Standart potensial pada Alumunium
foil
pada suhu 25 C yaitu
–1,66 V sedangkan pada
Cupper foil
sebesar sebesar 0,52 VLinden,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
Universitas Sumatera Utara
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 kategorimodel 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
Universitas Sumatera Utara
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 :
Universitas Sumatera Utara
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 LiMO
2
M adalah logam yang dapat berupa Co, Ni, Mn, dll, senyawa spinel LiM
2
O
4
M = Mn, dll, dan senyawa olivine LiMPO
4
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
LiMPO
4
. Contoh dari senyawa ini adalah LiFePO
4
. senyawa ini memiliki kestabilan yang baik pada temperature tinggi, relatif lebih
murah dibandingkan material katoda lainnya. Senyawa
phosphate
lainnya adalah LiMnPO
4
dan LiNiPO
4
. Material ini dilaporkan mampu menghasilkan voltase yang tinggi, yaitu masing-masing 4.1 dan 5 V , lebih tinggi dibandingkan
LiFePO
4
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
Universitas Sumatera Utara
Karakteristik material katoda senyawa phosphate LiMPO
4
M = Fe, Mn, Ni dan Co dapat dilihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Karakteristik Elektrokimia dari beberapa material katoda. Katoda
LiFePO
4
LiMnPO
4
LiNiPO
4
LiCoPO
4
Potential
V 3,5
4 5,1
4,7
Specific capacity
mAhg 169
160 140
170
Konduktifitas Scm
10
-9
10
-10
10
-14
10
-9
Sumber : Sanusi,2010
Penelitian ini memadukan LiFePO4, LiMnPO
4
dan LiNiPO
4
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 LiFe