SINTESIS MATERIAL AKTIF KATODA LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 DENGAN VARIASI PELAPISAN CARBON DARI TAPIOKA SKRIPSI SRI RAKHMAWATI

(1)

SINTESIS MATERIAL AKTIF KATODA LiFe

0.9

Ni

0.1

PO

4

DENGAN

VARIASI PELAPISAN CARBON DARI TAPIOKA

SKRIPSI

SRI RAKHMAWATI

110801016

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2015

(2)

SINTESIS MATERIAL AKTIF KATODA LiFe

0.9

Ni

0.1

PO

4

DENGAN VARIASI PELAPISAN CARBON DARI TAPIOKA

SKRIPSI

Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains

SRI RAKHMAWATI 110801016

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2015

(3)

PERNYATAAN

SINTESIS MATERIAL AKTIF KATODA LiFe0.9Ni0.1PO4 DENGAN VARIASI PELAPISAN CARBON DARI TAPIOKA

SKRIPSI

Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.

Medan, Juni 2015

Sri Rakhmawati 110801016

(4)

PENGHARGAAN

Alhamdulillah, puji syukur hanyalah bagi Allah SWT, karena atas limpahan rahmat, taufik dan hidayah-Nya penulis mampu menyelesaikan skripsi ini guna memperoleh gelar Sarjana Sains pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara yang berjudul “Sintesis Material Aktif Katoda LiFe0.9Ni0.1PO4

1. Dr. Marhaposan Situmorang selaku Ketua Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara, Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc. selaku Sekertaris Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara, dan seluruh staf pengajar beserta pegawai administrasi di Departemen Fisika yang telah memberikan fasilitas kepada penulis selama perkuliahan.

dengan Variasi Pelapisan Carbon dari Tapioka”. Salawat beriring salam teruntuk Nabi besar Muhammad SAW yang menjadi teladan dalam menjalani kehidupan. Penulisan skripsi ini dapat diselesaikan berkat bantuan tenaga, pikiran, sarana, dan dana dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati, penulis mengucapkan terimakasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada:

2. Drs. Aditia Warman, M.Si. selaku dosen pembimbing I, Dr. Ir. Bambang Prihandoko, M.T. selaku dosen pembimbing II, Dr. Anwar Dharma S., MS, Awan Maghfirah, S.Si. M.Si, dan Dr. Kerista Sebayang, MS selaku dosen penguji yang telah memberikan kritik, saran, dan arahan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

3. Kedua orangtua Bapak Maksum dan Ibu Murni, Bang Ipul, Bang Raja dan Adek Siti serta seluruh keluarga yang selalu memberikan dukungan moral, materi dan spiritual kepada penulis.

4. Para peneliti di GrupBaterai Lithium LIPI Pak Slamet, Pak Ibrahim, Pak Joko, Pak Madjid, Pak Fadli dan KakRheiza yang telah memberikan banyak bantuan kepada penulis.

(5)

5. Teman-teman seperjuangan Leni Daulay, Wiriya Sasmita, Elmariska Khairani, Khairani Nasution, Suci Purnama Sari, Meilia Krisanti, Yuni Aulia Umi, Kartika Sari, Shelly Maharani, Tri Mala Sari dan seluruh Fisika angkatan 2011 yang selalu memberikan support dan dukungan kepada penulis.

6. Asisten Lab. Fisika Inti Andrian Anshari, Sri Handika Pratiwi, Tri Mala Sari, dan Prahmadyana yang telah memberikan banyak masukan kepada penulis.

7. Adek kost 25 Jl. Pembangunan USU Khalizah, Nurul Hidayah, Wenny Flora Juliani, Leli Yani, Tiya Maulindrianti yang telah menyemangati penulis dalam menyelesaikan skripsi.

Penulis berharap tulisan ini dapat member manfaat kepada pengembangan ilmu pengetahuan khususnya Baterai Lithium.

Medan, Juli 2015 Penulis

(6)

SINTESIS MATERIAL AKTIF KATODA LiFe

0.9

Ni

0.1

PO

4

DENGAN VARIASI PELAPISAN CARBON DARI TAPIOKA

ABSTRAK

Sintesis material aktif katoda LiFe0.9Ni0.1PO4/C dengan metode metalurgi serbuk dan pirolisis telah dilakukan. Bahan dasar yang digunakan adalah serbuk LiOH.H2O sebagai sumber ion Li, Fe2O3 sebagai sumber Fe, Ni sebagai sumber Ni, tapioka sebagai sumber karbon dan larutan H3PO4 sebagai sumber PO4. Pada penelitian ini digunakan variasi komposisi tapioka dengan material aktif yaitu 1:4, 1:5, dan 1:6. Karakterisasi dilakukan dengan menggunakan pengujian X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), dan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). Hasil analisa menunjukkan masing-masing komposisi memiliki konduktifitas sebesar 0,01x10-3 S/cm untuk komposisi 1:4, 4,44x10-3 S/cm untuk komposisi 1:5 dan 1,51x10-3 S/cm untuk komposisi 1:6. Komposisi optimum berada pada komposisi 1:5. Karena dengan karbon yang cukup komposisi tersebut memiliki bidang kristal yang teratur dan juga memiliki banyak pori-pori sehingga ion lithium akan dengan mudah berdifusi dan menghasilkan konduktifitas yang cukup tinggi.

Kata kunci : katoda LiFe0.9Ni0.1PO4

(7)

SYNTHESIS ACTIVE MATERIAL CATHODE LiFe

0.9

Ni

0.1

PO

4

THE VARIATION CARBON COATING OF TAPIOCA

ABSTRACT

Synthesis active material cathode LiFe0.9Ni0.1PO4/C with solid state methode and pyrolysis has been done. The base materials used is powder LiOH.H2O as Li-ion source, Fe2O3 as Fe source, Ni as Ni source, H3PO4 solution as PO4 source and tapioca powder as carbon source. In this observation used variation of tapioca composition with active materials 1:4, 1:5, and 1:6. Characterization using X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), dan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). This analysis result indicate each composition has a conductivity of 0,01x10-3 S/cm for composition 1:4, 4,44x10-3 S/cm for composition 1:5 and 1,51x10-3 S/cm for composition 1:6. The optimum composition is the composition of 1:5. Because with enough carbon composition has a regular crystal area, and also has many pores so that the lithium ions would easily diffuse and result high conductivity.

(8)

DAFTAR ISI Halaman Pengesahan i Pernyataan ii Penghargaan iii Abstrak v Abstract vi

Daftar Isi vii

Daftar Tabel ix

Daftar Gambar x

Daftar Grafik xi

Daftar Lampiran xii

BAB 1. Pendahuluan 1 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Rumusan Masalah 2 1.3 Batasan Masalah 3 1.4 Tujuan Penelitian 3 1.5 Manfaat Penelitian 3 1.6 Sistematika Penulisan 4

BAB 2. Tinjauan Pustaka 5

2.1 Baterai 5

2.2 Jenis-Jenis Baterai 5

2.3 Baterai Ion Lithium 6

2.4 Material Katoda 7

2.5 Lithium Ferro Phosphate (LiFePO4 2.6 Lithium Nickel Phosphate (LiNiPO

) 8

4

2.7 Pelapisan Carbon dengan Tapioka 9

) 9 2.8 Metode Pembuatan 10 2.8.1 Metalurgi Serbuk 10 2.8.2 Metode Pirolisis 10 2.9 Karakterisasi Sampel 11 2.9.1 X-Ray Diffraction(XRD) 11

2.9.2 Scanning Electron Microscopy (SEM) 11 2.9.3 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) 13

BAB 3. Metodologi Penelitian 15

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian 15

3.2 Peralatan dan Bahan 15

(9)

3.2.2 Bahan dan Fungsi 16

3.3 Diagram Alir Penelitian 17

3.3.1 Sintesis Serbuk LiFe0.9Ni0.1PO4

3.3.2 Pelapisan Carbon dengan Tapioka 18

17

3.4 Prosedur Penelitian 19

3.4.1 Sintesis Serbuk LiFe0.9Ni0.1PO4

3.4.2 Pelapisan Carbon dengan Tapioka 20

19

BAB 4. Hasil dan Pembahasan 22

4.1 Analisa Fasa dan Struktur dengan XRD 22 4.1.1 Sampel LiFe0.9Ni0.1PO4/C 4.1.2 Sampel LiFe (1:4) 22 0.9Ni0.1PO4/C 4.1.3 Sampel LiFe (1:5) 23 0.9Ni0.1PO4/C

4.2 Analisa Morfologi dengan SEM 26

(1:6) 24 4.2.1 Sampel LiFe0.9Ni0.1PO4/C 4.2.2 Sampel LiFe (1:4) 27 0.9Ni0.1PO4/C 4.2.3 Sampel LiFe (1:5) 28 0.9Ni0.1PO4/C

4.3 Analisa Konduktivitas dengan EIS 32

(1:6) 30 4.3.1 Sampel LiFe0.9Ni0.1PO4/C 4.3.2 Sampel LiFe (1:4) 32 0.9Ni0.1PO4/C 4.3.3 Sampel LiFe (1:5) 33 0.9Ni0.1PO4/C(1:6) 34

BAB 5. Kesimpulan dan Saran 38

5.1 Kesimpulan 38

5.2 Saran 38

(10)

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman Tabel

Tabel 3.1 Komposisi Bahan Baku 19

Tabel 3.2 Perbandingan Komposisi Bahan 21

Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Konduktivitas Sampel 1 33 Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Konduktivitas Sampel 2 34 Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Konduktivitas Sampel 3 35 Tabel 4.4 Nilai Konduktivitas dan Perbandingan Komposisi Tiap Sampel 36

(11)

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman Gambar

Gambar 2.1 Proses Interkalasi pada Baterai Ion Lithium saat Charge dan 6

Discharge

Gambar 2.2 Tiga Model Host dari Bahan Katoda dan Anoda 7 Gambar 2.3 Struktur Host Olivin dari Material Katoda LiFePO4

Gambar 2.4 Sinyal-Sinyal dalam SEM 12

8 Gambar 3.1 Diagram Alir Sintesis Serbuk LiFe0.9Ni0.1PO4

Gambar 3.2 Diagram Alir Pelapisan Carbon dengan Tapioka 18

17

Gambar 4.1 Struktur Mikro dari Permukaan Serbuk LiFe0.9Ni0.1PO4 Gambar 4.2 Hasil Mapping LiFe

/C (1:4) 27 0.9Ni0.1PO4

Gambar 4.3 Hasil SEM Serbuk LiFe

/C (1:4) 27

0.9Ni0.1PO4

5000X

/C (1:4) dengan Perbesaran 28 Gambar 4.4 Struktur Mikro dari Permukaan Serbuk LiFe0.9Ni0.1PO4

Gambar 4.5 Hasil Mapping LiFe

/C (1:5) 29 0.9Ni0.1PO4

/C (1:5) 29

0.9Ni0.1PO4

5000X

/C (1:5) dengan Perbesaran 30 Gambar 4.7 Struktur Mikro dari Permukaan Serbuk LiFe0.9Ni0.1PO4

Gambar 4.8 Hasil Mapping LiFe

/C (1:6) 31 0.9Ni0.1PO4

/C (1:6) 31

0.9Ni0.1PO4

5000X

(12)

DAFTAR GRAFIK

Nomor Judul Halaman Grafik

Grafik 2.1 Hasil Pengukuran Impedansi Komponen Sel 13 Grafik 4.1 Hasil XRD Sampel LiFe0.9Ni0.1PO4

Grafik 4.2 Hasil XRD Sampel LiFe

/C (1:4) 22

0.9Ni0.1PO4 Grafik 4.3 Hasil XRD Sampel LiFe

/C (1:5) 23

0.9Ni0.1PO4 Grafik 4.4 Hasil XRD a. LiFePO

/C (1:6) 24

4

Grafik 4.5 Hasil XRD yang Telah Diplot Pada Puncak Tertinggi 26

, b. 1:4, c. 1:5, d. 1:6 25

Grafik 4.6 Hasil Uji Konduktivitas Sampel LiFe0.9Ni0.1PO4 Grafik 4.7 Hasil Uji Konduktivitas Sampel LiFe

/C (1:4) 33

0.9Ni0.1PO4 Grafik 4.8 Hasil Uji Konduktivitas Sampel LiFe

/C (1:5) 34

0.9Ni0.1PO4

Grafik 4.9 Konduktivitas vs Perbandingan Komposisi 36

(13)

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Lampiran Judul Halaman

LAMPIRAN A Bahan-bahan Penelitian 41 LAMPIRAN B Alat-alat Proses Penelitian 42 LAMPIRAN C Alat-alat Karakterisasi Penelitian 44

LAMPIRAN D Proses Pembuatan Sampel 45

LAMPIRAN E Perhitungan Stoikiometri LiFe0.9Ni0.1PO4

LAMPIRAN F Perhitungan Konduktivitas Tiap Sampel 52 50