3. Membuat baterai prismatik dengan lembaran anoda MCMB dan LiCoO
2
sebagai katoda, LiPF
6
sebagai elektrolit dan separator
Polyetylene
PE 4.
Pengujian karakterisasi serbuk dilakukan dengan alat
Scanning Electron Microscopy
SEM,
X
-
Ray Difraction
XRD. Sedangkan pengujian performa baterai dilakukan dengan alat
Cyclic Voltamettry
CV dan
Charge-Discharge
CD.
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
Universitas Sumatera Utara
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Baterai
Baterai adalah suatu sel elektrokimia yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Listrik yang dihasilkan oleh sebuah baterai muncul akibat adanya
perbedaan potensial energi listrik dari kedua buah elektrodanya katoda dan anoda. Perbedaan potensial ini dikenal dengan potensial sel atau ggl. Baterai
yang kita gunakan sekarang mempunyai perbedaan yang besar dengan baterai generasi awal. Dari segi konstruksi, baterai generasi awal mempunyai ukuran
yang besar dan mempunyai komponen komponen yang rawan akan kerusakan. Baterai sekarang mempunyai ukuran yang kecil dan sebagian komponennya
padat, sehingga lebih aman. Dari segi kapasitas energi, baterai sekarang mempunyai rasio energi terhadap massa yang jauh lebih besar dibandingkan
baterai generasi awal.
2.1.1 Jenis – Jenis Baterai
Berdasarkan kemampuannya untuk dikosongkan
dischargerd
dan diisi ulang
recharged,
baterai dibagi menjadi dua, yaitu baterai primer dan baterai sekunder. Kemampuan atau ketidakmampuan sebuah baterai untuk diisi ulang terletak pada
reaksi kimiawi dalam baterai tersebut. 1.
Baterai Primer Baterai primer adalah baterai yang tidak dapat diisi ulang. Setelah
kapasitas baterai habis
fully discharged,
baterai tidak dapat dipakai kembali. Beberapa contoh baterai jenis ini adalah baterai Seng-Karbon
Baterai Kering, baterai Alkalin dan baterai Merkuri. 2.
Baterai Sekunder Baterai sekunder adalah baterai yang dapat diisi ulang. Kemampuan diisi
ulang baterai sekunder bervariasi antara 100-500 kali Satu siklus adalah satu kali pengisian dan pengosongan. Beberapa contoh baterai sekunder
Universitas Sumatera Utara
adalah baterai Timbal-Asam Aki, baterai Ni-Cd, baterai Ni-MH, dan salah satu jenis baterai yang saat ini berkembang adalah
Lithium Ion Battery
atau baterai ion lithium.
2.2 Baterai Ion Lithium
Baterai ion lithium merupakan salah satu jenis baterai sumber arus sekunder 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. Kelebihan lainnya yaitu baterai ion
lithium tidak mengalami
memory effect
sehingga dapat diisi kapan saja, waktu pengisian singkat 2- 4 jam karena arus pengisian baterai tertinggi 0,5
– 1 A, laju penurunan efisiansi baterai rendah 5
– 10 per bulan serta lebih tahan lama masa hidup 3 tahun Eriksson, 2001. 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.
Lithium Ion Battery
pada umumnya memiliki empat komponen utama yaitu elektroda negatif anoda, elektroda positif katoda, elektrolit, dan
separator. 1.
Anoda Elektroda Negatif 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 muatanion yang baik, memiliki tingkat siklus pemakaian yang lama, mudah untuk di proses,
aman dalam pemakaian tidak mengandung racun dan harganya murah.
Universitas Sumatera Utara
Salah satu material yang dapat berperan sebagai anoda adalah material yang berbasis karbon seperti grafit LiC
6
. Material aktif lain yang dapat digunakan sebagai anoda antar lain lithium titanium oxide LTO. Material ini aman
dipakai serta memiliki tingkat siklus pemakaian yang cukup lama. Pada Tabel 2.1 memberikan contoh beberapa material yang pernah digunakan sebagai
anoda dengan kapasitas energinya.
Tabel 2.1 Beberapa material yang digunakan untuk anoda
Gritzner, 1993.
Anoda Beda potensial
rata-rata V Kapasitas
Spesific mAhg Energi spesifik
kWhkg
Grafit LiC
6
0,1-0,2 372
0,0372-0,0744
Titanate Li
4
Ti
5
O
12
1-2 160
0,16-0,32
Si Li4, 4Si 0,5-1
4212 2,106-4,212
GeLi4,4Ge 0,7-1,2
1624 1,137-1,949
2. Katoda Elektroda Positif
Katoda merupakan elektroda positif. 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 kerapatan energi yang tinggi, 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. Tabel 2.2 menunjukkan beberapa jenis material yang dapat digunakan untuk katoda dengan besar
kapasitas energinya yang dapat disimpan.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2 Beberapa jenis material yang digunakan untuk katoda
Gritzner, 1993. Material
Beda potensial rata-rata V
Kapasitas spesific
mAhg Energi
spesific kWhkg
LiCoO
2
3,7 140
0,518 LiMn
2
O
4
4,0 100
0,400 LiNiO
2
3,5 180
0,360 LiFePO
4
3,3 150
0,495 LiCo
13
Ni
13
Mn
13
O
2
3,6 160
0,576
3. Elektrolit
Elektrolit merupakan perangkat elektrokimia yang sangat penting dalam suatu baterai. 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. Karakteristik elektrolit yang penting untuk diperhatikan antara lain
konduktivitas ion yang tinggi tetapi konduktivitas elektron yang rendah, viskositas yang rendah, titik leleh yang rendah, titik didih yang tinggi aman
tidak beracun serta harganya murah. 4.
Separator Separator adalah material berpori yang terletak di antara anoda dan
katoda dan diaplikasikan sebagai penjamin faktor keamanan baterai. Material ini berfungsi sebagai
barrier
antara elektroda untuk menjamin tidak terjadinya hubungan pendek yang bisa menyebabkan kegagalan dalam
baterai. Separator dapat berupa elektrolit yang berbentuk gel, atau plastik film
microporous
nanopori, atau material inert berpori yang diisi dengan
Universitas Sumatera Utara
elektrolit cair. Sifat listrik separator ini mampu dilewati oleh ion tetapi juga mampu memblokir elektron, jadi bersifat konduktif ionik sekaligus tidak
konduktif elektron. Subhan, 2011. 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. Persyaratan umum separator yang dapat digunakan untuk baterai ion lithium
dapat di lihat pada Tabel 2.3 Tabel 2.3 Persayaratan umum untuk separator baterai ion lithium
Jun, 2010
Parameter pada separator
Nilai parameter Standar
Ketebalan 25 m
ASTM D5947-96 Hambatan listrik
2 Ωcm
2
US 4.464.238 Ukuran pori
1 m ASTM E 128-99
Porositas ± 40
ASTM E 128-99 Wettabilitas
Basah keseluruhan pada elektrolit
Stabilitas kimia Stabil dalam baterai
untuk penggunaan yang lama.
Penyusutan 5
ASTM D 1204 Titik leleh
Tegangan rusak ±130
C 20 V
Beberapa material yang dapat digunakan sebagai separator antara lain
polyolefins
PE dan PP,
Poly vinylidene fluoride
PVDF, PTFE teflon, PVC, dan
poly ethylene oxide
. Higuchi et al., 1995
Universitas Sumatera Utara
2.2.1 Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium
Reaksi kimia dalam baterai sekunder bersifat reversible, sehingga material tersebut memiliki struktur kristal dengan kemampuan
insertion compound
David, 1994, yaitu material keramik yang mampu menerima dan melepaskan x koefisien
ion lithium per mol A
z
B
y
tanpa mengalami perubahan besar atau kerusakan dalam struktur kristalnya. Kemampuan kapasitas energi yang tersimpan dalam baterai
lithium tergantung pada berapa banyak ion lithium yang dapat disimpan dalam struktur bahan elektrodanya dan berapa banyak yang dapat bergerak dalam proses
c
harge
dan
discharge
, karena jumlah arus elektron yang tersimpan dan tersalurkan sebanding dengan jumlah ion lithium yang bergerak.
Lithium merupakan atom logam alkali yang terdapat pada golongan IA didalam unsur periodik. Atom-atom logam alkali golongan IA memiliki energi
ionisasi yang paling kecil, dimana energi ionisasi merupakan energi yang diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron terluar dari suatu atom. Sehingga
semakin kecil energi ionisasi yang dimiliki suatu unsur maka akan semakin mudah atom tersebut melepaskan elektron. Teori ini yang mendasari bahwajumlah
ion lithium yang bergerak akan sama dengan jumlah elektron yang dihasilkan. Pada proses discharge material anoda akan terionisasi menghasilkan ion
lithium bermuatan positif dan akan bergerak ke dalam elektrolit menuju komponen katoda sementara elektron yang dihasilkan akan dilepas bergerak
melalui rangkaian luar menuju katoda. Ion lithium ini akan masuk kedalam anoda
melalui mekanisme interkalasi seperti pada Gambar 2.1. Saat
charge
akan terjadi aliran ion dan elektron dengan arah kebalikan dari proses
discharge.
Universitas Sumatera Utara
Electrolyte LiPF
6
Charge
Discharge
Separator
Li C
6
LiCoO
2
Gambar 2.1 Proses
charge -discharge
pada baterai ion lithium dengan anoda grafit dan katoda lithium kobalt
Ketika berbicara tentang konduksi ion didalam kristal, hal yang paling penting untuk diperhatikan yaitu struktur host pada materianya. Perpindahan ion
lithium pada material katoda sangat bergantung pada potensial interaksi antara ion lithium dan struktur host material. Model sederhana untuk menentukan difusi ion
dalam berbagai struktur kristal dalap dilihat dalam persamaan berikut W
T
= W
C
+ W
P
+ W
R
2.1 Dimana :
W
T
= Total energi potensial W
C
= Interaksi Coulomb W
P
= Interaksi van der Waals W
R
= Tolakan tumpang tindih antar ion Total energi potensial dari ion menyebar dalam kristal dihitung dan
diasumsikan bahwa perpindahan ion telah terjadi mengikuti jalan total energi minimum sesuai dengan bentuk jalur difusi 1D, 2D, dan 3D.
Reaksi yang terjadi pada sistem baterai lithium merupakan reaksi reduksi dan oksidasi yang terjadi pada katoda dan anoda baterai. Reaksi reduksi adalah
reaksi penambahan elektron oleh suatu molekul atau atom sedangkan reaksi oksidasi adalah reaksi pelepasan elektron pada suatu molekul atau atom. Pada
percobaan ini material yang dipakai pada adalah LiC
6
dan material katoda yang digunakan LiCoO
2
. Maka reaksi yang terjadi
Universitas Sumatera Utara
Charge
Pada anoda : LiC
6
xLi
+
+ xe
-
+ C
6
Discharge Charge
Pada katoda : Li
1-x
CoO2 + xLi
+
+ xe
-
LiCoO
2
Discharge Charge
Reaksi total : LiC
6
+ Li
1-x
CoO2 LixC
6
+ LiCoO
2
Discharge
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
. Potensial tegangan yang terbentuk antara elektroda katoda dan anoda
bergantung pada reaksi kimia reduksi-oksidasi dari bahan elektroda yang dipilih. Beberapa material dapat berfungsi sebagai anoda terhadap material katoda lainnya
jika memiliki potensial Li
+
yang lebih rendah. Contoh, grafit adalah anoda dalam sistem elektroda LiMn
2
O
4
, namun akan berfugsi sebagai katoda saat dipasangkan dengan elektroda Li metal sebagai anodanya. Subhan, 2011. Gambar 2.2
menunjukkan tegangan kerja pada beberapa material.
Gambar 2.2 Tegangan kerja dari beberapa material yang sering digunakan
sebagai elektroda pada baterai lithium Prihandoko, 2015
Universitas Sumatera Utara
2.3 Bahan Anoda Untuk Baterai Ion Lithium
Sebelum munculnya baterai ion lithium, logam lithium digunakan untuk baterai lithium primer. Ketika lithium digunakan sebagai anoda pada baterai lithium
sekunder diperoleh densitas energi yang tinggi, karena lithium murni memiliki spesifik kapasitas yang tinggi. Namun menggunakan bahan ini masih tidak
efesian, alasannya karena bahan yang digunakan yaitu logam lithium yang berbahaya bagi kesehatan. Pada siklus
charge-discharge
, lithium sering terdeposisi menjadi sebuah dendrit. Dendrit pada lithium ini memiliki pori, luas
permukaan yang tinggi, dan sangat reaktif dalam elektrolit organik. Dendrit lithium secara bertahap tumbuh pada siklus baterai digunakan dan menembus
separator setelah beberapa siklus pemakaian. Hal ini akan mengakibatkan arus pendek dan dapat menyebabkan kebakaran atau ledakan. Masalah yang berkaitan
dengan penggunaan logam lithium sebagai anoda dapat diatasi dengan menggunakan bahan paduan sebagai anoda baterai lithium. Bahan yang paling
umum digunakan sebagai anoda yaitu karbon Yueping, 2003. Ada tiga persyaratan dasar untuk bahan anoda :
1. Potensial dari interkalasi dan deinterkalasi dari Li
+
Li harus serendah mungkin
2. Jumlah lithium yang dapat ditampung anoda harus setinggi mungkin
untuk mencapai kapasitas yang tinggi 3.
Host pada anoda harus dapat bertahan pada proses interkalasi dan deinterkalasi ion lithium tanpa adanya kerusakan struktur pada siklus
penggunaan yang relatif panjang. Yueping, 2003
2.3.1 Karbon Sebagai Material Anoda Pada Baterai Ion Lithium
Pada tahun 1990 Sony Corparation berhasil menemukan bahan yang dapat digunakan sebagai anoda yang memiliki tegangan rendah dan
reversible
yaitu karbon. Sebgai pengganti dari bahan anoda yang digunakan sebelumnya. Fauteux
et al, 1993 Karbon grafit ditemukan memiliki dimensi yang stabil untuk proses
interkalasi dan deinterkalasi pada atom lithium. Oleh karena itu, grafit menjadi bahan anoda pilihan untuk baterai lithium. Pada material ini setiap layer
Universitas Sumatera Utara
disisipkan satu atom lithium. Jarak antara layernya adalah 0,335 nanometer. Kepadatan energi secara teori yang dihasilkan dari material ini adalah berkisar
372 Ahkg. Ada ratusan jenis karbon yang tersedia secara komersil, termasuk karbon
alam dan grafit sintesis, karbon hitam, karbon aktif, serat karbon, kokas dan berbagai bahan karbon lainnya. Yueping, 2003. Bahan- bahan anoda karbon
umumnya dikategorikan seperti bagan berikut ini.
Gambar 2.3 Bagan pembagian jenis karbon
Menurut Dahn et al dijelaskan beberapa kelas karbon yang relevan dengan baterai ion lithium. Pertama karbon grafit, biasanya disiapkan dengan
memanaskan karbon tersebut dengan prekursor biasa disebut
soft carbon.
Grafitisasi akan berhasil jika dilakukan
treatment
pada suhu 1300 – 2400
C. Kedua yaitu
hard carbon
dimana karbon ini disebut non-grafit karena bahan ini sulit untuk menjadi grafit walaupun telah diberi
treatment
pada suhu tinggi.
Hard carbon
tidak dapat digunakan sebagai material anoda pada baterai ini disebabkan karena tempat difusi pada
hard carbon
tampak seperti labirin sehingga menyulitkan ion lithium untuk berinterkalasi.Masaki et al, 2009.
Strukturnya karbonnya dapat dilihat pada Gambar 2.4 Dibawah ini
a b
c
Gambar 2.4 a stuktur
soft carbon
b struktur
hard carbon
c Grafit Wakihara, 2001
Hard Carbon
Grafit Sintesis Karbon
Grafit Alam
Soft Carbon
Universitas Sumatera Utara
Untuk membuat bahan menjadi anoda baterai maka diperlukan bahan yang dapat membentuk struktur kristal.
1. Grafit Alam
Grafit alam adalah karbon yang telah memiliki struktur kristal dan tersusun dari atom karbon yang membentuk struktur 3 dimensi 3D.
Material ini dapat kita jumpai di isi pensil yang sering kita pakai untuk menulis. Ketika kita menulis, maka grafit tersebut akan rapuh dan
membuat suatu jenis material lebih sederhana yang dikenal dengan grephene. Struktur dari grafit dan grephene dapat dilihat pada gambar
berikut.
Gambar 2.5 a Struktur grephene berupa lapisan dengan ketebalan 1 atom C
b Struktur grafit yang terdiri dari lapisan grephene Buchmann, 2001 Sekarang grafit alam merupakan salah satu kandidat yang paling
menjanjikan sebgai bahan anoda baterai ion lithium, alasanya karena biaya rendah, potensial listrik rendah,kepadatan energi yang lebih tinggi, dan
kapasitas reversible relatif tinggi 330-350 mAhg. Yoshio, 2009.Grafit memiliki struktur laminar yang sangat baik, dan interkalasi ion lithium
antara lapisan grafit membentuk senyawa Li
x
C
6
. Namun grafit alam memiliki beberapa kekurangan yaitu ketika digunakan sebagai elektroda
negatif dalam baterai lithium ion, grafit alam akan mengalami penurunan kapasitas dan kompatibilitas terhadap elektrolit yang buruk, dimana
molekul elektrolit masuk diantara lapisan grafit selama pengisian
charge
dan akan membentuk SEI Solid Electrolit Interphase pada permukaan grafit. Maka dapat disimpulkan baterai tersebut tidak dapat digunakan
dalam siklus
charge-discharge
yang berkelanjutan. Chin-Wei Shen et al, 2014.
Universitas Sumatera Utara
2. Grafit Sintesis
Grafit sintesis pada dasarnya memiliki sifat yang sama seperti grafit alam. Selain itu, grafit sintesis memiliki kemurnian yang tinggi, memiliki
struktur yang cocok untuk proses interkalasi dan diinterkalasi ion lithium. Namun, grafit sintesis memiliki sebuah kekurangan yaitu struktur
kristalnya berbentuk amorf sehingga untuk membuatnya memiliki struktur kristal menggunakan biaya yang tinggi karena memerlukan perlakuan pada
suhu 2.800 C pada proses grafitisasinya. Yoshio, 2009
2.3.2
Mesocarbon Microbead
MCMB
Mesocarbon microbead
MCMB adalah bagian dari
soft carbon
yang memiliki struktur kristal lebih sedikit dibanding dengan grafit alam.
Mesocarbon microbead
MCMB telah dipelajari oleh Mabuchi et al. Material ini diperoleh dari biji batu- bara, bahan mentah pertama kali dikarbonisasi di
furnance
yang di aliri gas inert Argon,Nitrogen dan di grafitisasi pada suhu berkisar 1200-2800
C. Pada percobaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa MCMB yang
digrafitisasi dengan suhu 1000 C tidak menunjukkan ketergantungan pada
elektrolit yang mengakibatkan tegangannya semakin lama semakin menurun. Dikondisi yang lain, pada saat MCMB di grafitisasi pada suhu tinggi, 2800
C sampel menunjukkan dependence dengan elektrolit. Kinerja siklusnya meningkat
ke kapasitas muatan sebesar 240 mAhg. Besenhard et al, 1998. Langkah penting untuk memperoleh MCMB yang memiliki struktur kristal
yang tinggi adalah kalsinasi pada MCMB pada temperatur tertentu. Tujuan dari kalsinasi ini adalah untuk :
1. Menghilangkan kotoran pelarut yang digunakan selama ekstraksi yang
terperangkap didalam MCMB. 2.
Menyesuaikan jumlah komponen pengikat yang terdapat pada MCMB. Proses kalsinasi ini dapat dilakukan dengan
furnance
yang di aliri gas inert maupun yang tidak dialiri gas inert. Aggrwal et al, 2000
Grafitisasi MCMB memiliki banyak kelebihan bila digunakan sebagai anoda baterai diantara lain : konduktivitas elektronik yang tinggi 10
3
-10
4
S cm
-1
.
Universitas Sumatera Utara
Fabrice, 2010 Packing densitas yang tinggi menjamin densitas energi yang tinggi pula. Luas permukaan yang kecil menurunkan kapasitas ireversible sesuai
dengan dekomposisi elektrolit. MCMB memiliki struktur spinel sehingga ion lithium mudah berinterkalasi dan hal tersebut akan meningkatkan kapasitas
baterai. MCMB dapat dengan mudah menyepar ke Cu-
foil.
Yoshio, 2009. Karakteristik dari
Mesocarbon microbead
MCMB dapat dilihat pada tabel berikut.
Tabel 2.4 Karakterisasi dari
Mesocarbon microbead
MCMB Safety data sheet, June 2010
Karakteristik
Kadar C 99,6
Spesifik kapasitas 345,2 mAhg
Efficiency 93,4
Densitas 1,324 gcm
3
Uap air 0,035
Specific Gravity 1,8-2,1
pH 5,00
– 10,0 Titik leleh
3550 C 6422F
Temp Sintering 1800-2500 K
Warna Hitam
Bau Tidak berbau
2.3.3 Perkembangan
Mesocarbon Microbead
MCMB
Ada berbgai jenis struktur MCMB yang di produksi di pasaran yaitu MCMB tipe Brooks-Taylor, tipe Honda, tipe Kovac-Lewis, dan tipe Huttinger. Dijepang, ada
dua perusahaan utma yang memproduksi MCMB secara besar-besaran yaitu Osaka Gas dan Kawasaki Steel Co Ltd. Produk MCMB mereka termasuk tipe
Brooks-Taylor, secara skematis strukturnya di tunjukkan pada Gambar 2.6 berikut. Yoshio, 2000.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Struktur MCMB tipe Brooks-Taylor
Di indonesia sendiri penegembangan MCMB mulai dilakukan oleh Puslitbang Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan mengembangkan riset
tentang
mesocarbon microbead
MCMB. Gustan Pari dkk telah melakukan riset pembuatan karbon
sphere
dari pati singkong karet racun. Selain ramah lingkungan juga bahan bakunya mudah didapatkan. Tepung singkong racun ini
mampu menghasilkan sphare dengan menghilangkan unsur racunnya terlebih dahulu. Tepung tapioka itu diolah menjadi karbon
sphere
melalui proses hidrotermal karbonisasi dengan suhu tinggi untuk menciptakan pori-pori nano
porous karbon. Syarat utama pembentukan karbon
sphere
ini harus berbentuk kelereng agar dapat menghasilkan energi tinggi. Saat ini riset karbon
sphere
digunakan sebagai pengisi baterai lithium kendaraan berbasis listrik baru sampai pada tahap pemanasan dengan suhu 800
C.
2.4 Bahan Katoda Untuk Baterai Ion Lithium
Bahan katoda untuk baterai ion lithium dirancang untuk mengoptimalkan dua faktor penting, densitas energi dan kapasitas. Densitas energi ditentukan oleh
reversible kapasitas dan tegangan operasional, yang sebagian besar ditentukan oleh bahan intrinsik kimia, seperti pasangan redoks dan konsentrasi maksimum
ion lithium pada bahan aktif. Untuk silkus penggunaan, mobilitas elektron dan ion merupakan faktor utama, meskipun morfologi partikel juga merupakan faktor
penting karena sifat anisotropik dari unsur.
Universitas Sumatera Utara
2.4.1 Lithium Cobalt Oxide LiCoO
2
Sebagian besar baterai ion lithium untuk aplikasi portabel menggunakan katoda berbasis kobalt. Baterai ion lithium kobalt juga dikenal sebagai baterai ion lithium
berkekuatan tinggi karena kepadatan energi yang tinggi. Lithium ion kobalt bila di pasangkan dengan anoda grafit karbon maka akan memiliki beda potensial
sebesar 3,6 V dan beda ptensial ini tiga kali lipat bila dibandingkan dengan NICD atau NiMH yang hanya mempunyai beda potensial 1,2 V Mehul, 2010.
Walaupun sekarang untuk katoda pada baterai ion lithium banyak menggunakan Lithium Iron Phospat, namun Lithium Cobalt Oxide masih
memegang kualitas yang lebih baik, seperti yang dilihatkan pada Tabel 2.5 berikut ini.
Tabel 2.5 Ringkasan spesifikasi baterai Mehul, 2010
Katoda Tipe Baterai
Volume m
3
Massa g
Tegangan V
Arus A
Kapasitas Ah
Lithium Cobalt
Oxide Panasonic
CGR18650E 1.77
47 3,7
4,9 2,55
Lithium Iron
Posphate A123
26650 3,42
70 3,42
3,3 2,30
2.5 Komponen Tambahan Penyusun Anoda Baterai
Semakin besar komposisi bahan aktif mengisi volume baterai, semakin besar pula kekuatan yang diperoleh. Dengan demikian setiap komponen selain dari material
aktif, seperti binder, elektroda Cu-foil dan aditif konduktif harus dikurangi sebanyak mungkin.
2.5.1 Binder PVDF
poly vinylidene fluoride
Binder adalah bagian penting dari formulasi elektroda pada baterai ion lithium karena binder mempertahankan struktur fisik elektroda, tanpa binder elektroda
akan berantakan. Fabrice et al, 2010. Sangat diharapkan bahwa binder memiliki titik leleh yang tinggi, dan struktur komposit dari material aktif dan binder harus
stabil di dalam elektrolit, bahkan di suhu tinggi. Jika binder meggembungkan
Universitas Sumatera Utara
dalam elektrolit melebihi ambang batas, kontak listrik antara material aktif dan anoda akan hilang, maka pada saat itu kapasitas pun akan mengecil. Potensi
kelemahan dari binder yaitu binder mungkin saja melapisi permukaan material aktif. Jadi sangat penting bahwa ion lithium dapat melewati bahan pengikat.
Wilayah amorf di PVDF
poly vinylidene fluoride
adalah matrik yang baik untuk molekul polar, dan ion lithium dapat melewati lapisan tipis PVDF. Tsunemi,K et
al,1983. Akhirnya, jika binder bisa menghantarkan listrik dengan baik, kinerja baterai akan lebih meningkat.
PVDF memiliki properti yang baik, PVDF tidak tereduksi pada potensial rendah 5 mV vs LiLi
+
atau teroksidasi pada potensial tinggi 5 V vs LiLi
+
Fabrice M et al,2010. Karakteristik penting dari PVDF adalah kristalinitasnya. PVDF memiliki beberapa bentuk kristal. XRD menunjukkan bahwa sekitar 50
PVDF memiliki struktur amorf. Tsunemi et al,1983. Gambar 2.7. merupakan struktur dari PVDF dan interaksi PVDF dengan material aktif.
a b
Gambar 2.7. a Struktur PVDF b ilustrasi binder PVDF dengan
material aktif Yoshio, 2000
2.5.2 Zat Aditif
Acetylene Black
Acetylene Black
adalah karbon black yang dihasilkan dari dekomposisi terus menerus gas asetilena.
Acetylene black
terdiri dari partikel karbon black berukuran koloid, dan memiliki sifat unik seperti konduktivitas listrik yang baik, kapasitas
absorpsi yang tinggi, konduktivitas termal yang baik dan lain-lain. Karena karakteristik berikut setiap partikel
acetylene black
terdiri dari 1.
Komposisi kristal yang besar 2.
Membentuk struktur panjang 3.
Memiliki inpuritas yang paling sedikit dari karbon hitam lainnya
Universitas Sumatera Utara
Oleh karena itu
acetylene black
telah digunakan sebagai bahan dasar untuk memproduksi sel baterai kering, serta sebagai zat aditif dalam karet atau plastik
bahan antistatik dan elektrik konduktif yang digunakan dalam berbagai bidang industri, seperti kabel listrik, ban, sabuk, selang, pemanas, cat, perekat dan banyak
alat elektronik lainnya. Penggunaan
acetylene black
didalam baterai memiliki beberapa keunggulan yaitu dari absorpsi yang tinggi dan bersifat konduktif
sehingga
acetylen black
digunakan untuk mempertahankan larutan elektrolit dalam banyak baterai kering dan meningkatkan konduktivitas listrik dari elektroda
baterai. Safety data sheet, 2002 Gambar 2.8 merupakan serbuk Acetylene Black yang digunakan sebagai
bahan zat aditif pembuatan baterai.
Gambar 2.8 Produk
Acetylene black
www.denka.co.jp , diakses 18 Maret 2015
2.5.3 Pelarut DMAC
N-N Dimethyl Acetamide
DMAC adalah pelarut industri yang kuat dan serbaguna yang memiliki kelarutan terhadap bahan organik dan anorganik yang tinggi, titik didih tinggi, titik beku
yang rendah, dan stabilitas yang baik. Selain itu DMAC tidak reaktif dalam reaksi kimia.
DMAC memiliki konstanta dielektrik yang tinggi, DMAC benar-benar larut dalam air, eter, ester, keton dan senyawa aromatik. DMAC umumnya larut
dalam senyawa alifatik tidak jenuh. DMAC kestabilan yang bagus, pada dasarnya DMAC tidak akan mengalami degradasi dan perubahan warna jika dipanaskan
dibawah suhu 350 C.
Universitas Sumatera Utara
2.5.4
Copper F oil
Cu –
F oil
Copper foil
Cu –
Foil
adalah lembaran berwarna kuning keemasan yang digunakan sebagai tempat menempelnya material aktif anoda baterai ion lithium.
Cu –
foil
memiliki densitas 0.54 gm
2
. Komposisi dari Cu –
foil
dapat dilihat pada tabel berikut ini.
Lembaran untuk anoda menggunakan Cu-Foil sebagai substrat anoda memiliki sifat yang lebih baik seperti:
1. Konduktivitas listrik yang lebiih baik dan resistivitas yang kecil
2. Kekuatan mekanik yang lebih baik dan ketangguhan untuk menghindari
hubungan pendek yang disebabkan oleh pertumbuhan dendrit 3.
Kekuatan lapisan yang lebih baik dengan bahan elektroda.
Gambar 2.9
Copper foil
Cu –
foil
www.basiccopper.com , diakses 18 Maret 2015
Lembaran komponen baterai yang telah siap kemudian disusun menjadi sel baterai utuh. Berapa banyak material aktif yang digunakan dalam satu sel
baterai tergantung dari kapsitas baterai yang diinginkan. Penyusunan komponen sel baterai mengenal beberapa bentuk, yaitu silindris, prismatis, kancing dan
kantung, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.11 dibawah ini.
a b
Universitas Sumatera Utara
c d
Gambar 2.10 Bentuk susunan sel baterai lithium ion aKoin; bSilindris;
cKantung; dPrismatis Menhul, 2010
2.6 Perkembangan Baterai Lithium Sebagai Energi Terbarukan
Perkembangan baterai lithium sebagai penyimpan energi semakin banyak digunakan dalam perangkat teknologi yang sifatnya mobile seperti ponsel, laptop,
kamera handycam, alat-alat militer, kendaraan mobil hybrid, bahkan baterai lithium digunakan pada pesawat impulse bertenaga surya yang berasal dari Swiss
yang saat ini sedang menjalankan misi mengelilingi dunia, di 12 penerbangan tanpa bahan bakar. Solar Impluse 2 adalah sebuah proyek untuk mengenalkan
teknologi bersih, merupakan satu dari banyak proyek sebagai inovasi dan teknologi untuk masa depan.
Pesawat terbang Solar Impluse mempunyai 4 partner utama yang semuanya adalah perusahaan besar, diantaranya; ABB, OMEGA, Schindler dan
Solvay. Solar Impluse menggunakan teknologi ―solar cell‖ yang dapat meng-
konversi sumber energi cahaya menjadi muatan listrik yang disimpan dalam baterai lithium. Dari teknologi yang sudah ada pada prototipe sebelumnya HB-
SIA, Solar Impluse HB-SIB membutuhkan pengembangan material baru dan metode kontruksi baru. Perusahaan rekanan Solvay telah menciptakan elektrolit
yang memungkinkan kepadatan energi dari baterai yang meningkat dan keputusan menggunakna serat karbon yang ringan dalam berat daripada yang tampak pada
prototipe SI-1.
Universitas Sumatera Utara
Solar cell atau panel surya pada SI-2 terdapat lebih dari 17.000 sel surya yang mampu mengumpulkan hingga 340 kWh energi surya perhari yang dapat
mewakili oleh luas sekitar 269,5 m
2
dibagian atas sayap sepanjang 72 meter. Energi yang dikumpuklan oleh sel surya disimpan dalam baterai lithium polimer,
yang kepadatan energi dioptimalkan untuk 260 Whkg. Baterai tersebut terisolasi oleh busa high density dan dipasang diempat
nacelles
mesin, dengan sistem untuk mengontrol pengisisan ambang batas dan suhu. Berat baterai total adalah 633 kg
sekitar seperempat dari semua berat pesawat. Mukhlis,2015
2.7 Karakterisasi dan Pengujian