Karbon Sebagai Material Anoda Pada Baterai Ion Lithium

2.3 Bahan Anoda Untuk Baterai Ion Lithium

Sebelum munculnya baterai ion lithium, logam lithium digunakan untuk baterai lithium primer. Ketika lithium digunakan sebagai anoda pada baterai lithium sekunder diperoleh densitas energi yang tinggi, karena lithium murni memiliki spesifik kapasitas yang tinggi. Namun menggunakan bahan ini masih tidak efesian, alasannya karena bahan yang digunakan yaitu logam lithium yang berbahaya bagi kesehatan. Pada siklus charge-discharge , lithium sering terdeposisi menjadi sebuah dendrit. Dendrit pada lithium ini memiliki pori, luas permukaan yang tinggi, dan sangat reaktif dalam elektrolit organik. Dendrit lithium secara bertahap tumbuh pada siklus baterai digunakan dan menembus separator setelah beberapa siklus pemakaian. Hal ini akan mengakibatkan arus pendek dan dapat menyebabkan kebakaran atau ledakan. Masalah yang berkaitan dengan penggunaan logam lithium sebagai anoda dapat diatasi dengan menggunakan bahan paduan sebagai anoda baterai lithium. Bahan yang paling umum digunakan sebagai anoda yaitu karbon Yueping, 2003. Ada tiga persyaratan dasar untuk bahan anoda : 1. Potensial dari interkalasi dan deinterkalasi dari Li + Li harus serendah mungkin 2. Jumlah lithium yang dapat ditampung anoda harus setinggi mungkin untuk mencapai kapasitas yang tinggi 3. Host pada anoda harus dapat bertahan pada proses interkalasi dan deinterkalasi ion lithium tanpa adanya kerusakan struktur pada siklus penggunaan yang relatif panjang. Yueping, 2003

2.3.1 Karbon Sebagai Material Anoda Pada Baterai Ion Lithium

Pada tahun 1990 Sony Corparation berhasil menemukan bahan yang dapat digunakan sebagai anoda yang memiliki tegangan rendah dan reversible yaitu karbon. Sebgai pengganti dari bahan anoda yang digunakan sebelumnya. Fauteux et al, 1993 Karbon grafit ditemukan memiliki dimensi yang stabil untuk proses interkalasi dan deinterkalasi pada atom lithium. Oleh karena itu, grafit menjadi bahan anoda pilihan untuk baterai lithium. Pada material ini setiap layer Universitas Sumatera Utara disisipkan satu atom lithium. Jarak antara layernya adalah 0,335 nanometer. Kepadatan energi secara teori yang dihasilkan dari material ini adalah berkisar 372 Ahkg. Ada ratusan jenis karbon yang tersedia secara komersil, termasuk karbon alam dan grafit sintesis, karbon hitam, karbon aktif, serat karbon, kokas dan berbagai bahan karbon lainnya. Yueping, 2003. Bahan- bahan anoda karbon umumnya dikategorikan seperti bagan berikut ini. Gambar 2.3 Bagan pembagian jenis karbon Menurut Dahn et al dijelaskan beberapa kelas karbon yang relevan dengan baterai ion lithium. Pertama karbon grafit, biasanya disiapkan dengan memanaskan karbon tersebut dengan prekursor biasa disebut soft carbon. Grafitisasi akan berhasil jika dilakukan treatment pada suhu 1300 – 2400 C. Kedua yaitu hard carbon dimana karbon ini disebut non-grafit karena bahan ini sulit untuk menjadi grafit walaupun telah diberi treatment pada suhu tinggi. Hard carbon tidak dapat digunakan sebagai material anoda pada baterai ini disebabkan karena tempat difusi pada hard carbon tampak seperti labirin sehingga menyulitkan ion lithium untuk berinterkalasi.Masaki et al, 2009. Strukturnya karbonnya dapat dilihat pada Gambar 2.4 Dibawah ini a b c Gambar 2.4 a stuktur soft carbon b struktur hard carbon c Grafit Wakihara, 2001 Hard Carbon Grafit Sintesis Karbon Grafit Alam Soft Carbon Universitas Sumatera Utara Untuk membuat bahan menjadi anoda baterai maka diperlukan bahan yang dapat membentuk struktur kristal. 1. Grafit Alam Grafit alam adalah karbon yang telah memiliki struktur kristal dan tersusun dari atom karbon yang membentuk struktur 3 dimensi 3D. Material ini dapat kita jumpai di isi pensil yang sering kita pakai untuk menulis. Ketika kita menulis, maka grafit tersebut akan rapuh dan membuat suatu jenis material lebih sederhana yang dikenal dengan grephene. Struktur dari grafit dan grephene dapat dilihat pada gambar berikut. Gambar 2.5 a Struktur grephene berupa lapisan dengan ketebalan 1 atom C b Struktur grafit yang terdiri dari lapisan grephene Buchmann, 2001 Sekarang grafit alam merupakan salah satu kandidat yang paling menjanjikan sebgai bahan anoda baterai ion lithium, alasanya karena biaya rendah, potensial listrik rendah,kepadatan energi yang lebih tinggi, dan kapasitas reversible relatif tinggi 330-350 mAhg. Yoshio, 2009.Grafit memiliki struktur laminar yang sangat baik, dan interkalasi ion lithium antara lapisan grafit membentuk senyawa Li x C 6 . Namun grafit alam memiliki beberapa kekurangan yaitu ketika digunakan sebagai elektroda negatif dalam baterai lithium ion, grafit alam akan mengalami penurunan kapasitas dan kompatibilitas terhadap elektrolit yang buruk, dimana molekul elektrolit masuk diantara lapisan grafit selama pengisian charge dan akan membentuk SEI Solid Electrolit Interphase pada permukaan grafit. Maka dapat disimpulkan baterai tersebut tidak dapat digunakan dalam siklus charge-discharge yang berkelanjutan. Chin-Wei Shen et al, 2014. Universitas Sumatera Utara 2. Grafit Sintesis Grafit sintesis pada dasarnya memiliki sifat yang sama seperti grafit alam. Selain itu, grafit sintesis memiliki kemurnian yang tinggi, memiliki struktur yang cocok untuk proses interkalasi dan diinterkalasi ion lithium. Namun, grafit sintesis memiliki sebuah kekurangan yaitu struktur kristalnya berbentuk amorf sehingga untuk membuatnya memiliki struktur kristal menggunakan biaya yang tinggi karena memerlukan perlakuan pada suhu 2.800 C pada proses grafitisasinya. Yoshio, 2009 2.3.2 Mesocarbon Microbead MCMB Mesocarbon microbead MCMB adalah bagian dari soft carbon yang memiliki struktur kristal lebih sedikit dibanding dengan grafit alam. Mesocarbon microbead MCMB telah dipelajari oleh Mabuchi et al. Material ini diperoleh dari biji batu- bara, bahan mentah pertama kali dikarbonisasi di furnance yang di aliri gas inert Argon,Nitrogen dan di grafitisasi pada suhu berkisar 1200-2800 C. Pada percobaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa MCMB yang digrafitisasi dengan suhu 1000 C tidak menunjukkan ketergantungan pada elektrolit yang mengakibatkan tegangannya semakin lama semakin menurun. Dikondisi yang lain, pada saat MCMB di grafitisasi pada suhu tinggi, 2800 C sampel menunjukkan dependence dengan elektrolit. Kinerja siklusnya meningkat ke kapasitas muatan sebesar 240 mAhg. Besenhard et al, 1998. Langkah penting untuk memperoleh MCMB yang memiliki struktur kristal yang tinggi adalah kalsinasi pada MCMB pada temperatur tertentu. Tujuan dari kalsinasi ini adalah untuk : 1. Menghilangkan kotoran pelarut yang digunakan selama ekstraksi yang terperangkap didalam MCMB. 2. Menyesuaikan jumlah komponen pengikat yang terdapat pada MCMB. Proses kalsinasi ini dapat dilakukan dengan furnance yang di aliri gas inert maupun yang tidak dialiri gas inert. Aggrwal et al, 2000 Grafitisasi MCMB memiliki banyak kelebihan bila digunakan sebagai anoda baterai diantara lain : konduktivitas elektronik yang tinggi 10 3 -10 4 S cm -1 . Universitas Sumatera Utara Fabrice, 2010 Packing densitas yang tinggi menjamin densitas energi yang tinggi pula. Luas permukaan yang kecil menurunkan kapasitas ireversible sesuai dengan dekomposisi elektrolit. MCMB memiliki struktur spinel sehingga ion lithium mudah berinterkalasi dan hal tersebut akan meningkatkan kapasitas baterai. MCMB dapat dengan mudah menyepar ke Cu- foil. Yoshio, 2009. Karakteristik dari Mesocarbon microbead MCMB dapat dilihat pada tabel berikut. Tabel 2.4 Karakterisasi dari Mesocarbon microbead MCMB Safety data sheet, June 2010 Karakteristik Kadar C 99,6 Spesifik kapasitas 345,2 mAhg Efficiency 93,4 Densitas 1,324 gcm 3 Uap air 0,035 Specific Gravity 1,8-2,1 pH 5,00 – 10,0 Titik leleh 3550 C 6422F Temp Sintering 1800-2500 K Warna Hitam Bau Tidak berbau

2.3.3 Perkembangan