BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Baterai
Baterai adalah alat yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia yaitu proses terjadinya reaksi oksidasi dan reduksi. Listrik yang dihasilkan oleh sebuah baterai muncul karena adanya perbedaan potensial listrik kedua elektrodanya. Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta merupakan orang yang pertama kali menciptakan baterai pada awal abad ke-19 yang dikenal dengan Sel Volta.
Sel elektrokimia adalah suatu sel yang disusun untuk mengubah energi kimia menjadi energi listrik atau sebaliknya. Sel elektrokimia terbagi menjadi dua yaitu sel elektrolisis dan sel volta. Sel elektrolisis adalah sel yang mengubah energi listrik menjadi energi kimia. Reaksi reduksi dan oksidasi pada sel elektrolisis adalah non-spontan. Anoda pada sel elektrolisis bermuatan positif karena anoda menarik anion dari larutan, sedangkan katoda bermuatan negatif. Sel volta adalah sel yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Reaksi reduksi dan oksidasi pada sel volta adalah spontan. Anoda pada sel volta bermuatan negatif, karena oksidasi spontan pada anoda adalah sumber elektron sel yang bermuatan negatif.
2.1.1 Komponen Utama Baterai
Komponen utama pada baterai yaitu terdiri atas :
1. Elektroda negatif (anoda) yaitu elektroda yang melepaskan elektron ke rangkaian luar serta mengalami proses oksidasi pada proses elektrokimia berlangsung.
2. Elektroda positif (katoda) yaitu elektroda yang menerima elektron dari rangkaian luar serta mengalami proses reduksi pada proses elektrokimia berlangsung.
3. Elektrolit adalah zat yang jika dilarutkan dalam air menghasilkan larutan yang dapat menghantarkan arus listrik (Chang, 1998). Elektrolit berfungsi sebagai
penghantar ion litium dari anoda ke katoda dan begitu pula sebaliknya. Pergerakan elektron dalam elektrolit dan diantara elektroda akan menghasilkan arus listrik.
4. Separator adalah suatu material berpori yang terletak di antara anoda dan katoda berfungsi untuk menjegah agar tidak terjadi hubungan singkat dan kontak antara Katoda dan Anoda. Beberapa hal yang penting untuk memilih material agar diplih sebagai separator antara lain material tersebut bersifat Insulator, memiliki hambatan listrik yang kecil, kestabilan mekanik (tidak mudah rusak), memiliki sifat hambatan kimiawi untuk tidak mudah terdegradasi dengan elektrolit serta memiliki ketebalan lapisan yang seragam atau sama di seluruh permukaan (Zhao, 2011).
2.1.2 Jenis-Jenis Baterai 1. Baterai primer
Baterai primer adalah baterai yang tidak dapat diisi ulang. Setelah kapasitas baterai habis (fully discharged), baterai tidak dapat dipakai kembali. Beberapa contoh baterai jenis ini adalah baterai Seng-Karbon (baterai kering), baterai Alkalin dan baterai Merkuri.
2. Baterai sekunder
Baterai sekunder adalah baterai yang dapat diisi ulang. Kemampuan diisi ulang baterai sekunder bervariasi antara 100-500 kali (satu siklus adalah satu kali pengisian dan pengosongan). Beberapa contoh baterai sekunder adalah baterai Ni-Cd, baterai Ni-MH dan baterai ion lithium) (Lawrence, 1992).
2.2 Baterai Ion Lithium
Baterai ion lithium adalah salah satu dari tipe baterai rechargeable (dapat diisi ulang). Baterai ini memiliki kelebihan dibandingkan baterai sekunder jenis lain, yaitu memiliki stabilitas penyimpanan energi yang sangat baik (daya tahan sampai 10 tahun atau lebih), energi densitasnya tinggi, tidak ada memori efek dan berat yang relatif lebih ringan dibandingkan dengan baterai jenis lain. Sehingga dengan berat yang sama energi yang dihasilkan baterai lithium dua kali lipat dari baterai
jenis lain (Lawrence, 1992). Perbandingan antara baterai ion lithium dengan baterai sekunder lainnya pada Tabel 2.1 dibawah ini.
Tabel 2.1. Perbandingan Baterai Ion Lithium dengan Baterai Sekunder Lainnya
Katoda Ion
Lithium
Pb – Acid Ni - Cd Ni – MH
Waktu hidup (cycle) 500-1000 200-500 500 500
Tegangan kerja (V) 3,6 1,0 1,2 1,2
Energi Spesifik (Wh/g) 100 30 60 70
Energi Spesifik (Wh/L) 240 100 155 190
Sumber : Wu et al (2011)
Sebuah baterai ion lithium pada sel elektrokimia memiliki perbedaan beda potensial antara dua elektroda. Elektroda yang di reduksi (katoda), sedangkan elektroda yang di oksidasi (anoda). Elektron bergerak melalui sirkuit eksternal dari anoda ke katoda. Dalam kondisi charge dan discharge baterai ion lithium bekerja menurut fenomena interkalasi, yaitu proses pelepasan ion lithium dari tempatnya di struktur kristal suatu bahan elektroda dan penyisipan ion lithium pada tempat di struktur kristal bahan elektroda yang lain (Prihandoko, 2011).
Proses interkalasi pada baterai ion lithium saat charge dan discharge dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Proses interkalasi pada baterai ion lithium saat charge dan discharge (Wakihara, 2001)
Selama proses charge baterai, terjadi pergerakan Ion lithium dari elekroda positif (katoda) melalui elektrolit dan separator menuju ke elektroda negatif (anoda). Sedangkan pada proses discharge, ion lithium pada elektroda negatif (anoda) bergerak menuju elekroda positif (katoda) melalui elektrolit dan separator, sehingga menghasilkan densitas enegi pada baterai. Ini merupakan reaksi reduksi-oksidasi (redoks) antara dua elektroda, dimana proses charging untuk baterai ion lithium dengan Li-xCoO2 sebagai material elektroda positif dan grafit sebagai
bahan elektroda negatif diilustrasikan pada Gambar 2.1.
Reaksi yang terjadi pada sistem baterai lithium merupakan reaksi reduksi dan oksidasi yang terjadi pada katoda dan anoda baterai. Reaksi Reduksi adalah reaksi penambahan elektron oleh suatu molekul atau atom sedangkan reaksi oksidasi adalah reaksi pelepasan elektron pada suatu molekul atau atom. Pada percobaan ini material yang dipakai pada adalah LiC6 dan material
katoda yang digunakan LiCoO2. Maka reaksi yang terjadi :
Pada anode : LixC6 xLi+ + xe- + C6 (2.1)
Pada katode : Li(1-x)CoO2 + xLi+ + xe- LiCoO2
Reaksi total : LixC6 + Li(1-x)CoO2 LixC6 + LiCoO2
Suatu material elektrokimia dapat berfungsi dengan baik sebagai elektroda anoda maupun katoda bergantung pada pemilihan material yang akan menentukan karakteristik perbedaan nilai tegangan kerja dari kedua material yang dipilih. Untuk memperoleh perbedaan potensial yang besar maka material katoda harus memiliki tegangan kerja yang besar dan material anoda harus memiliki tegangan kerja yang kecil.
2.3 Material Anoda
Bahan anoda yang sering digunakan sebagai komponen sel baterai lithium
rechargeable adalah garfit/karbon dan logam lithium. Kedua material tersebut
memenuhi syarat sebagai suatu material untuk proses interkalasi.
Ada tiga syarat utama yang harus dimiliki material anoda pada baterai ion lithium yaitu sebagai berikut :
1. Potensial penyisipan dan pelepasan ion lithium pada anoda harus sekecil mungkin.
2. Banyaknya ion lithium yang dapat dimuat oleh material anoda harus besar untuk mencapai kapasitas spesifik yang besar.
3. Host pada anoda harus menahan penyisipan dan pelepasan ion lithium yang berulang-ulang tanpa kerusakan strukturnya untuk memperoleh siklus hidup yang panjang (Yao, 2003).
Penggunaan karbon sebagai bahan anoda pada baterai ion lithium pertama kali dikomersialisasikan oleh Sony Corporation pada tahun 1991 pada peluncuran baterai ion lithium rechargeable (LiCoO2). Lapisan karbon, khususnya grafit
digunakan sebagai bahan anoda karena memiliki konduktivitas elektron yang tinggi (103-104 S/cm), biayanya rendah, kapasitasnya yang baik, siklus hidupnya yang panjang (Courtel et al, 2011).
Dalam teknologi baterai ion lithium, tegangan sel dan kapasitasnya sangat ditentukan oleh bahan anoda yang juga merupakan faktor pembatas dalam laju migrasi lithium. Untuk setiap berat material anoda, jumlah ion lithium yang dilepaskan material anoda saat charge dan jumlah ion lithium yang kembali dalam waktu tertentu ke material anoda saat discharge menggambarkan densitas energi dan densitas power sel baterai. Semakin banyak ion lithium dipindahkan dari anoda ke katoda maka semakin besar pula densitas energi sel baterai. Semakin banyak ion lithium yang kembali ke anoda ke katoda setiap detiknya, maka semakin besar densitas powernya.
Performa/rate capability elektrokimia sel baterai pada baterai ion lithium sangat tergantung pada tegangan kerja, konduktivitas, tegangan oksidasi/reduksi, arus oksidasi/reduksi, kapasitas charge-discharge dan hambatan charge transfer. Mekanisme charge transfer ini berkaitan erat dengan proses difusi dan konduktivitas elektronik dan ionik dari komponen pembentuk sel baterai.
2.4 Elektrolit
Elektrolit merupakan material yang bersifat penghantar ionik. Fungsi elektrolit untuk mentransfer ion lithium antara katoda dan anoda. Ada beberapa macam jenis elektrolit seperti cair (air, asam, alkali atau pelarut dengan garam terlarut),
padat, polimer dan komposit elektrolit. elektrolit LiFP6 dilarutkan dalam karbonat
organik , memberikan kinerja yang baik dan stabilitas dari rendah suhu pada suhu tinggi (20oC - 60 oC). Elektrolit memiliki konduktiivitas yang tinggi (10-8 S/cm) dengan temperatur ruangan, non-reaktivitas dengan material elektroda, stabilitas dalam bagaian suhu, keselamatan yang baik dan biaya murah. Secara fisik, elektroda elektronik terisolasi mencegah situasi internal yang sirkuit pendek namun dikelilingi oleh elektrolit. Dalam desain sel, pemisah yang permeabel untuk elektrolit digunakan untuk memberikan pemisah secara mekanis antara elektroda (Tarascon, 1994).
2.5 Separator
Separator adalah material berpori yang terletak di antara anoda dan katoda dan diaplikasikan sebagai penjamin faktor keamanan baterai. Karakteristik yang penting untuk dijadikan separator pada baterai yaitu bersifat insulator, memiliki hambatan listrik yang kecil, kestabilan mekanik (tidak mudah rusak), memiliki sifat hambatan kimiawi untuk tidak mudah terdegradasi dengan elektrolit serta memiliki ketebalan lapisan yang seragam atau sama diseluruh permukaan (Subhan, 2011)
Tabel 2.1 Jenis separator (pemisah) dalam berbagai jenis baterai ion lithium
Sistem Baterai Jenis Separator Komposisi
Ion Lithium (Elektrolit cair)
Mikroporous Polyolefin
(PE,PP,PP/PE/PP) Ion lithium gel polimer Mikroporous
Mikroporous
PVDF
Polyolefins (PE, PP, PP/ PE/PP) dilapisi oleh PVDF atau gel lainnya. Lithium polimer Elektrolit polimer Polyethylene dan garam
Lithium
(http://files.tested.com/upload/0/5/16904-lithium-ion-separator.gif, diakses tanggal 16 Maret 2016)
2.6 Bahan Baku Pembuatan Lembaran Anoda 2.6.1. LiOH.H2O
Lithium hidroksida monohydrate adalah senyawa anorganik dengan rumus kimia LiOH.H2O. Bahan ini berwarna putih berbentuk kristal dengan berat molekul
41,96 gr/mol, densitas 1,51 gr/cm3 dapat mengurai diatas suhu 942oC. Bahan LiOH.H2O dapat larut dalam air dan sedikit larut dalam etanol dan merupakan
basa paling lemah di antara logam alkali hidroksida.
2.6.2. TiO2 (Titanium Dioksida)
Titanium dioxide adalah fotokatalis dibawah sinar ultraviolet. Karakteristik dari TiO2 diantaranya serbuk berwarna putih, memiliki titik lebur 1850oC, densitas
4230 kg.m-3, tidak mudah terbakar, dan tidak mengandung racun. Bila dibandingkan dengan bahan lain seperti ZnO, Cds, SiC dan Fe2O3 yang
menunjukkan sifat yang sama, namun bahan TiO2 memberikan stabilitas kimia
yang lebih baik dan lebih rendah biaya produksi.
2.7 Komponen Tambahan Penyusun Anoda Baterai 2.7.1. Polyvinylidene Fluoride Difluorida (PVDF)
Polyvinylidene Fluoride Difluorida (PVDF) digunakan sebagai bahan pengikat
untuk menjaga integritas elektroda dan sebagai perantara filler dan zat aditif. PVDF memiliki karakteristik yaitu berwarna putih, tidak berbau, dan memiliki titik leleh sebesar 169oC.
2.7.2. Acetylene Black (AB)
Acetylene Black adalah karbon black yang dihasilkan dari dekomposisi terus menerus gas asetilena. Penggunaan acetylene black didalam baterai memiliki beberapa keunggulan yaitu dari absorpsi yang tinggi dan bersifat konduktif sehingga acetylene black digunakan untuk mempertahankan larutan elektrolit dalam banyak baterai kering dan meningkatkan konduktivitas listrik dari elektroda baterai.
2.7.3. Pelarut N,N DMAC (N,N Dimethyl-acetamide )
N-N Dimethylacetamide (DMAC) adalah pelarut industri yang kuat dan serbaguna yang memiliki kelarutan terhadap bahan organik dan anorganik yang tinggi, titik didih tinggi, titik beku yang rendah, dan stabilitas yang baik. Selain itu DMAC tidak reaktif dalam reaksi kimia. Pelarut DMAC larut dalam air, eter, ester, keton dan senyawa aromatik.
2.8 Lithium Titanate (Li4Ti5O12)
Senyawa Li4Ti5O12 merupakan keramik lithium-titanium oxide atau biasa dikenal
dengan lithium titanat. Li4Ti5O12 spinel adalah material anoda alternatif untuk
menggantikan karbon karena memiliki kemampuan untuk memberikan arus besar yang dapat diaplikasikan sebagai baterai pada mobil listrik. Secara umum senyawa ini mempunyai keunggulan antara lain kemampuan strukturnya yang tidak mengalami perubahan bentuk ataupun volume selama insersi ion Li+ (zero
strain material) atau tingkat kestabilannya tinggi, tingkat kemampuan yang tinggi,
tingkat keamanan yang tinggi, masa pemakaian yang tahan lama, laju
charge-discharge tinggi dan tegangan operasi yang stabil (1,55 V vs Li+/Li) yang tidak menyebabkan adanya dendrit ion lithium pada anoda selama proses interkalasi.
Disamping keunggulan-keunggulan Li4Ti5O12 tersebut, bahan ini memiliki
kelemahan yakni, kemampuan pengisian/pelepasan arus relatif rendah karena adanya polarisasi yang besar akibat konduktivitas listrik yang rendah dan difusi ion lithium yang lambat (Zhang, 2013). Karena konduktivitas yang rendah, sehingga memerlukan perubahan struktur bahan tersebut untuk pemakaian pada arus yang tinggi. Meskipun Li4Ti5O12 memiliki kapasitas spesifik teoritis 175
mAh/g, akibat dari kemampuan pengisian/pelepasan arus relatif rendah tersebut maka dihasilkan sel anoda di bawah kapasitas teoritisnya. Upaya yang dilakukan untuk meningkatkan konduktivitas Li4Ti5O12 diantaranya dengan cara
memperkecil ukuran partikel sehingga meningkatkan bidang kontak elektroda dan memperpendek jarak difusi ion lithium dan elektron sehingga meningkatkan kinetika litiasi (Zhang, 2011).
2.9 Karakterisasi Sel Baterai 2.9.1. X-ray Diffraction (XRD)
Difraksi sinar-X (XRD) adalah suatu metode analisis dalam struktur kristalografi. Dalam pengujian sampel, XRD digunakan untuk menentukan struktur atom pada kristal, an juga untuk menentukan banyak informasi lebih lanjut (Cullity, 1972), seperti pada puncak tertinggi (peak), fasa, struktur kristal dan kristalinitas. Bila sinar-X dengan panjang gelombang λ diarahkan pada permukaan kristal dengan sudut datang sebesar θ, maka sebagian besar sinar-X yang dihamburkan oleh bidang atom dalam kristal (Cullity, 1972). Hal ini dapat diketahui dari persamaan Bragg yaitu nilai sudut difraksi yang berbanding terbalik dengan nilai jarak d (jarak antar kisi) dalam kristal.
Berdasarkan pada persamaan Bragg :
nλ = 2d sin θ (2.3)
Dengan : d = jarak antar kristal θ = sudut difraksi
λ = panjang gelombang sinar-X
n = urutan sinar (dalam bilangan bulat)
Berdasarkan dari persamaan Bragg, apabila sinar-X dijatuhkan pada material yang bersifat kristal, maka pada bidang kristal akan membiaskan sinar-X yang memiliki panjang gelombang yang sama dengan jarak antar kisi pada kristal tersebut, sinar-X yang dibiaskan akan ditangkap oleh detector lalu diterjemahkan sebagai puncak difraksi, puncak yang dihasilkan ini merupakan nilai dari intensitas difraksi, semakin banyak bidang kristal semakin tinggi intensitas pembiasan yang dihasilkan, tiap puncak yang muncul tersebut mewakili satu bidang kristal (Cullity, 1972).
Didalam kisi kristal, tempat kedudukan sederetan ion atau atom disebut bidang kristal. Bidang kristal ini berfungsi sebagai cermin untuk merefleksikan sinar-X yang datang. Posisi dan arah dari bidang kristal ini disebut indeks miller. Setiap kristal memiliki bidang kristal dengan posisi dan arah yang khas, sehingga jika disinari dengan sinar-X pada analisis XRD akan memberikan difraktogram yang khas pula.
Dari data XRD yang di peroleh, dilakukan identifikasi puncak-puncak grafik XRD dengan cara mencocokkan puncak yang ada pada grafik tersebut dengan database ICDD (International Centre for Diffraction Data). Setelah itu, dilakukan refinement pada data XRD dengan menggunakan metode Analisis Rietveld yang terdapat pada program RIETAN. Melalui refinement tersebut, fase beserta struktur, space group,dan parameter kisi yang ada pada sampel yang diketahui.
2.9.2. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)
Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) adalah metode eksperimen yang
digunakan untuk mengukur konduktivitas elektronik lembar anoda Li4Ti5O12.
Pengujian dilakukan dengan menggunakan alat LCR-mter merek HIOKI 3532-50. Data yang dihasilkan pada pengujian EIS yaitu grafik Cole-cole plot dimana sumbu x adalah impedansi real (Zreel), sedangkan sumbu y adalah impedansi
imajiner (Zimg) dari lembaran anoda. Dari kedua impedansi tersebut maka akan
dapat dihitung nilai resistansi dari bahan (Rbahan) dan nilai resistansi dari ion
(Rion). Perhitungan konduktivitas dapat dilakukan dari kedua resistansi tersebut.
Dimana nilai resistansi dari bahan (Rbahan) dapat nampak pada titik terendah dan
resistansi dari ion (Rion) merupakan selisih dari nilai tertinggi dan nilai terendah
dari setengah lingkaran (semicircle) yang dibentuk (Triwibowo, 2011).
2.9.3. Cyclic Voltammetry (CV)
Voltametri siklik digunakan untuk mempelajari reaksi elektrokimia seperti reaksi redoks. Prinsip dari Voltametri siklik adalah 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 dihasilkan pada besarnya arus yang timbul. Voltametri siklik diperoleh dengan mengukur arus pada elektroda kerja selama scan potensial. Arus dapat dianggap sebagai respon sinyal terhadap potensial eksitasi. Voltamogram yang dihasilkan merupakan kurva antara arus (sumbu Y) versus potensial (sumbu X). Saat variasi potensial linear terhadap
waktu, sumbu horizontal dapat dianggap sebagi sumbu waktu, seperti yang diberikan Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Voltamogram siklik reaksi reduksi-oksidasi secara reversible (Wang, 2000)
2.9.4. Charge-Discharge (CD)
Pengujian sel baterai dilakukan dengan proses charge dan discharge. Untuk mendapatkan performa sebuah baterai maka diperlukan pengujian
charge/discharge sehingga didapatkan kapasitas pada sel baterai. Kapasitas
baterai adalah ukuran muatan yang disimpan suatu baterai, yang ditentukan oleh masa aktif material didalamnya. Kapasitas menggambarkan sejumlah energi maksimum yang dapat dikeluarkan dari sebuah baterai dengan kondisi tertentu. Dalam sistem baterai sekunder, material katoda memegang peranan penting dalam pencapaian kapasitas baterai. Material ini yang dapat melepaskan ion lithium (de-interkalasi), bergerak menuju anoda dan berinterkalasi didalam struktur anoda saat proses charge. Makin besar jumlah ion lithium yang dapat dipindahkan menuju anoda, maka makin besar pula arus listrik yang dihasilkan saat proses discharge nantinya (Triwibowo, 2011).
