FABRIKASI LITHIUM TITANATE TERDOPING Al (Li4Ti4,975Al0,025O12)
DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN LEMBARAN ELEKTRODA
PADA SEL SETENGAH BATERAI ION LITHIUM
SKRIPSI
GIASSANISTYA FADILLAH MARPAUNG 120801016
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2016
FABRIKASI LITHIUM TITANATE TERDOPING Al (Li4Ti4,975Al0,025O12)
DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN LEMBARAN ELEKTRODA
PADA SEL SETENGAH BATERAI ION LITHIUM
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains
GIASSANISTYA FADILLAH MARPAUNG 120801016
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2016
LEMBAR PENGESAHAN
FABRIKASI LITHIUM TITANATE TERDOPING Al (Li4Ti4,975Al0,025O12)
DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN LEMBARAN ELEKTRODA
PADA SEL SETENGAH BATERAI ION LITHIUM
OLEH:
NIM: 120810016
Giassanistya Fadillah Marpaung
Disetujui Oleh: Komisi Pembimbing
NIP : 1972111552000121001 NIP : 198610152009121004
Tua Raja Simbolon, S.Si.,M.Si. Slamet Priyono S.Si, M.T
Diketahui Oleh:
Departemen Fisika FMIPA USU Pusat Penelitian Fisika-LIPI
Ketua, Kepala,
NIP : 195510301980031003 NIP : 196204301988031001 Dr. Marhaposan Situmorang Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng.
PERSETUJUAN
Judul : Fabrikasi Lithium Titanate Terdoping Al (Li4Ti4,975Al0,025O12) dan Studi Pengaruh
Ketebalan Lembaran Elektroda pada Sel Setengah Baterai Ion Lithium
Kategori : Skripsi
Nama : Giassanistya Fadillah Marpaung Nomor Induk Mahasiswa : 120801016
Program studi : Sarjana (S1) Fisika Departemen : Fisika
Fakultas : Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam
Disetujui di: Medan, Juli 2016
Disetujui Oleh
Pembimbing 1, Pembimbing 2,
NIP : 1972111552000121001 NIP : 198610152009121004
Tua Raja Simbolon, S.Si.,M.Si. Slamet Priyono S.Si, M.T
Departemen Fisika FMIPA USU Ketua,
NIP : 195510301980031003 Dr. Marhaposan Situmorang
PERNYATAAN
FABRIKASI LITHIUM TITANATE TERDOPING Al (Li4Ti4,975Al0,025O12)
DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN LEMBARAN ELEKTRODA
PADA SEL SETENGAH BATERAI ION LITHIUM
SKRIPSI
Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing- masing disebutkan sumbernya.
Medan, Juli 2016
GIASSANISTYA FADILLAH MARPAUNG
PENGHARGAAN
Alhamdulillah, puji syukur kepada Allah SWT, Tuhan semesta alam yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan baik. Salawat beriring salam teruntuk nabi besar Muhammad SAW yang menjadi teladan dalam menjalani kehidupan. Tugas akhir merupakan salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar sarjana pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Medan. Untuk memenuhi persyaratan diatas penulis mengerjakan tugas akhir dengan judul : “FABRIKASI
LITHIUM TITANATE TERDOPING Al (Li4Ti4,975Al0,025O12) DAN STUDI
PENGARUH KETEBALAN LEMBARAN ELEKTRODA PADA SEL SETENGAH BATERAI ION LITHIUM” yang dilaksanakan di Laboratorium
Baterai P2F Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Serpong, Tangerang Selatan, Banten.
Penulis menyadari bahwa selama proses hingga akhir terselesaikannya penyusunan skripsi ini bayak sekali bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Dengan segala kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Dr. Kerista Sebayang, Ms selaku Dekan Fakultas Matematika dan ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Medan.
2. Bapak Dr. Marhaposan Situmorang selaku ketua Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara, Bapak Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc selaku sekretaris Departemen Fisika FMIPA USU, beserta seluruh bapak/ibu staf pengajar dan para pegawai administrasi di Departemen Fisika yang telah memberikan fasilitas kepada penulis selama perkuliahan.
3. Bapak Tua Raja Simbolon,S.Si.,M.Si selaku komisi pembimbing di Universitas Sumatera Utara dan Bapak Slamet Priyono,S.Si.,M.T selaku komisi pembimbing di Pusat Penelitian Fisika LIPI yang telah bersedia meluangkan waktu untuk membimbing dan memberi arahan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi.
4. Bapak Drs. Syahrul Humaidi,M.Sc, Ibu Dra. Sudiati,M.Si dan Bapak Drs. Aditia Warman,M.Si selaku dosen penguji yang telah memberikan banyak saran sehingga skripsi ini menjadi lebih baik.
5. Bapak Dr. Bambang Widyatmoko, M.Eng, selaku Kepala Laboratorium Pusat Penelitian Fisika P2F-LIPI Serpong serta seluruh staf pegawai yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi.
6. Kedua orang tua tercinta: bapak saya Sahala Marpaung dan Ibu saya Wiyah Yanti Mala, yang tak pernah berhenti mendoakan, memberi nasihat, serta memberi dukungan moral dan finansial kepada penulis. Dan kepada adik semata wayang saya Suci Tasya Hasian Marpaung, terima kasih selalu menjadi pelangi dalam kehidupan ini.
7. Bapak Dr. Ir. Bambang Prihandoko, M.T selaku Ketua Tim Baterai di LP2F-LIPI. Bapak Nurhalis Majid, M.Sc, Bapak Achmad Subhan, M.T, Bapak Ibrahim Purwadi, M.Si dan seluruh staf Tim Baterai yang sudah sangat bersedia membantu penelitian ini sehingga dapat diselesaikan dengan baik. 8. Teman-teman Tim Baterai di LP2F-LIPI: Kana Cicik, Elisabeth, Mia yang
bersedia meluangkan waktu untuk belajar bersama.
9. Asisten Laboratorium Fisika Dasar LIDA USU yang bersedia memberi masukan terbaik pada skripsi ini.
10. Teman-teman seperjuangan di kampus, terkhusus kepada Street Fighter: Eva, Devi, Andi, Fatimah, Balyan, Iqbal, Dina, Mona, Rahmat. Terima kasih untuk perjuangan bersama selama 4 tahun
11. Sahabat-sahabat terbaik dan terkasih, M. Zamzamy Afrijal, Vivi Feronica Syifa, Dessy Meylinda, Andi Hardiansyah, dan Sri Musfika yang tak pernah bosan mendengarkan keluh kesah selama ini. Dan kepada adik-adik: Nur Rahma, Aida Nisya, Ashar Bestari, Ahmad Husein yang tak henti memberi semangat dalam pengerjaan skripsi.
12. Seluruh teman – teman angkatan 2012, Adik - adik angkatan 2013, 2014 dan 2015 Fisika – USU yang tak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Medan, Juli 2016
FABRIKASI LITHIUM TITANATE TERDOPING Al (Li4Ti4,975Al0,025O12) DAN
STUDI PENGARUH KETEBALAN LEMBARAN ELEKTRODA PADA SEL SETENGAH BATERAI ION LITHIUM
ABSTRAK
Sintesis serbuk dan pembuatan lembaran anoda Li4Ti5O12 doping Al (x=0,025)
telah berhasil dilakukan. Sintesis serbuk LTO doping Al dilakukan dengan metode solid state sedangkan pembuatan lembaran anoda dilakukan dengan metode coating doctor blade. Pembuatan lembaran dilakukan dengan memvariasi ketebalan coating 100µm, 200µm, 300µm dan 400µm. untuk mengetahui pengaruh ketebalan coating terhadap performa sel baterai. Pengujian yang dilakukan meliputi analisa fasa dengan menggunakan EIS, CV dan CD. Hasil analisa XRD menunjukkan ada dua fasa yang tebentuk, yaitu fasa Lithium Titanium Oxide (Li1.333Ti1.667O4) sebanyak 75,6 % dan fasa Rutile, syn (TiO2)
sebanyak 24,4%. Hasil EIS menunjukkan bahwa semakin tebal lapisan coating maka konduktifitas sampel semakin besar. Selanjutnya hasil CV menunjukkan bahwa sampel 100µm, 200µm dan 300µm memiliki puncak oksidasi/reduksi yang tajam sedangkan sampel 400µm memiliki puncak yang melebar. Sedangkan kapasitas sel baterai semakin menurun seiring dengan meningkatnya ketebalan coating, kapasitas sel terbaik yang diperoleh adalah kapasitas Charge sebesar 137,08 mAh/g dan kapasitas discharge sebesar 134,3 mAh/g.
Al DOPED LITHIUM TITANATE FABRICATION (Li4Ti4,975Al0,025O12) AND
STUDY EFFECT OF COATING THICKNESS ELECTRODE SHEET ON THE HALF CELL LITHIUM ION BATTERY
ABSTACT
The effect of coating thickness of Al doped Li4Ti5O12 (LTO) sheet on the
electrochemical performance of battery cells have been investigated. 0.025 mol Al doped LTO powder was synthesized by solid state reaction method, while the manufacture of the anode sheet was made by Doctor Blade coating method. Manufacture of sheet was done by varying the thickness of the coating (100um, 200um, 300um and 400um) to determine the effect of coating thickness on the electrochemical performance of the battery cell. Testing was conducted on the analysis of phase with XRD and electrochemical performance was conducted by using EIS, CV and CD. XRD analysis showed that there are two phases that were formed i.e Lithium Titanium Oxide phase (Li1.333Ti1.667O4) and rutile phase, syn
(TiO2) as much as 75.6% and 24.4% respectively. EIS results showed that the
thicker the coating layer, the conductivity of the sample become greater. Furthermore, the results indicate that the sample CV 100 um, 200 um and 300um have a sharp oxidation/reduction peak while 400um has wide redox peaks. While the specific capacity and specific power of the half cell battery decreases with the increasing of coating thickness. The best cell capacity is obtained by sample with 100 um thickness with specific charge capacity of 137.08 mAh/g and specific discharge capacity of 134.3 mAh / g.
DAFTAR ISI
Halaman Persetujuan i Pernyataan ii Penghargaan iii Abstrak v Abstract viDaftar Isi vii
Daftar Tabel ix Daftar Gambar x Daftar Lampiran xi BAB I PENDAHULUAN 1 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Rumusan Masalah 3 1.3 Batasan Masalah 4 1.4 Tujuan Penelitian 4 1.5 Manfaat Penelitian 4 1.6 Sistematika Penulisan 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 6
2.1 Baterai 6
2.1.1 Cara Kerja Baterai 8
2.2 Baterai Ion Lithium 9
2.3 Bagan-Bagian Baterai 11
2.3.1 Elektroda Positif (Katoda) 11
2.3.2 Elektroda Negatif (Anoda) 11
2.3.3 Elektrolit 12
2.3.4 Anoda Konvensional (Graphite) 12
2.5 Li4Ti5O12 (LTO) Doping Al 14
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 16
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian 16
3.2 Bahan dan Peralatan Penelitian 16
3.2.1 Bahan 16
3.2.2 Peralatan Penelitian 16
3.3 Perhitungan Massa Bahan 18
3.4 Tahapan Penelitian 18
3.4.1 Sintesis LTO Doping Al 18
3.4.2 Pembuatan Lembaran LTO Doping Al 19
3.5 Prosedur Penelitian 20
3.5.1 Sintesis LTO Doping Al 20
3.5.2 Pembuatan Lembaran LTO Doping Al 20 3.5.2.1 Tahapan Pembuatan Slurry 20 3.5.2.2 Tahapan Pelapisan (Pencetakan Lembaran) 21
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 22
4.1 Lembaran Anoda LTO Doping Al Variasi Ketebalan 22 4.2 Analisa Fasa dan Struktur dengan XRD (X-Ray Difraction) 23 4.3 Analisa Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) 24 4.3.1 Uji Konduktifitas Listrik Lembaran Anoda 24 4.3.2 Hasil Pengukuran Konduktifitas Sele Setengah Baterai 25
4.4 Analisa Cyclic Voltametry (CV) 27
4.5 Analisa Charge-Discharge (CD) 29
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 33
5.1 Kesimpulan 33
5.2 Saran 34
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Karakteristik Perbandingan Kinerja Baterai Sekunder 10
Tabel 3.1 Massa bahan baku LTO doping Al 18
Tabel 4.1 Hasil Analisis Struktur Kristal (Parameter Kisi) 24
Li4Ti0,025O12 dengan Metode Rietveld
Tabel 4.2 Hasil Analisa EIS pada LTO Doping Al 27 Tabel 4.3 Data Hasil Analisa CV pada LTO Doping Al 29 Tabel 4.4 Data Hasil Analisa Charge-Discharge pada 30
LTO Doping Al Variasi Ketebalan
Tabel 4.5 Hasil perhitungan tegangan polarisasi sel baterai 31 dengan Anoda LTO doping Al variasi ketebalan
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1.1 Pengaruh Ketebalan Lapisan Terhadap Laju Elektron 3 Gambar 2.1 Representasi Skematis dari Aplikasi Baterai Isi Ulang 6 Gambar 2.2 Skematik dari Prinsip Umum Baterai 9 Gambar 2.3 Prinsip Kerja Umum Pengisian/Proses Pemakaian 11
Baterai Ion Lithium yang Dapat Diisi Ulang
Gambar 2.4 Skematik Material Elektroda pada Baterai Ion Li, 13 Menggunakan Lithium Metal Oxide dan Anoda Grafit Gambar 3.1 Kurva Tahapan Peningkatan Suhu pada Proses Sintering 20 Gambar 4.1 Hasil Lembaran Anoda LTO Doping Al dengan Variasi 22
Ketebalan Lapisan pada Sampel G-1, G-2, G-3, dan G-4
Gambar 4.2 Analisis Kualitatif XRD serbuk LTO Doping Al 24 Gambar 4.3 Hasil Pengukuran Konduktifitas Listrik Lemabran LTO 25
Doping Al Variasi Ketebalan
Gambar 4.4 Plot Impedansi Hasil Uji EIS pada Sampel G-1, G-2, G-3, 26 dan G-4
Gambar 4.5 Voltamogram Siklik LTO Doping Al pada sampel 28 G-1, G-2, G-3, dan G-4
Gambar 4.6 Kurva Analisa Charge-Discharge pada Sampel G-1, G-2, 29 G-3, dan G-4
Gambar 4.7 Hasil Pengukuran Energy Density pada Lembaran 31 Anoda LTO Doping Al Variasi Ketebalan
Gambar 4.8 Hasil Pengukuran Energy Density pada Lembaran 32 Anoda LTO Doping Al Variasi Ketebalan
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A Perhitungan Stoikiometri
1. Perhitungan massa bahan LTO doping Al 2. Perbandingan komposisi LTO : PVDF : AB Lampiran B 1. Perhitungan Luas Lembaran LTO doping Al
2. Menghitung Nilai Konduktivitas Sel 3. Menghitung Energy Density
4. Menghitung Power Density 5. Menghitung Efesiensi Baterai Lampiran C 1. Gambar Pelaratan
2. Gambar Bahan
Lampiran D 1. Hasil Uji XRD Serbuk LTO Doping Al x=0,025 2. Hasil Uji EIS LTO Doping Al
