Pembuatan Lembaran Katoda LiFe0.9Ni0.1PO4/C Dengan Variasi Suhu Pengeringan

PEMBUATAN LEMBARAN KATODA LiFe

0,9

Ni

0,1

PO

4

/C

DENGAN VARIASI SUHU PENGERINGAN

SKRIPSI

KHAIRANI NASUTION

110801030

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2015

PEMBUATAN LEMBARAN KATODA LiFe

0,9

Ni

0,1

PO

4

/C

DENGAN VARIASI SUHU PENGERINGAN

SKRIPSI

Diajukan untuk melengkapi tugas akhir dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains

KHAIRANI NASUTION

110801030

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2015

PERNYATAAN

PEMBUATAN LEMBARAN KATODA LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C DENGAN VARIASI SUHU PENGERINGAN

SKRIPSI

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

Medan, Agustus 2015

Khairani Nasution 110801030

PENGHARGAAN

Alhamdulillah, puji syukur kepada Allah SWT, Tuhan semesta alam yang telah memberikan rahmat dan karunia sehingga penulis dapat menyelasikan tugas akhir. Salawat beriring salam teruntuk Nabi besar Muhammad SAW yang menjadi teladan dalam menjalani kehidupan.

Tugas akhir ini merupakan salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar sarjana pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara. Untuk memenuhi persyaratan tersebut diatas penulis mengerjakan tugas akhir dengan judul : Pembuatan Lembaran Katoda

LiFe0.9Ni0.1PO4/C Dengan Variasi Suhu Pengeringan. Yang dilaksanakan di

Laboratorium Baterai Lithium Indonesia dan Laboratorium material Pusat Penelitian Fisika (P2F) LIPI Serpong, Tangerang Selatan sesuai dengan waktu yang telah di tetapkan. Penulis ingin menyampaikan ungkapan terima kasih kepada:

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.

2. Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc selaku dosen pembimbing I, Dr. Ir Bambang Prihandoko, M.T selaku dosen pembimbing II di LIPI yang telah bersedia meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam melakukan penelitian dan penyelesaian skripsi ini.

3. Prof. Pardamean Sebayang, M.S, Slamet Priyono,M.Si dan seluruh staf peneliti baterai beserta pegawai administrasi di Pusat Penelitian Fisika (P2F) LIPI yang telah memberikan bimbingan, dorongan dan masukan kepada penulis serta fasilitas kepada penulis selama penelitian.

4. Ungkapan terima kasih dan penghargaan yang sangat spesial penulis hanturkan dengan rendah hati dan rasa hormat kepada kedua orang tua penulis yang tercinta. Ayahanda Helmi Nasution dan Ibunda Siti Esah Lubis

serta kedua kakak penulis yang dengan segala pengorbanannya tak akan pernah penulis lupakan atas jasa-jasa mereka atas dorongan moril yang paling efektif bagi kelanjutan studi penulis hingga saat ini.

5. Meilia , Shelly , Kartika , Suci , Yuni, Sri Rahmawati, Leni dan seluruh mahasiswa Fisika angkatan 2011 yang memberikan dukungan kepada penulis..

6. Rekan-rekan kelompok baterai di Pusat Penelitian Fisika (P2F) LIPI Kak Resa, Mas Eddy, Kak Ali yang selalu siap membantu saya di laboratorium baterai.

Penulis berharap tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pengembangan ilmu pengetahuan dalam bidang baterai ion lithium. Penulis mengharapkan kritik dan masukan yang membangun atas hasil penelitian ini sebagai proses perkembangan ilmu pengetahuan.

Penulis,

PEMBUATAN LEMBARAN KATODA LiFe

0,9

Ni

0,1

PO

4

/C

DENGAN VARIASI SUHU PENGERINGAN

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian pembuatan lembaran katoda LiFe0,9Ni0,1PO4/C yang akan digunakan sebagai katoda pada baterai lithium. Bahan yang dipergunakan adalah serbuk material aktif LiFe0,9Ni0,1PO4/C sebagai filler, bahan polimer PVdF sebagai matrik, dan bahan aditif konduktif yaitu acetylene black. Teknik pembuatan lembaran menggunakan metoda doctor blade. Penelitian dilakukan untuk mendapatkan suhu pengeringan yang optimum dalam pembuatan lembaran katoda dengan melakukan variasi suhu pengeringan 60oC, 80oC, 100oC. Identifikasi fasa yang terbentuk dari sebuk material aktif katoda dilakukan dengan XRD. Struktur morfologi lembaran dengan SEM. Dari penelitian ini didapatkan lembaran katoda LiFe0,9Ni0,1PO4/C menghasilkan konduktifitas tertinggi dengan alat Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) adalah 1,8 x 10-5 S/cm. Performa baterai dilakukan dengan menggunakan pengujian kapasitas charge/ discharge. Lembaran katoda LiFe0,9Ni0,1PO4/C dengan suhu pengeringan 80oC mengahsilkan spesifik kapasitas discharge sebesar 28,3 mAh/g sesuai dengan hasil CV.

Kata kunci: LiFe0,9Ni0,1PO4/C, katoda, suhu pengeringan, konduktifitas listrik, ion lithium.

PREPARATION OF LiFe

0,9

Ni

0,1

PO

4

/C CATHODE SHEETS

WITH VARIOUS OF DRYING TEMPERATURE

ABSTRACT

A research on the preparation of LiFe0,9Ni0,1PO4/C cathode sheets wich will be used as cathode of lihium battery has been conducted. The materials are active material powders of LiFe0,9Ni0,1PO4/C as filler, the polymer material PVdF as matriks, and conduvtive additives are acetylene black. The technique of making a sheet is using doctor blade methode. Research has been done to get optimum drying temperature in the fabrication of cathode sheets by doing a variety of drying temperature is 60oC, 80oC, and 100oC. Identification phase from the active material powder of cathode was done by XRD. Morphological structure sheet with SEM. The research showed that the LiFe0,9Ni0,1PO4/C cathode sheets has a highest conductivity was 1,8 x 10-5 S/cm. Battery performance was analyzed by charge/ discharge capacity test. The drying temperature of 80oC showed discharge specific capacity of LiFe0,9Ni0,1PO4/C is 28,3 mAh/g in accprdance with the result of CV.

Keywords: LiFe0,9Ni0,1PO4/C, cathode, drying temperature, electrical conductivity, lithium ion.

DAFTAR ISI

Halaman

Persetujuan i

Pernyataan ii

Penghargaan iii

Abstrak v

Abstract vi

Daftar Isi vii

Daftar Tabel ix

Daftar Gambar x

Daftar Lampiran xii

BAB 1. PENDAHULUAN 1

1.1 Latar Belakang 2

1.2 Rumusan Masalah 2

1.3 Tujuan Penelitian 3

1.4 Manfaat Penelitian 3

1.5 Batasan Masalah 3

1.6 Sistematika Penulisan 4

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 5

2.1 Baterai Lithium 5

2.2 Bahan Elektroda 7

2.2.1 Material Katoda 7

2.2.1.1 Litihum Iron Phospat (LiFePO4) 10 2.2.1.2 Litihum Nickel Phospat (LiNiPO4) 10

2.2.2 Material Anoda 10

2.3 Bahan Elektrolit 11

2.4 Material Komposit 12

2.4.1 Polyvinylidene fluoride (PVdF) 13

2.4.2 Acetylene Black (AB) 13

2.4.3 Pelarut DMAC (N-Dimethylactamide) 14

2.5 Pengujian Material 15

2.5.1 X-Ray Diffraction (XRD) 15

2.5.2 Scanning Elektron Microscope (SEM) 16

2.5.3 Electrochemical Impedance (EIS) 18

2.5.4 Cyclic Voltammetry (CV) 20

2.5.5 Charge/ Discharge (CD) 21

BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN 23

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian 23

3.2 Peralatan dan Bahan Penelitian 23

3.2.1 Peralatan Penelitian 22

3.2.2 Bahan Penetilian 25

3.3 Tahapan Penelitian 25

3.3.1 Pembuatan Slurry Material Aktif LiFe0,9Ni0,1PO4/C 24 3.3.2 Cetakan Lembaran Katoda LiFe0,9Ni0,1PO4/C 26

3.3.3 Proses Calendering dan Cutting 27

3.3.4 Proses Pembuatan Coin Cell 28

3.4 Diagram Alir Penelitian 29

BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN 30

4.1 Hasil dan Analisa XRD (X-Ray Diffraction) 30 4.2 Hasil dan Analisa SEM (Scanning Electron Miscroscope) 31

4.3 Hasil dan Analisa EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) 34 4.4 Hasil dan Analisa CV (Cyclic Voltammetry) 39 4.5 Hasil dan Analisa CD (Charge/ Discharge) 43

BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN 48

5.1Kesimpulan 48

5.2 Saran 48

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman Tabel

Tabel 2.1 Karakteristik Elektrokimia Tiga Kelas dalam Penyisipan 9 Senyawa

Tabel 2.2 Sifat Umum Polyvinylidene Fluoride (PVdF) 13 Tabel 2.3 Sifat Umum Actylene Black (AB) 14

Tabel 2.4 Sifat Fisik dan Kimia DMAC 15

Tabel 4.1 Perbandingan Hasil Analisis XRD sampel LiFe0,9Ni0,1PO4/C 31 dan LiFePO4 (ICCD/ PDF 4 # 01-078-7909) sebagai

Pembanding

Tabel 4.2 Hasil Konduktifitas dengan Suhu Pengeringan 60oC 35 Tabel 4.3 Hasil Konduktifitas dengan Suhu Pengeringan 80oC 36 Tabel 4.4 Hasil Konduktifitas dengan Suhu Pengeringan 100oC 37 Tabel 4.5 Massa Material Aktif Lembaran Katoda LiFe0,9Ni0,1PO4/C 43 Tabel 4.6 Parameter Pengujian Charge/ Discharge Sel Baterai 44 LiFe0,9Ni0,1PO4/C // LiPF6// Li Metal pada Suhu

Pengeringan 60oC

Tabel 4.7 Parameter Pengujian Charge/ Discharge Sel Baterai 45 LiFe0,9Ni0,1PO4/C // LiPF6// Li Metal pada Suhu Pengeringan 80oC

Tabel 4.8 Parameter Pengujian Charge/ Discharge Sel Baterai 46 LiFe0,9Ni0,1PO4/C // LiPF6// Li Metal pada Suhu Pengeringan 100oC

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman Gambar

Gambar 2.1 Skema Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium 6

Gambar 2.2 Tiga Model Host dari Bahan Anoda dan Katoda 7

Gambar 2.3 Fenomena Konduktifitas Ionik dan Elektronik 8

pada Material Katoda Gambar 2.4 Ilustrasi Skematis pada Struktur Kristal dari 9 (a) LiCo02 (Struktur Layered), (b) LiMn2O4 (Struktur Spinel), dan (c) LiFePO4 (Struktur Olivine) Gambar 2.5 Ikatan Partikel Komposit Baterai Ion Lithium 12 Gambar 2.6 Pola Difraksi Sinar-X yang Terhambur oleh Kisi dalam 15 Bidang Kristal Gambar 2.7 Interaksi Antara Elektron dengan Permukaan Sampel 17

Gambar 2.8 Skema Scanning Elektron Microscope (SEM) 18 Gambar 2.9 Hasil Pengukuran Impedansi Komponen Sel. 19

Gambar 2.10 Voltamogram Siklik dengan Arus sebagai Fungsi Potensial 21

Gambar 3.1 Hasil Pemotongan Lembaran Katoda LiFe0.9Ni0.1PO4 /C 27

Gambar 3.2 Hasil Pemotongan Lembaran Seperator 22

Gambar 3.3 Susunan Baterai Sekunder Berbentuk Coin Cell 28

Gambar 3.4 Diagram Alir Pembuatan Lembaran Katoda 29

LiFe0,9Ni0,1PO4 /C Gambar 4.1 Hasil Analisis XRD dari Sampel LiFe0,9Ni0,1PO4/C dan 30

LiFePO4 (ICCD / PDF 4 # 01-078-7909) Digunakan Sebagai Pembanding

Gambar 4.2 Hasil SEM Lembar Katoda Berupa Komposit 33

Keramik LiFe0.9Ni0.1PO4/C sebagai Filler, PVdF sebagai Binder, dan AB sebagai Zat Aditif Gambar 4.3 Grafik Cole-cole Plot untuk Suhu Pengeringan 60oC 35 Gambar 4.4 Grafik Cole-cole Plot untuk Suhu Pengeringan 80oC 36 Gambar 4.5 Grafik Cole-cole Plot untuk Suhu Pengeringan 100oC 37 Gambar 4.6 Hubungan Suhu Pengeringan dengan Hasil Konduktifitas Total 38

Gambar 4.7 Cyclic Voltammtery pada Suhu Pengeringan 60oC 40

Gambar 4.8 Cyclic Voltammtery pada Suhu Pengeringan 80oC 41

Gambar 4.9 Cyclic Voltammtery pada Suhu Pengeringan 100oC 42

Gambar 4.10 Charge/ Discharge pada Suhu Pengeringan 60oC 44

Gambar 4.11 Charge/ Discharge pada Suhu Pengeringan 80oC 45

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Lampiran Judul Halaman

A Alat-Alat Percobaan L1

B Bahan-bahan Percobaan L4

C Sampel Pengujian L6

D Alat Pengujian L7

E Perhitungan Data Pengujian L8

F Hasil SEM L12

G Hasil EIS L14

PEMBUATAN LEMBARAN KATODA LiFe

0,9

Ni

0,1

PO

4

/C

DENGAN VARIASI SUHU PENGERINGAN

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian pembuatan lembaran katoda LiFe0,9Ni0,1PO4/C yang akan digunakan sebagai katoda pada baterai lithium. Bahan yang dipergunakan adalah serbuk material aktif LiFe0,9Ni0,1PO4/C sebagai filler, bahan polimer PVdF sebagai matrik, dan bahan aditif konduktif yaitu acetylene black. Teknik pembuatan lembaran menggunakan metoda doctor blade. Penelitian dilakukan untuk mendapatkan suhu pengeringan yang optimum dalam pembuatan lembaran katoda dengan melakukan variasi suhu pengeringan 60oC, 80oC, 100oC. Identifikasi fasa yang terbentuk dari sebuk material aktif katoda dilakukan dengan XRD. Struktur morfologi lembaran dengan SEM. Dari penelitian ini didapatkan lembaran katoda LiFe0,9Ni0,1PO4/C menghasilkan konduktifitas tertinggi dengan alat Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) adalah 1,8 x 10-5 S/cm. Performa baterai dilakukan dengan menggunakan pengujian kapasitas charge/ discharge. Lembaran katoda LiFe0,9Ni0,1PO4/C dengan suhu pengeringan 80oC mengahsilkan spesifik kapasitas discharge sebesar 28,3 mAh/g sesuai dengan hasil CV.

Kata kunci: LiFe0,9Ni0,1PO4/C, katoda, suhu pengeringan, konduktifitas listrik, ion lithium.

PREPARATION OF LiFe

0,9

Ni

0,1

PO

4

/C CATHODE SHEETS

WITH VARIOUS OF DRYING TEMPERATURE

ABSTRACT

A research on the preparation of LiFe0,9Ni0,1PO4/C cathode sheets wich will be used as cathode of lihium battery has been conducted. The materials are active material powders of LiFe0,9Ni0,1PO4/C as filler, the polymer material PVdF as matriks, and conduvtive additives are acetylene black. The technique of making a sheet is using doctor blade methode. Research has been done to get optimum drying temperature in the fabrication of cathode sheets by doing a variety of drying temperature is 60oC, 80oC, and 100oC. Identification phase from the active material powder of cathode was done by XRD. Morphological structure sheet with SEM. The research showed that the LiFe0,9Ni0,1PO4/C cathode sheets has a highest conductivity was 1,8 x 10-5 S/cm. Battery performance was analyzed by charge/ discharge capacity test. The drying temperature of 80oC showed discharge specific capacity of LiFe0,9Ni0,1PO4/C is 28,3 mAh/g in accprdance with the result of CV.

Keywords: LiFe0,9Ni0,1PO4/C, cathode, drying temperature, electrical conductivity, lithium ion.

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Perkembangan teknologi terutama dalam bidang penyimpanan energi listrik yaitu berupa baterai. Perangkat elektronik memerlukan baterai sebagai sumber penggeraknya, sehingga dibutuhkan prospek baterai untuk menjadi sumber energi yang strategis dan ekonomis. Baterai adalah alat yang dapat menghasilkan arus listrik, dengan melibatkan transfer elektron melalui elektroda negatif (anoda) ke elektroda positif (katoda) dan karena adanya beda potensial. Baterai isi ulang atau rechargeable batteries sekarang menggantikan baterai primer karena menghemat sumber daya dan ramah lingkungan. Contoh jenis sekunder di antaranya adalah Pb-acid, Ni-MH, Ni-Cd dan Li-ion. Diantara contoh baterai sekunder tersebut yang paling dikembangkan saat ini adalah baterai ion lithium.

Baterai ion lithium merupakan baterai yang digerakkan oleh ion lithium. Kelebihan baterai ion lithium adalah memiliki lifecycle panjang (500-1000 siklus) dan kapasitas spesifik lebih tinggi daripada baterai sekunder yang lain.

Material katoda yang pertama digunakan pada baterai ion lithium adalah LiCoO2. Kemudian muncul material-material katoda lain LiNiO2, LiMnO4, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, dan LiFePO4. LiFePO4 secara ekstensif dikembangkan sebagai material katoda karena kapasitas teoretis sedang (170 mAh/g), stabil, murah, dan ramah lingkungan. Tetapi, LiFePO4 mempunyai sifat konduktivitas listrik yang rendah yaitu berorde 10-9 S/cm dan difusi ion lithium yang lambat. Dua kelemahan tersebut membatasi aplikasi LiFePO4 sebagai material katoda, khususnya pada temperatur rendah dan densitas arus yang tinggi (Padhi, dkk, 1977).

Usaha untuk meningkatkan konduktifitas listrik dapat dilakukan dengan beberapa cara, yaitu menambahkan dopant saat sintesis material katoda, mencampur material katoda dengan serbuk logam atau melapisi material katoda dengan karbon yang konduktif. Usaha yang disebut terakhir ini banyak dilakukan.

Proses pelapisan karbon dapat dilakukan pada material katoda yang telah siap atau dilakukan bersamaan saat proses sintesis material katoda. (Triwibowo, 2010)

Sri Rakhmawati (2015) melakukan penelitian tentang sintesis material aktif katoda LiFe0.9Ni0.1PO4/C dengan variasi pelapisan carbon dari tapioka diperoleh konduktifitas sebesar 10-5 S/cm. Konduktifitas yang dihasilkan mengalami kenaikan dibandingkan konduktifitas LiFePO4 sebesar 10-9. Namun dalam penelitian ini belum diketahui besar kapasitasnya jika material digunakan pada baterai ion lithium.

Salah satu parameter terpenting dalam proses pembuatan lembaran elektroda yaitu suhu pengeringan. Etty Marti Wigayati (2007), telah melakukan penelitian tentang pengaruh suhu pengeringan pada lembaran anoda grafit yaitu pada suhu 90oC, 100oC, 110oC, 120oC. Hasil yang diperoleh lembaran anoda tidak akan mengalami kerusakan dibawah suhu 130oC.

Berdasarkan uraian diatas maka perlu dilakukan penelitian tentang varisai suhu pengeringan pada lembaran katoda dengan material aktif LiFe0.9Ni0.1PO4/C untuk mendapatkan suhu pengeringan yang optimum yang akan memberikan pengaruh pada performa baterai. Pada penelitian ini variasi suhu pengeringan yaitu pada suhu 60oC, 80 oC, dan 100 oC. Proses pembuatan lembaran dengan menggunakan metode doctor blade dan untuk mengetahui performance baterai lembaran katoda dibentuk dalam coin cell dengan anoda lithium metal dan LiPF6 sebagai elektrolit dan diuji dengan alat Electrochemical Impedance Spectrometry, Cyclic Voltammetry dan Charge/Discharge.

1.2 Rumusan Masalah

Permasalahan penelitian ini adalah untuk mengefesiensikan jumlah baterai ion litihum yang akan digunakan sehingga dilakukan pembuatan lembaran katoda dengan serbuk material aktif LiFe0.9Ni0.1PO4/C dengan perlakuan suhu pengeringan yang memeberikan pengaruh pada performa baterai.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah untuk :

1. Membuat lembaran katoda LiFe0.9Ni0.1PO4 /C dan melihat performa pada baterai ion lithium.

2. Mengetahui dan menganalisis variasi suhu pengeringan pada lembaran katoda LiFe0.9Ni0.1PO4 /C

1.4 Manfaat Penelitian

Penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi yang positif terhadap perkembangan baterai diantaranya :

1. Memberikan informasi ilmiah mengenai cara pembuatan lembaran katoda LiFe0,9Ni0,1PO4/C.

2. Mendapatkan suhu pengeringan yang optimal pada pembuatan lembaran katoda LiFe0.9Ni0.1PO4/C.

3. Mengalihkan penggunaan baterai konvensional yang relatif berbahan racun ke arah yang lebih ramah lingkungan pada penggunaan baterai lithium.

1.5 Batasan Masalah

Batasan masalah dalam penelitian ini adalah :

1. Melihat performa baterai dari material aktif LiFe0.9Ni0.1PO4 /C dengan pengujian Electrochemical Impedance Spectrometry, Cyclic Voltammetry dan Charge/Discharge.

2. Variasi suhu pengeringan lembaran katoda LiFe0.9Ni0.1PO4 /C yaitu 60oC, 80oC, dan 100oC.

1.6 Sistematika Penulisan

Laporan tugas akhir ini disusun dengan sistematika sebagai berikut: Bab 1 Pendahuluan

Bab ini berisi tentang latar belakang penelitian, perumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dan sistematika penulisan. Bab 2 Tinjauan Pustaka

Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk proses pengembilan data, analisa data serta pembahasan.

Bab 3 Metodologi Penelitian

Bab ini membahas tentang rancangan penelitian, tempat dan waktu penelitian, peralatan dan bahan penelitian, prosedur penelitian serta diagram alir penelitian.

Bab 4 Hasil dan Pembahasan Penelitian

Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa data yang diperoleh dari penelitian.

Bab 5 Kesimpulan dan Saran

Bab ini menyajikan kesimpulan dari seluruh kegiatan dan hasil penelitian dan berisi saran-saran yang diperlukan untuk pengembangan dan penelitian lebih lanjut.

Daftar Pustaka

Berisi tentang literatur yang digunakan sebagai referensi dalam penulisan tugas akhir ini.

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1Baterai Ion Lithium

Baterai didefenisikan sebagai suatu alat yang dapat mengubah langsung energi kimia menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia. Sel baterai adalah unit terkecil dari suatu sistem proses elektrokimia yang terdiri dari elektroda, elektrolit, separator, wadah dan current colector/ terminal.

Komponen terpenting dari sel baterai adalah :

1. Elektroda negatif/ anoda, yaitu elektroda yang melepaskan elektron ke rangkaian luar serta mengalami proses oksidasi pada proses elektrokimia. 2. Elektroda positif/ katoda, yaitu elektroda yang menerima elektron dari

rangkaian luar serta mengalami proses reduksi pada proses elektrokimia. 3. Penghantar ion/ elektrolit, yaitu media transfer ion yang bergerak dari anoda ke

katoda dalam sel baterai saat penggunaan. Fisik elektrolit umumnya berupa cairan/ larutan dimana molekul garam larut didalamnya.

(Linden, 2002)

Baterai terdiri atas dua jenis yaitu baterai primer dan baterai sekunder. Baterai ion lithium merupakan baterai sekunder atau baterai yang dapat diisi ulang. Banyak keunggulan baterai ini dibandingkan dengan jenis baterai sebelumnya, diantaranya memiliki lifecycle yang panjang (500-1000 siklus), memiliki memory effect yang kecil, tegengan kerja yang tinggi (3,6 V), dan memliki kapasitas spesifik lebih tinggi daripada baterai sekunder yang lain.

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 pemasukan ion lithium pada tempat di struktur kristal bahan elektroda yang lain (Prihandoko, 2010). Proses interkalasi pada baterai ion lithium pada saat charge dan discharge dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Skema Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium (Moretti, 2013) Kemampuan kapasitas energi yang tersimpan dalam baterai lithium tergantung pada beberapa banyak ion lithium yang dapat disimpan dalam struktur bahan elektrodanya dan berapa banyak yang dapat digerakkan dalam proses charging dan discharging, karena jumlah arus elektron yang tersimpan dan tersalurkan sebanding dengan jumlah ion lithium yang bergerak (Linden, 2002). Pada saat charging, material katoda akan terionisasi dan menghasilkan ion lithium bermuatan positif dan berpindah kedalam elektrolit menuju material anoda, sementara elektron yang diberikan akan dilepaskan bergerak melalui rangkaian luar menuju elektroda negatif (anoda). Ion lithium ini akan masuk ke dalam material anoda melalui mekanisme interkalasi yaitu tanpa terjadi perubahan struktur kristal dari bahan katoda dan anoda. Dan pada saat discharging akan terjadi aliran ion dan elektron dengan arah kebalikan dari proses charging.

2.2Bahan Elektroda

Keunggulan suatu bahan anoda dan katoda terletak pada stabilitas kristal dalam proses interkalasi. Sehingga bahan elektroda harus mempunyai tempat bagi perpindahan ion lithium yang sering disebut host. Oleh karena itu bahan elektroda harus mempunyai struktur host dengan variasi interkalasi yang berbeda-beda. Pada umumnya, bahan memiliki tiga model interkalasi berdasarkan struktur dari hostnya, yaitu interkalasi satu dimensi, dua dimensi dan tiga dimensi seperti pada Gambar 2.2 ( Prihandoko, 2010 ).

Gambar 2.2 Tiga Model Host dari Bahan Anoda dan Katoda. ( Prihandoko, 2010 ).

2.2.1 Material Katoda

Dalam baterai ion lithium yang dapat diisi ulang, katoda sebagai material utuh menyediakan sumber ion lithium untuk reaksi interkalasi. Jadi, sifat fisik, struktur dan elektrokimia bahan katoda sangat penting untuk kinerja baterai. Sifat utama yang diperlukan bahan katoda adalah sebagai berikut:

1. Reaksi discharge harus memiliki energi yang besar (tegangan discharge yang tinggi).

2. Struktur host harus memiliki kemampuan interkalasi yang besar pada jumlah ion lithium (kapasitas energinya tinggi).

3. Struktur host harus memiliki koefisien difusi lithium yang besar (densitas dayanya tinggi).

4. Perubahan struktur host selama interkalasi dan deinterkalasi harus sekecil mungkin (siklus hidupnya panjang).

5. Material harus memiliki sifat kimia yang stabil, tidak beracun dan murah. 6. Cara pengerjaanya mudah

Secara umum, material katoda ini berfungsi sebagai sumber ion lithium penghantar arus yang dapat berpindah dari katoda ke anoda dan sebaliknya, sehingga sangat menentukan performa dari baterai lithium itu sendiri. Jumlah ion yang dilepaskan material katoda saat charging dan jumlah ion yang kembali pada saat discharging menghasilkan densitas energi dan densitas power baterai. Semakin banyak lithium dari katoda menuju anoda maka densitas energi sel baterai semakin besar dan semakin banyak lithium yang kembali ke katoda dari anoda maka densitas powernya semakin besar (Triwibowo, 2011).

Performa sel baterai sangat bergantung pada kondisi tranfer muatan/ charge transfer. Mekanisme ini berkaitan erat dengan proses difusi dan konduktifitas elektronik dan ionik dari komponen pembentuk sel baterai. Saat proses charging ion lithium akan dilepaskan dari katoda ke anoda melalui elektrolit, maka begitu katoda bersifat konduktif ionik. Dengan keadaan yang sama, elektron akan dilepaskan melewati rangkaian luar menuju anoda sehingga katoda juga harus bersifat konduktif elektronik. Proses ilustrasi ini dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Fenomena Konduktifitas Ionik dan Elektronik pada Material Katoda (Park, 2010)

Material katoda yang sering digunakan pada baterai ion lithium yaitu LiCoO2, LiMnO4, LiFePO4. Ketiga material tersebut memiliki bentuk struktur host yang berbeda yang dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Ilustrasi Skematis pada Struktur Host dari (a) LiCoO2 (Struktur Layered), (b) LiMn2O4 (Struktur Spinel), dan (c) LiFePO4 (Struktur Olivine) (Julien, 2014)

Pada struktur host layered, ion lithium berinterkalasi dalam dua arah, pada struktur host spinel interkalasi ion lithium dalam tiga arah, sedangkan pada struktur host olivine interkalasi dalam satu arah. Karakteristik elektrokimia dari masing-masing material tersebut dapat dilihat perbandingannya pada Tabel 2.1 Tabel 2.1 Karakteristik Elektrokimia dari Beberapa Matrial Katoda

(Julien, 2014)

Struktur Host Senyawa Spesifik

Kapasitas(mAh/g)

Beda Potensial (V)

Layered LiCoO2 272 4,2

Spinel LiMn2O4 148 4,1

Olivine LiFePO4 170 3,45

Dari Tabel 2.1 masing-masing memiliki karakteristik sendiri sebagai contoh, LiCoO2 yang mahal, beracun, dan sumber daya yang tidak lagi melimpah (AG Ritchie, 2001). LiMn2O4 memiliki kapasitas yang jauh lebih rendah dan stabilitas siklus rendah (Yuan Gao & Dahn J. R, 1996). Senyawa berbasis besi ini menjadi menarik karena Fe yang berlimpah, murah, dan kurang beracun daripada Co, Ni, Mn. LiFePO4 saat ini sedang dalam penelitian yang luas karena biaya rendah, toksitas rendah, stabilitas termal tinggi dan spesifik kapasitas 170 mAh/g. (Padhi et al. 1997).

2.2.1.1Lithium Iron Phosphate ( LiFePO4 )

Bahan katoda yang sangat menjanjikan adalah LiFePO4 dengan struktur phospo-olivine dengan kapasitas teoritis 170 mAh/g, energi spesifik 0,59 Wh/g, dan densitas 3,60 g/cm3, voltage rata-rata 3,5 V, harga murah, tidak beracun, ramah terhadap lingkungan, dan memiliki stabilitas termal yang baik (Gunawan, 2007).

Namun kelemahan dari material ini adalah konduktifitas listrik rendah yaitu berorde 10-9 S/cm dan difusi ion lithium yang lamban. Dua kelemahan tersebut membatasi aplikasi LiFePO4 sebagai material katoda. Difusi ion lithium yang rendah dapat diatasi dengan menurunkan dimensi partikel sampai skala nanometer. Untuk mengatasi konduktifitas listrik yang rendah dapat diatasi juga dengan conductive agent seperti penambahan karbon dan polimer yang dapat meningkatkan performance LiFePO4 .(Anies, 2011)

2.2.1.2Lithium Nickel Phosphate (LiNiPO4)

LiNiPO4 (Lithium Nickel Phosphate) terinspirasi oleh perkembangan komersial LiFePO4. Para peneliti berusaha untuk menemukan bahan fosfat lain dengan struktur olivine. LiNiPO4 sangat terbatas karena potensi redoks tinggi yang melebihi batasan stabil elektrolit yang berjalan (Qing, 2013). LiNiPO4 memiliki potensi redoks yang lebih tinggi ≈ 5,2-5,4 V dari LiCoPO4. (Deniard et al. 2004; Padhi et al. 1997).

2.2.2 Material Anoda

Material elektrokimia dapat berfungsi baik sebagai elektroda anoda maupun katoda bergantung pada pemilihan material yang akan menentukan karakteristik perbedaan nilai tegangan kerja dari kedua material yang akan dipilih. Potensial tegangan yang terbentuk antara elektroda negatif dan elektroda positif bergantung dari reaksi kimia reduksi-oksidasi dari bahan elektroda yang dipilih. Beberapa material dapat berfungsi sebagai anoda terhadap matrial katoda lainnya jika memiliki potensial lithium yang lebih rendah.

Bahan anoda yang sering digunakan sebagai komponen sel baterai lithium rechargeable adalah grafit/karbon dan lithium metal. Kedua material tersebut

memenuhi syarat sebagai suatu material sebagai host untuk proses interkalasi. Terdapat tiga syarat utama yang harus dimiliki material anoda 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)

Material anoda yang dipilih dalam penelitian ini adalah lithium metal. Lithium metal termasuk elektroda yang potensialnya rendah terhadap tegangan kerja dari elektroda material lain. Lithium metal adalah material anoda yang ideal untuk beterai lithum karena kapasitas secara teoritis sangat tinggi dari 3.860 mAh/g (10 kali lebih besar dari grafit), densitas rendah sebesar 0.534 g cm-3 dan potensi elektrokimia yang terendah -3.040 V (Xu, 2013).

2.3 Bahan Elektrolit

Elektrolit adalah media transfer ion yang bergerak dari anoda ke katoda dalam sel baterai saat penggunaan. Fisik elektrolit umumnya berupa cairan/ larutan dimana molekul garam larut didalamnya. Karakteristik yang perlu dimiliki elektrolit adalah konduktifitas ionik tinggi dan konduktifitas elektronik yang rendah sehingga mampu menghantarkan ion selama proses reaksi redoks terjadi antara elektroda positif dan elektroda negatif tanpa terjadi kebocoran arus elektron (Subhan, 2011).

Elektrolit yang dipilih dalam percobaan ini adalah LiPF6 (Lithium hexafluorophosphate). LiPF6 sering digunakan dalam pembuatan baterai ion lithum. Lithium Hexafluorophosphate (LiPF6) adalah garam yang paling banyak digunakan sebagai elektrolit untuk sel ion lithium komersial. Garam LiPF6 murni secara termal stabil sampai suhu 380 K di tempat yang kering, dan merupakan proses dekomposisi dari LiF padat dan PF5 sebagai produk gas (Yang et al. 2003).

2.4 Material Komposit

Matrial komposit adalah suatu material yang terbentuk dari kombinasi dua atau lebih material yang memiliki sifat yang berbeda, membentuk satu material yang memilisski sifat yang lebih baik daripada material penyusunnya. Dari campuran tersebut akan dihasilkan material komposit dengan karakteristik yang berbeda dari material pembentuknya sehingga kita dapat menentukan kekuatan material komposit yang kita inginkan dengan jalan mengatur komposisi dari material pembentuknya. Jadi komposit merupakan sejumlah sistem multi fasa sifat dengan gabungan, yaitu gabungan antara bahan matriks atau pengikat dengan penguat (Matthews, 1993). Bahan komposit secara umum terdiri dari filler dan matriks.

Matriks berfungsi untuk mengikat material penyusun menjadi satu struktur komposit. Pada material komposit matrik memberikan pengaruh yang lebih besar dalam pengikatan material penyusun selain bertugas untuk mendistribusikan beban dan memberikan perlindungan dari pengaruh lingkungan.

Filler berfungsi sebagai penopang kekuatan dari komposit, sehingga tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari filler yang digunakan, karena tegangan yang dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh matriks akan diteruskan kepada filler, sehingga filler akan menahan beban sampai beban maksimum.

Gambar 2.5 Ikatan Partikel Komposit Baterai Ion Lithium (Whittingham, 2008) Material katoda yang berupa bahan keramik selanjutnya menjadi serbuk dengan ukuran sekecil mungkin. Sel baterai sekunder yang saat ini mudah ditemui

adalah solid polymer battery. Sel baterai ini dihasilkan dengan membuat komposit yang terdiri dari polimer sebagai binder dan serbuk katoda (material aktif) sebagai filler. Campuran ini selanjutnya dibentuk menjadi lembaran. Polimer yang digunakan harus bersifat penghantar listrik, memiliki struktur dan senyawa yang stabil terhadap bahan elektroda dan elektrolit agar proses interkalasi dapat berjalan dengan baik.

2.4.1 Polyvinylidene fluoride (PVDF)

Polyvinylidene fluoride atau PVDF adalah termoplastik floropolimer murni dan sangat reaktif. Polimer ini berwarna putih atau tembus cahaya dalam bentuk padatanya. Selain itu PVDF tidak larut dalam air. PVDF banyak digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan kemurnian, kekuatan, dan ketahanan terhadap bahan pelarut, asam, basa, dan panas yang sangat baik. Adapun contoh produk dari PVDF antara lain pipa, lembaran, dan pelat. Beberapa jenis PVDF juga dapat digunakan sebagai pembuatan baterai ion lithium. PVDF sebagai pengikat memegang peranan penting dalam hal menjaga integritas elektroda dan sebagai perantara hubungan filler dan zat aditif. Sifat umum dari PVDF dapat dilihat pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Sifat Umum Polyvinylidene Fluoride (PVDF) (Afton Plastics, 2014)

Sifat Nilai

Daya Serap Air 0,03 %

Kuat Tarik 7,105 psi

Penambahan Panjang 250 %

Titik Leleh 169oC

Temperatur Defleksi 114 - 118 oC

2.4.2 Acetylene Black ( AB )

Elektroda pada baterai ion lithium terdiri dari material aktif, pengikat, dan zat aditif. Material aktif yang dipanaskan dengan pelarut dan dicampur dengan karbon yang bersifat zat aditif konduktif untuk meningkatkan konduktifitas elektronik sehingga elektron dapat diangkut ke bahan aktif. Zat aditif konduktif yang digunakan dalan penelitian ini adalah actylene black. Luas spesifik

permukaan dari actylene black setidaknya sepuluh kali lebih besar dari bahan material aktif agar dapat mengumpulkan arus listrik pada konsentrasi yang lebih rendah dan membentuk jaringan karbon konduktif. Besar nilai konduktifitas pada actylene black adalah 5,7 x 10-4 (Shin, 2006).

Penambahan Actylene Black pada material katoda dapat meningkatkan nilai konduktifitas listrik secara efisien dengan penambahan yang minimum, karena partikel tersebut memiliki struktur yang bulat berlubang dan bercabang, luas permukaan yang tinggi dan ukuran partikel yang kecil. Jumlah karbon biasanya digunakan adalah di bawah 10% berat dari total massa elektroda. Sifat umum dari Actylene Black dapat dilihat pada Tabel 2.3.

Tabel 2.3 Sifat Umum Actylene Black (Xuguang Chemical, 2010) Rumus Molekul C

Berat Molekul 12,01

Bentuk Serbuk Hitam

Ukuran 35 - 45 nm

Kelarutan dalam air Tidak larut

Hambatan 1,8 Ω.cm

2.4.3 Pelarut DMAC (Dimethyl-acetamide)

Dimethylacetamide (DMAC) merupakan pelarut yang dapat digunakan sebagai pelarut PVDF pada baterai ion lithium. Pelarut tersebut memiliki kelarutan terhadap bahan organik dan anorganik yang tinggi, titik didih tinggi, titik beku yang rendah, stabilitas yang baik dan tidak akan mengalami degradasi serta perubahan warna jika dipanaskan dibawah suhu 350 0C (BASF, 2014). Sifat fisik dan kimia DMAC dapat dilihat pada Tabel 2.4.

Tabel 2.4. Sifat Fisik dan Kimia DMAC

Parameter Nilai

Bahan Cair

PH (200 g/l, 20 0C) 4

Titik lebur (0C) -20

Titik didih (0C) 165 – 166

Densitas (g/cm3) pada 20 0C 0,94 Sumber : BASF (2014)

2.5 Pengujian Material

2.5.1 X-Ray Diffraction (XRD)

Pengamatan struktur kristal dengan XRD merupakan tahap awal karakterisasi untuk mengidentifikasi jenis fasa yang terbentuk seperti yang diharapkan dan fasa lainnya yang tidak diharapkan. Kegunaan XRD dapat membedakan antara material yang bersifat kristal dengan amorf, karakterisasi material kristal dan penentuan dimensi-dimensi sel satuan.

Gambar 2.6 Pola Difraksi Sinar-X yang Terhambur oleh Kisi dalam Bidang Kristal (Triwibowo, 2011)

Sinar-X datang membentuk sudut θ terhadap permukaan sampel, kemudian dipantulkan dengan sudut yang sama. Begitu juga selanjutnya sinar-X kedua yang

jatuh pada bidang dibawahnya dengan berjarak d. Sinar ini akan dipantulkan dengan sudut θ, namun memiliki beda fase. Jika perbedaan fasa sama dengan kelipatan panjang gelombang, makan akan menghasilkan persamaan Bragg. Sinar-X ini bersifat collimated dan mengarahkan ke sampel. Saat sampel dan detektor diputar, intensitas sinar-X pantul itu direkam. Detektor akan merekam dan memproses isyarat penyinaran ini dan mengkonversi isyarat itu menjadi suatu arus yang akan dikeluarkan pada printer atau layar komputer.

Dengan persamaan Bragg, kita dapat memperoleh nilai jarak antara dua bidang kisi (d) :

n = 2 d sin θ (2.1)

dengan : d = jarak antar kristal

= sudut pengukuran (sudut difraksi) = panjang gelombang sinar-X n = urutan sinar ( dalam bilangan bulat)

Berdasarkan persamaan Bragg, jika seberkas sinar-X di jatuhkan pada sampel kristal, maka bidang kristal itu akan membiaskan sinar-X yang memiliki panjang gelombang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut. Sinar yang dibiaskan akan ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan sebagai sebuah puncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi. Puncak-puncak yang didapatkan dari data pengukuran ini kemudian dicocokkan dengan standar difraksi sinar-X untuk hampir semua jenis material. Standar ini disebut JCPDS/ICCD.

2.5.2 Scanning Elektron Microscope (SEM)

Scanning Electron Microscope (SEM) adalah sebuah mikroskop elektron yang didesain untuk mengamati permukaan sampel secara langsung. Analisa SEM dilakukan pada lembar katoda untuk mengetahui distribusi serbuk pada matriks,

porositas dan kemampuan serbuk material aktif terhadap matriks. SEM digunakan untuk menganalisis permukaan pada sampel yang tebal.

Ada beberapa sinyal yang penting yang dihasilkan oleh SEM. Dari pantulan inelastis didapatkan sinyal secondary electron dan karakteristik sinar X sedangkan dari pantulan elastis didapatkan sinyal backscattered electron. Perbedaan dari sinyal secondary electron dengan backscattered electron adalah secondary electron memberikan informasi topografi dari benda yang dianalisa, permukaan yang tinggi berwarna lebis cerah dari permukaan rendah. Sedangkan backscattered elektron memberikan perbedaan berat molekul dari atom – atom yang menyusun permukaan, atom dengan berat molekul tinggi akan berwarna lebih cerah daripada atom dengan berat molekul rendah. Kedua sinyal inilah yang akan dideteksi oleh detektor dan dimunculkan dalam bentuk gambar pada monitor CRT.

Gambar 2.7 Interaksi Antara Elektron dengan Permukaan Sampel (Triwibowo, 2011)

SEM memiliki beberapa peralatan utama diantaranya penembak elektron, lensa magnetik, detektor, sampel holder, dan monitor CRT. Prinsip kerja dari SEM yaitu elektron gun menghasilkan elektron beam dari filamen. Elektron gun yang digunakan adalah tungsten hairpin gun dengan filamen berupa lilitan tungsten yang berfungsi sebagai katoda. Tegangan yang diberikan kepada lilitan mengakibatkan terjadinya pemanasan. Anoda kemudian akan membentuk gaya yang dapat menarik electron menuju anoda. Lensa magnetik memfokuskan elektron menuju suatu titik pada permukaan sampel. Sinar elektron yang terfokus menyapu (scanning) keseluruhan

sampel dengan diarahkan oleh koil penyapuan. Ketika elektron mengenai sampel, maka akan terjadi hamburan elektron, baik Secondary Electron (SE) atau Back Scattered Electron (BSE) dari permukaan sampel dan akan dideteksi oleh detektor dan dimunculkan dalam bentuk gambar pada monitor CRT. Penjelasan prinsip kerja SEM diatas dapat dilihat pada Gambar 2.8 dibawah ini :

Gambar 2.8 Skema Scanning Elektron Microscope (SEM) (Triwibowo, 2011)

2.5.3 Electrochemical Impedance Spectrometry (EIS)

EIS (Electrochemical Impedance Spectrometry) adalah sebuah teknik analisis yang digunakan untuk mempelajari sifat elektrik dari sistem elektroda-elektrolit (Rochliadi,2002). EIS telah banyak digunakan secara luas dalam bidang elektrokimia seperti pelapisan material (coating), baterai, sel bahan bakar (fuel cell) dan lainnya. Pengujian menggunakan metode Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) dengan alat LCR-meter merek HIOKI 35320-50.

Pergerakan elektron dan ionik dalam baterai lithium dapat diamati secara elektrokimiawi dengan menggunakan metoda EIS. Impedansi elektrokimia pada umumnya diukur dengan menggunakan sebuah tegangan AC pada sebuah sel elektrokimia untuk mengukur arus listrik yang melalui sel. Arus massa dalam elektrolit dipengaruhi oleh besaran frekuensi, dimana kontrol kinetik sangat menonjol pada

frekuensi tinggi. Sedangkan pada frekuensi rendah, arus akan dipengaruhi oleh transfer massa.

Jika nilai impedansi real (Z’) diproyeksikan pada sumbu-X dan nilai impedansi imajiner (Z”) diproyeksikan pada sumbu-Y, maka akan diperoleh grafik dibawah ini :

Grafik 2.9 Hasil Pengukuran Impedansi Komponen Sel. (Triwibowo, 2011)

Perhitungan konduktifitas dilakukan dengan melakukan interpretasi dari ukuran busur. Dimana akan didapatkan nilai impedansi Rbahan dan Rion. Nilai Rbahan menunjukkan karakteristik dari bahan material yang bersifat ohmik, sementara Rion menunjukkan karakteristik kualitatif dari transfer ion antar elektroda. Karakteristik Rbahan selalu nampak pada data berfrekuensi tinggi, sementara Rion teramati pada frekuensi rendah (Triwibowo, 2011).

Untuk mendapatkan nilai Rtot, maka kita harus mendapatkan Z” = 0 dengan cara melakukan ekstrapolasi membentuk setengah lingkaran seperti gambar diatas. Rtot merupakan penjumlahan dari Rbahan dan Rion. Dari nilai Z = Rtot ini, kita dapat menentukan konduktifitas bahan dengan menggunakan persamaan :

R = ρ (2.2)

dengan

R = Resistivitas bahan (ohm)

ρ = Hambatan jenis bahan (ohm.cm) t = Tebal bahan (cm)

Dikarenakan σ = 1/ ρ , maka rumus persamaan menjadi μ σ = =

=

(2.3)

dengan μ σ = Konduktifitas (Ω-1

.cm-1) atau (S/cm)

Impedansi komplek akan digunakan untuk menguji interaksi antara komponen elektroda dan elektrolit dalam kemampuan migrasi dari elektron ioniknya dalam penelitian ini.

2.5.4 Cyclic Voltammetry (CV)

Voltametri Siklik (Cyclic Voltammetry) merupakan metode yang umum digunakan dalam teknik elektrokimia dan digunakan untuk mempelajari proses reduksi dan oksidasi (redoks). Hal ini dicapai dengan 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 dimonitor besarnya arus yang timbul. Pengukuran arus listrik dilakukan dengan rentang potensial awal dan akhir yang sama. Potensial awal diberikan pada awal tidak terjadi reaksi elektrokimia pada permukaan elektroda. Kemudian dialurkan secara linier dengan laju tertentu menuju suatu nilai potensial ketika senyawa aktif mengalami reaksi reduksi.

Voltamogram siklik diperoleh dengan mengukur arus pada elektroda kerja selama scan potensial. Arus dapat dianggap sebagai respon sinyal terhadap potensial. Voltamogram yang dihasilkan merupakan kurva antara arus (pada sumbu vertikal) versus potensial (sumbu horizontal). Kurva Voltamogram siklik dapat dilihat pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10 Voltamogram Siklik dengan Arus sebagai Fungsi Potensial (Wang, 2000) Satu dari banyak kegunaan Voltametri siklik adalah informasi kualitatif mengenai mekanisme reaksi dari proses reduksi-oksidasi. Adanya kemungkinan reaksi lain saat reduksi-oksidasi berlangsung dapat melihat dari voltamogramnya. Perubahan pada voltmogram siklik dapat disebabkan oleh persaingan reaksi kimia untuk produk hasil elekrrokimia, ini dapat dijadikan informasi mengenai jalan reaksi. Parameter yang penting dalam voltmogram siklik adalah arus puncak dan potensial puncak yaitu keduanya berasal dari puncak katoda dan anoda.

2.5.5 Charge – Discharge (CD)

Pengujian sel baterai dilakukan dengan proses charging dan discharging. Untuk mendapatkan performasi sebuah baterai maka diperlukan pengujian charge/discharge sehingga didapatkan kapasitas pada sel baterai. Hal yang diutamakan dalam menentukan performa sel baterai terletak pada aspek kimia permukaan yang menghasilkan kontak permukaan yang bagus sehingga menjamin proses interkalasi dan deinterkalasi berjalan dengan baik.

Kapasitas baterai dimaksudkan sebagai besarnya energi listrik yang dapat dikeluarkan baterai pada waktu tertentu. Kapasitas baterai tergantung pada jenis aktif material yang digunakan dan kecepatan reaksi elektrokimia pada saat baterai di charge

atau discharge. Luasnya kontak permukaan antar material aktif juga akan memperbesar kapasitas baterai.

Dalam sistem baterai sekunder lithium, material katoda memegang peranan penting dalam pencapaian kapasitas baterai. Material ini yang nantinya harus dapat melepaskan ion lithiun (deinterkalasi), bergerak menuju anoda dan berinterkalasi didalam struktur anoda saat charging. Makin besar jumlah ion lithum yang dapat dipindahkan ke anoda, maka makin besar pula arus listrik yang dihasilkan saat discharging nantinya. (Triwibowo, 2011). Kapasitas sel baterai semakin menurun ketika dilakukan pengujian cycle berikutnya. Penurunan kapasitas yang terjadi mengindikasikan ion lithium yang berinterkalasi/ deinterkalasi mengalami jumlah yang terus menurun. Ketika performa baterai mengalami penurunan drastis maka kemampuan cycling times masih rendah (Subhan, 2011).

BAB 3

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilakukan selama 3 bulan, dimulai dari bulan 5 Februari 2015 hingga 5 Mei 2015 di Laboratorium Baterai Pusat Penelitian Fisika (P2F) di Lembaga Ilmu Penelitian Indonesia (LIPI) Serpong, Tangerang Selatan. Penelitian dilakukan dari penyiapan bahan baku sampai baterai dan pengujiannya.

3.2 Peralatan dan Bahan Penelitian 3.2.1 Peralatan Penelitian

Alat yang digunakan adalah : 1. Beaker gelas 100 ml

Berfungsi untuk wadah pembuatan slurry. 2. Gelas ukur 25 ml

Berfungsi untuk wadah sampel larutan. 3. Cawan petri 3 buah

Berfungsi untuk wadah sampel serbuk. 4. Spatula

Berfungsi untuk mengambil dan memasukkan serbuk dari bahan baku. 5. Glovebox

Berfungsi untuk melindungi terjadi kontak kulit dari bahan baku yang berbahaya.

6. Magnetic Stirrer (Hot Plate HS 65)

Berfungsi untuk memanaskan dan mencampuran bahan sampai homogen. 7. Magnetic Bar

Berfungsi untuk mengaduk campuran DMAC, PVDF, dan AB. 8. Pisau ukur mesin coating

Berfungsi untuk mengukur ketebalan saat pembuatan lembaran. 9. Doctor Blade 1 buah

Berfungsi untuk melapisi slurry ke lembaran Alumanium 10. Timbangan digital

Berfungsi untuk menimbang serbuk, lembaran Alumanium, dan material aktif lembaran

11. Mesin calendering

Berfungsi untuk alat press lembaran agar permukaan material aktif lebih padat.

12. Lembaran kaca 1 buah

Berfungsi untuk alas memotong. 13. Oven

Berfungsi untuk menyimpan lembaran agar tidak terkontaminasi. 14. Jangka Sorong 1 buah

Berfungsi untuk mengukur ketebalan material aktif lembaran. 15. Multimeter digital 1 buah

Berfungsi untuk memastikan baterai tidak dalam keadaan short. 16. Mesin Coating MSK-AFA-III

Berfungsi untuk melapisi slurry pada lembaran aluminium. 17. Oven Coating MSK-AFA-E300

Berfungsi untuk mengeringkan slurry pada lembaran. 18. Crimping Machine MSK-110

Berfungsi untuk menekan casing coin cell 19. Casing coin cell

Berfungsi untuk wadah komponen bahan baterai 20. Alat-alat lain

Perlengkapan lain yang digunakan antara lain: penggaris, tisu, gunting, pisau cutter, pinset, pipet tetes, sarung tangan, masker, stopwatch, aluminium foil, baki, kertas label dan lain-lain.

3.2.2 Bahan Penelitian

Dalam penelitian ini bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan lembaran katoda LiFe0.9Ni0.1PO4 /C adalah:

Fungsinya sebagai material aktif (bahan katoda) baterai lithium. 2. Serbuk Acetylene Black (AB) produk Lin Yi Gelon, China.

Fungsinya sebagai zat aditif konduktif.

3. Serbuk PVdF (Polyvinylidene difluoride) bahan teknis produk Kynar Flex, Arkema.

Fungsinya sebagai matriks polimer.

4. Larutan DMAC (Dimethyl-acetamide) produk KgaA, Jerman. Funsinya sebagai pelarut bahan.

5. Lembar Alumanium (Al foil )

Fungsinya sebagai current colector dalam lembaran katoda 6. Larutan Aseton produk KgaA, Jerman.

Fungsinya sebagai cairan pembersih alat.

7. Anoda litium metal produk Lin Yi Gelon, China. Fungsinya sebagai anoda pada baterai coin cell. 8. Elektrolit LiPF6 produk Lin Yi Gelon, China.

Fungsinya sebagai elektrolit (pengahantar ion) pada baterai coin cell. 9. Lembaran separator Polypropilene dan Polyethilene produk Celgard,

China.

Fungsinya sebagai pembatas antara anoda dan katoda.

3.3 Tahapan Penelitian

Urutan kerja pada tahap pembuatan lembaran katoda material LiFe0.9Ni0.1PO4 /C adalah sebagai berikut :

3.3.1 Pembuatan Slurry Material Aktif LiFe0.9Ni0.1PO4 /C

1. Ditimbang bahan dengan komposisi perbandingan berat LiFe0.9Ni0.1PO4 /C: AB : PVdF (85:5:10). Untuk 3 gram LiFe0.9Ni0.1PO4 /C diperlukan 0.17 gram AB, 0.35 gram PVdF dan 9 gram (9,9 mL) DMAC yang diperlukan sebagai pelarut bahan baku. Kemudian setiap serbuk diletakkan dicawan petri.

3. Diisi beaker glass 100 ml dengan DMAC dan diletakkan magnetic bar didalam beaker glass.

4. Dihidupkan Hote Plate HS 65 dan diletakkan beaker glass tersebut diatas magnetic stirrer serta diatur suhu pemanasnya 70oC dengan kecepatan putarannya 300 rpm.

5. Dimasukkan PVdF kedalam beaker glass dan tunggu sampai homogen sekitar 15 menit.

6. Dituangkan AB sedikit demi sedikit.

7. Dituangkan material pengisi LiFe0.9Ni0.1PO4 /C sedikit demi sedikit kedalam campuran dengan kondisi magnetic stirrer yang tetap beroperasi. 8. Ditunggu pengadukan material pengisi didalam matriks selama 120 menit.

3.3.2 Cetakan Lembaran Katoda LiFe0.9Ni0.1PO4 /C

1. Disiapkan slurry campuran material matriks, material pengisi LiFe0.9Ni0.1PO4 /C, dan aditif yang telah dibuat sebelumnya.

2. Dibersihkan Mesin Coating MSK-AFA-III, Doctor Blade, dan pisau ukur mesin coating dengan aseton.

3. Dihidupkan Mesin Coating dan diatur persisi celah Doctor Blade dengan ketebalan 200 m dengan pisau ukur agar dapat melewati celah alat Doctor Blade.

4. Diletakkan lemaran alumanium dengan ukuran 30 cm x 15 cm diatas mesin coating dan tombol vakum dihidupkan.

5. Dibersihkan lembaran dengan Aceton dan diratakan lembaran agar tidak robek.

6. Diletakkan Doctor Blade diatas lembaran dan dituang slurry diatas permukaan lembaran aluminium sedikit demi sedikit dengan spatula.

7. Diratakan campuran dengan sekali gerakan ke satu arah dengan seksama untuk mencegah rusaknya lembaran. Campuran yang tertuang diawal akan kering terlebih dahulu.

8. Diangkat lembaran katoda dengan menggunakan kertas paper sebagai alasnya.

9. Dikeringkan lembaran menggunakan oven coating MSK-AFA-E300 dengan variasi pengeringan dengan suhu 60oC, 80oC, 100oC selama setengah jam. 10. Diletakkan lembaran katoda didalam oven katoda agar lembaran katoda

tidak terkontaminasi.

3.3.3 Proses Calendering dan Cutting

1. Dihidupkan mesin calandering dengan diatur ketebalannya 0,40 mm. 2. Dipress lembaran katoda LiFe0.9Ni0.1PO4 /C agar permukaan material aktif

lebih padat.

3. Diletakkan lembaran kedalam oven agar tidak terkontaminasi selama 16 jam.

4. Dipotong lembaran katoda LiFe0.9Ni0.1PO4 /C sesuai dengan ukuran coin cell.

27,5 cm

15 c

m

1,55 cm

Gambar 3.1 Hasil Pemotongan Lembaran Katoda LiFe0.9Ni0.1PO4 /C 5. Dipotong seperator dengan ukuran coin cell tetapi melebihi ukuran pada

lemaran katoda coin cell sebelumnya agar tidak terjadi hubungan pendek yang dapat menyebabkan kegagalan baterai.

1,9 cm

Gambar 3.2 Hasil Pemotongan Lembaran Seperator

3.3.4 Proses Pembuatan Coin Cell

1. Dipersiapkan casing coin cell, lembaran katoda LiFe0.9Ni0.1PO4 /C, anoda litium metal, elektrolit LiPF6, separator dan speciment.

2. Dihidupkan mesin glovebox untuk pembuatan baterai coin cell. 3. Disusun baterai coin cell sesuai dengan gambar :

Gambar 3.3 Susunan Baterai Sekunder Berbentuk Coin Cell 9. Dipress baterai coin cell dengan alat Crimping Machine MSK-110.

10. Dibiarkan baterai didalam glovebox selama 16 jam agar elektrolit meresap sempurna kedalam elektroda dan seperator sebelum dilakukan pengujian.

3.4 Diagram Alir Penelitian

Gambar 3.4 Diagram Alir Pembuatan Lembaran Katoda LiFe0,9Ni0,1PO4 /C

Hot plate dengan T = 70oC 300 rpm, t = 15 menit Dicampurkan PVdF dengan pelarut DMAC (9 gram)

Hot plate dengan T = 70oC , 300 rpm, t = 120 menit Ditambahkan sedikit demi sedikit AB dan

LiFe0.9Ni0.1PO4/Chingga homogen

Slurry LiFe0.9Ni0.1PO4/C

Sheet Casting dengan Doctor Blade

Karakterisasi Sel Baterai

- Uji CD ½ sel

- Uji CV ½ sel

- Uji EIS ½ sel

Kesimpulan

Dicalendering

Lembaran Katoda LiFe0.9Ni0.1PO4/C

Menggunakan Al foil ;

ketebalan 200 m

Karakterisasi lembaran Uji SEM

Analisa

Komposisi LiFe0.9Ni0.1PO4 (3 gram) : AB : PVdF (85 : 5 : 10)

Dikeringkan suhu 60oC (30 menit)

Coin Cell (Katoda LiFe0.9Ni0.1PO4/C, Anoda Lithium Metal, Elektrolit

LiPF6) di Glovebox Dikeringkan suhu

80oC (30 menit)

Dikeringkan suhu 100oC (30 menit)

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1Hasil dan Analisa XRD (X-Ray Diffraction)

Hasil XRD yang ditunjukkan pada Gambar 4.1 menunjukkan terbentuk satu fasa tunggal LiFePO4 (ICCD / PDF 4 # 01-078-7909) dengan ditemukannya tiga strongest lines pada d-spacing 2.5222 Ǻ, 3.0061 Ǻ, 3.487λ Ǻ serta nilai hkl masing-masing strongest line adalah (311), (211), dan (111). Pada sudut 2θ = 35.565o, 29.695o, 25.518o. Hasil XRD menunjukkan struktur struktur kristal yang terbentuk adalah orthorombik dengan parameter kisi yaitu a = 10.32655 Ǻ, b = 6.00685 Ǻ, c = 4.6λ050 Ǻ serta memiliki sudut α = β = ɤ = 90oC.

Grafik 4.1 Hasil Analisis XRD dari Sampel LiFe0,9Ni0,1PO4/C dan LiFePO4 (ICCD / PDF 4 # 01-078-7909) Digunakan sebagai Pembanding

Tabel 4.1 Perbandingan Hasil Analisis XRD Sampel LiFe0,9Ni0,1PO4/C dan LiFePO4 (ICCD / PDF 4 # 01-078-7909) sebagai Pembanding

LiFe0,9Ni0,1PO4/C LiFePO4 hkl

2θ (o

) d (Ǻ) 2θ (o) d (Ǻ)

17,13 5,17 17,16 5,16 200

20,72 4,28 20,78 4,27 101

25,51 3,48 25,71 3,48 111

29,69 3,00 29,72 3,00 211

32,20 2,77 32,23 2,77 301

35,56 2,52 35,60 2,52 311

36,48 2,46 36,54 2,45 121

37,88 2,37 37,90 2,37 410

39,44 2,28 39,36 2,29 102

42,24 2,13 42,29 2,13 112

61,68 1,50 61,50 1,50 132

Analisis dilakukan mengguanakan metode Rietveld dengan software Rigaku PDXL dengan standard kalayakan analisis XRD yang ideal yaitu nilai chi2= 1±0.3 dan nilai Rwp 10%. Hasil analisis Rietvield untuk sampel LiFe0,9Ni0,1PO4/C menunjukkan nilai Rwp sebesar 5.83 dan chi2 sebesar 1.0268. Nilai-nilai tersebut telah memenuhi standard analisis XRD sehingga dapat dikatakan hasil XRD dari sampel LiFe0.9Ni0.1PO4/C sudah baik.

4.2Hasil dan Analisa SEM (Scanning ElectronMicroscope )

Pengamatan morfologi pada sampel lembaran katoda LiFe0.9Ni0.1PO4/C dengan variasi suhu pengeringan 60oC, 80oC, 100oC dilakukan dengan menggunakan alat SEM. Pengambilan gambar sampel pada SEM dilakukan dengan perbesaran 1000 kali. Pada pengujian mikrostruktur ini sampel yang di SEM adalah lembaran katoda LiFe0.9Ni0.1PO4/C dengan komposisi 85:5:10 (LiFe0.9Ni0.1PO4/C : AB : PVdF).

(a) Hasil SEM Lembar Katoda pada Suhu Pengeringan 60oC

(c) Hasil SEM Lembar Katoda pada Suhu Pengeringan 100oC

Gambar 4.2 Hasil SEM Lembar Katoda Berupa Komposit Keramik LiFe0.9Ni0.1PO4/C sebagai Filler, PVdF sebagai Binder, dan AB sebagai Zat Aditif

Pada Gambar 4.2 terlihat bahwa semua lembar katoda memiliki morfologi yang sama. Morfologi lembaran katoda terlihat poros, hal ini diperlukan untuk memperluas kontak permukaan antara elektroda dan elektrolit nantinya. Permukaan serbuk filler dan serbuk actylene black tidak tertutupi oleh matriks sepenuhnya, namun tetap terikat satu sama lain. Dari foto analisa SEM diatas terlihat jelas bahwa sebagian besar binder (pengikat) yang menempel diantara serbuk katoda yang merupakan kontak antar partikel dalam suatu material sehingga proses sheet casting dengan metoda doctor blade dapat dikatakan efektif.

Pada sampel dengan suhu pengeringan 60oC dapat dilihat adanya sedikit poros yang dikeringkan selama 30 menit dengan waktu yang sama maka ikatan antarmuka antara binder dan filler tidak optimal, sehingga mengurangi fungsi kerja PVDF sebagai pengikat yang berperan penting dalam memberikan kontak intim antara partikel aditif konduktif untuk meningkatkan konduktifitas elektronik dan ketahanan antarmuka.

Pada suhu pengeringan 80oC memiliki poros yang begitu luas dan banyak. Hal ini diartikan bahwa proses difusi ion lithium antar elektroda lebih baik. Porositas sebanding dengan konduktifitas, jika porositas tinggi maka akan memiliki konduktifitas yang lebih tinggi pula, yang berarti akan lebih banyak area untuk ion lithium mengalir. Namun pada pemberian suhu yang tinggi yaitu suhu pengeringan 100oC lembaran katoda berubah membentuk lapisan lebih tipis, sehingga ikatan antar permukaan partikel dan binder tidak bagus. Akibatnya beban atau tegangan yang diberikan pada lembaran tidak akan terdistribusi secara merata.

4.3 Hasil dan Analisa EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy)

Pengukuran konduktifitas dilakukan dengan menggunakan metoda EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy). Data yang didapat dituangkan dalam grafik cole-cole plot dengan sumbu x adalah tahanan real (Z’) dari lembar katoda sementara sumbu y adalah nilai tahanan dalam bilangan imajiner (Z”). Katoda yang baik akan membentuk pola busur setengah lingkaran (semicirle) yang memotong sumbu x, sehingga didapat nilai tahanan lembar katoda. Impedansi komplek digunakan untuk menguji interaksi antara komponen elektroda dan elektrolit dalam kemampuan migrasi dari elektron dan ioniknya. Jangkauan frekuensi yang diberikan diantara 0,1Hz – 100kHz.

Untuk mendapatkan nilai konduktifitas bahan dilakukan pengukuran Rtot

,maka harus mendapatkan Z’’= 0 dengan cara melakukan ekstrapolasi membentuk

setengah lingkaran. Dari nilai Z’ = Rtot, maka akan didapatkan nilai resistansi bahan (Rb) dan nilai resistansi ion (Rion). Untuk mengetahui konduktifitas elektronik menggunakan resistansi bahan dan konduktifitas ionik menggunakan resistansi ion. Untuk dapat menentukan konduktifitas sampel dapat dihitung dari Persamaan 2.3. (Prihandoko,2008).

4.3.1 Analisis Sifat Konduktifitas pada Suhu Pengeringan 60oC

Gambar 4.3 Grafik Cole-cole Plot untuk Suhu Pengeringan 60oC

Pada Gambar 4.3 memiliki ukuran busur yang besar sehingga menghasilkan resistansi yang besar. Dapat dilihat Rion 585 Ω dan Rbahan 11,4 Ω. Dari grafik diatas pada suhu 60oC menghasilkan konduktifitas 1.1 x 10-5 S/cm. Hasil perhitungan konduktifitas dengan suhu pengeringan 60oC dapat dilihat pada Tabel 4.2.

Tabel 4.2 Hasil Koduktifitas dengan Suhu Pengeringan 60oC

Sampel I t (cm) A (cm2) R (Ω) σ(10-5 S/cm)

Konduktifitas Bahan 0,015 1.88 11,4 7

Konduktifitas Ion 0.015 1.88 585 1,4

Konduktifitas 0.015 1.88 699 1,1

0,00E+00 5,00E+02 1,00E+03 1,50E+03 2,00E+03

0,00E+00 5,00E+02 1,00E+03 1,50E+03 2,00E+03

Z

"(

Ω

)

4.3.2 Analisis sifat konduktifitas pada suhu pengeringan 80oC

Gambar 4.4 Grafik Cole-cole Plot untuk Suhu Pengeringan 80oC

Pada Gambar 4.4 memiliki ukuran busur yang kecil sehingga menghasilkan resistansi yang kecil juga. Dapat dilihat resistansi ion 370 Ω dan resistansi bahan 51,4 Ω. Namun, dari grafik diatas pada suhu pengeringan 80oC menghasilkan konduktifitas yang tinggi sebesar 1.8 x 10-5 S/cm, lebih tinggi daripada pada suhu pengeringan 60 oC. Hal ini menunjukkan bahwa semakin kecil resistansi maka semakin tinggi konduktifitas. Dengan konduktifitas yang tinggi maka transfer ion lithium yang dilewatkan oleh material suatu elektroda semakin bagus. Hasil perhitungan konduktifitas dengan suhu pengeringan 80oC dapat dilihat pada Tabel 4.3.

Tabel 4.3 Hasil Koduktifitas dengan Suhu Pengeringan 80oC

Sampel II t (cm) A (cm2) R (Ω) σ(10-5 S/cm)

Konduktifitas Bahan 0.014 1.88 51,4 14,5

Konduktifitas Ion 0.014 1.88 370 2

Konduktifitas 0.014 1.88 422 1.8

0,00E+00 5,00E+02 1,00E+03 1,50E+03 2,00E+03

0,00E+00 5,00E+02 1,00E+03 1,50E+03 2,00E+03

Z

"

(

Ω

)

4.3.3 Analisis sifat konduktifitas pada suhu pengeringan 100oC

Gambar 4.5 Grafik Cole-cole Plot untuk Suhu Pengeringan 100oC

Pada sampel suhu pengeringan 100oC ini memiliki ukuran busur yang besar dibandingakan pada sampel kedua dan hampir mirip ukuran busurnya dengan sampel pertama. Dapat dilihat resistansi ion 515 Ω dan resistansi bahan 57,9 Ω. Dari grafik diatas pada suhu 100oC menghasilkan konduktifitas 1.4 x 10-5 S/cm. Berbeda dengan proses suhu pengeringan 80oC, konduktifitas material menurun dengan meningkatnya suhu pengeringan. Hasil perhitungan konduktifitas dengan suhu pengeringan dapat dilihat pada Tabel 4.4.

Tabel 4.4 Koduktifitas dengan suhu pengeringan 100oC.

Sampel I t (cm) A (cm2) R (Ω) σ(10-5 S/cm)

Konduktifitas Bahan 0.015 1.88 57,9 13,8

Konduktifitas Ion 0.015 1.88 515 1,5

Konduktifitas 0.015 1.88 573 1,4

0,00E+00 5,00E+02 1,00E+03 1,50E+03 2,00E+03

0,00E+00 5,00E+02 1,00E+03 1,50E+03 2,00E+03

Z

"

(

Ω

)

Grafik konduktifitas terhadap suhu pengeringan diperlihatkan pada Gambar 4.6

Gambar 4.6 Hubungan Suhu Pengeringan dengan Hasil Konduktifitas Total Hasil pengukuran mempertlihatkan bahwa konduktifitas yang tinggi maka transfer ion lithium yang dilewatkan oleh material suatu elektroda dari sampel semakin bagus. Pada Gambar 4.6 menunjukkan konduktifitas yang terbesar pada suhu 80oC, tetapi yang paling kecil ukuran busurnya. Ukuran busur ini sebanding dengan besar resistansi, namun resistansi berbanding terbalik dengan konduktifitas. Dari grafik diatas menunjukkan adanya pola nilai konduktifitas yang menaik pada suhu 80 oC dan menurun pada suhu 100 oC. Besar konduktifitas tertinggi pada suhu 80 oC mencapai 1,8 x 10-5 S/cm. Hal ini mengindikasikan bahwa suhu 80oC merupakan suhu pengeringan maksimal yang baik sehingga tidak merusak material pada lembar katoda. Semakin tinggi suhu pengeringan maka konduktifitas material tinggi pula, namun tidak pada suhu pengeringan 100oC.

Selain itu dari ketiga grafik sampel suhu pengeringan diatas terlihat nilai impedansi Warburg yang ditunjukkan oleh garis lurus dengan kemiringan mendekati 45o pada frekuensi rendah yang menunjukkan keefektifan tahanan dalam transfer muatan ke dan dari elektroda (Prihandoko, 2008). Konduktifitas material LiFe0,9Ni0,1PO4/C ini menunjukkan hasil yang baik jika dibandingkan

dengan konduktifitas elektronik LiNiPO4 ~10 -14 S/cm dan LiFePO4 (10-7 sampai -9

(1,1 ; 60)

(1,8 ; 80)

(1,4 ; 100)

0 0,5 1 1,5 2

0 20 40 60 80 100

σ

(

1

0

-5 S

/c

m

)

4.4 Hasil dan Analisa CV (Cyclic Voltammetry)

Data yang diperoleh dari hasil pengujian cyclic voltammtery (CV) berupa kurva potensial (V) – arus (mA) yang kemudian dikonverversikan ke kurva potensial (V) – kapasitas (mA/g). Pada pengujian cyclic voltammetry, LiFe0.9Ni0.1PO4 /C berperan sebagai katoda yang dipasangkan dengan lithium metal yang berperan sebagai elektroda pembantu pada anoda karena memiliki tegangan yang lebih rendah serta elektrolit yang digunakan adalah LiPF6. Pada saat charging terjadi proses de-interkalasi yaitu ion lithium bergerak dari katoda (LiFe0.9Ni0.1PO4 /C) ke anoda (lithium metal) yang disebut juga proses oksidasi. Sebaliknya pada saat discharging terjadi proses interkalasi, dimana ion lithium bergerak dari anoda (lithium metal) ke katoda (LiFe0.9Ni0.1PO4 /C) yang disebut proses reduksi.

Potensial divariasikan secara sistemastis sehingga zat kimia tersebut mengalami reduksi dan oksidasi pada permukaan elektroda. Arus diukur selama scanning (penyapuan) potensial dari potensial awal 4V ke potensial akhir 2V untuk mendapatkan arus anodik dan kembali ke potensial awal lagi untuk mendapatkan arus katodik. Peak oksidasi terjadi pada grafik yang menghadap keatas dan peak reduksi terjadi pada peak puncak yang menghadap keatas.

Pada saat proses discharging, terjadilah reaksi reduksi pada katoda LiFeNiPO4 yang memenuhi persamaan reaksi :

LiFeNiPO4 + Li+ + e- Li2FeNiPO4 (4.1)

Dan pada saat charging terjadi reaksi oksidasi dengan persamaan :

4.4.1 Analisa Cyclic Voltammetry pada Suhu Pengeringan 60oC

Gambar 4.7 Cyclic Voltammtery pada Suhu Pengeringan 60oC

Pada Gambar 4.7 dilakukan penyapuan positif (scan maju) pada elektroda kerja yang cukup kuat untuk melakukan proses pengoksidasian. Oksidasi terjadi pada arus anodik. Arus anodik meningkat cepat sampai titik Epa sebesar 3,76 V. Arus kemudian menurun ketika telah terjadi oksidasi. Kemudian arah penyapuan berbalik ke negatif untuk scan balik yang cukup kuat pada elektroda kerja untuk melakukan proses pengreduksian. Reduksi terjadi pada arus katodik. Arus katodik meningkat cepat sampai titik Epc sebesar 3,16 V. Arus kemudian menurun ketika telah terjadi reduksi.

Pada sampel ini juga dapat ditentukan jarak antar titik redoks, yang mengidentifikasi cepat atau lambatnya transfer ion lithium dalam elektrolit sehingga dapat mempengaruhi kapasitas spesifiknya. Jarak antara sepasang puncak redoks sebesar 0.6 V. Hal ini menunjukkan reaksi redoks yang berlangsung lambat. Fenomena ini sesuai dengan hasil konduktifitas sampel pada suhu pengeringan 60oC yang paling rendah dibandingkan dengan sampel suhu pengeringan lainnya.

4.4.2 Analisa Cyclic Voltammetry pada Suhu Pengeringan 80oC

Gambar 4.8 Cyclic Voltammtery pada Suhu Pengeringan 80oC

Pada Gambar 4.8 merupakan hasil uji CV pada sampel LiFeNiPO4/C dengan variasi suhu pengeringan 80oC. Dilakukan penyapuan positif (scan maju) pada elektroda kerja yang cukup kuat untuk melakukan proses pengoksidasian. Arus anodik meningkat cepat sampai titik Epa sebesar 3,8 V. Arus kemudian menurun ketika telah terjadi oksidasi. Kemudian arah penyapuan berbalik ke negatif untuk scan balik yang cukup kuat pada elektroda kerja untuk melakukan proses pengreduksian. Arus katodik meningkat cepat sampai titik Epc sebesar 3,38 V. Arus kemudian menurun ketika telah terjadi reduksi.

Untuk range jarak antara peak oksidasi dan reduksi pada sampel ini adalah sebesar 0,42 V. Pada uji CV sampel ini memiliki titik puncak oksidasi dan reduksi yang tinggi dibandingkan dengan sampel suhu pengeringan lainnya. Hal ini terjadi karena memiliki poros yang luas pada hasil SEM sebelumnya, sehingga transfer ion lithium yang terjadi lebih banyak ketika proses uji CV. Dan juga distribusi partikel yang merata pada sampel suhu pengeringan 80 oC ini mempengaruhi transport kinetik ion lithium pada proses interkalasi/deinterkalasi sehingga mempengaruhi peningkatan puncak redoks yang terjadi.

4.4.3 Analisa Cyclic Voltammetry pada Suhu Pengeringan 100oC

Gambar 4.9 Cyclic Voltammtery pada Suhu Pengeringan 100oC

Pada Gambar 4.9 untuk sampel suhu pengeringan 100oC, dilakukan scan maju pada elektroda kerja untuk melakukan proses pengoksidasian. Arus anodik meningkat cepat sampai titik Epa sebesar 3,74 V. Arus kemudian menurun ketika telah terjadi oksidasi. Kemudian arah penyapuan berbalik ke negatif untuk scan balik yang cukup kuat pada elektroda kerja untuk melakukan proses pengreduksian. Arus katodik meningkat cepat sampai titik Epc sebesar 3,2 V. Arus kemudian menurun ketika telah terjadi reduksi.

Dari data CV diatas range jarak antara peak oksidasi dan reduksi pada sampel ini adalah sebesar 0,54 V. Pada sampel ini mengalami peningkatan puncak redoks seiring dengan kenaikan suhu pengeringan, hal ini didukung dengan hasil SEM yang memiliki poros yang tidak begitu luas sehingga menghasilkan stabilitas yang baik tetapi memiliki kapasitas yang rendah. Suhu pengeringan sangat mempengaruhi struktur permukaan yang dihasilkan. Sehingga semakin tinggi suhu pengeringan maka material lembaran katoda mengalami struktur partikel yang rapat. Suhu pengeringan yang tinggi dapat merusak struktur penyusun bahan dan menghasilkan kapasitas yang rendah.

Dari ketiga hasil CV diatas dapat dilihat bahwa siklus yang terjadi pada sampel adalah siklus reversible yaitu dapat kembali. Dapat dilihat juga dari grafik bahwa adanya peak atau puncak oksidasi dan reduksi. Untuk reaksi yang

berlangsung secara reversible, sistem reduksi oksidasi tetap berada dalam keseimbangan selama laju pemindahan potensial terus berlangsung. Dari hasil ketiga kurva CV juga dapat diidentifikasi puncak redoks dari hasil pengujian cyclic voltammetery.

4.5 Hasil dan Analisa CD (Charge/ Discharge)

Pengujian galvanostat charge-discharge bertujuan untuk mengetahui kemampuan suatu material untuk menyimpan energi. Spesifik kapasitas energi atau muatan yang dihasilkan dari pengujian ini dinyatakan dalam satuan mAh/g. Adapun data-data yang diperoleh dari pengujian charge-discharge berupa jumlah cycle, voltage, capacity, efficiency yang nantinya akan dikonversikan ke menjadi kurva kapasitas spesifik (mAh/g) – potensial (V). Pada pengujian charge/discharge digunakan range voltase antara 0 - 4 V.

Dari gambar diatas dapat diamati ketahanan elektroda dalam proses charge/ discharge dengan cycle sebanyak 3 kali. Satu kali cycle adalah sama dengan satu proses charge selama tiga jam (terjadinya reaksi oksidasi, dimana melepaskan ion lithium dan elektron ke anoda) dan satu kali discharge selama tiga jam (terjadinya reaksi reduksi, dimana ion lithium dan elektron masuk ke katoda). Pada penelitian ini nilai spesifik kapasitas yang diambil yaitu kapasitas maksimum pada cycle pertama.

Tabel 4.5 Massa Material Aktif Lembaran Katoda LiFe0.9Ni0.1PO4 /C Sampel (oC) Massa Material Aktif (gr)

60 0,024

80 0,024

4.5.1 Analisa Charge/ Discharge pada suhu pengeringan 60oC

Gambar 4.10 Charge/ Discharge pada Suhu Pengeringan 60oC

Tabel 4.6 Parameter pengujian charge/discharge sel baterai LiFe0.9Ni0.1PO4 /C // LiPF6// Li Metal pada suhu pengeringan 60oC

Parameter Charging Discharging

Tegangan (Volt) 3,5-4,0 3,75-2,5

Kapasitas Spesifik (mAh/g) 21,8 22,7

Penentuan kapasitas spesifik baterai dilakukan dari data terekam yang dihasilkan pada pengukuran charging/ discharging pada Gambar 4.10. Dari grafik proses charging selama 3 jam tegangan sel menaik hingga 4 volt yang merupakan tegangan maksimum baterai saat arus tidak mengalir kembali. Ketika proses charging dihentikan tegangan sel menjadi berkisar 3,5 volt. Profil tegangan menunjukkan sel baterai ketika diisi dengan arus tetap mampu bertahan pada antara tegangan 3,5 – 4 V. Sementara ketika dalam keadaan terbuka tegangan sel baterai menurun dari 3,75 – 2,5 V.

Pada Tebel 4.6 memperlihatkan spesifikasi hasil pengujian charge/ discharge baterai keramik LiFe0.9Ni0.1PO4 /C // LiPF6// Li Metal didapatkan besar kapasitas spesifik charge sebesar 21.8 mAh/g, sedangkan kapasitas spesifik discharge sebesar 22.7 mAh/g dengan tegangan sel menurun sampai 2,5 volt, dimana tegangan baterai tidak dapat mengalirkan arus kembali. Fenomena ini

terjadi sama seperti halnya pada hasil analisa SEM dengan menghasilkan poros yang besar. Hal ini tentu menandakan optimasi ion lithium dalam material baik sehingga dapat berinterkalasi dan de-interkalasi pada host yang kemudian menghasilkan kapasitas spesifik yang besar.

4.5.2 Analisa Charge/ Discharge pada Suhu Pengeringan 80oC

Gambar 4.11 Charge/ Discharge LiFe0.9Ni0.1PO4 /C//LiPF6//Li Metal pada Suhu Pengeringan 80oC

Tabel 4.7 Parameter Pengujian Charge/Discharge Sel Baterai LiFe0.9Ni0.1PO4 /C // LiPF6// Li Metal pada Suhu Pengeringan 80oC

Parameter Charging Discharging

Tegangan (Volt) 3,0 - 4,0 3,75 – 2,0

Kapasitas Spesifik (mAh/g) 25,5 28,3

Pengujian sel baterai dilakukan dengan proses charging dan discharging. Tegangan baterai bergerak dari 3 – 4 V. Sementara ketika dalam keadaan terbuka tegangan sel baterai menurun dari 3,75 – 2 V.

Pada Tebel 4.7 memperlihatkan spesifikasi hasil pengujian charge/ discharge baterai keramik LiFe0.9Ni0.1PO4 /C // LiPF6// Li Metal pada suhu pengeringan 80oC didapatkan besar kapasitas spesifik charge sebesar 25,5 mAh/g, sedangkan kapasitas spesifik discharge sebesar 28,3 mAh/g dengan tegangan sel

menurun sampai 2 volt, dimana tegangan baterai tidak dapat mengalirkan arus kembali. Bila dikaitkan dari analisa EIS, pada katoda LiFe0.9Ni0.1PO4 /C pada suhu pengeringan 80oC ini memiliki konduktifitas yang paling tinggi. Kapasitas baterai sebanding dengan konduktifitas, jika konduktifitas tinggi maka akan memiliki kapasitas baterai yang tinggi pula. Hal ini tentu menandakan optimasi ion lithium dalam material tersebut semakin baik, sehingga sangat jelas katoda LiFe0.9Ni0.1PO4 /C pada suhu pengeringan 80oC dapat memiliki kapasitas spesifik yang paling besar jika dibandingkan dengan suhu pengeringan yang lain.

4.5.3 Analisa Charge/ Discharge pada Suhu Pengeringan 100oC

Gambar 4.12 Charge/ Discharge pada Suhu Pengeringan 100oC

Tabel 4.8 Parameter Pengujian Charge/Discharge Sel Baterai LiFe0.9Ni0.1PO4 /C // LiPF6// Li Metal pada Suhu Pengeringan 100oC

Parameter Charging Discharging

Tegangan (Volt) 3,5-4,0 3,75-2,5

Kapasitas Spesifik (mAh/g) 17,8 18,52

Penentuan kapasitas spesifik baterai dilakukan dari data terekam yang dihasilkan pada pengukuran charging/ discharging pada Gambar 4.12. Dari grafik proses charging selama 3 jam tegangan sel menaik sampai 4 volt yang merupakan tegangan maksimum baterai saat arus tidak mengalir kembali. Profil tegangan

3. Perbesaran 5000 kali

Suhu Pengeringan 60oC Suhu Pengeringan 80oC Suhu Pengeringan 100oC

4. Perbesaran 3000 kali (BSE)

LAMPIRAN G HASIL EIS

a. Suhu 60oC Measurement

Time Frequency Z(ohm) deg(deg) Z'(ohm) Z"(ohm) Vmoni(V) Imoni(A)

8:23:21 10000 3,80E+01 -45,47 2,67E+01 2,71E+01 0,021 5,41E-04

8:23:22 6723 4,72E+01 -45,92 3,29E+01 3,39E+01 0,024 5,03E-04

8:23:23 4520 5,87E+01 -46,35 4,05E+01 4,25E+01 0,027 4,56E-04

8:23:24 3039 7,19E+01 -47,11 4,89E+01 5,27E+01 0,03 4,10E-04

8:23:25 2043 8,89E+01 -48,05 5,95E+01 6,62E+01 0,032 3,62E-04

8:23:27 1374 1,11E+02 -49,46 7,19E+01 8,41E+01 0,035 3,11E-04

8:23:28 923,7 1,39E+02 -49,94 8,96E+01 1,07E+02 0,038 2,68E-04

8:23:29 621 1,76E+02 -49,59 1,14E+02 1,34E+02 0,04 2,24E-04

8:23:31 417,5 2,23E+02 -48,14 1,49E+02 1,66E+02 0,042 1,84E-04

8:23:32 280,7 2,81E+02 -45,72 1,96E+02 2,01E+02 0,043 1,50E-04

8:23:33 188,7 3,48E+02 -42,27 2,57E+02 2,34E+02 0,044 1,24E-04

8:23:34 126,9 4,22E+02 -37,61 3,35E+02 2,58E+02 0,045 1,03E-04

8:23:35 85,32 4,96E+02 -33,28 4,15E+02 2,72E+02 0,043 8,55E-05

8:23:37 57,36 5,67E+02 -28,66 4,98E+02 2,72E+02 0,044 7,63E-05

8:23:38 38,57 6,29E+02 -24,35 5,73E+02 2,59E+02 0,045 6,95E-05

8:23:39 25,93 6,86E+02 -21,05 6,41E+02 2,47E+02 0,045 6,42E-05

8:23:40 17,43 7,37E+02 -18,53 6,99E+02 2,34E+02 0,045 6,00E-05

8:23:41 11,72 7,85E+02 -16,52 7,52E+02 2,23E+02 0,045 5,65E-05

8:23:43 7,88 8,33E+02 -14,88 8,06E+02 2,14E+02 0,046 5,33E-05

8:23:44 5,298 8,75E+02 -13,85 8,49E+02 2,09E+02 0,046 5,08E-05

8:23:46 3,562 9,24E+02 -13,07 9,00E+02 2,09E+02 0,044 4,63E-05

8:23:47 2,395 9,64E+02 -13,19 9,39E+02 2,20E+02 0,044 4,48E-05

8:23:50 1,61 1,02E+03 -13,82 9,89E+02 2,43E+02 0,044 4,28E-05

8:23:52 1,083 1,08E+03 -14,44 1,04E+03 2,68E+02 0,044 4,02E-05

8:23:55 0,728 1,14E+03 -15,65 1,09E+03 3,07E+02 0,043 3,72E-05

8:23:58 0,489 1,22E+03 -17,93 1,16E+03 3,77E+02 0,042 3,36E-05

8:24:02 0,329 1,31E+03 -18,93 1,24E+03 4,24E+02 0,039 2,95E-05

8:24:08 0,221 1,45E+03 -20,34 1,36E+03 5,04E+02 0,038 2,54E-05

b. Suhu 80oC Measurem ent Time

Frequen

cy Z(ohm)

deg(de g) Z'(ohm ) Z"(oh m) Vmoni( V) Imoni( A)

14:13:05 10000

3,15E+

01 -56,7

1,73E+ 01

2,63E+

01 0,019

6,19E-04

14:13:06 6723

4,11E+

01 -57,72

2,20E+ 01

3,48E+

01 0,024

5,72E-04

14:13:07 4520

5,41E+

01 -58,02

2,87E+ 01

4,59E+

01 0,028

5,08E-04

14:13:08 3039

7,11E+

01 -57,84

3,79E+ 01

6,02E+

01 0,031

4,37E-04

14:13:09 2043

9,33E+

01 -56,57

5,14E+ 01

7,78E+

01 0,034

3,65E-04

14:13:11 1374

1,22E+

02 -54,54

7,06E+ 01

9,92E+

01 0,036

2,97E-04 0,00E+00 5,00E+02 1,00E+03 1,50E+03 2,00E+03

0,00E+00 5,00E+02 1,00E+03 1,50E+03 2,00E+03

Z

"(

Ω

)

14:13:15 280,7

2,84E+

02 -34,86

2,33E+ 02

1,62E+

02 0,042

1,47E-04

14:13:17 188,7

3,23E+

02 -28,67

2,83E+ 02

1,55E+

02 0,043

1,30E-04

14:13:18 126,9

3,55E+

02 -23,24

3,27E+ 02

1,40E+

02 0,043

1,19E-04

14:13:19 85,32

3,82E+

02 -18,77

3,62E+ 02

1,23E+

02 0,042

1,08E-04

14:13:20 57,36

4,01E+

02 -15,58

3,86E+ 02

1,08E+

02 0,043

1,04E-04

14:13:21 38,57

4,15E+

02 -14,12

4,02E+ 02

1,01E+

02 0,043

1,02E-04

14:13:23 25,93

4,34E+

02 -13,45

4,22E+ 02

1,01E+

02 0,043

9,79E-05

14:13:24 17,43

4,46E+

02 -13,56

4,34E+ 02

1,05E+

02 0,044

9,55E-05

14:13:25 11,72

4,71E+

02 -14,29

4,56E+ 02

1,16E+

02 0,044

9,05E-05

14:13:26 7,88

5,04E+

02 -16,06

4,85E+ 02

1,39E+

02 0,044

8,52E-05

14:13:28 5,298

5,39E+

02 -17,97

5,12E+ 02

1,66E+

02 0,044

7,92E-05

14:13:29 3,562

5,83E+

02 -18,7

5,52E+ 02

1,87E+

02 0,042

7,02E-05

14:13:31 2,395

6,35E+

02 -19,94

5,97E+ 02

2,17E+

02 0,042

6,43E-05

14:13:33 1,61

6,93E+

02 -21,06

6,46E+ 02

2,49E+

02 0,041

5,84E-05

14:13:40 0,489

9,20E+

02 -26,17

8,25E+ 02

4,06E+

02 0,04

4,19E-05

c. Suhu 100oC Measurement

Time Frequency Z(ohm) deg(deg) Z'(ohm) Z"(ohm) Vmoni(V) Imoni(A)

8:27:19 10000 1,41E+01 -63,08 6,40E+00 1,26E+01 0,011 7,68E-04

8:27:20 6723 1,94E+01 -66,07 7,87E+00 1,77E+01 0,014 7,49E-04

8:27:21 4520 2,66E+01 -67,43 1,02E+01 2,45E+01 0,019 7,08E-04

8:27:22 3039 3,65E+01 -68,07 1,36E+01 3,38E+01 0,023 6,42E-04

8:27:23 2043 5,01E+01 -67,77 1,90E+01 4,64E+01 0,028 5,61E-04

8:27:25 1374 6,91E+01 -66,82 2,72E+01 6,35E+01 0,032 4,62E-04

8:27:26 923,7 9,39E+01 -65,02 3,97E+01 8,51E+01 0,036 3,83E-04

8:27:27 621 1,26E+02 -62,74 5,79E+01 1,12E+02 0,039 3,08E-04

8:27:28 417,5 1,67E+02 -59,53 8,47E+01 1,44E+02 0,041 2,43E-04

8:27:29 280,7 2,18E+02 -55,6 1,23E+02 1,80E+02 0,043 1,92E-04

8:27:31 188,7 2,81E+02 -51,25 1,76E+02 2,19E+02 0,044 1,52E-04

8:27:32 126,9 3,51E+02 -46,23 2,43E+02 2,53E+02 0,044 1,24E-04

0,00E+00 5,00E+02 1,00E+03 1,50E+03 2,00E+03

0,00E+00 5,00E+02 1,00E+03 1,50E+03 2,00E+03

Z

"

(

Ω

)

8:27:40 7,88 7,66E+02 -17,31 7,31E+02 2,28E+02 0,045 5,78E-05

8:27:42 5,298 8,11E+02 -16,8 7,76E+02 2,34E+02 0,045 5,46E-05

8:27:43 3,562 8,57E+02 -17,61 8,17E+02 2,59E+02 0,044 4,98E-05

8:27:45 2,395 9,12E+02 -18,39 8,65E+02 2,88E+02 0,044 4,71E-05

8:27:47 1,61 9,85E+02 -19,59 9,28E+02 3,30E+02 0,044 4,34E-05

8:27:50 1,083 1,07E+03 -21,97 9,91E+02 4,00E+02 0,043 3,99E-05

8:27:52 0,728 1,18E+03 -24,21 1,08E+03 4,84E+02 0,042 3,54E-05

8:27:56 0,489 1,32E+03 -24,92 1,20E+03 5,58E+02 0,042 3,10E-05

8:28:00 0,329 1,46E+03 -28,34 1,29E+03 6,94E+02 0,039 2,64E-05

0,00E+00 5,00E+02 1,00E+03 1,50E+03 2,00E+03

0,00E+00 5,00E+02 1,00E+03 1,50E+03 2,00E+03

Z

"

(

Ω

)