PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li 4 Ti 5 O 12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM

(1)

PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li4Ti5O12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP

PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM

SKRIPSI

MIA AULIA DHIKA 120801004

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN 2016

(2)

SKRIPSI

Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains

MIA AULIA DHIKA 120801004

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN 2016

(3)

LEMBAR PENGESAHAN

OLEH:

Mia Aulia Dhika NIM: 120801004

Disetujui Oleh: Komisi Pembimbing

Dr. Kerista Sebayang, M.S Slamet Priyono, S.Si, M.T

NIP: 195806231986011001 NIP: 198610152009121004

DiketahuiOleh:

Departemen Fisika FMIPA USU Pusat Penelitian Fisika-LIPI

Ketua, Kepala,

Dr. Marhaposan Situmoran Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng. NIP: 195510301980031003 NIP: 196204301988031001

(4)

PERSETUJUAN

Judul : Pembuatan Material Anoda Lithium Titanate (Li4Ti5O12) dan Studi Pengaruh Ketebalan

Elektroda Terhadap Performa Elektrokimia Baterai Ion Lithium

Kategori : Skripsi

Nama : Mia Aulia Dhika

Nomor Induk Mahasiswa : 120801004

Program Studi : Sarjana (S1) Fisika

Departemen : Fisika

Fakultas : Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara

Disetujui di: Medan, Mei 2016

Disetujui Oleh:

Pembimbing 1, Pembimbing 2,

Dr. Kerista Sebayang, M.S Slamet PriyonoS.Si, M.T. NIP: 195806231986011001 NIP: 198610152009121004

Departemen Fisika FMIPA USU Ketua

Dr. Marhaposan Situmorang NIP: 195510301980031003

(5)

PERNYATAAN

SKRIPSI

Saya mengaku bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.

Medan, Juli 2016

MIA AULIA DHIKA 120801004

(6)

PENGHARGAAN

Syukur alhamdulillah, puji syukur kepada Allah SWT, yang telah memberikan rahmat, dan karunia-Nya dan Bimbingan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “Pembuatan Material Anoda Lithium Titanate (Li4Ti5O12) dan Studi Pengaruh Ketebalan Elektroda Terhadap Performa Elektrokimia Baterai Ion Lithium”. Tugas Akhir merupakan salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar sarjana pada Fakultas Mtarematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara. Penelitian ini dilaksanakan di Pusat Penelitian Fisika (P2F) Lembaga Ilmu Penelitian Indonesia (LIPI) Serpong, Tangerang Selatan, Banten.

Penulis menyadari bahwa selama proses hingga akhir penyusunan skripsi ini banyak sekali bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Dengan segala kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan banyak terima kasih kepada :

1. Dr. Kerista Sebayang M.S sebagai Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.

2. Dr. Marhaposan Situmorang sebagai Ketua Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara, Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc sebagai Sekretaris Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara, dan seluruh Staf Pengajar serta Pegawai Administrasi di Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan pendidikan dan fasilitas selama perkuliahan. 3. Dr. Kerista Sebayang M.S sebagai sebagai Dosen Pembimbing di

Universitas Sumatera Utara yang telah membimbing dan memberikan arahan kepada penulis. Kepada dosen-dosen penguji Dr. Diana Alemin Barus, M.Sc, Dra. Manis Sembiring, MS dan Drs. Fauzi, MS yang telah banyak memberikan saran dan masukan serta membimbing penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

4. Slamet Priyono, S.Si. M.T dan Achmad Subhan, M.T sebagai Dosen Pembimbing di Pusat Penelitian Fisika LIPI yang telah memberikan

(7)

pengetahuan dan semangat serta sabar membimbing dalam menyelesaikan skripsi ini, dan Dosen-Dosen Pembimbing lapangan dan Staf Pegawai di bagian baterai Pak Ibrahim, Pak Fadhil, Pak Majid dan Mas Edi yang banyak membantu dan memberikan saran dalam proses penelitian di P2F LIPI.

5. Kedua orang tua tercinta Bapak Budiono, S.E dan Ibu Dra. Erlina Sembiring, Kakak Mila Dhita, S.E, Abang Samudra Prasetya, Adik Dhandy Erlangga, dan orang spesial Arif Zulfadly Silaen, Amd yang senantiasa memberikan doa, nasehat, dukungan dan perhatiannya.

6. Sahabat terbaik saya Sri Hany yang senantiasa mendengar curhatan, memberikan nasehat dan perhatiannya selama menyelesaikan skripsi ini. 7. Teman-teman seperjuangan : Sulistra Simamora, Riris Julita Tambunan,

Santa Simanjuntak, Marta M Nainggolan, Cut Hani Safira (bunda) dan Fitry Silaban.

Terima kasih atas kebersamaan yang diberikan baik dalam suka maupun duka selama menjalani penelitian.

8. Teman-teman seperjuangan di bagian baterai selama di Pusat Penelitian Fisika LIPI yang telah membantu peneliti dalam menjalani penelitian : Giassanistya Fadillah Marpaung, Andi Mulya, Elisabeth Sinaga, dan Kana Cicik Mahmudah.

9. Sahabat-sahabat terbaik Fisika stambuk 2012 (Physics On Fire) dan keluarga besar Ikatan Mahasiswa Fisika (IMF) Universitas Sumatera Utara.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun untuk menyempurnakan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat memberi manfaat bagi orang yang membacanya.

Medan, Juli 2016

(8)

PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li4Ti5O12) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP

ABSTRAK

Telah dilakukan pembuatan serbuk Li4Ti5O12 dan studi pengaruh ketebalan

terhadap performa elektrokimia baterai ion lithium. Li4Ti5O12 disintesis dari bahan

baku LiOH.H2O dan TiO2 dengan metode metalurgi serbuk. Lembaran elektroda

dibuat dengan mencampurkan serbuk Li4Ti5O12dengan PVDF, AB serta pelarut

N-N,DMAC hingga menjadi lumpur dan dilapiskan pada Cu foil dengan variasi

ketebalan 50 μm, 80 μm, dan 120 μm. Dari lembaran tersebut dibuat baterai setengah sel dengan menggunakan elektroda referensi metalik lithium dan elektrolit LiPF6. Karakterisasi yang dilakukan meliputi X-Ray Diffraction (XRD)

untuk mengetahui struktur kristal dan fasa serbuk dan performa setangah sel baterai dilakukan dengan uji Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS),

Cyclic Voltammetry (CV) dan Charge/Discharge (CD). Dari hasil pengujian XRD

menunjukkan ada dua fasa yang terbentuk, yaitu fasa Li4Ti5O12 sebesar 77,3 %

dengan struktur kristal cubic dan fasa TiO2 rutile sebesar 22,7 % dengan struktur

kristal tetragonal. Hasil konduktivitas yang tertinggi pada lembaran anoda dengan menggunakan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) adalah 3,66 x 10-5 S/cm pada ketebalan 50 μm. Hasil CV menunjukkan semakin tipis lembaran anoda maka semakin cepat interkalasi dan de-interkalasi. Sedangkan, hasil CD menunjukkan bahwa ketebalan lapisan mempengaruhi nilai kapasitas spesifik, semakin tebal lapisan semakin menurun nilai kapasitas spesifiknya. Kapasitas sel baterai yang baik diperoleh pada ketebalan lapisan 50 μm, dengan kapasitas

charge sebesar 146,6 mAh/g dan kapasitas discharge sebesar 146,09 mAh/g.

(9)

SYNTHESIS OF Li4Ti5O12 ANODE AND STUDY OF ELECTRODE

THICKNESS EFFECTON THE ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE OF LITHIUM ION BATTERY.

ABSTRACT

The synthesis of Li4Ti5O12 and the study of electrode thickness effect on the electrochemical performance of lithium ion batteries has been carried out. Li4Ti5O12 powders were synthesized from raw materials LiOH.H2O and TiO2 via powder metallurgy method. Electrode sheet was made by mixed Li4Ti5O12powders with PVDF, AB and NN,DMAC solvents become sluury and coated into sheet on the Cu foil with variations in the thickness of 50μm, 80μm, and 120 μm. The electrode sheet was assembled into half-cell battery using a coin cell with metallic lithium as reference electrode and LiFP6 as electrolyte. Characterization included X-Ray Diffraction (XRD) to know crystal structure and phases, while elctrochemical performances were conducted by Electrochemical Impedance Spectroscop (EIS), Cyclic Voltammetry (CV) and Charge/Discharge (CD). XRD test showed that there are two phases formed, namely Li4Ti5O12 with cubic structure at 77.3% and rutile TiO2 with tetragonal crystal structure at 22.7%. EIS test showed that the highest conductivity of anode sheet is 3.66 x 10-5 S/cm at a thickness of 50 μm. While, CV results showed that thicker electrode sheet will increase intercalation and de-intercalation. From CD test showed that the layer thickness affects the value of the specific capacity, the thicker of electrode layer will decreases the value of specific capacity. The best capacity of battery cells are obtained in a layer thickness of 50 μm, with a charge capacity of 146.6 mAh/g and the discharge capacity of 146.09 mAh/g.

(10)

DAFTAR ISI

Halaman Lembar Pengesahan i Persetujuan ii Pernyataan iii Penghargaan iv Abstrak vi Abstract vii

Daftar Isi viii

Daftar Tabel x

Daftar Gambar xi

Daftar Lampiran xii

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Rumusan Masalah 3 1.3 Tujuan Penelitian 4 1.4 Manfaat Penelitian 4 1.5 Batasan Masalah 5 1.6 Sistematika Penulisan 5

BAB2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Baterai 6

2.2.1 Jenis-jenis Baterai 7

2.2 Baterai Ion Lithium 7

2.3 Material Anoda 9

2.4 Elektrolit 10

2.5 Separator 11

2.6 Bahan Baku Pembuatan Lembaran Anoda 12

2.6.1 LiOH.H2O 12

2.6.2 TiO2 (Titanium Dioksida) 12

2.7 Komponen Tambahan Penyusun Anoda Baterai 12

2.7.1 Polyvinylidene Fluoride (PVDF) 12

2.7.2 Acetylene Black (AB) 12

2.7.3 Pelarut N,N DMAC (N,NDimethyl-Acetamide ) 13

2.8 Lithium Titanate (Li4Ti5O12) 13

2.9 Karakterisasi Sel Baterai 14

2.9.1 X-ray Diffraction (XRD) 14

2.9.2 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) 15

2.9.3 Cyclic Voltammetry (CV) 15

(11)

BAB3 METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat danWaktu Penelitian 17

3.2 Bahan dan Peralatan Penelitian 17

3.2.1 Bahan Penelitian 17

3.2.2 Peralatan Penelitian 18

3.3 Perhitungan Massa Bahan 19

3.4 Tahapan Penelitian 20

3.4.1 Proses Pembuatan Serbuk Li4Ti5O12 20

3.4.2 Pembuatan Lembaran Anoda Li4Ti5O12 21

3.5 Prosedur Penelitian 22

3.5.1 Proses Pembuatan Serbuk Li4Ti5O12 22

3.5.2 Pembuatan Lembaran AnodaLi4Ti5O12 22

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 X-ray Diffraction (XRD) terhadap Material Aktif Elektroda 25

4.4.1 Sampel Serbuk Li4Ti5O12 25

4.2 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) 28 4.2.1 Hasil Pengukuran Konduktivitas listrik pada lembaran anoda 28 4.2.2 Hasil Pengukuran Konduktivitas Sel Setengah Baterai 29

4.3 Cyclic Voltammetry (CV) 31

4.4 Charge/Discharge (CD) 33

4.5 Perbandingan Hasil Pengujian Terkait Dengan Penelitian 36 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan 38

5.2 Saran 38

(12)

DAFTAR TABEL

Nomor Tabel

Judul Halaman

2.1 Perbandingan baterai ion lithium dengan baterai sekunder lainnya

8 2.2 Jenis separator (pemisah) dalam berbagai jenis baterai

ion lithium

11 3.1 Perbandingan bahan baku pembuatan serbuk Li4Ti5O12 19

3.2 4.1

Perbandingan bahan baku pembuatan lembaran Li4Ti5O12

Parameter Kisi Serbuk Li4Ti5O12 Hasil Pembacaan

Software PDXL

20 26 4.2 Hasil Perhitungan Konduktivitas ionik pada lembaran

Li4Ti5O12

29 4.3

4.4 4.5

Data kapasitas spesifik dan tegangan polarisasi pada lembaran Li4Ti5O12

Data hasil analisis Charge/Discharge pada Li4Ti5O12

Perbandingan beberapa pengujian mengenai sintesis Li4Ti5O12

32 34 36

(13)

DAFTAR GAMBAR

Nomor Gambar

Judul Halaman

2.1 Proses interkalasi pada baterai ion lithium saat

charge-discharge

8 2.2 Voltamogram siklik reaksi reduksi-oksidasi secara

reversible

15 4.1 Hasil lembaran anoda Li4Ti5O12 pada sampel M-1,

M-2, M-3 dan M-4

24 4.2 Grafik hasil Analisis XRD Serbuk Li4Ti5O12

(a) Analisis fasa yang terbentuk (b) Analisis bidang kristal

25

4.3 Grafik hasil pengukuran konduktivitas listrik pada lembaran anoda Li4Ti5O12 pada ketebalan M-1 (50

μm), M-2 (80 μm) dan M-4 (120 μm)

27

4.4 Grafik EIS dari serbuk Li4Ti5O12 pada sampel M-1,

M-2 dan M-4

28 4.5 Grafik siklik voltametri Li4Ti5O12 pada sampel M-1,

M-2 dan M-4

31 4.6 Grafik hasil charge/discharge pada sampel M-1, M-2

dan M-4

33 4.7 Grafik pengaruh ketebalan lapisan terhadap energi

density

34 4.8 Grafik pengaruh ketebalan lapisan terhadap power

density

(14)

Nomor Lampiran

DAFTAR LAMPIRAN

Judul Halaman 1. 2. 3. 4. 5.

Perbandingan komposisi bahan L1 Li4Ti5O12 : PVDF : AB

Perhitungan Massa Bahan Li4Ti5O12 L2

Menghitung Nilai Konduktivitas Sel Baterai

Menghitung Energy Density Menghitung Power Density

Gambar Bahan L3 Gambar Peralatan

Alat-alat Karakterisasi

Analisis XRD L4 Analisis EIS L5