada Baterai Lithium Ion (Sumber: Paravasthu R, 2012)
1) Selama pengisian baterai (charging), lithium ion mengalir dari elektroda positif ke elektroda negatif melalui elektrolit. Elektron cenderung mengalir pada arah di sekitar sirkuit luar
2) Ketika semua ion berhenti mengalir, baterai akan terisi penuh dan siap untuk digunakan.
3) Selama pemakaian baterai (discharging), ion mengalir kembali dari elektroda negatif ke elektroda positif. (Oswal M et al., 2010).
2.3 Bagian-Bagian Baterai Lithium Ion
Baterai Li-Ion terdiri dari empat komponen utama yaitu elektroda negatif (anoda), elektroda positif (katoda), elektrolit, dan separator.
2.3.1 Elektroda Negatif (Anoda)
Anoda, atau elektroda negatif, umumnya terbuat dari grafit (karbon) dan dilapiskan pada tembaga foil. Anoda menerima Li-ion saat siklus pengisian dan memancarkan ke katoda selama siklus pemakaian. Bahan aktif di anoda terdiri dari grafit, perekat, pelarut, dan karbon konduktif. Ada dua jenis struktur karbon elektroda yaitu: "Kristal grafit alam dan kristal karbon buatan". Anoda terbuat dari grafit yang memungkinkan ion lithium tunggal untuk diinsersi dalam struktur segi enam pada pengisian penuh komposisi LiC6. (Arora Y et al., 2015).
Bahan potensial untuk elektroda negatif harus memenuhi persyaratan sebagai berikut:
1. Dapat bereaksi reversibel dengan lithium.
2. Dapat Mengakomodasi beberapa Li-ion per atom logam untuk memberikan kapasitas tinggi.
3. Penyisipan / ekstraksi harus dioperasikan pada tegangan rendah dengan Li+/
Li (-3,04V) untuk mendapatkan tegangan yang besar.
4. Konduktivitas elektronik dan ionik yang baik.
5. Harga Murah dan ramah lingkungan (Philippe B, 2013).
2.3.2 Elektroda Positif (Katoda)
Elektroda positif dalam baterai lithium-ion didasarkan pada tiga jenis kimia dasar: oksida berlapis (seperti lithium cobalt oksida), spinel (seperti lithium mangan oksida), atau polyanion (seperti lithium iron phosphate). Bahan katoda yang paling umum digunakan dalam sel lithium-ion adalah lithium cobalt oksida. Namun, berbagai bahan lain yang digunakan seperti lithium feroposfat (LiFePO4), spinel seperti lithium mangan oksida (LiMn2O4), atau oksida logam campuran yang mencakup cobalt (Co), nikel (Ni), aluminium (Al), dan oksida mangan seperti kobalt nikel aluminat (NCA) (Mikolajczak C et al., 2011). Bahan yang umum digunakan sebagai katoda pada baterai lithium adalah LiCoO2. LiCoO2 merupakan bahan katoda yang memilki kapasitas spesifik yang paling tinggi. Namun material katoda ini berbahaya untuk digunakan karena mengandung logam berat. LiMn2O4 merupakan material katoda yang mudah disintesis jika dibandingkan dengan jenis material katoda lainnya karena memiliki stabilitas struktural yang baik. (Julien, 2014).
Tabel 1. Sifat Bahan Katoda dalam Baterai Li-ion Material
Elektroda
Nominal Voltage (V)
Kapasitas Spesifik
Teori (mAh/g)
Kapasitas discharge Praktek (mAh/g)
Energi Spesifik Praktek (Wh/kg)
LiCoO2 3.6 274 145 520
LiMn2O4 3.9 148 105 410
LiFePO4 3.4 170 155 540
LiNiO2 4.0 274 160 640
Sumber: Kasvayee, 2011
Gambar 2. Fenomena Konduktifitas Ionik dan Elektronik pada Material Katoda (Sumber: Park, 2010).
Gambar diatas menggambarkan fenomena konduksi dalam partikel komposit katoda tunggal. Ketika Li-ion berdifusi keluar dari katoda (konduksi ionik) selama siklus charge keadaan valensi ion logam transisi berubah (konduksi elektronik) jadi penting bahwa konduktivitas listrik dan ionik dioptimalkan dalam bahan katoda (Park, 2010).
Untuk dapat digunakan sebagai elektroda positif dalam baterai Li-ion, bahan harus memenuhi beberapa persyaratan sebagai berikut:
1. Bahan harus mudah direduksi / ion teroksidasi, misalnya logam transisi.
2. Bahan harus bereaksi reversibel dengan lithium yaitu tidak ada perubahan struktur pada saat insersi/ ekstraksi lithium.
3. Bahan harus harus mampu beroperasi pada tegangan tinggi (sekitar 4 V) untuk memberikan kapasitas penyimpanan energi yang tinggi.
4. Proses insersi / ekstraksi harus cepat untuk mencapai densitas daya (power density) yang tinggi.
5. Bahan harus memiliki konduktivitas elektronik dan konduktivitas Li-ion yang baik.
6. Bahan harus stabil secara termal dan kimia, murah dan ramah lingkungan.
(Philippe B, 2013).
2.3.3 Elektrolit
Elektrolit adalah bagian penting ketiga dari baterai Li-ion. Ini memastikan konduksi dari lithium-ion antara elektroda negatif dan elektroda positif dan bertindak sebagai penghalang fisik antara dua elektroda (ketika digabungkan dengan separator untuk elektrolit cair). Sifat kimia dari elektrolit memiliki dampak yang kuat pada kinerja baterai dan terutama pada antarmuka elektroda / elektrolit (Philippe B, 2015).
Fungsi utama dari elektrolit adalah untuk mencegah pertukaran elektron langsung antara elektroda dan memfasilitasi aliran elektron agar teratur dan stabil melalui sirkuit eksternal. Secara bersamaan, elektrolit harus menjadi konduktor ionik (konduktif yang sangat ideal) untuk menjaga transfer internal. Selain itu, elektrolit juga harus memenuhi beberapa syarat lagi untuk memastikan bahwa fungsi baterai yang dihasilkan seperti yang diinginkan. Mungkin yang paling penting, elektrolit harus menunjukkan stabilitas elektrokimia yang tinggi, di seluruh rentang tegangan baterai. Ini berarti bahwa elektrolit harus tetap lembam selama operasi. (Øystein G, 2012).
Elektrolit dalam sel lithium-ion biasanya terdiri dari garam lithium yang dilarutkan dalam campuran pelarut yang juga mengandung sejumlah aditif kecil.
Garam lithium umumnya LiPF6 yang memiliki kualitas yang memadai misalnya stabilitas elektrokimia dan kisaran suhu yang dapat digunakan untuk baterai lithium- ion komersial. (Svens P, 2016).
Elektrolit yang ideal memiliki beberapa persyaratan umum untuk memenuhi :
1. Konduktivitas ionik tinggi (σ Li > 10-4 S/cm) dan konduktivitas elektronik rendah (σe < 10-10 S/cm) dengan jarak berbagai suhu (-40°C sampai +60°C).
2. Stabil secara kimiawi terhadap semua komponen sel (separator, kolektor, bahan kemasan sel).
3. Harus membentuk lapisan pasif yang stabil pada permukaan Elektroda.
4. Dapat mentolerir kondisi ekstrim (listrik, mekanik dan penyalahgunaan termal).
5. Toksisitas rendah dan harga murah (Phlippe B, 2013).
6. Elektrokimia stabil di kisaran tegangan operasi baterai.
7. Viskositas rendah (terkait dengan konduktivitas ionik tinggi).
8. Kemampuan untuk melarutkan garam bahkan pada konsentrasi tinggi (konstanta dielektrik tinggi).
9. Stabil pada rentang temperatur yang tinggi (Gulbrekken,2012).
2.3.4 Separator
Separator adalah membran berpori yang ditempatkan di antara katoda dan anoda. Membran ini memiliki fungsi mencegah kontak fisik antara elektroda dan memungkinkan pergerakan ion lithium lancar dengan hosting sejumlah besar ion- konduktif cairan elektrolit. Kontak antara elektroda, seperti korsleting, dapat menyebabkan perpindahan panas dan dalam kasus terburuk, kebakaran dan ledakan mungkin terjadi sebagai akibat dari meningkatnya suhu di dalam sel lithium-ion.
Oleh karena itu, separator diperlukan untuk mempertahankan sifat fisik dan elektrokimia, bahkan pada suhu yang relatif tinggi (Carvalho et al., 2015).
Pori-pori di separator memungkinkan transfer ion lithium dengan berdifusi selama pengisian dan pengosongan. Lapisan-lapisan ini melembutkan dan menutup pori-pori pada suhu yang tinggi (biasanya dalam kisaran 130 sampai 150°C/270- 300°F), dan menghentikan proses pengisian atau pengosongan dengan menghambat transportasi ion antara anoda dan katoda. (Mikolajczak C et al., 2011). Berdasarkan morfologi separator, umumnya ada dua jenis separator yaitu membran berpori dan lapisan nonwoven. Meskipun separator efektif dalam mencegah hubungan arus listrik pendek antara anoda dan katoda, keberadaan separator di antara dua elektroda dapat menurunkan konduktivitas efektif elektrolit dan meningkatkan impedansi sel. Hal Ini akan mengurangi luas penampang total ion lithium sedangkan pori-pori terbuka di separator memperpanjang transportasi jalur ionik (Min yang et al., 2012).
Bahan seperti serat nonwoven (misalnya nylon, katun, poliester, kaca), film polimer (misalnya polietilena (PE), polypropylene (PP), poly (tetrafluoroethylene) (PTFE), polivinil klorida (PVC), dan zat alami (misalnya karet, asbes, kayu) telah digunakan untuk separator mikro dalam baterai yang beroperasi pada suhu kamar dan rendah (<100 ° C) (Arora P et al., 2004). Beberapa pertimbangan penting dan mempengaruhi dalam pemilihan separator adalah sebagai berikut :
1. Daya tahan elektrolit (ionik) minimal.
2. Stabilitas mekanis dan dimensi.
3. Kekuatan fisik yang cukup untuk memudahkan perlakuan.
4. Resistansi kimia terhadap degradasi oleh elektrolit, pengotor, elektroda reaktan dan produk.
5. Efektif dalam mencegah migrasi partikel atau koloid atau larut antara dua elektroda (Arora P, 2004).
2.4 Material Katoda untuk Baterai Lithium Ion
Material katoda yang sering digunakan pada baterai ion lithium yaitu LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiNiO2. Ketiga material tersebut memiliki bentuk struktur host yang berbeda yang dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 3. Ilustrasi Skematis pada Struktur Host dari (a) LiCoO2 (Struktur Layered), (b) LiMn2O4 (Struktur Spinel), dan (c) LiFePO4 (Struktur Olivine)
(Sumber: Julien, 2014).
Pada struktur host layered, ion lithium berinterkalasi dalam dua arah, pada struktur host spinel interkalasi ion lithium dalam tiga arah, sedangkan pada struktur host olivine interkalasi dalam satu arah (Triwibowo, 2011).
2.4.1 LiCoO2
LiCoO2 adalah elektroda positif yang paling umum digunakan dalam baterai Li ion komersial karena memiliki potensial yang tinggi 3,9 V dan waktu hidup yang baik. LiCoO2 memiliki kapasitas teoritis 274 mAh/g tetapi hanya setengah dari kapasitas ini (~140 mAh/g) yang dapat digunakan dalam sel praktis karena hanya 0,5 Li yang dapat reversibel tanpa kehilangan kapasitas (Philippe B, 2013). LiCoO2 memiliki struktur kristal layered, selama discharge penyisipan ion Li akan menurunkan tolakan antara lembar CoO2 dan mengarah ke kontraksi volume ~ 2% (Kejie Z, 2012). Katoda LiCoO2 bersifat reversibel. Lebih dari 1000 siklus charge-discharge diperoleh tanpa kehilangan kapasitas spesifik yang cukup besar (Wang G, 2000).
2.4.2 LiFePO4
Senyawa ini memiliki jenis struktur olivine. LiFePO4 memiliki kapasitas reversibel ~160 mAh.g-1 dan tegangan operasi. LiFePO4 mengandung unsur berlimpah, murah dan ramah lingkungan. FePO4 sangat stabil (terhadap ketidakstabilan elektrolit, termal dan struktural) dan dengan demikian lebih aman daripada oksida TMO (Transition Metal Oxides) yang disajikan sejauh ini. Kapasitas utama tidak berkurang dan kinerja elektrokimia dapat ditingkatkan pada suhu tinggi (sampai 85 °C) selama siklus hidup panjang.
Kelemahan utama dari LiFePO4 adalah konduktivitas listrik rendah yang membatasi kapasitas reversibel. Secara paralel, pembentukan senyawa kompleks dengan substitusi parsial Fe oleh logam transisi lainnya (Ni, Co, Mn) digunakan untuk meningkatkan tegangan operasi. LiMnPO4, LiCoPO4 dan LiNiPO4 juga membentuk struktur olivin memiliki masing-masing tegangan operasi dari 4,1V, 4,8V dan 5,1V (Philippe B, 2013).
2.4.3 LiMn2O4 (LMO)
LiMn2O4 memilki jenis struktur spinel yang memiliki stabilitas struktural yang baik selama proses charge-discharge. Lithium mangan oksida mempunyai struktur spinel dengan kemampuan interkalasi tiga dimensi. Hal ini menyebabkan bahan katoda ini mampu disisipi ion lithium dalam tiga arah. Baterai lithium
merupakan baterai yang berbasis ion dengan ion lithium sebagai motor penggerak Spinel LiMn2O4 menunjukkan kurangnya ketahanan dalam siklus hidup dan hilangnya ireversibel dari kapasitas yang cepat pada temperatur tinggi. (Julien, 2014). Insersi dan ekstraksi pada spinel LiMn2O4 menghasilkan tegangan rata-rata 4 V. Spinel LiMn2O4 memiliki keunggulan dibandingkan Co dan Ni yaitu murah, ramah lingkungan dan memiliki stabilitas termal yang lebih besar terutama ketika overcharged, namun kapasitas teoritis LiMn2O4 hanya 148 mAh/g (Wang G, 2000).
Gambar 4. Struktur Spinel Lithium Mangan Oksida (LiMn2O4) (Sumber: Wang G, 2000)
Valensi dari Mn dalam stoikiometri LiMn2O4, reaksi spinel elektroda LiMn2O4 pada proses sel lithium :
LiMn2O4 Li+ + Mn2O4 + e- (1)
Reaksi stoikiometri merupakan penentuan perbandingan massa unsur-unsur dalam senyawa dalam pembentukan senyawanya. Reaksi kimia merupakan suatu proses dimana zat-zat baru yaitu hasil reaksi, terbentuk dari beberapa zat aslinya, yang disebut pereaksi. Biasanya, suatu reaksi kimia disertai oleh kejadian-kejadian fisis, seperti perubahan warna, pembentukan endapan, atau timbulnya gas.
n
=
𝑚𝑀𝑟
(2)
Keterangan :
n = mol
m = massa (gram)
Mr = Massa molekul relative (Wibowo, 2005).
2.4.4 LiNiO2
LiNiO2 merupakan material katoda yang memiliki struktur layered.LiNiO2
ini memiliki tingkat toksisitas yang rendah dan lebih murah. Namun, karena ketidakstabilan struktural dari senyawa tersebut sehingga belum dapat dikomersialisasikan sebagai bahan elektroda Li-ion. senyawa stoikiometri sulit didapat karena ion Ni3+ yang tidak stabil. Stabilitas struktural yang buruk saat cycling dengan kandungan litium rendah membuat sistem ini tidak aman. LiNiO2 tidak dapat digunakan semestinya, namun sebagian substitusi Ni oleh logam transisi lainnya atau logam redoks yang tidak aktif dapat menstabilkan sistem ini (Philippe B, 2013).
Gambar 5. Struktur Oksida Layered LiMO2 (M=Ni, Co)
2.5 KARAKTERISASI DAN PENGUJIAN
Pengkarakterisasian dilakukan pada serbuk material aktif dan baterai. Pada serbuk material aktif dilakukan pengujian X-Ray Diffraction (XRD) dan Fourier Transform Infra Red (FTIR). Sedangkan pada baterai diuji kemampuan baterai dan reaksi reduksi-oksidasi yang terjadi dengan pengujian Cyclic Voltammetry (CV) dan Charge Discharge (CD) untuk melihat kapasitas dari baterai tersebut.
2.5.1 X-Ray Difraction (XRD)
Difraksi sinar-X berfokus pada interaksi radiasi sinar-X dengan sampel kristal padat. Bahan kristal terbuat dari sel unit dasar yang berulang teratur dalam ruang yang mengatur struktur pada jarak jauh. XRD memungkinkan untuk memperoleh Difraktogram atau pola difraksi yang mencerminkan fenomena hamburan elastis terkait dengan interaksi radiasi sinar-X dengan dengan sampel kristal padat. Ketika radiasi sinar-X berinteraksi dengan sampel kristal padat, ia akan menemui atom dalam posisi tetap. Elektron milik atom-atom ini bertindak sebagai
pusat hamburan menimbulkan serangkaian gelombang bulat yang merambat di dalam materi.
Gambar 6. (a) Representasi Geometri Menurut Hukum Bragg (b) Instrumentasi Susunan Difraktometer Geometri Bragg-Brentano
(Sumber: Maroni F et al., 2014)
Posisi masing-masing puncak dalam pola difraksi adalah karakteristik dari spesies kimia yang diberikan dan bergantung pada panjang gelombang dari sumber.
Instrumental yang beroperasi di θ geometri/2θ ditunjukkan pada Gambar 6. Pola yang dihasilkan analisis difraksi sinar-X (XRD) adalah metode yang efisien untuk menentukan fase yang berbeda dalam sampel. Karena panjang gelombang sinar-X yang digunakan adalah dari urutan yang sama besarnya sebagai jarak antar dan panjang ikatan dalam padatan kristal (~ 1 Å), metode XRD berfungsi dengan baik untuk menentukan struktur bahan kristal. Keuntungan terletak pada kemampuannya untuk memantau perubahan struktural dalam bahan elektroda pada hasil insersi atau deinsersi ion .
Landasan teori difraksi terletak pada Hukum Bragg yang menentukan sudut yang benar diperlukan untuk memiliki difraksi dari serangkaian bidang kristal seperti yang ditunjukkan di bawah ini:
n λ = 2d sinθ (3)
Keterangan :
n = urutan sinar (dalam bilangan bulat) λ = Panjang gelombang radiasi, θ = Sudut radiasi
d = Ukuran jarak jarak antara dua bidang kristal. (Maroni F, 2011).
Struktur kubik material LiMn2O4 parameter kisi (a) dari satu puncak difraksi dapat ditentukan menurut:
1
𝑑
=
2+𝑘2+𝑙2𝑎2 (4)
d adalah jarak dari bidang kristal dan h, k, l adalah indeks Miller dari refleksi diukur (Eriksson, 2001).
2.5.2 Fourier Transform Infra Red (FTIR)
FTIR Spektroskopi adalah teknik berdasarkan penentuan interaksi antara radiasi IR dan sampel yang dapat berupa padat, cair atau gas. FTIR mengukur frekuensi di mana sampel menyerap dan juga intensitas serapan ini. Frekuensi yang membantu untuk menyusun identifikasi sampel kimia karena fakta bahwa gugus fungsional kimia yang bertanggung jawab untuk penyerapan radiasi pada frekuensi yang berbeda. Konsentrasi komponen dapat ditentukan berdasarkan intensitas penyerapan. Spektrum adalah plot dua dimensi dimana sumbu diwakili oleh intensitas dan frekuensi penyerapan sampel.
Radiasi infra merah dibagi menjadi:
1. Dekat (NIR, ν = 10.000 - 4.000 cm-1);
2. Tengah (MIR, ν = 4.000 - 200 cm-1) 3. Jauh (FIR, ν = 200 - 10 cm-1).
Karena semua senyawa menunjukkan karakteristik absorpsi/emisi di wilayah spektral IR dan berdasarkan ini mereka dapat dianalisis secara kuantitatif dan kualitatif dengan menggunakan spektroskopi FT-IR. Spektrum NIR pada sampel cair rentan terhadap lingkungan (seperti suhu, kelembaban). Spektrometer FT-IR dapat mendeteksi lebih dari seratus senyawa organik volatil (VOC) yang dipancarkan dari sumber-sumber industri dan biogenik. Selain metode FTIR transmisi tradisional (T- FTIR) (misalnya KBr-pelet). Teknik-teknik modern seperti Attenuated Total Reflection FTIR (ATR-FTIR), dan difusi reflektansi spektroskopi inframerah transformasi Fourier. Pilihan metode yang akan digunakan tergantung pada banyak faktor seperti: informasi yang dibutuhkan (bulk vs analisis permukaan), bentuk fisik sampel, waktu yang dibutuhkan untuk persiapan sampel (Simonescu, 2012).
2.5.3 Cyclic voltammetry (CV)
Siklik voltametri merupakan teknik yang paling banyak digunakan untuk memperoleh informasi kualitatif tentang reaksi elektrokimia. Identifikasi cepat potensi redoks khas untuk jenis elektroaktif, memberikan informasi yang cukup tentang termodinamika proses redoks, kinetika reaksi transfer elektron heterogen, dan analisis penambahan reaksi elektrokimia atau proses adsorpsi (Brownson, 2013).
Gambar 7. (a) Siklik Potensial Sweep (b) Hasil Siklik Voltamogram (Sumber: Brownson, 2013)
Siklik voltametri dapat digunakan untuk mempelajari kinetika transfer elektron dan sifat transportasi reaksi elektrolisis. Pada jenis reaksi pada potensi yang berbeda dan dengan intensitas yang berbeda, CV memungkinkan beberapa deteksi dalam satu pengukuran (kualitatif) dan perkiraan konsentrasi (kuantitatif) (Alice D, 2011). Hasil siklik voltammetri adalah plot E vs I dimana puncak yang muncul pada potensial tertentu, menunjukkan adanya proses reaksi redoks aktif. Pada Gambar 7.
Menujukkan Potensial memanjang dari E1 ke E2 dan ini tingkat yang dicapai adalah voltammetri scan rate (atau gradien garis) biasanya diukur dalam V/s (Brownson, 2013). Saat tegangan mencapai E2 scan dibalik dan memanjang kembali ke E1. Waktu yang dibutuhkan untuk potensial sweep rentang tegangan scan rate (ν), dihitung dari kemiringan V = f (t) (Lancon, 2011). Plot arus terhadap potensial (tegangan) disebut sebagai 'Siklik Voltamogram' (CV). Siklik Voltamogram digunakan untuk reaksi elektrokimia reversibel menggunakan makroelektoda. Pada gambar diatas Epc dan Epa adalah potensi puncak di katoda dan pada anoda.
Sedangkan Ipc dan Ipa adalah puncak arus di katoda dan puncaka arus pada anoda (Brownson, 2013).
2.5.4 Charge-Discharge (CD)
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 dalam 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 dimaksudkan sebagai besarnya energi listrik yang dapat dikeluarkan baterai pada waktu tertentu. Kapasitas baterai tergantung pada jenis material aktif yang digunakan dan kecepatan reaksi elektrokimia pada saat baterai di charge atau discharge.
Luasnya kontak permukaan antar material aktif juga akan memperbesar kapasitas baterai. (Triwibowo, 2011).
Gambar 8. Kurva Charge-Discharge Baterai Lithium Ion (Sumber: Simpson C, 2011)
Tegangan terminal yang diukur dari setiap baterai akan bervariasi seperti yang diisi dan dikosongkan (lihat Gambar 8). MPV (tegangan mid point) merupakan tegangan nominal sel selama charge atau discharge. MPV (tegangan mid point) adalah tegangan nominal sel, dan tegangan yang diukur ketika baterai telah habis 50% dari energi total. tegangan sel diukur pada akhir masa operasi yang disebut EODV, yang merupakan singkatan dari End of Discharge Voltage. Ketika puncak dikenakan, tegangan sel yang sebenarnya akan lebih tinggi dari MPV. Ketika mendekati titik EODV (tegangan discharge akhir), tegangan sel akan kurang dari MPV. EODV kadang-kadang disebut juga sebagai tegangan EOL (end of life) (Simpson C, 2011).
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan dari tanggal 6 Februari 2017 s.d 28 April 2017 di Pusat Penelitian Fisika-LIPI, Komplek Puspiptek Gd 442 Serpong Tangerang Selatan.
3.2 Bahan dan Peralatan Penelitian 3.2.1 Bahan Penelitian
1. Li2CO3
Fungsi : berfungsi sebagai material aktif (bahan katoda).
2. LiOH.H2O
Fungsi : berfungsi sebagai material aktif (bahan katoda).
3. MnO2
Fungsi : berfungsi sebagai material aktif (bahan katoda).
4. PVDF (Polyvinylidene Fluoride)
Fungsi : sebagai bahan polimer pengikat (Binder).
5. AB (Acetylene Black)
Fungsi : sebagai karbon konduktif.
6. DMAC (N,N-Dimethylacetamide) Fungsi : sebagai pelarut bahan PVDF.
7. Aseton
Fungsi : untuk membersihkan peralatan penelitian.
8. Al Foil
Fungsi : sebagai current collector dalam lembaran katoda.
9. Separator
Fungsi : untuk mencegah terjadinya kontak/ hubungan singkat antara LiMn2O4 (katoda) dan Metal Lithium (anoda).
10. Metal Lithium
Fungsi : sebagai anoda pada pengujian sel baterai.
11. LiPF6
Fungsi : sebagai elektrolit dalam pembuatan sel baterai.
3.2.2 Peralatan Penelitian 1. Neraca Digital
Fungsi : untuk mengukur massa dari bahan baku.
2. Beaker Glass
Fungsi : sebagai wadah dalam pembuatan slurry.
3. Spatula
Fungsi : untuk mengambil dan mengaduk bahan.
4. Pipet Tetes
Fungsi : untuk mengambil cairan DMAC.
5. Cawan
Fungsi: sebagai tempat untuk menimbang bahan yang digunakan.
6. Mortar dan pastel
Fungsi : Untuk menumbuk bahan hingga halus.
7. Hot Plate
Fungsi : untuk memanaskan campuran bahan sehingga mampu mempercepat proses homogenisasi.
8. Magnetic Stirer
Fungsi : untuk menghomogenkan campuran bahan dengan pengadukan.
9. Penjepit
Fungsi : untuk menjepit lembaran.
10. Doctor Blade
Fungsi : untuk pelapisan slurry pada Al Foil.
11. Pisau doctor blade
Fungsi : Untuk mengukur ketebalan pengcoatingan.
12. Oven
Fungsi : untuk mengeringkan lembaran LiMn2O4 setelah dicoating.
13. Coin Cell
Fungsi : sebagai wadah untuk aktivasi sel baterai.
14. Glove Box
Fungsi : sebagai tempat untuk assembling sel baterai.
15. Multimeter
Fungsi : untuk mengukur tegangan sel baterai pada coin cell.
16. WBCS 3000
Fungsi : untuk uji kapasitas sel baterai 17. XRD (X-Ray Diffraction)
Fungsi : untuk mengetahui fasa dan struktur kristal dari material aktif katoda LiMn2O4
18. FTIR
Fungsi : Untuk mengetahui gugus fungsional yang terbentuk pada lembaran katoda LiMn2O4
3.3 Perhitungan Massa Bahan
Massa bahan untuk sebanyak 5 gram. Sehingga massa bahan utama yang dibutuhkan adalah seperti yang ditunjukkan oleh tabel berikut ini. Perhitungan stokiometri secara lengkap dapat dilihat di lampiran 1.
Tabel 2. Massa bahan baku pembuatan serbuk LiMn2O4
Bahan Baku Massa (gram)
Li2CO3 1,0196
LiOH.H2O 1,1581
MnO2 4,7989
Tabel 3. Perbandingan komposisi bahan pembuatan lembaran LiMn2O4 Nama Sampel Perbandingan Komposisi (%wt) Serbuk LiMn2O4 (gr) PVDF (gr) AB
(gr) DMAC
(ml) A
85 : 10 : 5 0,1176 1 0,0588 4
B
85 : 10 : 5 0,1176 1 0,0588 3
3.4 Tahapan Penelitian
3.4.1 Proses Pembuatan Serbuk LiMn2O4
3.4.2 Pembuatan lembaran katoda LiMn2O4 Mulai
Li2CO3/LiOH.H2O MnO2
Ditimbang Ditimbang
Dicampur homogen/merata
Digerus
Disintering 800 0C selama 4 jam
Material aktif katoda LiMn2O4
Karakterisasi
FTIR XRD
Analisa Digerus + Diayak
Kesimpulan
3.5 Prosedur Penelitian PVDF Material aktif
(LiMn2O4)
DMAC AB
Dicampur homogen/merata
Slurry
Dilakukan coating pada Al foil
Dikeringkan pada suhu 80oC
Assembly sel baterai dengan Coin Cell
Uji CV/CD
Analisa
Kesimpulan
….... Hot Plate T= 700C
Rpm = 200 Rpm
Lembaran LiMn2O4
Cutting
…….
Doctor Blade dengan kecepatan 6, ketebalan = 0,15 µm
3.5.1 Proses Pembuatan Serbuk LiMn2O4 1. Tahap Penimbangan Bahan
Ditimbang semua bahan baku sesuai dengan hasil perhitungan stoikiometri menggunakan neraca digital dengan Li2CO3 = 1,0196 gram, LiOH.H2O = 1,1581 gram dan MnO2 = 4,7989 gram. Bahan yang telah ditimbang tersebut dicampur terlebih dahulu kemudian diaduk dan dilakukan penggerusan.
2. Tahap Sintering
Setelah itu, dilakukan sintering dengan suhu awal 400 oC selama 2 jam kemudian suhu dinaikkan menjadi 800 0C selama 4 jam.
3.5.2 Pembuatan Lembaran Katoda LiMn2O4
1. Tahap Penimbangan Bahan
Bahan material aktif LiMn2O4, PVDF, Acetylene Black ditimbang dengan menggunakan Neraca Digital, sedangkan untuk DMAC diukur dengan beaker glass.
Massa bahan LiMn2O4 dibutuhkan sebanyak 1 gram. Massa PVDF dibutuhkan sebanyak 0,1176 gram, massa acetylene black sebanyak 0,0588 gram dan pelarut DMAC sebanyak 4 ml untuk sampel A dan 3 ml untuk sampel B.
2. Tahap Slurry
Pelarut DMAC dimasukkan kedalam Beaker Glass, kemudian dimasukkan magnetic stirrer didalamnya. Diletakkan beaker glass tersebut diatas Hot Plate.
Dilakukan pengaturan Hot Plate dengan 200 rpm, dan suhu 70oC. Kemudian ditunggu selama 15 menit kemudian dimasukkan serbuk PVDF dan ditunggu 30 menit hingga tercampur merata. Setelah itu dimasukkan serbuk Acetylene Black perlahan-lahan dengan menggunakan spatula dan ditunggu selama 30 menit hingga serbuk Acetylene Black tersebut tercampur merata dan warnanya menjadi hitam.
Kemudian dimasukkan serbuk LiMn2O4 perlahan-lahan menggunakan spatula ditunggu selama 30 menit hingga tercampur merata dan warna yang dihasilkan hitam. Jika pada saat pencampuran serbuk LiMn2O4 terjadi pengentalan, maka dapat dilakukan penambahan pelarut DMAC.
3. Tahap Coating
Setelah bahan selesai dibentuk menjadi slurry, maka bahan tersebut siap dibuat menjadi lembaran katoda. Alat yang digunakan yaitu Doctor Blade. Doctor Blade dibersihkan dengan Aseton, lalu kecepatanya diatur dengan range 6 dan presisi celah Doctor Blade diatur dengan ketebalan 0,15 µm. Al Foil dibersihkan menggunakan etanol. Lembaran Al foil diletakkan diatas mesin coating dan tombol vakum dihidupkan. Diletakkan lembaran diatas Doctor Blade dan slurry dituangkan secukupnya. Dengan menggunakan Doctor Blade, slurry diratakan pada lembaran Al foil. Setelah proses coating selesai, lembaran katoda diangkat dan dikeringkan menggunakan oven pada suhu 80oC sampai kering. Dilakukan langkah yang sama untuk ketebalan lembaran katoda LiMn2O4 menggunakan sampel B.
4. Tahap Cutting
Lembaran katoda yang telah terbentuk tersebut digunting membentuk lingkaran dengan ukuran sisinya 14 mm dan separator dipotong dengan ukuran diameter 18 mm.
5. Tahap Assembly
Pada tahapan ini lembaran katoda LiMn2O4 yang sudah disiapkan dalam bentuk coin cell di assembling didalam glove box dengan anoda yaitu metal lithium, elektrolit yaitu LiPF6, dan separator sebagai pemisah antara katoda dan anoda yang berfungsi untuk mencegah agar tidak terjadinya hubungan singkat antara katoda dan anoda. Assembling didalam glove box bertujuan agar semua bahan tidak terkontaminasi dengan udara luar. Kemudian setelah menjadi baterai coin, dilakukan pengujian CV/CD pada baterai.
6. Karakterisasi
Karakterisasi yang dilakukan meliputi : Karakterisasi serbuk katoda LiMn2O4 (uji XRD dan FTIR) dan karakterisasi sel (uji CV/CD).
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Lembaran Katoda LiMn2O4 Variasi Bahan Baku
Pada Gambar 9 dapat dilihat lembaran katoda LiMn2O4 dengan bahan baku sumber lithium yang berbeda, sampel A (dengan sintesis Li2CO3) dan sampel B (dengan sintesis LiOH.H2O). Maka dari hasil yang di dapatkan lembaran katoda LiMn2O4 pada Sampel A dan Sampel B memiliki daya rekat yang baik dapat dilihat dengan tidak rontoknya material aktif dari Al Foil dan tidak terdapat bintik-bintik pori pada lembaran. Pada Gambar 9 tampak bahwa warna lembaran pada sampel B lebih hitam jika dibandingkan dengan sampel A dikarenakan pelarut DMAC yang digunakan pada sampel B lebih sedikit. Pada lembaran katoda sampel A DMAC yang digunakan sebanyak 4 ml sedangkan pada sampel B DMAC yang digunakan lebih sedikit sekitar 3 ml, sehingga slurry pada sampel B lebih pekat dan lembaran yang dihasilkan lebih hitam.
A B
Gambar 9. Hasil Lembaran Katoda LiMn2O4 pada Sampel A (dengan Sintesis Li2CO3) dan B (dengan Sintesis LiOH.H2O)
4.2 Analisis Struktur Kristal Serbuk LiMn2O4 Menggunakan XRD
Pengamatan struktur kristal dan fasa yang terbentuk dalam material katoda dengan variasi bahan baku sumber litium dilakukan menggunakan X-Ray Diffraction (XRD). Hasil pola difraksi sinar–x material aktif katoda LiMn2O4 pada Analisis bidang kristal dapat dilihat pada Gambar 10. Struktur Kristal dari sampel katoda yang telah disintesis dikarakterisasi dengan menggunakan alat XRD Merk Rigaku dengan radiasi Cu Kα yang beroperasi pada 40 kV dan 30 mA. Data difraksi
dikumpulkan setiap 4s step with 0,01o dengan range sudut 2θ dari 10o – 70o. Hasil uji semua sampel dicocokkan dengan data ICDD (International Centre Diffraction Database). Identifikasi fasa yang terbentuk dilakukan dengan membandingkan nilai sudut 2θ hasil pengujian dengan sudut 2θ sampel standar dari data ICDD pada PDF (Powder Diffraction File) dengan nomor 01-070-3120 yang dapat dilihat pada Gambar 10. Puncak-puncak difraksi yang muncul pada XRD memiliki kesamaan dengan ICCD nomor 01-070-3120 untuk material LiMn2O4. Hasil analisa XRD selengkapnya dapat dilihat pada lampiran.
Pada Gambar 10 memperlihatkan hasil pengolahan XRD material aktif katoda LiMn2O4 dengan variasi bahan baku sumber lithium. Kedua sampel teridentifikasi memiliki struktur Kristal LiMn2O4 dengan puncak tertinggi berada pada sudut 2θ =18.60o dengan jarak bidang d = 4,76 Å. Data tersebut cocok atau sesuai dengan data ICDD dengan nomor PDF 01-070-3120. Berdasarkan Gambar 10 dapat dilihat bahwa material aktif katoda LiMn2O4 mempunyai tingkat kristalinitas yang rendah, Hal ini ditunjukkan dengan tingkat intensitas peak yang diperoleh pada masing-masing pola difraksi tidak begitu tajam.
Gambar 10. Grafik Bidang Kristal Hasil XRD LiMn2O4 pada Sampel A dan Sampel B
Dari hasil XRD yang ditunjukkan pada Gambar 10 terlihat bahwa Material LiMn2O4 pada sampel A (yang disintesis dengan Li2CO3) telah terbentuk fasa LiMn2O4 tanpa adanya fasa pengotor. Hasil pengamatan XRD material aktif katoda LiMn2O4 pada sampel A menunjukkan bahwa puncak fasa LiMn2O4 terdapat pada sudut 2θ 18,6014o; 36,133o; 37,808o; 43,901o; 48,071o; 58,137o; 63,828o; 67,14o.
Pola difraksi LiMn2O4 pada sampel Bmenunjukkan bahwa fasa LiMn2O4 telah terbentuk namun terdapat fasa pengotor (impurities) yang terdeteksi dalam spektrum XRD. Pada sampel yang B ini ditemukan beberapa puncak difraksi yang bukan merupakan puncak LiMn2O4 yaitu puncak yang berada pada sudut 2θ = 32,93o dengan d = 2,7180 Å merupakan fasa Li2O dan puncak pada sudut 2θ = 65,77o dengan d = 1.4187 merupakan fasa MnO2 (Zhang, 2015). Material katoda LiMn2O4 pada sampel B puncak fasa LiMn2O4 terdapat pada sudut 2θ 18,6047o; 36,077o; 37,720o; 43,858o; 48,17o; 58,12o; 63,82o; 67,16o.
Hasil XRD menunjukkan bahwa sampel A memiliki tingkat kristalinitas yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan tingkat kristalinitas LiMn2O4 yang diperoleh pada sampel B. Hal ini dapat ditunjukkan dengan fasa yang terbentuk pada masing- masing sampel dimana fasa yang terbentuk pada sampel A adalah fasa LiMn2O4
murni sedangkan pada sampel B masih ditemukannya fasa selain dari fasa LiMn2O4
yang merupakan impurities (fasa pengotor). Adanya fasa pengotor pada sampel B ini dapat disebabkan karena campuran bahan baku tidak merata dan waktu sintering yang masih singkat. Selain itu juga partikel LiOH.H2O memiliki ukuran partikel yang lebih besar dan tingkat kemurnian yang lebih kecil jika dibandingkan dengan Li2CO3, sehingga tidak bereaksi sempurna dan jika dicampur dengan bahan lain campuran menjadi tidak merata. Sedangkan partikel Li2CO3 memiliki tingkat kemurnian yang lebih besar dan ukuran partikel yang jauh lebih kecil. Hasil XRD pada fasa LiMn2O4 menunjukkan struktur Kristal yang terbentuk adalah kubik dengan Space Group (Fd-3m) dan parameter kisi yaitu 8,244 Å.
4.3 Pengamatan Gugus Fungsi Menggunakan FTIR
Pengamatan gugus fungsi padasampel dilakukan dengan menggunakan alat FTIR Proses identifikasi gugus fungsi material aktif katoda LiMn2O4 dilakukan dengan menggunakan alat uji FTIR dengan merk Thermoscientific tipe Nicolet iS-10 di
