Pembuatan Lembaran Katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan Variasi Suhu Pengeringan

PEMBUATAN LEMBARAN KATODA LiFe

0.7

Mn

0.2

Ni

0.1

PO

4

/C

DENGAN VARIASI SUHU PENGERINGAN

SKRIPSI

MEILIA KRISANTI

110801015

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2015

PEMBUATAN LEMBARAN KATODA LiFe

0.7

Mn

0.2

Ni

0.1

PO

4

/C

DENGAN VARIASI SUHU PENGERINGAN

SKRIPSI

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

MEILIA KRISANTI

1108011015

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, Mei 2015

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 μ “Pembuatan Lembaran Katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/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, MSc. 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. Awan Maghfirah S.Si.,M.Si selaku dosen pembimbing I, Dr. Ir Bambang Prihandoko,M.T selaku dosen pembimbing II di LIPI, Prof. Dr. Eddy Marlianto,M.Sc selaku ketua penguji, Drs. Aditia Warman,M.Si. selaku sekretaris penguji, dan Prof. Dr. Zuriah Sitorus,MS selaku anggota penguji yang telah memberikan kritik, saran, dan arahan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.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. Orangtua dan keluarga tercinta yang selalu memberikan dukungan moral dan spiritual kepada penulis.

5. Khairani Nasution, Shelly Maharani, Suci Purnama Sari, Kartika Sari, Yuni Aulia Umi, Sri Rakhmawati, Leni Daulay dan seluruh mahasiswa Fisika angkatan 2011 yang memberi dukungan dan bantuan.

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

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

proses perkembangan ilmu pengetahuan.

Penulis

DAFTAR ISI

Halaman

Persetujuan i

Pernyataan ii

Penghargaan iii

Abstrak v

Abstract vi

Daftar Isi vii

Daftar Tabel ix

Daftar Gambar x

Daftar Grafik xi

Daftar Lampiran xii

BAB 1. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang 1

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

2.1. Baterai Lithium 5

2.2. Prinsip Kerja Baterai Lithium Ion 8

2.3. Bahan Elektroda 9

2.3.1. Material Katoda 9

2.4. Bahan Pembentuk Lembaran Katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C 12 2.4.1. Polyvinyl Difluoride (PVdF) 13 2.4.2. Zat Aditif Acetylene Black (AB) 14 2.4.3. Pelarut N,N DMAC ( Dimethyl-acetamide) 14 2.5. Karakterisasi Material Aktif dan Lembaran Katoda 15 2.5.1. X-Ray Diffraction (XRD) 15 2.5.2. Scanning ElectronMicroscope (SEM) 16

2.6. Karaterisasi Sel Baterai 16

2.6.1. Electrochemical Impedance Spectrometry (EIS) 16 2.6.2. Cyclic Voltammetry (CV) 17

2.6.3. Charge-Discharge 18

BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian 20

3.2. Peralatan dan Bahan Penelitian 20

3.2.1. Peralatan 20

3.2.1.2 Alat Karakterisasi 21

3.2.2. Bahan 22

3.3. Prosedur Penelitian 22

3.3.1. Diagram Alir Penelitian 23

3.3.2. Tahap Pembuatan Lembaran Katoda 24 3.3.3. Tahap Assembly Baterai Coin Cell 26 BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Analisa XRD Material Aktif LiFe0.7Mn0.2Ni01PO4/C 27 4.2. Hasil Pengujian Morfologi Sampel 29 4.3. Hasil dan Analisa Pengujian EIS 31 4.3.1. Sampel dengan Suhu Pengeringan 60oC 32 4.3.2. Sampel dengan Suhu Pengeringan 70oC 33 4.3.3. Sampel dengan Suhu Pengeringan 80oC 34 4.4. Hasil dan Analisa Pengujian Cyclic Voltammetry (CV) 35 4.4.1. Sampel dengan Suhu Pengeringan 60oC 36 4.4.2. Sampel dengan Suhu Pengeringan 70oC 37 4.4.3. Sampel dengan Suhu Pengeringan 80oC 38 4.5. Hasil dan Analisa Pengujian Charge-Discharge 39 4.5.1. Sampel dengan Suhu Pengeringan 60oC 39 4.5.2. Sampel dengan Suhu Pengeringan 70oC 40 4.5.3. Sampel dengan Suhu Pengeringan 80oC 42

BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan 44

5.2. Saran 44

DAFTAR PUSTAKA 45

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman Tabel

Tabel 2.1. Karakteristik Elektrokimia Dari Beberapa Material Katoda 12 Tabel 2.2. Sifat umum Lithium Hexafluorophosphate 14 Tabel 2.3. Sifat umum Polyvinylidene Difluoride (PVdF) 16 Tabel 2.2. Sifat Fisik dan Kimia Acetylene Black (AB) 14 Tabel 2.5. Sifat umum N,N DMAC (N,N Dimethyl-acetamide ) 17 Tabel 3.1. Kode sampel variasi pemanasan. 25 Tabel 4.1. Material Aktif LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C 28 Tabel 4.2. Hasil pengukuran konduktifitas pada suhu 60oC 32 Tabel 4.3. Hasil pengukuran konduktifitas pada suhu 70oC 33 Tabel 4.4. Hasil pengukuran konduktifitas pada suhu 80oC 34 Tabel 4.5. Massa material aktif lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C 39 Tabel 4.6. Parameter Pengujian charge-discharge 40 sel baterai LiFe0.7Mn0.2Ni0.1Po4/C suhu 60oC

Tabel 4.7. Parameter Pengujian charge-discharge 41 sel baterai LiFe0.7Mn0.2Ni0.1Po4/C suhu 70oC

Tabel 4.8. Parameter Pengujian charge-discharge 42 sel baterai LiFe0.7Mn0.2Ni0.1Po4/C suhu 80oC

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman Gambar

Gambar 2.1. Proses interkalasi pada baterai ion lithium saat 8 charge dan discharge

Gambar 2.2. Tiga model host dari bahan katoda dan anoda 9 Gambar 2.2. Fenomena konduktifitas ionik dan elektronik 10 pada material katoda

Gambar 2.4. Ikatan partikel komposit baterai lithium ion 13 Gambar 2.5. Voltamogram siklik reaksi reduksi-oksidasi 18 Gambar 3.1. Lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C 25 yang telah dikeringkan

Gambar 3.2. Ukuran sel baterai katoda 26

Gambar 3.3. Susunan baterai sekunder berbentuk coin cell 26 Gambar 4.1. Permukaan sampel lembaran katoda 30

LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan perbesaran 1000 kali (a) suhu pengeringan 60oC

(b) suhu pengeringan 70oC dan (c) suhu pengeringan 80oC

Gambar 4.2. Grafik Cole-Cole plot untuk suhu pengeringan 60oC 32 Gambar 4.3. Grafik Cole-Cole plot untuk suhu pengeringan 70oC 33 Gambar 4.4. Grafik Cole-Cole plot untuk suhu pengeringan 80oC 34

Gambar 4.5. Grafik hubungan onduktifitas material katoda dengan variasi 35 suhu pengeringan.

Gambar 4.6. Kurva sel Li//LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan suhu 36 pengeringan 60oC

Gambar 4.7. Kurva sel Li//LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan suhu 37 pengeringan 70oC

Gambar 4.8. Kurva sel Li//LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan suhu 38 pengeringan 80oC

Gambar 4.9. Grafik kapasitas charge-discharge sampel 60oC 40 Gambar 4.10. Grafik kapasitas charge-discharge sampel 70oC 41 Gambar 4.11. Grafik kapasitas charge-discharge sampel 80oC 42

DAFTAR GRAFIK

Nomor Judul Halaman Grafik

Grafik 4.1. Hasil uji identifikasi material aktif katoda 27 LiFe0.7Mn0.2Ni01PO4/C.

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Lampiran Judul Halaman A Perhitungan Komposisi Sampel dan Analisa L1 B Alat-alat Percobaan L5 C Bahan-bahan Percobaan L8 D Sampel Pengujian L9 E Alat Pengujian L10 F Hasil Pengujian XRD L11 G Hasil Uji Konduktifitas Dengan EIS L17 H Hasil Pengujian Charge-Discharge L21

PEMBUATAN LEMBARAN KATODA LiFe

0.7

Mn

0.2

Ni

0.1

PO

4

/C

DENGAN VARIASI SUHU PENGERINGAN

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian pembuatan lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C yang akan digunakan sebagai katoda pada sel baterai lithium ion. Bahan yang dipergunakan adalah serbuk material aktif LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C yang berfungsi sebagai filler, sedangkan bahan polimer polyvynilidene flouride (PVdF) sebagai matrik, bahan aditif konduktif yaitu acetylene black dan pelarut DMAC dengan perbandingan komposisi 85 : 10 : 5. Teknik pembuatan menggunakan metoda

doctor blade. Penelitian dilakukan untuk mendapatkan optimasi suhu pengeringan

dalam pembuatan lembaran katoda dengan melakukan variasi suhu pengeringan 60oC,70oC dan 80oC. Identifikasi fasa yang terbentuk dari serbuk material aktif katoda dilakukan dengan X-ray Diffraction (XRD). Struktur morfologi lembaran dengan SEM. Pengujian performa lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C sebagai sel katoda baterai lithium ion dibentuk dalam coin cell. Dari penelitian ini didapatkan konduktifitas tertinggi yang diukur dengan alat Electrochemical

Impedance Spectroscopy (EIS) adalah 3,1 x 10-5 S/cm dihasilkan dari suhu

pengeringan 80oC. Hasil uji cyclic voltammetry lembaran katoda memiliki siklus

reversible dengan memiliki kemampuan untuk proses oksidasi-reduksi. Pengujian

charge/discharge pada suhu pengeringan 80oC menunjukkan spesifik kapasitas

discharge sebesar 4,1 mAh/g. Sel baterai juga menunjukkan tegangan sel

mencapai 4,4 V.

PREPARATION OF LiFe

0.7

Mn

0.2

Ni

0.1

PO

4

/C CATHODE SHEETS

WITH VARIOUS OF DRYING TEMPERATURE

ABSTRACT

A research on the preparation of LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C cathode sheets wich will

be used as cathode of lithium-ion battery has been conducted. The starting

materials are active material powder of LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C as filler, whereas

the polymer material PVdF as matrix, conductive additives are acetylene black and DMAC solvent with composition ratio of 85 : 10 : 5. The samples were prepared by 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, 70oC and 80oC. Identification phase from the active

material powder of cathode was done by X-ray Diffraction (XRD). Morphological structure sheet with SEM. Testing the performance of the cathode sheets

LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C as cell lithium ion battery cathode formed in the coin cell.

The research showed that the LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C cathode sheets has a highest

conductivity was 3,1 x 10-5 S/cm on drying temperature of 80oC. The test results of

cyclic voltammetry cathode sheets have a reversible cycle with the ability for

oxidation-reduction process. Battery performance was analyzed by

charge/discharge capacity test. The drying temperature of 80°C showed discharge

specific capacity of LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C is 4,1 mAh/g. Battery cells also

showed a cell voltage reached 4.4 V.

Keywords: cathode, lithium battery, conductivity and polyvynilidene fluoride

PEMBUATAN LEMBARAN KATODA LiFe

0.7

Mn

0.2

Ni

0.1

PO

4

/C

DENGAN VARIASI SUHU PENGERINGAN

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian pembuatan lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C yang akan digunakan sebagai katoda pada sel baterai lithium ion. Bahan yang dipergunakan adalah serbuk material aktif LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C yang berfungsi sebagai filler, sedangkan bahan polimer polyvynilidene flouride (PVdF) sebagai matrik, bahan aditif konduktif yaitu acetylene black dan pelarut DMAC dengan perbandingan komposisi 85 : 10 : 5. Teknik pembuatan menggunakan metoda

doctor blade. Penelitian dilakukan untuk mendapatkan optimasi suhu pengeringan

dalam pembuatan lembaran katoda dengan melakukan variasi suhu pengeringan 60oC,70oC dan 80oC. Identifikasi fasa yang terbentuk dari serbuk material aktif katoda dilakukan dengan X-ray Diffraction (XRD). Struktur morfologi lembaran dengan SEM. Pengujian performa lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C sebagai sel katoda baterai lithium ion dibentuk dalam coin cell. Dari penelitian ini didapatkan konduktifitas tertinggi yang diukur dengan alat Electrochemical

Impedance Spectroscopy (EIS) adalah 3,1 x 10-5 S/cm dihasilkan dari suhu

pengeringan 80oC. Hasil uji cyclic voltammetry lembaran katoda memiliki siklus

reversible dengan memiliki kemampuan untuk proses oksidasi-reduksi. Pengujian

charge/discharge pada suhu pengeringan 80oC menunjukkan spesifik kapasitas

discharge sebesar 4,1 mAh/g. Sel baterai juga menunjukkan tegangan sel

mencapai 4,4 V.

PREPARATION OF LiFe

0.7

Mn

0.2

Ni

0.1

PO

4

/C CATHODE SHEETS

WITH VARIOUS OF DRYING TEMPERATURE

ABSTRACT

A research on the preparation of LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C cathode sheets wich will

be used as cathode of lithium-ion battery has been conducted. The starting

materials are active material powder of LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C as filler, whereas

the polymer material PVdF as matrix, conductive additives are acetylene black and DMAC solvent with composition ratio of 85 : 10 : 5. The samples were prepared by 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, 70oC and 80oC. Identification phase from the active

material powder of cathode was done by X-ray Diffraction (XRD). Morphological structure sheet with SEM. Testing the performance of the cathode sheets

LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C as cell lithium ion battery cathode formed in the coin cell.

The research showed that the LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C cathode sheets has a highest

conductivity was 3,1 x 10-5 S/cm on drying temperature of 80oC. The test results of

cyclic voltammetry cathode sheets have a reversible cycle with the ability for

oxidation-reduction process. Battery performance was analyzed by

charge/discharge capacity test. The drying temperature of 80°C showed discharge

specific capacity of LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C is 4,1 mAh/g. Battery cells also

showed a cell voltage reached 4.4 V.

Keywords: cathode, lithium battery, conductivity and polyvynilidene fluoride

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Kebutuhan akan energi terus berkembang seiring dengan kemajuan teknologi dan kebutuhan manusia akan teknologi tersebut. Maka penelitian dan pengembangan terhadap segala sesuatu yang berkaitan dengan sumber energi terus mengalami perkembangan. Pengembangan energi terbarukan baik sebagai pembangkit listrik, transportasi maupun perangkat elektronik membutuhkan perangkat penyimpanan energi berkapasitas besar, ringan , bahan baku mudah diperoleh,ekonomis dan ramah lingkungan.

Baterai lithium merupakan piranti penyimpanan energi yang saat ini banyak menjadi bahan penelitian karena mempunyai kapasitas penyimpanan yang optimal. Baterai lithium mempunyai optimasi pemakaian sampai 80 % dari kemampuannya, ringan, tidak ada memory effect dan tahan lama. (Linden,2002). Pengaplikasian baterai lithium sekarang sering digunakan dalam perangkat elektronik portabel, 57,4% pada ponsel, 31,5% pada komputer notebook dan 7,4% pada kamera. Aplikasi baterai ion Li juga telah dikembangkan pada bidang lainnya, termasuk kendaraan listrik hibrida, aplikasi ruang angkasa, kendaraan militer dan lainnya ( Wu, 2011 ).

Pemilihan material katoda yang tepat sangat penting dalam pembuatan lembaran katoda baterai lithium ion serta perlakuan yang khusus akan dihasilkan baterai lithium dengan kapasitas tinggi, ramah lingkungan dan ekonomis. Baterai lithium yang mudah ditemui saat ini memiliki bahan katoda dari LiCoO2 dan LiMn2O4. LiCoO2 memiliki kapasitas tertinggi ( 275 mAh/g) ( Linden,2002).

Namun demikian, LiCoO2 tidak ramah lingkungan karena mengandung logam berat, mudah menghasilkan gas O2 sehingga mudah terbakar. Hal ini tidak memenuhi syarat untuk diaplikasikan pada kendaraan listrik. Material katoda lainnya yang sedang banyak dilakukan penelitian salah satunya adalah senyawa

phosphate (LiMPO4). Contoh dari senyawa ini adalah LiFePO4. Alasan pemilihan

dibandingkan material katoda lain diantaranya seperti biaya pembuatan lebih murah karena bahan pembentuknya mudah didapatkan dialam, tidak beracun, kapasitas sedang (170 mAh/g), sangat reaktif, densitas energi yang tinggi, dan ramah lingkungan ( Padhi, 2002 ). Namun material katoda LiFePO4 hanya memiliki tegangan sel 3,5 V dan konduktifitas rendah yaitu 10-9 S/cm.Kelemahan ini dapat diatasi dengan melakukan penambahan unsur lain. (Triwibowo,2011)

Senyawa phosphate lainnya adalah LiMnPO4 dan LiNiPO4.Material ini dilaporkan mampu menghasilkan voltase yang tinggi, yaitu masing-masing 4,1 dan 5 V, lebih tinggi dibandingkan LiFePO4 (3.5 V).(Sanusi, 2010). Berdasarkan uraian diatas, dilakukan penelitian pembuatan lembaran katoda dengan variasi suhu pengeringan. Pemilihan material katoda pada penelitian ini yaitu serbuk LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C yang merupakan paduan LiFePO4, LiMnPO4 dan LiNiPO4. Material katoda dengan senyawa LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C berhasil disintesa oleh Elma (2015) melalui metalurgi serbuk. Diharapkan menghasilkan voltase yang cukup tinggi. Dengan tingginya voltase yang dihasilkan dapat mengurangi jumlah baterai yang dibutuhkan. Dalam proses pembuatan lembaran elektroda ada beberapa parameter yang harus diperhatikan seperti komposisi bahan, viskositas slurry,lama pemanasan dan suhu pengeringan. Parameter-parameter ini yang mempengaruhi karakteristik lembaran elektroda.(Padhi,1997)

Dilakukan variasi suhu pengeringan diharapkan dapat diketahui suhu optimal pada proses pembuatan lembaran dan melihat pengaruh suhu terhadap kualitas lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C.Karakterisasi lembaran yang digunakan dalam penelitian ini dengan alat SEM dan untuk mengetahui performa lembaran LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C sebagai katoda baterai lithium ion 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.Perumusan Masalah

Permasalahan penelitian ini adalah untuk mengefisiensikan jumlah baterai lithium ion yang digunakan maka dilakukan pembuatan lembaran katoda dengan material aktif serbuk LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan perlakuan variasi suhu pengeringan.

Sehingga nantinya dihasilkan lembaran katoda yang dapat meningkatkan performa dari sel baterai lithium ion.

1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Mengetahui dan menganalisis serbuk material aktif LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C sebagai bahan baku pembuatan lembaran katoda terhadap tegangan sel baterai lithium ion.

2. Mengetahui dan menganalisis pengaruh suhu pengeringan dalam pembuatan lembaran katoda terhadap karakteristik morfologi lembaran katoda.

3. Mengetahui dan menganalis performa elektrokimia sel baterai pada katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan kurva Electrochemical Impedance Spectrometry, cyclic voltammetry dan charge-discharge.

1.4. Manfaat Penelitian

Penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi yang positif terhadap pengembangan baterai lithium ion diantaranya :

1. Memberikan informasi ilmiah cara pembuatan lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C.

2. Mendapatkan suhu pengeringan optimal pada pembuatan lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C.

3. Memberikan informasi sebagai pengembangan pengetahuan pada penelitian lanjutan khususnya bidang material energi terbarukan.

1.5. Batasan Masalah

Batasan masalah dalam penelitian ini adalah :

1. Variasi suhu pengeringan lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C yaitu 60oC,70oC dan 80oC.

2. Karakterisasi lembaran dilakukan pengujian dengan alat SEM dan uji performa baterai coin cell dengan alat Electrochemical Impedance

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

2.1. Baterai Lithium

Baterai lithium merupakan salah satu jenis baterai sekunder (rechargeable

battery) yang dapat diisi ulang dan merupakan baterai yang ramah lingkungan

karena tidak mengandung bahan yang berbahaya seperti baterai-baterai yg berkembang lebih dahulu yaitu baterai NI-Cd dan Ni-MH. Baterai ini memiliki kelebihan dibandingkan baterai sekunder jenis lain, yaitu memiliki stabilitas penyimpanan energi yang sangat baik ( daya tahan sampai 10 tahun atau lebih), energi densitas tinggi, tidak ada memori efek dan berat yang relatif lebih ringan dibandingkan dengan baterai jenis lain. Sehingga dengan berat yang sama energi yang dihasilkan baterai lithium dua kali lipat dari baterai jenis lain. (Lawrence et al. 1992).

Jenis baterai ini pertama kali diperkenalkan oleh peneliti dari Exxon yang

bernama M. S. Whittingham yang melakukan penelitian dengan judul “Electrical

Energy Storage and Intercalation Chemistry” pada tahun 1970. Beliau

menjelaskan mengenai proses interkalasi pada baterai litium ion menggunakan titanium (II) sulfide sebagai katoda dan logam litium sebagai anoda. Proses interkalasi adalah proses perpindahan ion lithium dari anoda ke katoda dan sebaliknya pada baterai lithium ion. Baterai lithium terdiri elektroda, elektrolit, separator dan terminal/ current collector. Pembagian komponen sel baterai adalah :

1. Elektroda Negatif (Anoda)

Anoda merupakan elektroda negatif yang berkaitan dengan reaksi oksidasi setengah sel yang melepaskan elektron ke dalam sirkuit eksternal. (Subhan,2011). Anoda berfungsi sebagai tempat pengumpulan ion lithium serta merupakan tempat bagi material aktif, dimana lembaran pada anoda biasanya berupa tembaga (Cu foil). Material yang dapat dipakai sebagai anoda harus memiliki karakteristik antara lain memiliki kapasitas energi yang besar, memiliki profil kemampuan menyimpan dan melepas muatan/ion yang baik, memiliki tingkat siklus

pemakaian yang lama, mudah untuk di proses, aman dalam pemakaian (tidak mengandung racun) dan harganya murah. Anoda yang dipilih dalam penelitian ini adalah lithium metal. Lithium metal merupakan bahan anoda ideal untuk baterai isi ulang karena kapasitas secara teoritis memiliki spesifik sangat tinggi 3.86 Ah/g, memiliki tegangan kerja rendah. Selain itu Keuntungan menggunakan logam lithium sebagai anoda adalah pereduksi yang baik, sangat elektropositif, stabilitas mekanik yang baik, dan mudah fabrikasi.( Wakihara.M et al. 1998).

2. Elektroda Positif ( Katoda)

Katoda merupakan elektroda positif, dimana terjadi reaksi setengah sel yaitu reaksi reduksi yan menerima elektron dari sirkuit luar sehingga reaksi kimia reduksi terjadi pada elektroda ini. (Subhan, 2011). Pada dasarnya katoda merupakan elektroda yang fungsinya sama seperti anoda yaitu berfungsi sebagai tempat pengumpulan ion lithium serta merupakan tempat bagi material aktif, dimana lembaran pada katoda biasanya adalah aluminium (Al foil).

Beberapa karakteristik yang harus dipenuhi suatu material yang digunakan sebagai katoda antara lain material tersebut terdiri dari ion yang mudah melakukan reaksi reduksi dan oksidasi, memiliki konduktifitas yang tinggi seperti logam,memiliki kapasitas energi yang tinggi, memiliki kestabilan yang tinggi (tidak mudah berubah strukturnya atau terdegradasi baik saat pemakaian maupun pengisian ulang), harganya murah dan ramah lingkungan. Material yang pertama kali digunakan sebagai katoda adalah LiCoO2, kerapatan energi yang dimilikinya sebesar 140 Ah/kg namun material ini sudah jarang di gunakan karena kestabilannya rendah dan harga relatif mahal. Material lain yang saat ini sedang dikembangkan peneliti sering digunakan sebagai katoda yaitu LiMPO4(M = Fe, Mn, Ni dan Co ) (Subhan,2011).

3. Elektrolit

Elektrolit merupakan material yang bersifat penghantar ionik. Fungsi elektrolit ialah sebagai media untuk mentransfer ion lithium antara katoda dan anoda. Ada beragam jenis elektrolit seperti cair, padat, polimer dan komposit elektrolit. Elektrolit yang banyak digunakan pada baterai lithium adalah elektrolit cair yang terdiri dari garam lithium yang dilarutkan dalam pelarut berair. Hal yang paling

penting dalam suatu elektrolit adalah interaksi antara elektrolit dan elektroda pada baterai. Hubungan dua bahan ini akan mempengaruhi kinerja baterai secara signifikan. (Fadhel, 2009).

Elektrolit yang dipilih dalam penelitian ini adalah LiPF6 (Lithium hexafluorophosphate). Ini adalah bubuk kristal putih. Hal ini digunakan dalam baterai sekunder komersial, sebuah aplikasi yang memanfaatkan kelarutan tinggi dalam pelarut nonpolar.Memiliki densitas 1.5 g/cm3 dan titik leleh 200 oC (392 oF; 473 K).

4. Separator

Separator adalah material berpori yang terletak di antara anoda dan katoda dan diaplikasikan sebagai penjamin faktor keamanan baterai. Karakteristik yang penting untuk dijadikan separator pada baterai yaitu bersifat insulator, memiliki hambatan listrik yang kecil, kestabilan mekanik (tidak mudah rusak), memiliki sifat hambatan kimiawi untuk tidak mudah terdegradasi dengan elektrolit serta memiliki ketebalan lapisan yang seragam atau sama diseluruh permukaan.(Subhan, 2011)

Beberapa material yang dapat digunakan sebagai separator antara lain

polyolefins (PE dan PP), Polyvinylidene fluoride (PVDF), PTFE (teflon), PVC,

dan polyethylene oxide. Pada penelitian ini separator yang digunakan adalah

Polyethylene.Polyethylene memiliki sifat meleleh pada suhu diatas 120-130 oC.

Apabila panas yang dihasilkan didalam baterai melewati ambang batas,

polyethylene akan melelah dan menutup lubang pada separator, mengakibatkan

proses perpindahan lithium ion berhenti. (Patel et al.2003)

5. Current Collector

Alumunium foil pada lembaran katoda dan Cupper foil pada lembaran anoda digunakan sebagai current collector ( pengumpul arus ) pada baterai ion lithium. Alumunium adalah logam yang tahan korosi, konduktor yang cukup baik dan memiliki densitas yang ringan sebesar 2,643 kg/m3. Sedangkan tembaga (Cu) merupakan logam yang memiliki densitas 8,906 kg/m3 dan bersifat konduktor listrik dan panas yang baik. Saat proses discharging, besarnya arus listrik yang mengalir juga dipengaruhi oleh perbedaan standard potensial material elektroda.

Standart potensial pada Alumunium foil pada suhu 25 0C yaitu –1,66 V sedangkan pada Cupper foil sebesar sebesar 0,52 V(Linden,2002)

2.2. Prinsip Kerja Baterai Lithium Ion.

Dalam kondisi charge dan discharge baterai ion lithium bekerja menurut fenomena interkalasi, yaitu proses pelepasan ion lithium dari tempatnya di struktur kristal suatu bahan elektroda dan penyisipan ion lithium pada tempat di struktur kristal bahan elektroda yang lain ( Prihandoko, 2010 ).

Proses interkalasi pada baterai ion lithium saat charge dan discharge dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Proses interkalasi pada baterai ion lithium saat charge dan discharge (Nakanishi, 2014 ).

Selama proses charge baterai, terjadi pergerakan ion lithium dari elektroda positif (katoda) melalui seperator dan elektrolit ke elektroda negatif (anoda). Baterai menyimpan energi selama proses ini (densitas energi). Selama discharge, ion lithium bergerak dari elektroda negatif (anoda) ke elektroda positif (katoda) melalui seperator dan elektrolit, menghasilkan densitas daya pada baterai.

Dalam proses interkalasi elektron mengalir dalam arah yang sama dengan ion di sekitar sirkuit luar. Pergerakan ion dan elektron adalah proses yang saling berhubungan dan jika salah satu dari mereka berhenti maka yang lain juga berhenti.Reaksi yang terjadi pada sistem baterai ion lithium merupakan reaksi reduksi dan oksidasi yang terjadi pada katoda dan anoda baterai. Reaksi reduksi

adalah reaksi penambahan elektron oleh suatu molekul atau atom sedangkan reaksi oksidasi adalah reaksi pelepasan elektron pada suatu molekul atau atom.

2.3. Bahan Elektroda

Pemilihan kombinasi material katoda dan anoda dilakukan sedemikian rupa hingga didapatkan beda potensial yang tinggi. Pemilihan material elektroda dengan kapasitas listrik yang besar sangat diperlukan untuk dapat menghasilkan sel baterai dengan power yang memadai. Mengingat elektron akan dilepaskan/ terima oleh elektroda saat pengoperasian baterai, maka material katoda dan anoda juga harus bersifat elektron konduktif. Berbeda dengan material elektrolit yang merupakan media transfer ion, material ini harus bersifat ion konduktif semata. Sifat terakhir ini diperlukan agar tidak terjadi hubungan pendek antara katoda dan anoda yang menyebabkan terbuangnya energi listrik yang tersimpan berupa panas.

Suatu material elektrokimia dapat berfungsi dengan baik sebagai elektroda anoda maupun katoda bergantung pada pemilihan material yang akan menentukan karakteristik perbedaan nilai tegangan kerja dari kedua material yang dipilih. Untuk memperoleh perbedaan potensial yang besar maka material katoda harus memiliki tegangan kerja yang besar dan material anoda harus memiliki tegangan kerja yang kecil (~0). Keunggulan bahan anoda dan katoda terletak pada stabilitas kristal dalam proses interkalasi. Pada umumnya bahan mempunyai tiga kategori/model dalam melakukan interkalasi, yaitu interkalasi dalam satu dimensi, dua dimensi dan tiga dimensi, seperti Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Tiga model host dari bahan katoda dan anoda (Munshi,1995)

2.3.1. Material Katoda

Dalam teknologi baterai lithium ion, tegangan sel dan kapasitasnya sangat ditentukan oleh bahan katoda yang juga merupakan faktor pembatas dalam laju

migrasi lithium. Untuk setiap berat material katoda, jumlah ion lithium yang dilepaskan material katoda saat charge dan jumlah ion lithium yang kembali dalam waktu tertentu ke material katoda saat discharge menggambarkan densitas energi dan densitas power sel baterai. ( Triwibowo,2011)

Semakin banyak ion Lithium dipindahkan dari katoda ke anoda maka semakin besar pula densitas energi sel baterai. Semakin banyak ion lithium yang kembali ke katoda dari anoda setiap detiknya, maka semakin besar densitas power-nya. Performa/rate capability sel baterai sangat bergantung pada kondisi transfer muatan/charge transfer. Mekanisme ini berkaitan erat dengan proses difusi dan konduktifitas elektronik dan ionik dari komponen pembentuk sel baterai. Berbeda dengan material elektrolit yang semata-mata hanya memfasilitasi ion lithium menyeberang dari katoda ke anoda dan sebaliknya, hingga harus bersifat konduktif ionik saja. ( Triwibowo,2011)

Material katoda tidak saja harus bersifat konduktif ionik, namun juga harus bersifat konduktif elektronik. Saat proses charge ion lithium akan dilepaskan dari kathoda ke anoda melalui elektrolit, dengan begitu katoda harus bersifat konduktif ionik. Bersamaan dengan itu elektron akan dilepaskan melewati rangkaian luar menuju anoda, ini berarti katoda juga harus bersifat konduktif elektronik. Proses ini diilustrasikan pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3. Fenomena konduktifitas ionik dan elektronik pada material katoda ( Park et al.2010 )

Beberapa karakteristik yang harus dipenuhi suatu material yang digunakan sebagai katoda antara lain :

1. Material tersebut terdiri dari ion yang mudah melakukan reaksi reduksi dan oksidasi.

2. Memiliki konduktifitas yang tinggi seperti logam. 3. Memiliki kerapatan dan kapasitas energi yang tinggi.

4. Memiliki kestabilan yang tinggi (tidak mudah berubah strukturnya atau terdegradasi baik saat pemakaian maupun pengisian ulang), harganya murah dan ramah lingkungan. ( Ohzuku.T,1994)

Pada material katoda dikenal struktur NASICON (Na-Super Ionic Conductive), Spinel dan Olivine. Pada struktur NASICON, Li-ion dapat berinterkalasi dalam 2 arah, pada Spinel 3 arah, sementara pada struktur Olivine Li-ion berinterkalasi dalam 1 arah.Bahan katoda konvensional mencakup senyawa lapisan oksida LiMO2 (M adalah logam yang dapat berupa Co, Ni, Mn, dll), senyawa spinel LiM2O4 (M = Mn, dll), dan senyawa olivine LiMPO4 (M = Fe, Mn, Ni, Co,dll). Sebagian besar penelitian yang dilakukan berkisar pada bahan-bahan dan turunannya. (Buchmann,2001)

Material katoda yang sedang banyak dilakukan penelitian salah satunya adalah senyawa phosphate (LiMPO4). Contoh dari senyawa ini adalah LiFePO4. senyawa ini memiliki kestabilan yang baik pada temperature tinggi, relatif lebih murah dibandingkan material katoda lainnya. Senyawa phosphate lainnya adalah LiMnPO4 dan LiNiPO4. Material ini dilaporkan mampu menghasilkan voltase yang tinggi, yaitu masing-masing 4.1 dan 5 V , lebih tinggi dibandingkan LiFePO4 (3.5 V), namun sayangnya memiliki kapasitas energi yg rendah. (Padhi,1997).Berbagai cara dilakukan untuk meningkatkan konduktifitas sekaligus memperbaiki performa baterai, termasuk didalamnya untuk mencapai nilai teoritik kapasitas baterai. Cara yang umum dilakukan diantaranya adalah :

1. Memberikan lapisan karbon pada butir serbuk material katoda/carbon

coating. Dengan cara ini konduktifitas elektronik akan meningkat.

2. Doping dengan elemen hingga terbentuk defects dalam struktur kristal dimana lithium ion dapat dengan mudah berinterkalasi dalam jumlah yang besar kedalam host material.

3. Pemilihan material matriks yang tepat sesuai dengan peruntukannya, apakah konduktif ionik atau elektronik. (Padhi, 1997)

Karakteristik material katoda senyawa phosphate LiMPO4 (M = Fe, Mn, Ni dan Co) dapat dilihat pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Karakteristik Elektrokimia dari beberapa material katoda.

Katoda LiFePO4 LiMnPO4 LiNiPO4 LiCoPO4

Potential (V) 3,5 4 5,1 4,7

Specific capacity ( mAh/g)

169 160 140 170

Konduktifitas ( S/cm)

10-9 <10-10 10-14 10-9

Sumber : (Sanusi,2010)

Penelitian ini memadukan LiFePO4, LiMnPO4 dan LiNiPO4 yang telah disintesis oleh Elma (2015) untuk menghasilkan voltase dan kapasitas energi yang cukup tinggi. Campuran ini diharapkan merupakan salah satu calon kuat bahan katoda baterai litium ion. Dengan tingginya voltase yang dihasilkan dapat mengurangi jumlah baterai yang dibutuhkan.

2.4. Bahan Pembentuk Lembaran Katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C

Sel baterai lithium ion yang dilakukan adalah solid polymer battery. Sel baterai ini dihasilkan dengan membuat komposit yang terdiri dari polimer sebagai matrix dan serbuk katoda sebagai filler. Material komposit merupakan gabungan dari dua material yang memiliki fasa yang berbeda menjadi sebuah material yang baru dengan properties yang lebih baik dari keduanya. (Gibson, 1994)

Material komposit terdiri dari dua bagian utama yang saling menyatu menjadi satu kesatuan yaitu :

1. Matriks, dapat berasal dari logam, keramik, atau polimer. Matriks berfungsi sebagai pengikat dari penguat, melindungi penguat dari kerusakan permukaan, dan juga memisahkan penguat yang satu dengan yang lainnya. Matriks polimer yang digunakan harus bersifat penghantar listrik, memiliki struktur dan senyawa yang stabil terhadap bahan elektroda dan elektrolit. (Gibson, 1994)

yang terdapat dalam komposit. Dengan adanya penambahan penguat pada material komposit maka sifat mekanis dari material komposit tersebut akan meningkat. (Gibson, 1994).

Pada penelitian ini lembaran katoda terdiri dari serbuk LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C sebagai filler, AB sebagai zat aditif, PVdF sebagai matriks polimer, dan DMAC sebagai pelarut.

2.4.1. Polyvinyl Diflouride (PVdF)

Binder adalah bagian penting dari formulasi elektroda pada baterai ion lithium

karena binder mempertahankan struktur fisik elektroda, tanpa binder elektroda akan berantakan. (Liu et al.2009). PVdF adalah polimer saat ini banyak digunakan oleh produsen baterai Li-ion sebagai bahan pengikat, terutama di katoda. PVdF memiliki titik leleh 141oC. Pada suhu tinggi binder meggembungkan dalam elektrolit melebihi ambang batas, kontak listrik antara material aktif dan anoda akan hilang, maka pada saat itu kapasitas pun akan mengecil.

Fungsi kerja PVdF sebagai pengikat berperan penting dalam hal membantu menjaga integritas elektroda, juga memberikan kontak intim antara partikel aditif konduktif untuk meningkatkan konduktifitas elektronik dan peningkatan antarmuka antara binder dan filler. Ikatan antara material aktif, PVdF dan AB dapat dilihat pada Gambar 2.4. PVdF membutuhkan NMP (N Methyl 2-pirolidon) atau DMAC sebagai pelarut kemudiam dicampur dengan bahan penyimpanan lithium aktif seperti grafit, silikon, timah, LiCoO2, LiMn2O4 atau LiFePO4 dan aditif konduktif seperti karbon nanofibers hitam atau karbon. (Liu et al.2009).

2.4.2. Zat aditif Acetylene Black (AB)

Penambahan carbon black pada polimer termoplastik seperti acetylene black dapat menciptakan sebuah material komposit yang memiliki kekuatan yang baik, tetapi juga memiliki konduktifitas listrik yang baik. Jumlah karbon biasanya digunakan adalah di bawah 10% berat dari total massa elektroda. (Liu et al. 2009). Penggunaan acetylene black didalam baterai memiliki beberapa keunggulan yaitu dari absorpsi yang tinggi dan bersifat konduktif sehingga

acetylene black digunakan untuk mempertahankan larutan elektrolit dalam banyak

baterai kering dan meningkatkan konduktivitas listrik dari elektroda baterai. Karakteristik acetylene black dapat dilihat pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Sifat Fisik dan Kimia Acetylene Black (AB) Parameter Nilai Ukuran partikel 0.042 µm Warna Hitam Densitas 1.75 g/cc Titik lebur 116 - 180 °C Modulus elastisitas 0.180 - 7.00 GPa Kristalisasi suhu 12.0 - 146 °C Sumber : (Liu et al. 2009)

2.4.3. Pelarut N,N DMAC (N,N Dimethyl-acetamide )

N-N Dimethylacetamide (DMAC) adalah pelarut yang kuat yang memiliki titik

didih tinggi,titik beku dan stabilitas yang baik. DMAC pada dasarnya netral, pelarut dengan konstanta dielektrik yang tinggi. DMAC adalah pelarut yang mudah menguap, bersifat racun dan dapat menimbulkan iritasi pada kulit dan mata.

Selain itu pelarut DMAC tidak reaktif dalam reaksi kimia dan juga memiliki konstanta dielektrik yang tinggi, DMAC benar-benar larut dalam air, eter, ester, keton, senyawa aromatik dan senyawa alifatik tidak jenuh. DMAC memiliki kestabilan yang bagus, dan tidak akan mengalami degradasi dan perubahan warna jika dipanaskan dibawah suhu 3500C.DMAC memiliki titik leleh 161oC dan memiliki titik beku -20oC .(Delacourt et al. 2006)

2.5. Karakterisasi Material Aktif dan Lembaran Katoda 2.5.1. X-Ray Diffraction (XRD)

Difraksi sinar – X digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal suatu padatan dengan membandingkan nilai jarak d (bidang kristal) dan intensitas puncak difraksi dengan data standar. Sinar- x merupakan radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang sekitar 100 pm yang dihasilkan dari penembakan logam dengan elektron berenergi tinggi. Melalui analisi XRD diketahui dimensi kisi (d = jarak antar kisi) dalam struktur material. Sehingga dapat ditentukan apakah suatu material mempunyai kerapatan yang tinggi atau tidak, dan difraksi sinar-x suatu kristal. Hal ini dapat diketahui dari persamaan Bragg yaitu nilai sudut difraksi yang berbanding terbalik dengan nilai jarak d (jarak antar kisi) dalam kristal. Sesuai dengan persamaan Bragg :

n = βd sin (2.1) dengan : d = jarak antar kristal

= sudut pengukuran (sudut difraksi)

= panjang gelombang sinar-X

n = urutan sinar ( dalam bilangan bulat)

Prinsip dasar dari XRD adalah hamburan elektron yang mengenai permukaan kristal. Bila sinar dilewatkan ke permukaan kristal, sebagian sinar tersebut akan terhamburkan dan sebagian lagi akan di teruskan ke lapisan berikutnya. Sinar yang dihamburkan akan berinterferensi,inilah yang digunakan untuk menganalisis. (Nuffield, 1966)

Difraksi sinar-X hanya akan terjadi pada sudut tertentu sehingga suatu zat akan mempunyai pola difraksi tertentu. Pengukuran kristalinitas relatif dapat dilakukan dengan membandingkan jumlah tinggi puncak pada sudut-sudut tertentu dengan jumlah tinggi puncak pada sampel standar.

Didalam kisi kristal, tempat kedudukan sederetan ion atau atom disebut bidang kristal. Bidang kristal ini berfungsi sebagai cermin untuk merefleksikan sinar-X yang datang. Posisi dan arah dari bidang kristal ini disebut indeks Miller. Setiap kristal memiliki bidang kristal dengan posisi dan arah yang khas, sehingga jika disinari dengan sinar-X pada analisis XRD akan memberikan difraktogram yang khas pula.(Nuffield, 1966)

Dari data XRD yang di peroleh, dilakukan identifikasi puncak-puncak grafik XRD dengan cara mencocokkan puncak yang ada pada grafik tersebut dengan database ICCD. Setelah itu, dilakukan refinement pada data XRD dengan menggunakan metode Analisis Rietveld yang terdapat pada program RIETAN. Melalui refinement tersebut, fase beserta struktur, space group,dan parameter kisi yang ada pada sampel yang diketahui.

2.5.2. Scanning ElectronMicroscope (SEM)

SEM dilakukan untuk melihat keterikatan serbuk,impurity dan porositas dari komposit baterai.Analisa morfologi dari hasil perlakuan panas pada benda uji harus dilakukan untuk melihat sejauh mana proses perekatan komposisi bahan pada lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C. Analisa dilakukan dengan menggunakan alat SEM ( Scanning Electron Microscope).

Prinsip kerja SEM adalah difraksi elektron, yaitu dengan cara menembakkan permukaan benda dengan berkas elektron berenergi tinggi pada permukaan sampel. Kemudian berkas elektron yang mengenai permukaan sampel akan menghasilkan pantulan berupa berkas elektron sekunder yang memancarkan kesegala arah. Berkas elektron sekunder yang memancar kesegala arah ini akan tertangkap oleh detektor. Kemudian informasi dari detektor dilanjutkan ke

transducer yang berfungsi mengubah signal menjadi image. Image yang

tergambar diperoleh dari berkas elektron sekunder yang terpancar secara acak sehingga dapat memberikan informasi morfologi permukaan. (Prihandoko, 2008)

2.6. Karakterisasi Sel Baterai

2.6.1. Electrochemical Impedance Spectrometry (EIS)

Pergerakan elektron dan ionik dalam baterai lithium dapat diamati secara elektrokimia dengan menggunakan metode EIS (Electrochemical Impedance

Spectrometry). Impedansi elektrokimia biasa diukur dengan menggunakan sebuah

tegangan AC(U) pada sebuah sel elektrokimia dan mengukur arus listrik yang melalui sel. Arus massa dalam elektrolit dipengaruhi oleh besaran frekuensi, dimana kontrol kinetik sangat menonjol ketika frekuensi rendah.

Rtot, maka kita harus mendapatkan Z” (Z imajiner) = 0 dengan cara melakukan ekstrapolasi membentuk setengah lingkaran. Impedansi menjelaskan ukuran penolakan terhadap arus bolak balik. Impedansi memperluas konsep resistansi listrik sirkuit AC. Dalam koordinat kartesius,maka

Z = R + jX (2.2)

Dimana bagian nyata dari impedansi adalah resistansi (R) dan bagian imajiner reaktansi (X). Dalam satuan SI adalah ohm.Dari nilai Z = Rtot ini, kita dapat menentukan konduktifitas bahan dengan menggunakan persamaan :

R = ρ (2.3)

dengan

R = Resistivitas bahan (ohm)

ρ = Hambatan jenis bahan (ohm.cm)

t = Tebal bahan (cm)

A = luas penampang bahan (cm2)

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

(2.4) dengan μ σ = konduktifitas (Ω-1

.cm-1)

2.6.2. Voltametri Siklik

Voltametri siklik digunakan untuk mempelajari reaksi khususnya reaksi elektrokimia seperti reaksi redoks. Prinsip dasarnya adalah melihat hubungan antara potensial yang diberikan dan arus yang terukur. Karena sistem ini melibatkan reaksi redoks di anoda dan katoda maka peristiwa reaksi di kedua elektroda tersebut dimonitor pada besarnya arus yang timbul. Kegunaan voltametri siklik adalah informasi kualitatif mengenai mekanisme reaksi dari proses reduksi-oksidasi. Adanya kemungkinan reaksi lain saat reduksi-oksidasi berlangsung dapat dilihat dari voltamogramnya. Perubahan pada voltamogram siklik dapat disebabkan oleh persaingan reaksi kimia untuk produk hasil elektrokimia, ini dapat dijadikan informasi mengenai jalan reaksi.Voltametri siklik diperoleh dengan mengukur arus pada elektroda kerja selama scan

potensial. Arus dapat dianggap sebagai respon sinyal terhadap potensial eksitasi. Voltamogram yang dihasilkan merupakan kurva antara arus (pada sumbu Y ) versus potensial (sumbu X). Saat variasi potensial linear terhadap waktu, sumbu horizontal dapat dianggap sebagi sumbu waktu, seperti yang diberikan Gambar 2.5

Gambar 2.5. Voltamogram siklik reaksi reduksi-oksidasi secara reversible. ( Wang, 2000)

2.6.3. Charge – Discharge

Pengujian sel baterai dilakukan dengan proses charging dan discharging. Untuk mendapatkan performa sebuah baterai maka diperlukan pengujian

charge/discharge sehingga didapatkan kapasitas pada sel baterai. Kapasitas

baterai adalah ukuran muatan yang disimpan suatu baterai, yang ditentukan oleh masa aktif material didalamnya. Kapasitas menggambarkan sejumlah energi maksimum yang dapat dikeluarkan dari sebuah baterai dengan kondisi tertentu. Tetapi kemampuan penyimpanan baterai dapat berbeda dari kapsitas nominalnya, diantaranya karena kapasitas baterai bergantung pada umur dan keadaan baterai, parameter charging - discharging, dan temperatur. Kapasitas baterai ini sering dinyatakan dalam Ampare hours, ditentukan sebagai waktu dalam jam yang dibutuhkan baterai untuk secara kontinu mengalirkan arus atau nilai discharge pada tegangan nominal baterai. Menentukan kapasitas baterai dengan menggunakan persamaan :

C = I x t (2.4) Dimana

C = kapasitas baterai (Ah) I = Kuat arus (Ampere) t = Waktu (hour)

Nilai charging, dalam ampere adalah sejumlah muatan yang diberikan pada baterai persatuan waktu. Sedangkan discharging, dalam ampere adalah sejumlah muatan yang digunakan kerangkaian luar (beban), yang diambil dari baterai. Nilai charge-discharge ditentukan dengan mambagi kapasitas baterai (Ah) dengan jam yang dibutuhkan untuk charging-discharging baterai. Nilai

charging dan discharging berpengaruh terhadap nilai kapasitas baterai. Jika

baterai di discharge sangat cepat (arus discharge tinggi) , maka sejumlah energi yang digunakan oleh baterai menjadi berkurang sehingga kapasitas baterai menjadi lebih rendah. Hal ini dikarenakan kebutuhan suatu materi/ komponen untuk reaksi yang terjadi tidak mempunyai waktu yang cukup untuk bergerak keposisi seharusnya. Hanya sejumlah reaktan yang diubah kebentuk lain, sehingga energi yang tersedia menjadi berkurang. Jadi seharusnya arus discharge yang digunakan sekecil mungkin, sehingga energi yang digunakan kecil dan kapasitas baterai menjadi lebih tinggi.(Triwibowo, 2011)

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 saat baterai digunakan atau diisi. Luas kontak permukaan antar material aktif juga akan memperbesar kapasitas baterai. (Triwibowo,2011)

BAB 3

METODE PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dilakukan pada tanggal 5 Februari 2015 sampai 5 Mei 2015 di Laboratorium Rekaya Material,Pusat Penelitian Fisika (PPF) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Puspiptek Serpong.

3.2. Peralatan dan Bahan Penelitian 3.2.1. Peralatan

Dalam penelitian ini peralatan yang digunakan terdiri dari dua bagian yaitu alat proses dan alat karakterisasi.

3.2.1.1. Alat

1. Gelas ukur (1 buah)

Berfungsi sebagai wadah untuk sampel cairan yang akan ditimbang 2. Sepatula ( 3 buah)

Berfungsi untuk mengambil dan mengaduk bahan. 3. Pipet ukur ( 1 buah)

Berfungsi untuk mengambil bahan berupa cairan. 4. Cawan petri (4 buah)

Berfungsi sebagai wadah sampel bahan. 5. Timbangan digital ( 1 buah)

Berfungsi untuk mengukur massa dari bahan baku. 6. Magnetic stirrer ( 1 buah)

Berfungsi untukmenghomogenkan campuran bahan dengan pengadukan. 7. Hot plate HS 65 ( 1 buah )

Berfungsi untuk memanaskan campuran bahan sehingga mampu mempercepat proses homogenisasi.

8. Mesin coating MSK-AFA-III ( 1 buah) Berfungsi untuk pelapisan slurry pada Al foil 9. Pisau doctor blade (1 buah)

Berfungsi sebagai acuan mengukur ketebalan lembaran katoda. 10.Oven ( 1 buah)

Berfungsi untuk menyimpan lembaran katoda agar tidak terkontaminasi. 11.Jepitan ( 2 buah)

Berfungsi untuk menjepit bahan-bahan yang dibutuhkan. 12.Mesin kalendering

Berfungsi sebagai alat press lembaran agar permukaan material aktif lebih padat

13.Glove box

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

14.MSK-110

Berfungsi untuk merekatkan penutupan koin dengan sempurna. 15.Casing Baterai

Berfungsi sebagai tempat untuk meletakkan lembaran baterai 16.Alat-alat lain

Perlengkapan lain yang digunakan antara lain : penggaris, pisau, tissue, sarung tangan, masker, spidol, kertas label,baki dan lain-lain.

3.2.1.2. Alat Karakterisasi 1. XRD (X-Ray Diffraction)

Berfungsi untuk mengetahui dan menganalisa struktur material aktif katoda LiFe0.7Mn0.2Ni01PO4/C.

2. SEM (Scanning ElectronMicroscope)

Berfungsi mengetahui struktur morfologi dari lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni01PO4/C.

3. EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy)

Berfungsi untuk mengukur konduktifitas lembar katoda LiFe0.7Mn0.2Ni01PO4/C.

4. CV (Cyclic Voltametry)

Berfungsi untuk mengetahui reaksi reduksi dan oksidasi (redoks) dari baterai dengan lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni01PO4/C.

5. Charge/Discharge

Berfungsi untuk mengetahui kapasitas dari baterai dengan lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni01PO4/C.

3.2.2. Bahan

1. Serbuk LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C

Berfungsi sebagai material aktif (bahan katoda) 2. Serbuk Acetylene Black (AB)

Berfungsi sebagai bahan aditif konduktif

3. Serbuk Polyvinylidene difluoride (PVdF) Berfungsi sebagai polimer pengikat (binder)

4. Larutan N,N DMAC (N,N Dimethyl-acetamide ) Berfungsi sebagai pelarut bahan PVdF

5. Lembar Aluminium ( Al- foil)

Berfungsi sebagai lembaran yang digunakan untuk membuat katoda. 6. Lembaran Lithium metal

Berfungsi sebagai anoda pada baterai Lithium 7. Larutan Elektrolit LiPF6

Berfungsi sebagai elektrolit untuk menghantarkan ion Lithium dari anoda ke katoda atau sebaliknya

8. Separator Polyethylene

Berfungsi sebagai material untuk mencegah agar tidak terjadi hubungan singkat dan kontak antara anoda dan katoda.

3.3. Prosedur Penelitian

Dalam penelitian ini dilakukan beberapa tahap kegiatan atau pengerjaan yaitu pembuatan lembaran katoda yang terdiri dari preparasi slurry , sheet casting dengan metoda doctor blade. Pemotongan lembaran, penyusunan hingga menjadi baterai coin cell dan melakukan pengujian karakterisasi untuk mendapatkan sifat-sifat yang diperlukan.

3.3.1. Diagram Alir Penelitian

Hot plate dengan T = 60oC , 300 rpm, t = 15 menit Dicampurkan PVdF dengan pelarut DMAC (6.3 ml)

Hot plate dengan T = 60oC , 300 rpm, t = 120 menit

Ditambahkan sedikit demi sedikit AB dan LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/Chingga homogen

Slurry LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C

Sheet casting dengan metoda doctor blade

Karakterisasi Sel Baterai - Uji CD

- Uji CV - Uji EIS

Dicalendering Lembaran Katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C

Al foil ; kecepatan coating 6;

ketebalan β00 m

Karakterisasi lembaran Uji SEM

Komposisi LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4 (3 gram) : PVdF : AB (85 : 10 : 5)

Dikeringkan suhu 60oC

Assembly baterai coin cell (katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C, Anoda Lithium Metal, elektrolit LiPF6) di Glove Box

Dikeringkan suhu 70oC

Dikeringkan suhu 80oC

3.3.2. Tahap Pembuatan Lembaran Katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C

Urutan kerja pada tahap ini adalah sebagai berikut : 1. Persiapan

Tahapan persiapan meliputi penyiapan semua bahan dan alat yang digunakan. Bahan ditimbang dengan komposisi sebagai berikut :

Perbandingan LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C: AB : PVdF (85:10:5). Untuk 3 gram serbuk LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C ; 0,35 gram serbuk PVdF; 0.17 gram AB dan 6.3 ml DMAC sebagai pelarut matriks. Setelah penimbangan cawan dan beaker glass ditutup dengan plastic foil.

2. Pengadukan

Tahapan ini terdiri dari beberapa langkah, yaitu :

1. Dipanaskan hot plate dan diatur dengan suhu 60oC dengan kecepatan putaran 300 rpm.

2. Diletakkan beaker glass yang berisi DMAC diatas hot plate dan magnetic bar diletakkan didalamnya. Kemudian dimasukkan serbuk PVdF sampai jernih.

3. Dimasukkan serbuk AB sedikit demi sedikit hingga homogen.

4. Dimasukkan serbuk LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C sedikit demi sedikit sampai homogen ± 120 menit hingga menjadi slurry.

3. Pencetakan lembaran / sheet casting

1. Dibersihkan doctor blade dengan menggunakan aceton. Diatur peresisi celah doctor bladedengan ketebalan β00 m dan kecepatan (± 6-7 ) 2. Diletakkan aluminium foil dengan ukuran 30 cm x 15 cm dan

dihidupkan tombol vakum pada Mesin coating MSK-AFA-III sambil dibersihkan aluminium foil dengan aceton menggunakan tissue. Dituang slurry diatas lembaran aluminium foil dan dihidupan tombol run sambil diratakan.

3. Dikeringkan lembaran pada suhu 60oC,70 , dan 80oC pada oven

coating sampai slurry pada lembaran benar-benar kering. Kemudian

sempurna. Penyimpananan lembaran katoda di oven juga bertujuan untuk menjaga bahan tidak terkontaminasi dengan kelembaban udara (bahan air), karena dapat menyebabkan bahan rusak.

Al foil

Slurry

Gambar 3.1. Lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C yang telah dikeringkan

Untuk mencegah kekeliruan dalam penyebutan sampel dengan beberapa perlakuan, maka sampel diberi label/nama seperti dalam tabel 3.1

Tabel 3.1. Kode sampel variasi pemanasan.

Perlakuan Kode sampel Pengeringan 60oC A Pengeringan 70oC B Pengeringan 80oC C

4. Proses calendering

Proses calendering dilakukan untuk dipress agar permukaan material aktif lebih padat. Disini proses calendering dilakukan dengan ketebalan mesin 0,44 mm.

5. Proses Cutting

Lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4 /C kemudian dipotong sesuai dengan ukuran coin cell. Kemudian sepator juga dipotong tetapi melebihi ukuran pada lemaran katoda coin cell sebelumnya agar tidak terjadi hubungan pendek yang dapat menyebabkan kegagalan baterai.

1.55 c

m

Gambar 3.2. Ukuran sel baterai katoda

3.3.3. Tahap Assembly Baterai Coin Cell

Kemudian tahap pembuatan coin cell dengan persiapan casing coin cell lembaran katoda LiFe0.9Ni0.1PO4 /C, anoda litium metal, elektrolit LiPF6, dan separator. Pembuatan coin cell dilakukan didalam glove box. Kemudian baterai coin cell disusun seperti Gambar 3.3. Ditutup casing anoda dan diletakkan baterai koin diatas alat MSK-110 untuk merekatkan penutupan koin dengan sempurna.Diukur dengan multimeter untuk melihat tegangan awal. Dibiarkan minimal 16 jam sebelum di uji dan dikeluarkan dari glove box.

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Analisa XRD Material Aktif LiFe0.7Mn0.2Ni01PO4/C

Analisa XRD (X-ray powder diffraction) berguna untuk karakterisasi struktur material. Berdasarkan hasil XRD dapat diketahui apakah material LiFe0.7Mn0.2Ni01PO4/C yang dibuat dari bahan yang dipilih telah terbentuk. Pada hasil uji XRD yang ditunjukkan pada Grafik 4.1 terlihat bahwa fasa yang terbentuk adalah fasa tunggal yakni LiFePO4. Hasil XRD menunjukkan struktur

kristal yang terbentuk adalah orthorombik (a ≠ b ≠ c ; α = = = λ0o

) dengan

parameter kisi a = 10.γ16 Ǻ , b = 6.01β Ǻ, c = 4.70γ7 Ǻ serta memiliki sudut yang sama α = = = λ0o

. Pada Grafik 4.1 menunjukkan hasil uji identifikasi sampel LiFe0.7Mn0.2Ni01PO4/C.

Grafik 4.1. Hasil uji identifikasi material aktif katoda LiFe0.7Mn0.2Ni01PO4/C.

Sebagaimana terlihat ada 10 puncak yang terjadi dalam proses XRD. Puncak –puncak tersebut merupakan representasi dari senyawa-senyawa yang terdapat pada sampel. Puncak-puncak tersebut diidentifikasi dengan mencocokkan

database.Terdapat 3 puncak terkuat dengan penambahan unsur Mn dan Ni terjadi pergeseran kurva dan pelebaran kurva, dimana nilai dobsyaitu β.5β150 Ǻ, γ.00λ70 Ǻ, dan γ.48860 Ǻ berdasarkan nilai intensitas tertinggi sesuai dengan standard

ICDD (International Center for Diffraction Data) untuk LiFePO4 dengan PDF 4 nomor 01-080-6319 yaitu dref β.51λ74 Ǻ, γ.00γ40 Ǻ, dan γ.48γλ4 Ǻ. Mn dan Ni yang telah didopan mengakibatkan struktur kristal yang dimiliki LiFePO4 semakin kristalin. Hasil identifikasi puncak sampel diringkas pada Tabel 4.1 dan menunjukkan bahwa Mn dan Ni telah berhasil diolah menjadi LiFePO4.

Tabel 4.1. Material Aktif LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C

No. 2 theta (o) dobs (Å) dref (Å) Fasa PDF 4 No. hkl

1. 17.15000 5.16700 5.16000 LiFePO4 01-080-6319 200

2. 20.69500 4.28860 4.27677 LiFePO4 01-080-6319 101

3. 22.68000 3.91700 3.91412 LiFePO4 01-080-6319 210

4. 25.51300 3.48860 3.48394 LiFePO4 01-080-6319 111

5. 29.65800 3.00970 3.00340 LiFePO4 01-080-6319 211

6. 35.57600 2.52150 2.51974 LiFePO4 01-080-6319 311

7. 36.45000 2.46320 2.45787 LiFePO4 01-080-6319 121

8. 39.73000 2.26700 2.26157 LiFePO4 01-080-6319 401

9. 52.51800 1.74110 1.74197 LiFePO4 01-080-6319 222

10. 61.62000 1.50390 1.50763 LiFePO4 01-080-6319 132

Dari hasil puncak-puncak yang terdeteksi hasil XRD menunjukkan dua bidang dengan indeks Miller yang merupakan kelipatan dari indeks miller lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa struktur kristal LiFePO4 yang terbentuk teratur.Dari sampel diatas,menunjukkan fasa yang sama yaitu LiFePO4 bukan LiFe0.9Mn0.2Ni0.1PO4. Hal tersebut dapat terjadi karena pada umumnya penambahan doping tidak akan merubah fasa hanya saja akan terjadi pergeseran puncak jika dibandingkan dengan LiFePO4 yang tidak didoping dengan Mn dan Ni. Pada dasarnya Mn dan Ni yang telah mendoping LiFePO4 terletak didalam struktur fasa tersebut. Dengan basis Fe maka Mn dan Ni telah tersubstitusi kedalam atom Fe. Artinya sebagian atom Fe diganti dengan atom Mn dan Ni. Jadi,

strukturnya sama sehingga fasanya tidak berubah.Berdasarkan Tabel 4.1. menunjukkan bahwa nilai 2 dari hkl [111] sebesar 25.51300, hkl [211] sebesar 29.65800, dan hkl [311] sebesar 35.57600.Dapat disimpulkan bahwa dari data LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C yang didapat ternyata hkl yang sama atau yang serumah yaitu hkl dari [111], hkl [211], dan hkl dari [311]. Karena dari hkl ini terdapat puncak yang paling tinggi dan yang paling tajam dari hkl yang muncul.

4.2. Hasil Pengujian Morfologi Sampel

Analisa SEM dilakukan pada lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C untuk mengetahui struktur morfologi lembaran, distribusi partikel dan porositas. Pengamatan morfologi pada permukaan sampel dilakukan dengan perbesaran 1000 kali menggunakan SEM (Scanning Electron Microscopy) merk Hitachi tipe SU3500 di Pusat Penelitian Fisika-LIPI. Sampel yang diamati adalah sampel dengan variasi suhu pengeringan 60oC, 70oC dan 80oC yang dapat dilihat pada Gambar 4.1.

(a)

(b)

(c)

Gambar 4.1. Permukaan sampel lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan perbesaran 1000 kali (a) suhu pengeringan 60oC (b) suhu pengeringan 70oC dan

(c) suhu pengeringan 80oC

Dari Gambar 4.1 hasil dari SEM dengan perbesaran 1000 kali, dapat dilihat ukuran butir yang tidak beraturan dan poros-poros (pori pada lembaran katoda berfungsi sebagai jalur interkalasi/deinterkalasi ion lithium) yang dimiliki pada morfologi lembaran katoda. Dari ketiga variasi suhu pengeringan pada gambar diatas dapat dibandingkan mengenai distribusi atau sebaran ukuran butir dan poros yang dimiliki pada tiap-tiap sampel. Pada sampel dengan suhu pengeringan 60oC dapat dilihat ketidakberaturan morfologi lembaran katoda,adanya beberapa ukuran butir besar yang berdiri sendiri tetapi tidak dominan dan tidak tersebar secara merata. Ukuran butir yang berbentuk besar akan mempersempit luasan surface area. Selain itu terlihat pada sampel dengan suhu pengeringan 60oC memiliki sedikit poros disebabkabsuhu pengeringan 60oC dengan waktu 15 menit yang sama maka ikatan antarmuka antara binder dan filler tidak optimal, dimana mengurangi fungsi kerja PVdF sebagai pengikat yang berperan penting dalam hal membantu menjaga integritas elektroda, juga memberikan kontak intim antara partikel aditif konduktif untuk meningkatkan konduktifitas elektronik dan peningkatan ketahanan antarmuka.Pada sampel dengan suhu pengeringan 70oC dapat dilihat terjadi hal yang sama dengan sampel suhu pengeringan 60oC, yaitu memiliki morfologi yang tidakberaturan karena adanya beberapa ukuran butir yang besar berdiri sendiri dan tidak tersebar secara

merata,namun memiliki poros yang sedikit lebih banyak dari sampel dengan suhu pengeringan 60oC. Pada sampel dengan suhu pengeringan 80oC dapat dilihat memiliki ukuran butir yang besar yang berdiri sendiri, tetapi lebih sedikit dan distribusi ukuran butir tersebar lebih merata dibandingkan sampel dengan suhu pengeringan 60oC dan 70oC. Sehingga menambah luasan surface area yang lebih besar dan memiliki porositas yang begitu luas dan banyak dibandingkan pada suhu pengeringan 60o C dan 70oC. Hal ini diartikan bahwa proses difusi ion lithium antar elektroda lebih baik. Jika porositas tinggi maka akan memiliki konduktifitas yang lebih tinggi pula, yang berarti akan lebih banyak area untuk ion lithium mengalir.

Pada suhu pengeringan 80oC, bahan akan semakin cepat kering maka partikel bahan semakin homogen, ikatan antarmuka antara binder dan filler lebih baik. Selain itu DMAC yang terkandung dalam bahan akan semakin cepat menguap, sehingga dalam proses penguapan tersebut partikel-partikel bahan akan bergerak dan menyebabkan ikatan antar penyusun menyatu. Hal ini mempengaruhi struktur permukaan lembaran katoda.

4.3. Hasil dan Analisa Pengujian EIS

Pengukuran konduktifitas dilakukan dengan menggunakan metoda EIS

(Electrochemical Impedance Spectroscopy). Data yang didapat ditampilkan dalam

grafik cole-cole plot dimana sumbu x adalah tahanan real(Z’) dari lembar katoda, sedangkan sumbu y adalah nilai tahanan dalam bilangan imajiner (Z’’).

Dengan melihat profil EIS akan dapat dilihat apakah telah membentuk kurva dengan baik. Hasil yang baik akan membentuk pola busur setengah lingkaran (semicirle), dan jika dilihat pada hasil grafik cole-cole plot akan

menunjukkan pola kurva ideal berupa huruf ’S’ terbalik. Gambar 4.2, 4.3 dan 4.4 adalah grafik dari bahan uji dengan variasi suhu pengeringan.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 dapat menentukan konduktifitas sampel dapat dihitung dari persamaan 3.2. (Prihandoko,2008).

4.3.1. Sampel dengan Suhu Pengeringan 60oC

Pengujian konduktifitas untuk sampel dengan suhu pengeringan 60oC diukur dengan metode EIS. Hasil uji dan pengukuran konduktifitas sampel diperoleh pada Gambar 4.2 dan Tabel 4.2.

Gambar 4.2. Grafik cole-cole plot untuk suhu pengeringan 60oC

Pada grafik suhu pengeringan 60oC karakteristik Rb nampak pada data berfrekuensi rendah dan Rion teramati pada frekuensi tinggi .Profil garis lurus

warbug dengan sudut 45oC menunjukkan pola difusi ion telah terjadi. Profil garis

lurus warbug yang ditunjukkan oleh garis 45oC pada frekuensi rendah. Daerah setengah lingkaran Gambar 4.2 menunjukkan terjadinya proses perpindahan ion-ion dan untuk daerah warbug menyatakan terjadinya proses perpindahan muatan pada bidang antarmuka. Dari hasil pengukuran konduktifitas diperoleh nilai konduktifitas pada suhu pengeringan 60oC yaitu 1,4 x 10-5 S/cm.

Tabel 4.2. Hasil pengukuran konduktifitas pada suhu 60oC

t [cm] 8 x 10-3

A [cm2] 1,88

R [Ω] 288

4.3.2. Sampel dengan Suhu Pengeringan 70oC

Hasil pengujian EIS pada sampel dengan suhu pengeringan 70oC dapat lihat pada Gambar 4.3.

Gambar 4.3. Grafik cole-cole plot untuk suhu pengeringan 70oC

Pada grafik suhu pengeringan 70oC karakteristik Rb nampak pada data berfrekuensi rendah dan Rion teramati pada frekuensi tinggi . Nilai Rtot pada sampel 70oC lebih kecil dibandingkan pada sampel dengan suhu pengeringan 60oC. Profil garis lurus melebihi sudut 45oC menunjukkan pola difusi ion warbug lebih efektif. Dari hasil pengukuran konduktifitas diperoleh nilai konduktifitas pada suhu pengeringan 70oC yaitu 1,6 x 10-5 S/cm. Hasil pengukuran konduktifitas sampel diperoleh pada Tabel 4.3.

Tabel 4.3. Hasil pengukuran konduktifitas pada suhu 70oC

t [cm] 8 x 10-3

A [cm2] 1,88

R [Ω] 262

4.3.3. Sampel dengan Suhu Pengeringan 80oC

Hasil pengujian EIS pada sampel dengan suhu pengeringan 80oC dapat lihat pada Gambar 4.4.

Gambar 4.4. Grafik cole-cole plot untuk suhu pengeringan 80oC

Hasil yang diperoleh pada Grafik 4.4 menunjukkan karakteristik Rb pada data berfrekuensi rendah dan Rion teramati pada frekuensi tinggi .Profil garis lurus yang melebihi 45o dengan ~60o pada sampel suhu pengeringan 80oC menunjukkan pola difusi ion warbug yang lebih efektif dibandingkan profil garis lurus sampel suhu pengeringan 60oC dan 70oC meskipun sama-sama terlihat melebihi 45o .Dari hasil pengukuran konduktifitas pada Tabel 4.4 diperoleh 3,1 x 10-5 S/cm dengan nilai jumlah resistansi total yaitu 1γ6 Ω.

Tabel 4.4. Hasil pengukuran konduktifitas pada suhu 80oC

t [cm] 8 x 10-3

A [cm2] 1,88

R [Ω] 136

Konduktifitas [S/cm] 3,1 x 10-5

Pada ketiga bahan memiliki nilai Rtot yang berbeda. Semakin besar nilai Rtot maka konduktifitas bahan semakin kecil dan sebaliknya semakin kecil nilai Rtot

maka semakin besar konduktifitas sampel.Pada bahan pengeringan 80oC memiliki nilai Rtot paling kecil.Grafik hubungan konduktifitas material katoda dengan variasi suhu pengeringan 60oC, 70oC dan 80oC ditampilkan pada Gambar 4.5.

Gambar 4.5. Grafik hubungan konduktifitas material katoda dengan variasi suhu pengeringan

Dan berdasarkan data dari grafik diatas dan pengukuran konduktifitas dari setiap sampel dilihat bahwa konduktifitas optimum terjadi pada suhu pengeringan 80oC yaitu 3,1 x 10-5 S/cm sedangkan konduktifitas minimum terjadi pada suhu pengeringan 60oC yaitu 1,4 x 10-5 S/cm. Pada suhu pengeringan 80oC serbuk material aktif lebih kristalin.Hasil ini juga menguatkan hasil analisa SEM, dimana pada ukuran butir yang kecil akan dapat menyelimuti dengan utuh dan kerapatan ini akan menghasilkan perpindahan ion yang lebih mudah sehingga konduktifitas meningkat, sementara untuk ukuran butir yang besar akan mengakibatkan perpindahan ion atau elektron lebih panjang yang mengakibatkan jarak panjang difusi bertambah sehingga konduktifitas menurun.Namun konduktifitas ini menunjukkan hasil yang baik bila dibandingkan dengan konduktifitas LiFePO4 sebesar 10-7 S/cm sampai 10-9 S/cm (Sanusi.2010)

4.4. Hasil dan Analisa Pengujian Cyclic Voltammetry (CV)

Kurva Cyclic Voltammetry (CV) mempersentasikan proses elektrokimia pada baterai saat proses pengisian dan pemakaian. Kurva CV terdiri dari dua puncak

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

50 60 70 80 90 100

K on d u k tif itas

( x 10

-5 S

/cm

)

yaitu oksidasi pada daerah arus positif dan puncak reduksi pada daerah arus negatif. Aktivasi setengah sel Li//LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C menggunakan metallic

lithium sebagai (-) counter. Aktivasi dilakukan didalam glove box dalam kondisi

inert dengan dialiri gas argon. Dua elektroda dirakit menjadi setengah sel baterai menggunakan sample holder dan separator yang digunakan terbuat dari PP

(Polypropylene). Material elektrolit yang digunakan adalah lithium

hexafluorophosphate (LiPF6). Uji CV dilakukan sebanyak 1 siklus.

Pada saat proses discharging, terjadi reaksi reduksi pada katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C, yang memenuhi persamaan reaksi :

FeMnNiPO4 + xLi+ + xe-→ xLiFeMnNiPO4 + (1-x)LiFeMnNiPO4

Dan pada saat charge terjadi reaksi oksidasi pada katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan persamaan :

LiFeMnNiPO4 - xLi+ - xe-→ xFeMnNiPO4 + (1-x)LiFeMnNiPO4

4.4.1. Sampel dengan Suhu Pengeringan 60oC

Kurva CV untuk sel Li//LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan suhu pengeringan 60oC ditunjukkan pada Gambar 4.6.Reduksi ukuran butiran akan mereduksi jarak difusi Li+ dan luas permukaan yang tinggi akan mempercepat ekstraksi dan penyisipan Li+ selama proses redoks berlangsung.

Tegangan (V)

Gambar 4.6. Kurva sel Li//LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan suhu pengeringan 60oC

A

rus

(

A

Pada gambar kurva dapat diamati adanya reaksi oksidasi dan reduksi yang terjadi pada range 2,3 V sampai 3,6 V, yang ditunjukkan dengan munculnya peak pada grafik. Peak oksidasi terjadi pada grafik yang menghadap keatas dan peak reduksi terjadi pada peak puncak yang menghadap kebawah. Untuk reaksi oksidasi terjadi pada titik puncak X (potensial applied) sebesar 3,6 V dan sumbu Y (current) sebesar 0,39 x 10-4 A. Untuk reaksi reduksi terjadi pada titik puncak X (potensial

applied) sebesar 3,4 V dan sumbu Y (current) sebesar -0,27 x 10-4 A. Pada sampel

ini juga dapat ditentukan jarak antar titik redoks (ΔE) yaitu pemisahan potensial puncak antara puncak oksidasi dan reduksi.Untuk range jarak peak oksidasi dan reduksi pada sampel ini sebesar 0,2 V.

4.4.2. Sampel dengan Suhu Pengeringan 70oC

Kurva CV untuk sel Li//LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan suhu pengeringan 70oC ditunjukkan pada Gambar 4.7. Pada gambar grafik dapat diamati adanya reaksi oksidasi dan reduksi yang terjadi pada range 2,3 V sampai 3,6 V, yang ditunjukkan dengan munculnya peak pada grafik. Untuk reaksi oksidasi terjadi pada titik puncak X (potensial applied) sebesar 3,6 V dan sumbu Y (current) sebesar 0,43 x 10-4 A. Untuk reaksi reduksi terjadi pada titik puncak X (potensial

applied) sebesar 3,4 V dan sumbu Y(current) sebesar -0,34 x 10-4 A. Untuk range

jarak peak oksidasi dan reduksi pada sampel ini sebesar 0,2 V.

Tegangan (V)

Grafik 4.7.Kurva sel Li//LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan suhu pengeringan 70oC

A

ru

s

(

μA

Pada pengujian suhu pengeringan 60oC dan 70oC menampilkan terjadinya reaksi reduksi sebanyak dua kali. Hal ini diasumsikan material mengalami kelebihan interkalasi ion pada host, sehingga mekanisme puncak reaksi reduksi terjadi dua kali.

4.4.3. Sampel dengan Suhu Pengeringan 80oC

Kurva CV untuk sel Li//LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan suhu pengeringan 80oC ditunjukkan pada Gambar 4.8. Pada gambar grafik dapat diamati adanya reaksi oksidasi dan reduksi yang terjadi pada range 3,4 V sampai 3,6 V. Untuk reaksi oksidasi terjadi pada titik puncak X (potensial applied) sebesar 3,6 V dan sumbu

Y (current) sebesar 0,79 x 10-4 A. Untuk reaksi reduksi terjadi pada titik puncak

X (potensial applied) sebesar 3,4 V dan sumbu Y ( current) sebesar -0,75 x 10-4 A. 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. Pada sampel ini jarak yang terbentuk adalah 0,2 V.

Tegangan (V)

Gambar 4.8. Kurva sel Li//LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan suhu pengeringan 80oC

Pada sampel ini mengalami peningkatan puncak redoks, hal ini didukung dengan hasil SEM dimana pada sampel suhu pengeringan memiliki poros yang lebih banyak dibandingkan suhu pengeringan 60oC da 70oC,sehingga transfer ion lithium yang terjadi lebih banyak yang mengalami transfer ketika proses uji CV.

A

rus (

m

A

Dan juga tingkat distribusi ukuran yang lebih merata pada sampel ini mempengaruhi transport kinetik ion lithium pada proses interkalasi/deinterkalasi sehingga mempengaruhi peningkatan puncak redoks yang terjadi.

4.5. Hasil dan Analisa Pengujian Charge-Discharge

Pengujian charge-discharge dilakukan untuk mengetahui kemampuan material katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C untuk menyimpan energi. Kapasitas energi atau muatan dinyatakan dalam satuan mAh/g, dimana setiap nilai kapasitas dibagi massa material aktif dalam gram.Massa material aktif lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dapat dilihat pada Tabel 4.5. Tes charge-discharge dilakukan dengan kepadatan arus konstan. Pada pengujian charge-discharge terjadi proses mekanisme reaksi baterai ion lithium dimana pada saat discharging di katoda, ion berinterkalasi masuk ke host katoda sedangkan saat proses charging terjadi deinterkalasi ion lithium yang artinya ion lithium keluar dari host katoda.Pola rekam proses charge-discharge. Sumbu Y primer adalah arus listrik (mA), sumbu Y sekunder adalah data tegangan (volt), sumbu X adalah satuan waktu dalam detik.

Tabel 4.5. Massa material aktif lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C Sampel (oC) Massa material aktif (gr)

60 0,023

70 0,023

80 0,023

4.5.1. Sampel dengan Suhu Pengeringan 60oC

Penentuan kapasitas baterai dilakukan dari data terekam yang dihasilkan pada pengukuran charge-discharge pada Gambar 4.9. Proses charging dilakukan dengan sumber tegangan kerja adalah 3,5 V. Hasil uji charge-discharge untuk sampel 60oC terlihat pada Gambar 4.9.

Pada cycle pertama menunjukkan kapasitas charge sebesar 0,035 mAh dan kapasitas discharge menunjukkan nilai tertinggi sebesar 0,038 mAh sedangkan kapasitas sel menurun ketika dilakukan pengujian cycle berikutnya.

Pengujian sel baterai pada cycle berikutnya untuk melihat kemampuan isian ulang berikutnya setelah first charging. Kapasitas charge pada cycle kedua sebesar 0,028 mAh dan kapasitas discharge sebesar 0,031 mAh.

Kapasitas ( Ah)

Gambar 4.9. Grafik kapasitas charge-discharge sampel 60oC

Tabel 4.6 memperlihatkan spesifikasi hasil pengujian charge-discharge pada baterai dengan material katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan anoda lithium metal dan Material elektrolit yang digunakan adalah lithium hexafluorophosphate (LiPF6).

Tabel 4.6.Parameter pengujian charge-discharge sel baterai LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C suhu 60oC

Parameter Pengujian Charge Discharge Tegangan [Volt] 4,1 – 4,4 1,75-2

Kapasitas [mAh] 0,035 0,038

Spesifik kapasitas [mAh/g] 1,52 1,65

4.5.2. Sampel dengan Suhu Pengeringan 70oC

Grafik charge-discharge untuk sel LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan suhu pengeringan 70oC ditunjukkan pada Gambar 4.10, menampilkan terjadinya peningkatan kapasitas yang tidak jauh berbeda dari sampel suhu pengeringan 60oC. Pada cycle pertama menunjukkan kapasitas charge sebesar 0,055 mAh dan

A

rus (

m

A

)

Teganga

n

(

V

kapasitas discharge menunjukkan nilai tertinggi sebesar 0,064 mAh sedangkan

cycle berikutnya kapasitas menurun dimana kapasitas charge sebesar 0,04 mAh

dan kapasitas discharge sebesar 0,06 mAh. Nilai kapasitas charge-discharge pada

cycle berikutnya terlihat memiliki nilai range kapasitas yang tidak jauh berbeda

sekitar 0,01-0,02 mAh.Tabel 4.7 memperlihatkan spesifikasi hasil pengujian charge-discharge.

Kapasitas (mAh)

Gambar 4.10. Grafik kapasitas charge-discharge sampel 70oC

Penurunan kapasitas yang terjadi mengindikasikan ion Li+ yang berinterkalasi dan deinterkalasi mengalami jumlah yang terus menurun. Walaupun kapasitas charge pada siklus selanjutnya mengalami penurunan namun jika dilihat pada kapasitas discharge lebih besar dari kapasitas charge. ini berarti efesiensi baterai termasuk baik.

Tabel 4.7.Parameter pengujian charge-discharge sel baterai LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C

suhu 70oC

Parameter Pengujian Charge Discharge Tegangan [Volt] 4,1 – 4,4 1,75-2

Kapasitas [mAh] 0,055 0,064

Spesifik kapasitas [mAh/g] 2,5 2,9

Ar

u

s

(

m

A)

Tengang

an (

V

4.5.3. Sampel dengan Suhu Pengeringan 80oC

Grafik charge-discharge untuk sel LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan suhu pengeringan 80oC ditunjukkan pada Gambar 4.11. Tabel 4.8 memperlihatkan spesifikasi hasil pengujian charge-discharge.

Kapasitas (mAh)

Gambar 4.11. Grafik kapasitas charge-discharge sampel 80oC

Pengujian charge-discharge dilakukan dengan 10 cycle.Pada cycle pertama menunjukkan kapasitas charge sebesar 0,105 mAh dan kapasitas

discharge menunjukkan nilai tertinggi sebesar 0,095 mAh sedangkan cycle kedua

kapasitas menurun dimana kapasitas charge sebesar 0,102 mAh dan kapasitas

discharge sebesar 0,091 mAh. Cycle ketiga menunjukkan kapasitas charge

sebesar 0,092 mAh sedangkan kapasitas discharge sebesar 0,09 mAh.

Tabel 4.8. Parameter Pengujian charge-discharge sel baterai LiFe0.7Mn0.2Ni0.1Po4/C

suhu 80oC

Parameter Pengujian Charge Discharge

Tegangan [Volt] 4,1 – 4,5 2,5

Kapasitas [mAh] 0,105 0,095

Spesifik kapasitas [mAh/g] 4,5 4,13

Pada Grafik 4.11 dapat diamati bahwa nilai kapasitas charge dan discharge pada sampel suhu pengeringan 80oC yang dilakukan 10 cycle memiliki nilai kapasitas

Teganga

n (

V

)

Ar

us

(mA

yang menurun tiap cycle berikutnya dengan perbedaan nilai range kapasitas

discharge 0,01- 0,04 mAh.Dari ketiga sampel dapat diamati bahwa kapasitas

charge-discharge tertinggi adalah sampel dengan suhu pengeringan 80oC, hal ini

sesuai dengan hasil pengujian EIS dimana konduktifitas sampel suhu pengeringan 80oC sebesar 3.1 x 10-5 S/cm. Pada ketiga sampel, sampel suhu pengeringan 60oC dan 70oC memiliki nilai kapasitas yang lebih rendah.Sifat kapasitas yang rendah dikarenakan sifat konduktifitas yang rendah, disebabkan morfologi lembaran katoda yang tidak merata dimana didukung dengan hasil SEM bahwa distribusi ukuran butir yang besar akan mempersempit luasan surface area, hal ini berpengaruh pada saat uji performance dimana luasan surface area yang kecil akan mengurangi kontak dengan elektrolit sehingga sedikit ion lithium yang masuk maupun keluar dari katoda. Selain itu pada suhu pengeringan 80oC dengan waktu yang sama. DMAC yang terkandung dalam bahan akan semakin cepat menguap, sehingga dalam proses penguapan tersebut partikel-partikel bahan akan bergerak dan menyebabkan ikatan antar penyusun menyatu sehingga mempengaruhi porositas lembaran.

BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

1. Pembuatan lembaran katoda baterai lithium ion dengan material aktif katoda, LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C menghasilkan nilai tegangan sel sebesar 4,4 V. Hal ini lebih baik dari Sanusi (2010) dimana LiFePO4/C sebelum dilakukan dopan memiliki tegangan sel sebesar 3,5 V

2. Hasil dari uji performa baterai menunjukkan pengaruh suhu pengeringan menghasilkan nilai konduktifitas dan kapasitas optimum pada sampel dengan suhu pengeringan 80oC yaitu konduktifitas sebesar 3,1 x 10-5 S/cm, nilai spesifik kapasitas discharge sebesar 4,1 mAh/g dan memiliki siklus

reversible pada uji cyclic voltammetry.

5.2. Saran

1. Untuk penelitian lanjutan sebaiknya dilakukan pengujian EDX untuk mengetahui persen komposisi material pada lembaran katoda.

2. Untuk penelitian lanjutan dapat memperkecil ukuran butir serbuk seperti dalam ukuran nano untuk memperbaiki kontak permukaan antar serbuk. 3. Untuk penelitian lanjutan dapat memilih metode sintesis yang tepat dan

mengatur kondisi sintesis yang tepat sehingga diperoleh material aktif dengan ukuran butir yang optimal dan seragam.

LAMPIRAN C

BAHAN-BAHAN PERCOBAAN

Material aktif LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C Serbuk Acetylene Black (AB)

Serbuk PVdF Larutan DMAC (Dimethyl-acetamide)

LAMPIRAN D SAMPEL PENGUJIAN

(a) (b)

(c)

Lembaran katoda LiFe0.7Mn0.2Ni0.1PO4/C dengan (a) suhu pengeringan 60oC (b) suhu pengeringan 70oC (c) suhu pengeringan 80oC

70oC

60oC 80oC

Sampel uji XRD Sampel uji EIS, CV dan CD Sampel uji SEM

LAMPIRAN E ALAT PENGUJIAN

X-Ray Diffraction (XRD) Scanning Electron Microscope (SEM)

Pengujian EIS Pengujian 1.Cyclic voltammetry

LAMPIRAN H

HASIL UJI CHARGE-DISCHARGE

1. Suhu Pengeringan 60oC