Pengaruh Pelapisan Karbon pada Bahan Aktif Anoda Na2Li2Ti6O14
LAMPIRAN A
1. Perhitungan komposisi bahan :
2LiOH.H2O + 6TiO + Na2CO3 Na2Li2Ti6O14 + CO2 + 2H2O + H2 Massa atom relativ unsur
Ar Na : 22.989 Li : 7 Ti : 47.867 O : 15.9994 H : 1 C : 12.0107
Mr LiOH.H2O : 41.9988 TiO2 : 79.8658 Na2CO3 : 105. 9707 Na2Li2Ti6O14 : 547.1716
� � � �.�2 2 � � �.�2
= 60 � �2 �2 ��2 14
Massa LiOH.H2O =
2� � �.�2 � 60 �
�2 �2 ��2 14
= 2 � 41.9988 547 .1716� 60 � = 9.21074 gr
� � ��
6 � �� =
60 �
�2 �2 ��2 14
Massa TiO2 =
6 � �� 2� 60 �
�2 �2 ��2 14
= 6 � 79.8658 547 .1716� 60 � = 52.54602 gr
(2)
� � �2� 3
6 � �2� 3
= 60 � �2 �2 ��2 14
Massa Na2CO3 =
1 � �2� 3� 60 �
�2 �2 ��2 14
= 1 � 105 .9707 547 .1716� 60 � = 11.6202 gr
2. Perbandingan komposisi bahan NaLTO : PVDF : AB (8:1:1 / 2 gr) 12 : 1 – A1
10 : 1 – A2 8 : 1 – A3
Non- coating – A4
8:1:1 ( NaLTO : PVDF : AB)
2 gr : 0,25 gr : 0,25 gr tiap komposisi di tambah DMAC sebanyak 7 gr .
3. Perhitungan massa lembaran bahan NaLTO Massa Cu foil = 0,0234 gr
Sampel Massa bahan (gr)
A1 (12 : 1) (0,0361 – 0,0234) x 0,8 = 0,1016 gr 2,98 2,29
A2 (10 : 1) (0,0388 – 0,0234) x 0,8 = 0,01232 gr 3,09 3,12
A3 (8 : 1) (0,0355 – 0,0234) x 0,8 = 0,00968 gr 3,06 3,09
A4 (non-coating) (0,0368 – 0,0234) x 0,8 = 0,01216 gr 3,13 3.16
(3)
EIS VoC
A1 3,052
A2 2,876
A3 3,10
(4)
LAMPIRAN B
1. Gambar bahan
Serbuk LiOH.H2O Serbuk TiO2
Serbuk Na2CO3 Serbuk PVDF
(5)
Asam Asetat Aseton
(6)
2. Gambar Peralatan Penelitian
Cawan Spatula
Neraca Digital Pipet Tetes
(7)
Cruicible Hot Plate
Doctor Blade Furnice
(8)
Multimeter, Kabel Penghubung dan Gelas Ukur Penjepit Buaya
Alat proses Pirolisa
(9)
Glove Box
(10)
DAFTAR PUSTAKA
A.K. Padhi, K.S. Nanjundaswamy, J.B. Goodenough,. 1997. Phospho-olivines as
Positive-Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries, J.
Electrochem. Soc. 144: 1188-1194
Amstead, B.H., Djaprie, S. 1995. Teknologi Mekanik Edisi ke-7 Jilid I. Jakarta: Erlangga.
A, Pasquier, C.C. Huang, T. Spitler. 2009. Journal of Power. Sources.189,508. Armand, M. and J.M. Tarascon. 2008. Building better batteries. Nature. 451: 652- 657.
Chen, Y., Miao, Q., Zheng, B., Wu, S. and Pecht, M. 2013. Quantitative analysis
of lithium ion battery capacity prediction via adaptive bathtub-shaped function. Energies. 6: 3082–3096.
Christensen, J., Srinivasan, V. & Newman, J. 2006.Optimization Of Lithium
Titanate Electrodes For High-Power Cell. J. Electrochem.Soc. 153. A560.
Croce, F., Appetecchi, G. B., Persi, L. & Scrosati, B. 1998 Nanocomposite
polymer electrolytes for lithium batteries. Nature 394, 456–458. (doi:10.1038/28818)
D. Leiden.2002. Hanbook of Batteries, McGraw-Hill. Deutsche Bank. 2009.
Autos & auto parts Electric Cars: Plugged in 2. From http://www.db.com
F. Ronci, P.Reale, B, Scrosati, S. Panero, P. A. Moro, V. R. Albertini, P. Perfetti, T. Vergatha, V.J. Horowitz, 2002. The Journal Of Physical Chemistry,106-3082
Ferg, E.1994. Spinel Anodes For Lithium-Ion Batteries. J. Electrochem.
Soc.141,L147..
Hu, X., Sun, F., and Zou, Y. 2010. Estimation of state of charge of a lithium-ion
battery pack for electric vehicles using an adaptive Luenberger observer. Energies. 3: 1586–1603.
(11)
Jang, D. H., Shin, Y. J. & Oh, S. M. 1996. Dissolution of Spinel Oxides and
Capacity Losses in 4 V LiLixMn2O4 Cells. J. Electrochem. Soc. 143, 2204.
Kang Suk-Joong L, 2005, Sintering (Desification, graingrowth, and
Microstructure),Elseveir.
K.D. Shyamal, A.J. Bhattacharyya,J,2009. Phys. Chem.133, 17367-17371
Kitta, M., Akita, T., Maeda, Y. & Kohyama, M. 2012. Study of surface reaction of
spinel Li4Ti5O12 during the first lithium insertion and extraction process
using atomic force microscopy and analytical transmission electron microscopy. Langmuir 28, 12384-92.
K.Kang, Y.S. Meng, J. Breger, C.P. Grey,G. Ceder. 2006. Electrodes with high
power and high capacity for rechargeable lithium batteries.Science:
311,977.
Kucinskis, G., Bajars, G., and Kleperis, J. 2013. Graphene in lithium ion battery cathode materials: A review. Journal of Power Sources, 240, pp. 66-79. K. Wu, J, Yang, Y, Zhang, C, Wang, D, Wang. 2012. Jounal Of Applied
Electrochemistry.
Lu, L., Han, X., Li, J., Hua, J. and Ouyang, M. 2013. A review on the key issues
for lithium-ion battery management in electric vehicles. J. Power Sources. 226: 272–288Xu, K. 2004. Nonaqueous liquid electrolytes for lithium
based rechargeable batteries. Chemical Reviews. 104: 4303.
Maekawa, M., Matsuo, H., Takamura, M., Ando, Y., Noda, T., Karashiand, S.-I.& Orimo J. 2009.Halide-stabilized LiBH4, a room-temperature lithium
fast-ion conductor. Am. Chem. Soc. 131, 894–895.
Meti. 2009b. Patent Trend Report, Lithium Ion Battery. Retrieved June 7,2010.Fromhttp://www.jpo.go.jp/shiryou/pdf/gidouhoukoku/21lithium_io n_battery.pdf
Minami, T., Hayashi, A. & Tatsumisago, M. 2007 Preparation of a-Fe2O3
electrode materials via solution process and their electrochemical properties in all-solid-state lithium batteries. J. Electrochem. Soc. 154,
(12)
Nordh, Tim. 2013. Li4Ti5O12 as an anode material for Li ion batteries in situ
XRD and XPS studies. Uppsala Universitet. Upteck k 13001.
Palacín, M.R. 2009. Recent advances in rechargeable battery materials:
achemist’s perspective – chemical. Chemical Society Reviews. 38
(9):2565, 38, 2526-75
Riyanto, 2013. Elektrokimia dan Aplikasinya. Graha Ilmu, Yogyakarta.
Song, M.-S. et al.2014. Is Li4Ti5O12 a solid-electrolyte-interphase-free electrode
material in Li-ion batteries?Reactivity betweet the Li4Ti5O12 electrode and
electrolyte. J. Mater. Chem. A 2, 631.
Subhan, A. 2011. Fabrikasi dan karakterisasi Li4Ti5O12 untuk bahan anoda baterai lithium keramik. Tesis. Universitas Indonesia: Jakarta.
Tarascon, J.-M., Recham, N., Armand, M., Chotard, J. N., Barpanda, P., Walker, W. & Dupont, L. 2010 Searching for better Li-based electrode materials
via innovative low temperature inorganic syntheses & Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Chem. Mater/Nature. 22,
724–739.414, 359-367 (2001)
Verma, P., Maire, P. & Novak, P. 2010. A review of the features and analyses of
the solid electrolyte interphase in Li-ion batteries.Electrochim. Acta
55,6332-6341.
Vetter,J et al. 2005. Aging mechanisms in lithium-ion batteries. J.Power Sources 147, 269-281.
Whittingham, M.S. 1976. Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry.
Science. Vol. 192. No. 4244. pp. 1126 –1127.
Winter, M. and Brodd R.J. 2004. What are batteries: status, prospect and future.
Chemical Reviews. 104: 4245.
Wise, Ralph. 2010. Chief Technology Officer at Novolyte. Personal
(13)
BAB 3
METODOLOGI PERCOBAAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakaukan selama 4 bulan, dimulai dari Februari 2016 sampai Mei 2016 di Pusat Penelitian Fisika (PPF) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Puspiptek Serpong.
3.2 Bahan dan Peralatan Penelitian 3.2.1 Bahan
1. LiOH.H2O, berfungsi sebagai material aktif (bahan anoda). 2. TiO2, berfungsi sebagai material aktif (bahan anoda) 3. Na2Co3, berfungsi sebagai doping.
4. PVDF (polyvinylidene fluoride), berfungsi sebagai bahan polimer pengikat (binder).
5. Cu Foil, berfungsi sebagai current collector dalam lembaran anoda.
6. N,N-DMAC (N,N Dimethylacetamide), berfungsi sebagai pelarut bahan PVDF. 7. Aseton, berfungsi untuk membersihkan peralatan penelitian
8. Separator, berfungsi untuk mencegah terjadinya kontak / hubungan singkat antara LTO (katoda) dan metal lithium (anoda).
9. AB (Acetylene Black), berfungsi sebagai karbon konduktif
10. Metal Lithium, berfungsi sebagai anoda pada pengujian sel baterai
3.2.2.Peralatan Penelitian 1. Cawan
Fungsi : Sebagai wadah sampel bahan. 2. Spatula
Fungsi : Untuk mengambil dan mengaduk bahan. 3. Neraca digital
(14)
4. Gelas ukur
Fungsi : Sebagai wadah dalam pembuatan slurry. 5. Pipet tetes
Fungsi : Untuk mengambil bahan berupa cairan. 6. Magnetic stirrer
Fungsi : Untuk menghomogenkan campuran bahan dengan pengadukan. 7. Hot plate
Fungsi : Untuk memanaskan campuran bahan sehingga mampu mempercepat proses homogenisasi.
8. Jepitan
Fungsi : Untuk menjepit bahan-bahan yang dibutuhkan. 9. Crucible
Fungsi : Untuk wadah proses kalsinasi dan sintering. 10. Doctor Blade
Fungsi : Untuk pelapisan slurry pada Cu foil. 11. Pisau doctor blade
Fungsi : Untuk mengukur ketebalan pengcoatingan. 12. Oven
Fungsi : Untuk mengeringkan lembaran NaLTO setelah dicoating. 13. Koin Cell
Fungsi : Sebagai wadah untuk aktifasi sel baterai 14. Glove box
Fungsi : Untuk melindungi terjadi kontak kulit dari bahan baku yang berbahaya.
15. Multimeter
Fungsi : Untuk mengukur tegangan sel baterai. 16. Kabel dan Penjepit buaya
Fungsi : Untuk menghubungkan multimeter dengan coin cell. 17. XRD (X-Ray Diffraction)
Fungsi : Untuk mengetahui fasa dan struktur Kristal dari material aktif 18. CV(Cyclic Voltammetry)
(15)
19. CD (Charge Discharge)
Fungsi : Untuk mengetahui kapasitas baterai 20. EIS(Electrochemical Impedansi Spectroscopy)
Fungsi : Untuk mengetahui konduktivitas dan difusi ion lithium pada Material aktif anoda
3.3. Perhitungan Massa Bahan
3.3.1. Pembuatan Material Anoda Na2Li2Ti6O14
Tabel 3.1. Perbandingan komposisi bahan dalam (gr) pada pembuatan material anoda. Nama Sampel Perbandingan Komposisi (%wt) Serbuk NaLTO (gr) Tepung tapioka (gr) Asam Asetat (gr)
A-1 12 : 1 10 0,83 10
A-2 10 : 1 10 1 10
A-3 8 : 1 10 1,25 10
3.3.2. Pembuatan Lembaran Anoda Na2Li2Ti6O14
Tabel 3.2. Perbandingan komposisi bahan dalam (gr) pada pembuatan lembaran anoda. Nama Sampel Perbandingan Komposisi (%wt) Serbuk NaLTO (gr) PVDF (gr) AB (gr) N,N-DMAC (gr)
A-1 8 : 1 : 1 2 0,25 0,25 7
A-2 10 : 1 : 1 2 0,25 0,25 7
A-3 12 : 1 : 1 2 0,25 0,25 7
A-4 Non Coating : 1: 1
(16)
3.4.Tahapan Penelitian
3.4.1. Pembuatan Material Anoda Na2Li2Ti6O14
Berikut ini tahapan pembuatan material anoda Na2Li2Ti6O14 : Mulai
Ditimbang bahan serbuk (LiOH.H2O, Na2CO3,TiO2)
LiOH.H2O = 9,21 gr
TiO = 52, 54 gr Na2CO3 = 11,62 gr
Digerus
kalsinasi 700 oC/2 jam
Digerus
Sintering 800 oC/8 jam Digerus dan dilakukan
penambahanTapioka
Dengan perbandingan bahan , 12:1 (10 gr : 0,83 gr), 10:1 (10 gr:1 gr), 8:1(10 gr:1,25 gr) Digerus dan dilakukan
penambahan asam asetat
Asam asetat = 10 gr tiap perbandingan
Pirolisa Material Anoda
Na2Li2Ti6O14
800 oC/2 jam dengan Carbon Natrium
(17)
3.4.2. Pembuatan Lembaran Anoda Na2Li2Ti6O14
Berikut ini tahapan pembuatan lembaran anoda Na2Li2Ti6O14 :
Mulai
Ditimbang bahan serbuk (NaLTO, PVDF, AB) dengan masing-masing perbandingan bahan 8:1:1 dari masing-masing massa total bahan serbuk.
NaLTO = 2 gr PVDF = 0,25 gr AB = 0,25 gr Dicampur PVDF dengan pelarut
DMAC
Dipanaskan PVDF dengan pelarut DMAC
Ditambakan secara perlahan–lahan AB hingga tercampur secara merata
Ditambakan secara perlahan–lahan NaLTO hingga tercampur secara merata
Dilakukan coating pada Cu foil
Slurry
Lembaran NaLTO Karakterisasi XRD
DMAC, 7 gr
Hot plate, T = 72 OC, Rpm = 300 rpm, t = 30 menit
Doctor blade, dengan kecepatan 6
Assembly sel baterai dengan menggunakan koin sel
Analisa Karakterisasi sel Uji CV, CD dan EIS Kesimpulan
Selesai Perbandingan
(18)
3.5. Prosedur Penelitian
3.5.1. Proses Pembuatan Material Anoda Na2Li2Ti6O14
1. Tahap Penimbangan Bahan Na2Li2Ti6O14
Na2Li2Ti6O14
2LiOH.H2O(s) + 6TiO(s) + Na2CO3(s)) Na2Li2Ti6O14(s) + CO2(g) + 2H2O(g) + H2(g) Dari persamaan reaksi tersebut akan dibuat 60 gr, maka massa pada bahan tersebut yaitu :
Tabel 3.3. Komposisi bahan NaLiTi3O Bahan Massa (gr)
LiOH.H2O 41,998 gr TiO2 79,865 gr NaCO3 105, 171 gr
Bahan semua tersebut ditimbang sesuai dengan hasil stoikiometri menggunakan neraca digital.
2. Tahap Penggerusan
Pada sampel Na2Li2Ti6O14 diketahui bahawa massa bahan LiOH.H2O dan TiO2 adalah yang paling sedikit. Maka dilakukan dahulu penggerusan pada bahan tersebut selama 15 menit. Kemudian dicampurkan bahan Na2CO3 digerus hingga halus
.
3. Tahap Kalsinasi
Setelah itu, dilakukan kalsinasi dengan menggunakan oven. Dengan suhu 700oC selama 2 jam.
4. Tahap Penggerusan
Setelah dilakukan proses kalsinasi kemudian dilakukan proses penggerusan kembali untuk mendapatkan bahan yang baik.
(19)
5. Tahap Sintering
Kemudian setelah dilakukan pengerusan pada bahan yang sudah dikalsinasi maka dilakukan sintering dengan suhu 800oC selama 8 jam.
6. Tahap Penggerusan dan Pencampuran bahan Tapioka
Setelah dilakukan proses sintering kemudian dilakukan proses penggerusan kembali pada material dan dilakukan penambahan tapioca dengan perbandingan bahan 12:1 ( 10 gr : 0,83 gr), 10:1 (10 gr : 1 gr), 8:1 (10 gr : 1,25 gr).
7. Tahap Penggerusan dan Pencampuran Bahan Asam Asetat
Kemudian setelah dilakukan penambahan tapioka dengan perbandingan 12:1, 10:1, 8:1, dilakukan penambahan asam asetat pada setiap perbandingan bahan sebanyak 10 gr.
8. Tahap Pirolisa
Setelah itu dilakukan proses pirolisa dengan karbon natrium pada suhu 800 oC selama 2 jam pada setiap bahan.
3.5.2. Proses Pembuatan Material Anoda Na2Li2Ti6O14
1. Tahap Penimbangan
Bahan baku Na2Li2Ti6O14 digunakan saat penelitian. Bahan Na2Li2Ti6O14, PVDF, AB dan DMAC ditimbang menggunakan neraca digital. Massa bahan Na2Li2Ti6O14 dibutuhkan sebanyak 2 gr. Kemudian massa PVDF dibutuhkan sebanyak 0,25 gr, massa AB sebanyak 0,25 gr dan larutan DMAC sebanyak 7 gr.
2. Tahap Slurry
Serbuk PVDF dimasukkan ke dalam beaker glass kemudian dimasukkan magnetic stirer dan dimasukkan DMAC. Dilakukan pengaturan hot plate dengan 300 rpm dan suhu 720 C. Kemudian di letakkan bahan tersebut di atas hot plate dan ditunggu sampai 30 menit agar PVDF bercampur dengan DMAC. Setelah itu, dimasukkan serbuk AB perlahan-lahan dengan menggunakan spatula. Kemudian di tunggu 30 menit lagi agar AB tersebut tercampur dan warna nya menjadi hitam
(20)
. Lalu dimasukkan serbuk Na2Li2Ti6O14 perlahan-lahan juga menggunakan spatula dan ditunggu 30 menit lagi agar tercampur dengan warna yang dihasilkan harus abu-abu. Jika pada saat pencampuran serbuk Na2Li2Ti6O14 itu terjadi pengentalan, maka dapat dilakukan dengan penambahan DMAC.
3. Tahap Coating
Setelah selesai di slurry maka bahan tersebut dibuat menjadi lembaran. Alat digunakan yaitu Doctor Blade yang dilapisi dengan Cu foil. Cu Foil di bersihkan menggunakan aseton dan suhu nya 80o C. Setelah itu, lembaran tersebut dikeringkan selama 1 jam.
4. Tahap Assembly
Lembaran tersebut digunting membentuk lingkaran dan separotor juga dengan ukuran yang sama. Kemudian dilakukan assembly menggunakan coin cell dan alatnya glove box.
5. Tahap pengujian
Setelah itu dilakukan proses pengujian bahan meliputi uji XRD (X-Ray Diffraction) untuk mengetahui analisa fasa dan struktur kristal, uji EIS ( Electron Impedance Spectroscopy) untuk mengetahui konduktivitas pada setiap sampel, uji CV (Cyclic Voltammetry) untuk mengetahui reaksi redoks yang terjadi pada elektroda, dan uji CD (Charge Discharge) untuk mengetahui kapasitas baterai.
3.6. Karakterisasi
3.6.1. Karakterisasi X-Ray Diffraction
XRD merupakan alat yang digunakan untuk mengkarakterisasi struktur Kristal, ukuran Kristal dari suatu bahan padat. Semua bahan yang mengandung Kristal tertentu ketika di analisa menggunakan XRD akan dimunculkan puncl-puncak yang spesifik. Sehingga kelemahan alat ini tidak dapat untuk mengkarakterisasi bahan yang bersifat amorf.
(21)
3.6.2. Karakterisasi Electrochemichal Impedance Spectroscopy
Spektroskopi impedasi elektrokimia merupakan metode untuk mengetahui proses yang terjadi pada elektroda dengan mengukur perubahan impedansi dan memplot fungsi tersebut kedalam bentuk kompleks. Spektroskopi impedansi elektrokimia dapat mengukur nilai arus dan mengetahui respon lain yang terjadi ketika diterapkan potensial tertentu. Respon elektrik akan memberikan perubahan impedansi pada permukaan antara elektrolit dan elektroda. Ketika elektroda (permukaan logam) dimasukkan kedalam elektrolit, muatan listrik pada elektroda menarik ion muatan yang berlawanan dari elektrolit sehingga terjadi penyerahan (polarisasi) muatan. Terjadi polarisasi menyebabkan adanya lapisan antara elektroda dan elektrolit disebut electrical double layer (Leiden, D. 2002)
3.6.3 Karakterisasi Cyclic Voltammetry
Cyclic Voltammetry merupakan teknik yang banyak digunakan untuk
mendapatkan informasi tentang reaksi elektrokimia. Cyclic Voltammetry diperoleh dari scan potensial melawan densitas arus dengan berbagai kecepatan scan. Dari CV didapatkan beberapa nilai parameter penting seperti potensial puncak anoda (Epa), potensial puncak katoda (EPc), puncak arus anoda (ipa), puncak arus katoda (ipc) dan potensial setengah gelombang (E1/2).
3.6.4. Karakterisasi Charge/Discharge
Untuk mendapatkan performasi sebuah baterai maka diperlukan pengujian charge/discharge sehingga akan didapatkan besar kapasitas sel baterai. Baterai lithium sekunder memilki pola pengisian yang agak berbeda dengan baterai lainnya.
(22)
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari data diperoleh hasil uji pengamatan meliputi analisa fasa dan strukur kristal dengan menggunakan XRD (X-Rays Diffraction),mengetahui konduktivitas menggunakan EIS (Electron Impedance Spectroscopy).untuk mengetahui reaksi redoks yang terjadi pada elektroda menggunakan CV (Cyclic Voltammetry) dan analisa kapasitas baterai menggunakan CD (Charge Discharge).
4.1. Karakteristik Material Anoda Na2Li2Ti6O14
4.1.1. Analisis Fasa dan Struktur Kristal Na2Li2Ti6O14 menggunakan XRD
Dari hasil yang ditunjukan pada tabel 4.1 terlihat bahwa fasa yang terbentuk adalah fasa lithium sodium titanium oxide dengan rumus kimia NaLiTi3O7 dan fasa rutyl,syn dengan rumus kimia TiO2. Hasil XRD struktur kristal yang terbentuk pada NaLiTi3O7 adalah orthorombic (space group = 69 : Fmmm) dengan parameter kisi yaitu a = 16,485 Å, b = 5,7382 Å, c = 11,221 Å, dengan
sudut yang sama α = = = 90o .
a
b
c
a≠ b ≠ c
Gambar 4.1. struktur orthorhombic.
dan hasil XRD struktur kristal pada TiO2 adalah tetragonal (space group = 136 : P42/mnm) dengan parameter kisi yaitu a = 4.590 Å, b = 4.590 Å, c = 2.962 Å,
dengan sudut yang sama α = = = 90o .
(23)
a
b
c
a = b ≠ c
Gambar 4.2. Struktur tetragonal.
Fasa NaLiTi3O7 ditunjukkan sesuai standart ICDD (International Center for
Diffraction Data) dengannomor 00-052-0690 danfasa TiO2ditunjukkan sesuai standart ICDD (International Center for Diffraction Data) dengannomor 04-004-4337.
Dapat dilihat dari gambar 4.1 data yang dihasilkan menurut analisis kuantitatif fasa lithium sodium titanium oxide NaLiTi3O7 diperoleh sebesar 96% dan analisis kuantitatif fasa rutyl,syn TiO2 diperoleh sebesar 4 %.
Gambar 4.3. Grafik dan bidang hkl hasil XRD pada Na2Li2Ti6O14
NaLiTi3O7
TiO2
(24)
Tabel 4.1. Hasil analisis struktur kristal (parameter kisi) NaLiTi3O7 dan TiO2 No Nama Fasa Rumus
Kimia
a (Å) b (Å) c (Å) α=β=γ Densitas (g/cm3) 1 Lithium
Sodium Titanium Oxide
NaLiTi3O7 16,485 5,7382 11,221 90o 3.577
2 Rutyl,syn TiO2 4.590 4.590 2.962 90o 4,28
Dapat dilihat dari tabel 4.1 analisis struktur kristal dyang dihasilkan Lithium Sodium Titanium Oxide ( NaLiTi3O7) dengan sudut a = 16,485 Å, b = 5,7382 Å, c = 11,221 Å dengan sudut α=β=γ = 90o densitasnya 3,577 g/cm3 dan Rutyl,syn (TiO2) dengan sudut a = 4,590 Å, b = 4,590 Å, c = 2,962 Å dengan sudut α=β=γ = 90o densitasnya 4,28 g/cm3
(25)
4.2. Karakterisasi Sel terhadap Lembaran Na2Li2Ti6O14
Dari gambar 4.4 dapat dilihat lembaran anoda bahan Na2Li2Ti6O14 dengan penambahan PVDF dan AB, dengan perbandingan bahan pada Na2Li2Ti6O14 : PVDF : AB, 2 gr : 0,025 gr : 0,025 gr. Maka dari hasil yang didapatkan bahwa lembaran yang pelapisannya semakin banyak akan meghasilkan lembaran yang kurang baik, seperti mudah retak, karena adanya pelapisan yang yang berlebih. begitu pun pada pelapisan yang lebih sedikit di hasilkan lembaran yang baik.
Sampel A1, 12:1 Sampel A2,10:1
Sampel A3, 8 :1 Sampel A4, non coating
Gambar 4.4. Hasil lembaran anoda Na2Li2Ti6O12 pada sampel A1, A2, A3 dan A4.
4.2.1. Analisis EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy)
Pengujian EIS ini dilakukan untuk mengetahui nilai konduktivitas material akitf pada lembaran anoda terhadap lithium metal yang sebagai elektroda.
(26)
Dapat dilihat dari gambar 4.5. dapat dilihat dari hasil menunujukkan pada sampel
A1 nilai Re sebesar 3,42 Ω dan nilai Rct sebesar 19 Ω,nilai konduktivitasnya
4,460 x 102 σ (S/cm), sampel A2 nilai Re sebesar 2,84 Ω dan nilaiRct sebesar
38,8 Ω,nilai konduktivitasnya 2,401 x 102 σ (S/cm), sampel A3 nilai Re sebesar
2,82 Ω dan nilai Rct sebesar 38,2 Ω,nilai konduktivitasnya 2,434 x 102σ (S/cm), sampel A4 nilai Re sebesar 3,31 Ω dan nilai Rct sebesar 43,5 Ω,nilai konduktivitasnya 2,136 x 102 σ (S/cm). Dari sampel A1, A2, A3 dan A4, dapat disimpulkan bahwa A1 memilki nilai konduktivitas yang besar.
Gambar 4.5. Grafik cole-cole plot A1, A2, A3, A4 hasil Uji EIS. (Sumbu X (Zreal) VS Sumbu Y (Zimajiner).)
Pada garfik 4.6 dapat dilihat dari hasil menunujukan semicircle fasa tunggal, hasil semicircle yang terlihat melebar adalah sampel A4 dan semicircle yang lebih kecil
(27)
adalah pada sampel A1. Dengan adanya penambahan tapioka yang tidak terlalu banyak dan tidak terlalu sedikit maka akan menghasilkan konduktivitas yang besar.
Gambar 4.6. Grafik cole-cole plot hasil Uji EIS.
Tabel 4.2. Resistansi Sampel A1, A2, A3, A4 hasil Uji EIS
Sampel Resistansi elektronik (Re) (Ω) Resistansi charge transfer (Rct) (Ω) Nilai Konduktivitas σ(S/cm)
A1 3,42 19,0 4,460 x 102
A2 2,84 38,8 2,401 x 102
A3 2,82 38,2 2,434 x 102
A4 3,31 43,5 2,136 x 102
Dapat dilihat dari tabel 4.4 pada sampel A1 nilai Resistansi elektronik 3,42 Ω dan
Resistansi charge transfer sebesar 19,0 Ω, sampel A2 nilai Resistansi elektronik 0.00E+00 2.00E+01 4.00E+01 6.00E+01 8.00E+01 1.00E+02 1.20E+02 1.40E+02
0 20 40 60 80 100 120 140
X Ħ Rs Ħ A4 A3 A2 A1 y (Zimajiner) X (Zreal)
(28)
2,84 Ω dan Resistansi charge transfer sebesar 38,8 Ω, sampel A3 nilai Resistansi elektronik 2,82 Ω dan Resistansi charge transfer sebesar 38,2 Ω, sampel A4 nilai Resistansi elektronik 3,31 Ω dan Resistansi charge transfer sebesar 43,5 Ω. Maka dapat disimpulkan semakin kecil nilai resistansinya maka semakin cepat pergerakan arusnya.
4.2.2. Analisis CV (Cyclic Voltammetry)
Analisis Cyclik Voltammetry (CV) menggunakan alat WBCS3000, Automatic Baterry Cycler Ver. 3.2 yang dilakukan di Pusat Penelitian Fisika-LIPI. Data-data yang diperoleh dari pengujian Cyclic Voltammetry berupa kurva potensial (V) – arus (A). Pada pengujian cyclic voltammetry, NaLTO berperan sebagai katoda yang dipasangkan dengan lithium metal yang berperan sebgai anoda karena memiliki tegangan yang lebih rendah.
Hasil pengujian CV pada ke empat sampel dapat dilihat dari grafik voltamogram siklik pada gambar 4.7.
A1 A2 Oksidasi
Reduksi
Oksidasi
(29)
A3 A4
Gambar 4.7. Grafik Voltammogram siklik pada sampel NaLTO, A1, A2, A, A4
Sampel yang diuji dengan kecepatan scan rate 160 μV/s dan dari gambar 4.7 dapat
dilihat bahwa pada sampel NaLTO A1 12:1, NaLTO A2 10:1, NaLTO A2 8:1, NaLTO A4 non-coating menghasilkan puncak oksidasi dan reduksi yang tajam dan sempit sehingga menghasilkan interkalasi/de-interkalasi yang cepat. Puncak oksidasi NaLTO A1 12:1 yaitu 1,41volt dan 1,6 mA, dengan puncak reduksi 1,15 volt dan -1,48 mA, pada puncak oksidasi terjadi arah yang irreversibel yaitu 1,10 volt. Puncak oksidasi NaLTO A1 10:1 yaitu 1,42 volt dan 2,25 mA, dengan puncak reduksi 1,15 volt dan -1,86 mA, pada puncak oksidasi terjadi arah yang irreversibel yaitu 1,10 volt. Puncak oksidasi NaLTO A1 8:1 yaitu 1,44 volt dan 1,4 mA, dengan puncak reduksi 1,15 volt dan -1,48 mA, pada puncak oksidasi terjadi arah yang irreversibel yaitu 1,09 volt. Puncak NaLTO A4 non-coating yaitu 1,38 volt dan 2,11 mA, 1,60 volt dan 0,4 mA, dengan puncak reduksi 1,18 volt dan -1,78 mA, 1,53 volt dan -0,23 mA.
Dari gambar 4.7 dapat dilihat tegangan kerja pada grafik, pada sampel NaLTO A1 12:1 tegangan kerjanya 1,28 volt , pada sampel NaLTO A2 10:1 tegangan kerjanya 1,285 volt, pada NaLTO A3 8:1 tegangan kerjanya 1,29 volt, pada sampel NaLTO A4 tegangan kerjanya 1.28 volt dan 1,565 volt. Dari hasil yang dihasilkan dapat disimpulkan bahwa pada setiap sampel dengan perbandingan yang berbeda dihasilkan tegangan kerja yang relatif hampir sama antara 1,28 volt – 1,29 volt. Tetapi dari data yang dihasilkan pada sampel NaLTO A3, 10:1 memilki arus yang paling besar diantara sampel yang lain.
Oksidasi
Reduksi
Oksidasi
(30)
4.2.3. Analisis CD (Charge Discharge)
Penhgujian Charge Discharge ini dilakukan untuk mengetahui kapasitas baterai, dapat dilihat dari ganbar 4.8.
Dapat dilihat dari gambar 4.8. hasil dari pengujian Charge Discharge digunakan untuk mengetahui kapasitas pada material Na2Li2Ti6O14. Proses yang dilakukan yaitu pada pembuatan slurry sampai menjadi lembaran, kemudian di buat coin cell. Laju C digunakan untuk menentukan tingka tcycle. Satu kali cycle adalah sama dengan satu proses charge (terjadi reaksi oksidasi) dan satu kali discharge (terjadi reaksi reduksi).
A1 A2
(31)
Gambar. 4.8. Hasil pengujian Charge Discharge Na2Li2Ti6O14 Tabel 4.3. Kapasitas Retensi charge discharge.
Sampel
Massa aktif (mg)
-Ci(mAh/g)
-Cf(mAh/g) -Ci/ -Cfx 100 %
NaLTO A1 10 101,7 60,9 59,8
NaLTO A2 12 94,0 59,1 62,8
NaLTO A3 9,6 90,2 67,1 74.4
NaLTO A4 12 90,0 60,7 67,74
Dapat dilihat pada gambar 4.8. pada A1 kapasitas charge 101,7mAh/g dan kapasitas discharge 60,9 mAh/g. pada A2 memiliki kapasitas charge 94 mAh/g dan kapasitas discharge 59,1 mAh/g. pada A3 memilki kapasitas charge 90,2mAh/g dan kapasitas discharge 67,1 mAh/g. Pada A4 memiliki kapasitas charge 90 mAh/g dan kapasitas discharge 60,7 mAh/g. Dari keempat sampel yang memiliki kapasitas charge dan discharge yang baik yaitu pada sampel A3.
(32)
BAB 5
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. KESIMPULAN
Dari hasil pembahasan sebelumnya, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
1. Pembuatan material Na2Li2Ti6O14 dengan metode metalurgi serbuk pada kalsinasi 700 oC dan sintering 800 oC telah menghasilkan material 96 %.
2. Pengaruh carbon coating terhadap Na2Li2Ti6O14 pada sampel A1 perbandingan 12:1 terbaik dengan konduktivitas 4,460 x 102σ (S/cm).
3. Pengaruh carbon coating terhadap material anoda Na2Li2Ti6O14 dilihat dari Pengujian CV (Cyclic Voltammogram) dan CD (Charge Discharge) menunjukkan working voltage bekerja dengan stabil dan material ini dapat di gunakan sebagai bahan baterai.
5.2. SARAN
Berdasarkan penelitian mengenai pembuatan bahan aktif anoda Na2Li2Ti6O14 yang difokuskan untuk mengetahui pengaruh pelapisan karbon.
1. Dalam proses pelapisan karbon pada bahan aktif anoda, harus dilakukan penegeringan terlebih dahulu sebelum dilakukan proses pirolisa agar hasil lebih maksimal.
2. Dalam proses coating dengan tapioca dan pada penambahan asam asetat, harus lebih teliti dan lebih diperhatikan.
(33)
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Baterai
2.1.1. Pengertian Baterai
Baterai adalah unit mandiri yang menyimpan energi kimia dan pada proses charging, mengubahnya langsung menjadi energi listrik untuk daya berbagai aplikasi. Baterai dibagi menjadi tiga kelas umum: baterai primer yang dipakai sekali dan langsung dibuang; sekunder, baterai isi ulang yang bisa di charge dan kemudian dikembalikan ke kondisi semula dengan membalikkan aliran arus melalui sel; dan baterai khusus yang dirancang untuk memenuhi tujuan tertentu (Winter, 2004; Ralph,2004). Ada dua jenis baterai, yaitu baterai primer dan baterai sekunder atau disebut juga non-isi ulang dan isi ulang (Armand,2008). Baterai primer adalah sel, atau sekelompok sel, untuk pembangkitan energi listrik yang dimaksudkan untuk penggunaan sampai habis dan kemudian dibuang. Baterai primer dirakit untuk melepaskan beban yang banyak hal tersebut adalah proses primer selama operasi. Baterai sekunder adalah kelompok sel dari sel untuk pembangkit energi listrik dimana sel, setelah keluar, dapat dikembalikan ke posisi semula disebabkan oleh arus listrik mengalir dalam arah berlawanan dengan aliran arus ketika arus itu dikembalikan ke semula. Istilah lain untuk baterai isi ulang atau akumulator. Baterai sekunder biasanya dirakit di suatu tempat penghabisan, lalu harus diisi terlebih dahulu sebelum dapat menjalani pengembalian dalam proses sekunder (Winter, 2004).
Produksi untuk baterai berbeda, tergantung pada aplikasi. Sementara susunan sel hibrida baterai membutuhkan daya yang tinggi untuk memanfaatkan energi, mobil listik membutuhkan energi untuk kepadatan energi yang tinggi untuk mendapatkan jarak tempuh yang lebih besar. Terdapat kriteria yang berbeda pada baterai tergantung pada aplikasi dan telah memberikan peluang untuk
(34)
untuk masa mendatang mungkin akan banyak baterai kimia yang berbeda dan disesuaikan dengan aplikasi bidang tertentu (Nordh, 2013)
Sebuah baterai khusus adalah baterai primer yang diperoduksi secara terbatas untuk penggunaan tertentu. Dalam hal ini baterai khusus tidak akan dibahas pertama. Anoda adalah elektroda negatif dari sel yang terkait dengan reaksi kimia oksidatif yang melepaskan elektron ke dalam sirkuit eksternal. Katoda adalah elektroda positif dari sel yang terkait dengan reaksi kimia reduksi yang memperoleh elektron dari sirkuit eksternal. Massa aktif adalah bahan yang menghasilakan listrik saat ini dengan cara reaksi kimia dalam baterai.
Elektrolit adalah bahan yang menyediakan ionic murni konduktifitas antara elektroda positif dan negatif dari sel. Sebuah pemisah adalah penghalang fisik antara elektroda positif dan negatif dimasukkan ke dalam desain paling sel untuk mencegah korslet listrik. Itu pemisah bisa menjadi elektrolit gel atau mikro yang film plastik atau bahan inert berpori lainnya diisi dengan elektrolit. Pemisah harus permeabel untuk ion dan ionik dalam lingkungan baterai.Sebuah sel bahan bakar adalah perangkat konversi elektrokimia yang memiliki kelangsungan penyediaan bahan bakar seperti hidrogen, gas alam, atau metanol dan oksidan seperti oksigen, udara, atau hidrogen peroksida.
Hal ini dapat memiliki bagian tambahan untuk memberi makan perangkat dengan reaktan sebagai serta baterai untuk memasok energi untuk pemulaan. Discharge adalah operasi di mana baterai memberikan energi listrik ke beban eksternal. Charge adalah operasi di mana baterai dikembalikan ke kondisi terisi aslinya oleh pembalikan dari aliran arus (Nordh, 2013)
2.1.2. Pengoprasian Baterai
Dalam reaksi redoks, salah satu material aktif teroksidasi dengan memberikan elektron sehingga bilangan oksidasi naik dan material aktif lain tereduksi dengan menerima elektron dan dengan demikian mengurangi bilangan oksidasinya. Secara fisik, reaksi oksidasi terpisah dari reaksi reduksi dan membawa elektron melalui sirkuit eksternal sehingga elemen galvanik (atau sel baterai) terbentuk. Selama elektron bergerak melalui sirkuit eksternal maka akan ada arus yang dapat digunakan, sebagai contohnya kekuatan bola lampu di senter. Tujuan dari semua
(35)
baterai adalah untuk mengkonversi energi kimia yang tersimpan menjadi energi listrik. Setiap reaksi redoks memiliki tegangan tertentu yang terkait dengan itu. Ada nilai absolut praktis untuk potensi ini, sehingga sistem pengukuran relatif digunakan sebagai gantinya.
Dalam sel baterai, site reduksi selalu disebut katoda dan site oksidasi disebut anoda. Yang elektroda yang bertindak sebagai anoda dan yang bertindak sebagai katoda ditentukan oleh seberapa potensial reduksi standar mereka berhubungan satu sama lain, dan dengan demikian yang mereka lebih mudah teroksidasi. Elektroda dengan potensial standar yang lebih tinggi akan bertindak sebagai katoda, dan potensi yang lebih rendah sebagai anoda (Winter, 2004).
Skema dasar baterai (menggunakan elektrolit Li-ion) ditunjukkan pada Gambar (2.1) dua elektroda dipisahkan oleh elektronik isolasi dan ionically melakukan elektrolit, saat sedang terhubung dengan sebuah sirkuit eksternal yang mengalir elektron. elektrolit biasanya larutan garam. Jika elektrolit tidak elektronik isolasi, elektron akan diangkut melalui elektrolit bukan melalui sirkuit eksternal, dan baterai akan hubung pendek, sehingga menimbulkan kerugian kapasitas. Namun demikian, banyak elektrolit memiliki beberapa konduksi elektronik dan meskipun itu rendah, masih ada. Sementara konduksi ini tidak cukup untuk baterai sirkuit pendek dan rate yang cepat, hal itu akan menyebabkan lambat self-discharge dari waktu ke waktu, sehingga dalam waktu penyimpanan yang terbatas dari baterai (Winter, 2004).
Gambar 2.1. Skema baterai Lithium ion yang sederhana
Gambar (2.1) menampilkan skema yang sangat sederhana dari baterai. Namun, ada beberapa komponen yang lebih diperlukan untuk sebagian besar baterai agar berfungsi praktis. Skema dari baterai bekerja lebih sering terlihat seperti pada Gambar (2.2) elektroda harus dipisahkan secara mekanis, jika baterai akan pendek sirkuit dan bisa hancur. elektrolit cair lebih disukai karena konduktivitas ionik
(36)
yang tinggi, tetapi cairan elektrolit memiliki stabilitas mekanik yang kurang untuk mencegah kontak antara elektroda. Solusi untuk ini telah menjadi pemisah, sering kali polimer atau gelas berpori serat direndam dengan cairan elektrolit untuk mengabungkan pemisahan fisik dan konduktifitas ionik. Bahan aktif itu sendiri sering disebut dengan konduktor elektronik rendah, dan oleh karena itu elektroda dibuat sebagai komposit dengan bahan aditif untuk meningkatkan konduktivitasnya. Saat current collector memberikan kontak yang baik antara elektroda dan sirkuit eksternal (Winter, 2004).
Gambar 2.2. Skema lengkap baterai Lithium ion
Menunjukan bahwa baterai yang mengandung air hanya memiliki jendela potensial yang stabil antara -0.83V dan 1.229 V tanpa menghasilkan gas hidrogen atau oksigen. Kebanyakan baterai Li-ion komersial memiliki potensial bekerjanya dibawah -0.83 V, dan oleh karena itu yang terpenting untuk memastikan agar menghilangkan semua air saat pembuatan baterai Li-ion jika ada semburan gas beracun itu harus dihindari.
Ada beberapa cara untuk menentukan kinerja baterai. Empat konsep umum yang terpenting untuk energi dan listrik. Energi dapat dinyatakan dalam energi spesifik yang diukur dengan Wh/kg dan kepadatan energi diukur dengan Wh/L. kepadatan energi juga dapat diukur dengan gravimetrik dan velumetri, masing-masing daya listrik yang spesifik dinyatakan dalam (W/kg) dan kerapatan daya (W/L) (Nordh, 2013).
Kerapatan daya/ power spesifik dan kepadan energi/ energi spesifik dari baterai dapat diubah oleh desain sel. Ketebalan lapisan bahan elektroda memberikan energi yang tinggi akibatnya peningkatan jumlah pada bahan aktif, tetapi ini juga meningkatkan panjang difusi ion dalam materi ion yang ada,yang pada dasarnya
(37)
menurunkan daya. Sebaliknya, lapisan tipis elektroda memberikan jalur difusi singkat dan power lebih tinggi. Tetapi mereka berisi materi aktif kurang banyak dan akibatnya densitas energi tersebut menurun. Dengan demikian, perbaikan satu sifat (ketebalan coating) sering dapat mengurangi biaya produksi (Nordh, 2013).
2.1.3. Komponen dalam Lembaran Elektroda
Lembaran elektroda dalam baterai sering digabungkan dari beberapa bahan; tiga komponen utama komponen yang yaitu bahan aktif, konduktor elektronik dan pengikat. Bahan aktif adalah bahan yang mengambil bagian dalam reaksi redoks yang menghasilkan arus dalam baterai. Bahan aktif memiliki konduksi elektronik yang rendah, dan karena itu konduktor elektronik perlu ditambahkan. Karena bahan aktif dan ditambah konduktif dan dicampur dalam bentuk bubuk, pengikatnya ditambahkan untuk membuat pegangan elektroda bersama-sama. Campuran elektroda ini dilapiskan ke kolektor dalam proses manufaktur dan karena itu tidak dapat dipisahkan lagi (Nordh, 2013).
2.2. Baterai Ion Lithium
Baterai lithium pertama kali diusulkan pada tahun 1976 dan telah banyak digunakan dalam aplikasi portable sejak awal 1990-an. Dalam beberapa tahun terakhir, tingginya harga minyak telah memberikan inisiatif bagi para peneliti untuk melihat ke dalam teknologi baterai baru yang dapat digunakan dalam aplikasi kendaraan listrik. Di Kalangan baterai lithium, ada tiga kategori pembagian, yaitu: logam lithium, lithium polymer dan ion lithium. (Whitingham,1976).
Lithium ion tidak memiliki definisi kimia yang unik seperti asam timbal, nikel metal hidrida atau Baterai Nickel Cadmium. Sebuah sel lithium ion memiliki tiga utama komponen: elektroda positif (katoda), elektroda negatif (anoda) dan separator. Di setiap sel memiliki kelebihan dan kekurangan. Di satu sisi, berbagai bahan katoda dan anoda memberikan fleksibilitas untuk merancang baterai untuk kebutuhan aplikasi yang spesifik, namun di sisi lain dalam jumlah yang besar,
(38)
kemungkinan menimbulkan kebingungan pada reaksi kimia tertentu yang dikembangkan dan berhasil diuji di lapangan. (Whittingham, 1976).
Berbagai pilihan yang tersedia untuk masing-masing komponen (manfaat dan kerugian) dijelaskan secara rinci di bawah ini. Karakteristik listrik dan kinerja baterai seperti tegangan, kapasitas, kepadatan energi, tingkat kemampuan, siklus hidup, dan lama hidup akan berubah sebagai salah satu konsekuensi dalam memilih bahan yang berbeda untuk anoda, katoda, elektrolit dan separator. Seperti yang akan ditampilkan nanti, tidak ada satu kombinasi tertentu komponen sel tersebut yang dapat memenuhi setiap kebutuhan di semua aplikasi. Harus memilih salah satu dan memodifikasi komponen sel untuk memenuhi kebutuhan aplikasi. Selain itu, kita juga dapat merubah komposisi bahan katoda dan anoda, ukuran partikel dan morfologi untuk mencapai kinerja baterai tertentu, baterai lithium jauh lebih kecil dan lebih ringan dibandingkan dengan semua teknologi lainnya. Seperti yang diketahui bahwa baterai lithium adalah baterai yang memiliki aliran paling besar di antara semua teknologi penyimpanan energi. (Whittingham, 1976)
2.2.1. Spesifikasi Kimia Baterai Ion Lithium
Sejak dikomersialisasi baterai Lithium-ion yang dapat diisi ulang awal 1990-an, lithium yang berbasis kimia telah memiliki pangsa yang semakin meningkat dari pasar global. Hal ini karena lithium memiliki beberapa bahan sifat kimia dan fisik yang jauh dari yang diinginkan. Pertama, lithium adalah unsur yang paling elektronegatif dalam NPT reduksi standar potensi seri dengan potensial elektroda negatif -3.05 V. Hal ini memungkinkan untuk memproduksi baterai dengan tegangan sel 6 V, meskipun 3-3.5 V adalah rentang tegangan yang paling umum untuk baterai lithium. Hasil tegangan tinggi dalam baterai mampu melakukan lebih banyak pekerjaan dengan jumlah pembawa muatan yang sama, yaitu, baterai memiliki energi spesifik yang lebih tinggi dari sel setara dengan tegangan yang lebih rendah. Kedua, lithium adalah salah satu unsur paling ringan dan terkecil dalam tabel periodik. Hal ini membuat lebih mudah untuk membuat desain baterai lebih ringan dan lebih kecil, dan akibatnya lithium memiliki kepadatan energi gravimetri dan volumetrik lebih tinggi dari sel setara dengan elemen yang lebih
(39)
berat. Jari-jari ionik juga membuat baterai relatif mudah untuk menemukan bahan interkalasi yang baik (Nordh, 2013).
Lithium logam murni akan menghasilkan energi volumetrik dan gravimetrik tertinggi untuk baterai lithium. Logam lithium sendiri adalah elektronik konduktif yang memiliki sifat mekanik yang baik, sehingga tidak ada tambahan yang diperlukan. Dengan adanya elektrolit dalam baterai baterai, lithium memiliki spesifik yang lebih tinggi. Namun, dengan menggunakan logam lithium menimbulkan masalah besar dalam sel sekunder. Setelah pengisian, ketika ion lithium kembali pindah ke lithium logam foil, terjadi pembentukan dendrit. Setelah berulang kali dendrit ini mencoba tumbuh ke sisi positif dari baterai dan dengan demikian terjadi arus pendek pada seluruh baterai, dengan kemungkinan dalam scenario kasus terburuk terjadi ledakan. Masalah keamanan ini terlalu besar untuk diabaikan , dan karena itu alternatif sumber lithium perlu digunakan. Ketika memecahkan masalah dendrit yang berhubungan dengan litium logam, banyak jalan alternatif yang dieksplorasi dan hasil yang paling menjanjikan berasal dari senyawa interkalasi. Suatu senyawa interkalasi bekerja sebagai matrik dimana lithium ion disimpan. Struktur host materi secara keseluruhan tidak berubah ketika dimasukan lithium dalam senyawa interkalasi; lithium sebaliknya menemukan lubang dalam struktur dimana ia dapat disimpan (Nordh, 2013).
Salah satu elektroda negatif yang paling umum digunakan dalam baterai saat ini adalah grafit. Atom-atom karbon dalam grafit tersusun dalam lapisan halus dengan ikatan van deer waals. Atom lithium kemudian dapat bergerak antara lapisan tersebut dan disimpan (gambar 2.3). Di tengah lapisan terdapat cicin karbon yang memungkinkan satu atom lithium dapat disimpan dalam enam karbon dan membentuk LiC6. Masalah keamanan yang dapat diatasi karena bahan interkalasi yang umumnya tidak mengalami pembentukan dendrit, namun berpengaruh pada energi dan daya spesifik (Nordh 2013). Dapat dilihat pada Gambar 2.3 bahan elektroda menggunakan logam lithium oksida katoda dan anoda grafit. Lithium diselingi antara lapisan grafit saat baterai terisi dan dalam struktur host oksida ketika habis
(40)
Gambar 2.3. Skematik bahan elektroda dalam baterai Lithium-ion
2.2.2. Katoda (elektroda positif)
Katoda adalah elektroda positif dari sel yang terkait dengan reaksi kimia reduksi yang memperoleh elektron dari sirkuit eksternal. Katoda disusun dari campuran bahan elektroda (90%), aditif konduktif (6%), bahan pengikat (4%), dan dilukis pada arus kolektor. Li-TMs dengan konduktivitas elektron yang rendah umumnya digunakan sebagai bahan elektroda, penurunan konduktivitas elektroda. Maka, beberapa karbon konduktif seperti grafit, Acethylene Black (AB), Ketjen Black (KB) kembali ditambahkan untuk meningkatkan sifat konduktif dari elektroda. Polimer fluorocarbon seperti Polytetra Fluoroethylene (PTFE), Polyvinylidene-difluoride (PVdF), dan Polyvinyl-fluoride (PVF) biasanya digunakan sebagai pengikat untuk menghubungkan setiap partikel dari bahan elektroda. Foil biasanya digunakan sebagai arus kolektor, karena harus bertahan dengan kondisi oksidasi yang tinggi (~4V vs Li+/Li).
2.2.3. Elektrolit
Elektrolit adalah bahan yang menyediakan ionic murni konduktifitas antara elektroda positif dan negatif dari sel. Elektrolit dalam sel komersial memilki sejumlah aditif untuk meningkatkan kinerja baterai dan keselamatan, resep khusus untuk sebagian besar elektrolit komersial menjadi rahasia yang dijaga ketat. Secara umum, kebanyakan elektrolit komersial mengandung karbonat organik dan
(41)
garam lithium, dimana LiPF6 adalah garam yang paling umum digunakan (Ronci, 2002).
2.2.4. Anoda
Anoda adalah elektroda negatif dari sel yang terkait dengan reaksi kimia oksidatif yang melepaskan elektron ke dalam sirkuit eksternal. Anoda tersusun oleh karbon (seperti grafit dan karbon berat) sebagai bahan dasar (90%) dan bahan pengikat (10%). Untuk mencegah paduan Li pada kondisi reduksi rendah, terdapat Cu-foil yang digunakan sebagai pengganti arus kolektor dari Al-foil.
2.3. Grafit sebagai Anoda
Baterai yang paling umum, lithium-ion memiliki grafit sebagai anoda, bekerja pada -2.5 V vs elektroda hidrogen standar. Dan bahkan interkalasi lain, umumnya oksida logam transisi, sebagai katoda bekerja sekitar 1.0 V. Memiliki satu elektroda yang bekerja pada -2.5V dan yang lainnya di 1.0 V, sehingga total potensial dimana baterai beroperasi adalah 3.5 V. Potensial ini memang cukup besar untuk membuat elektrolit tetap stabil secara kimiawi dari kedua reaksi, oksidasi dan reduksi. Bahkan, sebagian besar elektrolit tidak stabil dalam potensial yang ada dalam baterai lithium (Xu, 2004).
2.4. Li2Ti5O12 sebagai Anoda
Potensi elektrokimia yang rendah terkait dengan interkalasi lithium dalam grafit menimbulkan resiko dalam keadaan tertentu; masalah dengan dendrit lithium tidak sepenuhnya dihindari, dan dalam kondisi dingin atau kepadatan arus tinggi, lithium plating dan pembentukan dendrit dapat terjadi pada permukaan grafit. Dalam hal ini, LTO disarankan sebagai pengganti grafit dalam aplikasi dayanya tinggi karena potensi kerjanya 1.55 V mengurangi resiko pembentukan dendrit dibandingkan dengan grafit. Selain itu, lithiated dan delithiated dari KPP memiliki parameter sel yang sama, sehingga volume berubah menjadi nol selama cycling,
(42)
sehingga membuat bahan nol menjadi sebuah tegangan. Grafit mengalami perubahan volume 10% selama cycling yang menyebabkan SEI retak dan memungkinkan elektrolit dekomposisi ikut terlibat. Hal ini dianggap sebagai salah satu mekanisme degradasi jangka panjang dalam baterai dengan anoda grafit ( Vetter, 2005; Verma, 2010). Perubahan volume yang akan diperpanjang untuk proses cycling akan diperpanjang tanpa adanya kegagalan mekanis atau retak dari SEI. Pemilihan KPP sebagai pengganti LIB anoda juga dianggap karena relatif kelebihan elemen yang diperlukan, memungkinkan produksi pada skala besar dengan biaya yang rendah. Namun, meskipun tegangan operasi tinggi, itu belum sepenuhnya eksperimental yang diverifikasi bahwa LTO adalah bahan SEI bebas (Kitta, 2012; Song, 2014) tidak konklusif, dan tori-teori dalam literatur mencakup kemungkinan adanya sebuah SEI, (Jang, 1996).
2.5. SEI sebagai Anoda
Yang paling sering terjadi adalah anoda akan bertindak sebagai katalis dan garam organik dalam elektrolit bereaksi membentuk zat baru pada permukaan anoda. Layer baru ini bersifat pasif pada permukaan elektroda, sehingga mencegah reaksi lebih lanjut dalam elektrolit. Lapisan ini disebut Solid Electrolyte Interface (atau SEI) (Nordh, 2013).
Dapat dilihat dari Gambar 2.4 kemungkinan kombinasi bahan di lapisan SEI pada grafit, dengan ketebalan yang khas. SEI bermanfaat bagi baterai, dalam arti bahwa SEI merupakan elektroda pasif yang bereaksi dengan elektrolit, tetapi juga memiliki beberapa kelemahan. Difusi ion dapat menurun dengan lapisan SEI, sehingga mengurangi daya maksimum yang dapat diekstraksi dari baterai.
Gambar 2.4. Sebuah kemungkinan yang ada pada komposisi lapisan SEI pada anoda grafit dalam baterai Li-ion (Nordh, 2013)
(43)
Pembentukan lapisan SEI juga mengkonsumsi bahan aktif, sehingga mengurangi kapasitas baterai. Selain itu, selama interkalasi dan deinterkalasi, bahan dasar sering mengalami perubahan volume. Perubahan volume ini akan membentuk retakan di SEI dan SEI baru akan terbentuk pada saat terjadi retakan. Setelah itu terjadi berulang-ulang, maka perlahan-lahan akan mengurangi kapasitas dari baterai (Winter, 2004; Palacin, 2009).
2.6. Lithium Titanate
Lithium titanate bekerja sebagai material anoda dengan perpindahan dari Li4Ti5O12 ke Li7Ti5O12 selama charge. Rumus reaksi berikut ini juga menunjukkan perubahan struktur (Koshiba, 1994).
Pembentukan SEI mengarah pada hilangnya kapasitas ireversibel misalnya karena komsumsi bahan aktif, ketebalan lapisan tipis pada umumnya negatif. Jumlah SEI terbentuk tergantung pada luas permukaan aktif materi, yang pada umumnya menghalangi penggunaan bahan berstruktur nano di elektroda, karena ini akan memiliki kekurangan yang terlalu tinggi dari kapasitas sesuai pembentukan SEI. Jika LTE adalah pasif bebas, akan membuka kemungkinan untuk membuat berstruktur nano elektroda, yang yang akan meningkatkan kekuatan dan operasi kemampuan khusus dari anoda karena jalur difusi lebih sedikit daerah reaksi yang lebih besar.
Potensi tertinggi dari lithium titanat harus memungkinkan menggunakan aluminium sebagai anoda kolektor yang mengandung tembaga, yang akan mengurangi biaya produksi dan juga meningkatkan keamanan baterai. Sebuah potensi kerja lebih dekat dengan lithium logam akan beresiko pada pembentukan lithium logam pada permukaan anoda, dan dengan demikian kemungkinan pembentukan dendrit yang merupakan potensi yang berbahaya.
LTO memiliki potensi kerja sebesar 1.55 V vs lithium dan LMO yang memiliki potensi kerja sekitar 4 V vs lithium. Oleh karena itu, sel dengan LTO vs LMO akan menghasilkan tegangan tinggi sekitar 2.5 V. LTO menunjukkan
(44)
kemampuan yang baik dengan beberapa ribu siklus perputaran dan masih mempertahankan lebih dari 80% dari kapasitas awal (80% dari kapasitas awal adalah pedoman komersial untuk benchmark, ketika baterai diturunkan dibawah 80% dari yang sebelumnya maka kapasitas itu dianggap sebagai kelemahan baterai tersebut).
Umur panjang dipandang sebagai faktor sebagai yang sangat penting ketika memproduksi baterai. Ini dipandang sebagai salah satu keuntungan yang kuat dari bahan LTO, rendering itu sangat cocok untuk kendaraan hybrid yang siklus baterainya sangat banyak. Selanjutnya sifat yang menjadi bahan zero-regangan membuat LTO salah satu bahan anoda dengan kemampuan tingkat tertinggi yang ada. Ini juga keuntungan besar di industri otomotif, dimana kendaraan besar harus mempercepat dan memperlambat pada proses pengereman
regenerative, yaitu, dengan menggunakan tingkat tinggi (Wu, 2012; Pasquier,
2009).
2.7. Proses Pembuatan
2.7.1. Proses Metalurgi Serbuk
Metalurgi serbuk adalah suatu kegiatan yang mencakup pembuatan bahan komersil dari serbuk logam melalui penekanan. Proses ini dapat disertai milling, penekanan dan pemanasan. Selama proses penekanan atau sesudahnya disebut sinter, menghasilkan pengikat partikel halus. Dengan demikian kekuatan dan sifat fisis lainnya meningkat. Produk hasil metalurgi serbuk dapat terdiri dari produk campuran serbuk berbagai logam atau dapat berupa bahan bukan logam untuk meningkatkan ikatan partikel dan mutu benda secara keseluruhan.
Ukuran serbuk, partikel, bentuk dan distribusi logam mempengaruhi karakteristik dan sifat fisis dari benda yang dimamfaatkan, serbuk dibuat menurut spesifikasi antara lain bentuk, kehalusan, distribusi ukuran, mampu alir, berat jenis dan sifat sinter (Amstead, 1995).
(45)
2.7.2. Proses Pirolisa
Pirolisis adalah dekomposisi kimia bahan organik memalui proses pemanasan tanpa atau sedikit oksigen atau reagen lainnya, dimana material mentah akan mengalami pemecahan struktur kimia mejadi fase gas. Pirrolisis adalah kasus khusus termolisis. Pirolisis ekstrim, yang hanya meninggalkan karbon sebagai residu, disebut karbonisasi. Pirolisis adalah kasus khusus dari termolisis yang terkait dengan proses kimia charring, dan yang paling sering digunakan untuk organik bahan. Hal ini terjadi secara spontan pada temperatur tinggi ( misalnya d atas 300oC untuk kayu, itu berbeda untuk bahan lainnya), misalnya dalam kebakaran atau ketika vegetasi datang kedalam kontak dengan lava dalam letusan gunung barapi. Secara umum, gas dan cairan menghasilkan produk dan meninggalkan residu pada kaya kandungan karbon. Ekstrime pirolisis, yang daun karbon sebagai residu, disebut karbonisasi. Hal itu melibatkan reaksi dengan oksigen atau reagen lainnya, tetapi dapat terjadi dalam kehadiran mereka.
Pirolisis yang banyak digunkaan dalam industry kimia, misalnya, untuk menghasilkan arang, karbon aktif, methanol dan bahan kimia lainnya dari kayu, untuk mengubah ethylene dichloride ke yinil kloride untuk membuat PVC, untuk memproduksi kokas dari batu bara, untuk mengubah biomassa menjadi gas sintesis, untuk mengubah limbah menjadi bahan sekali pakai dengan aman, dan untuk retak-menengah-berat hidrokarbon dari minyak untuk memproduksi lebih ringan yang seperti bensin.( https://arumaarifu.wordpress.com/2010/02/05/apa-itu-pirolisis/)
2.7.3. Kalsinasi
Kalsinasi merupakan proses penghilangan kandungan air kristal atau inherent
moisture pada suatu bubuk. Temperatur yang digunakan dalam proses ini harus
lebih tinggi dari proses pengeringan (drying), tapi tidak melebihi temperatur lelehnya, dan juga tanpa adanya penambahan reagen (binder aditif). Proses kalsinasi ini sering disebut juga proses dekomposisi termal. Artinya pemanasan
(46)
pada suhu tinggi yang akan menyebabkan terurainya suatu senyawa dan akan membentuk senyawa baru yang lebih kompleks.
Proses kalsinasi terdiri dari 3 tujuan utama.
1. Tujuan pertama adalah untuk menghilangkan air yang diserap sebagai air Kristal atau air konstitusi.
2. Tujuan kedua adalah untuk menghilangkan CO2, SO2 dan zat volatile lainnya. 3. Tujuan ketiga adalah oksidasi zat sepenuhnya atau sebagian.
Kalsinasi juga dilakukan dalam proses pembakaran, di bawah titik didih zat. Aplikasi yang paling umum, di mana proses kalsinasi dilakukan, adalah dekomposisi CaCO3 ke CaO dan CO2 untuk menghasilkan semen. (Anonim, 2014)
2.7.4. Sintering
Sintering adalah teknik pengolahan yang digunakan untuk memproduksi kerapatan atau densitas yang dikendalikan bahan dan komponen dari logam atau bubuk keramik dengan menerapkan energi panas. Oleh karena itu, sintering dikategorikan dalam elemen sintesis/pengolahan antara empat elemen dasar ilmu dan teknik material. Dalam pengembangan ilmu bahan, sintesis material dan pengolahan telah menjadi penting dalam beberapa tahun terakhir, pentingnya sintering meningkat sebagai teknologi pengolahan material. Sintering adalah salah satu teknologi manusia tertua, yang berasal dari era prasejarah dengan penembakan tembikar. Produksi alat dari besi spons juga dibuat mungkin dengan sintering. Namun demikian, itu hanya setelah tahun 1940-an sintering yang dipelajari fundamental dan ilmiah. (Kang Suk-Joong L, 2005).
(47)
2.8. Karakterisasi
Karakterisasi yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi : 2.8.1. Karaterisasi X-Ray Diffraction
XRD merupakan alat yang digunakan untuk mengkarakterisasi struktur Kristal, ukuran Kristal dari suatu bahan padat. Semua bahan yang mengandung Kristal tertentu ketika dianalisa menggunakan XRD akan dimunculkan puncak-puncak yang spesifik. Sehingga kelemahan alat ini tidak dapat untuk mengkarakterisasi bahan yang bersifat amorf.
Metode difraksi umumnya digunakan untuk mengindentifikasi senyawa yang belum diketahui yang terkandung dalam suatu padatan dengan cara membandingkan dengan data difraksi database yang dilekuarkan oleh
International Centre for Diffarction Data berupa PDF Powder Diffraction File
(PDF).
Hasil sintering prekursor dan telah menjadi bahan aktif kemudian dikarakterisasi melalui rangkaian pengujian XRD untuk melihat struktur Kristal dan ukuran kristalit dari bahan aktif Na2Li2Ti6O14. Pada proses pengujian XRD, sejumlah sampel serbuk bahan aktif yang telah disinterring, dimasukan kedalam container kecil untuk ditembaki dengan gelombang yang berasal dari K-Cu α dengan kecepatan sudut penembakan sekitar 5o/menit, untuk menghasilkan data indentifikasi bidang Kristal yang minim akan noise. Pengujian XRD ditujukan untuk mengidentifikasi bidang Kristal Na2Li2Ti6O14 dengan membandingan data difraksi bidang Kristal Li4Ti5O12.
2.8.2. Karakterisasi Electrochemical Impedance Spectroscopy
Spektroskopi impedasi elektrokimia merupakan metode untuk mengetahui proses yang terjadi pada elektroda dengan mengukur perubahan impedansi dan memplot fungsi tersebut kedalam bentuk kompleks. Spektroskopi impedansi elektrokimia dapat mengukur nilai arus dan mengetahui respon lain yang terjadi ketika diterapkan potensial tertentu. Respon elektrik akan memberikan perubahan
(48)
impedansi pada permukaan antara elektrolit dan elektroda. Ketika elektroda (permukaan logam) dimasukkan ke dalam elektrolit, muatan listrik pada elektroda menarik ion muatan yang berlawanan dari elektrolit sehingga terjadi penyerahan (polarisasi) muatan. Terjadi polarisasi menyebabkan adanya lapisan antara elektroda dan elektrolit disebut electrical double layer (Leiden, D. 2002). Fenomena ini menujukkan bahwa pada sel baterai memiki sifat kapasitansi. Pengukuran menggukan spektroskopi impedansi dilakukan menggunakan sinyal AC dengan frekuensi tertentu. Spectrum frekuensi yang dibandingkan akan mengindefikasi perubahan impedansi (Z) yang terkait dengan reaksi elektrokimia pada sel baterai. Baik material katoda ataupun anoda yang berupa komposit memungkinkan untuk memiliki sifat kapasitansi dari dari proses sintesis yang terjadi. Impedansi merupakan perluasan konsep hambatan (R) pada rangkaian AC sehingga disebut impedansi AC.
2.8.3. Karakterisasi Cyclic Voltammetry
Teknik analisis elektrokimia modern didasarkan pada beberapa jenis teknik analisis seperti teknik sweep, teknik step dan teknik pulsa. Teknik sweep diantaranya yaitu Linear sweep Voltammetry (LSV), Cyclic Voltammetry (CV) dan Palaografi. Linear sweep voltammetry merupakann metode yang paling dasar dalam metode potensial sweep. LSV merupakan teknik satu kali sweep. Dalam LSV, elektroda diberikan potensial mulai dari potensial awal (Ef) sampai potensial akhir (Ei), selama pemberian potensial perubahan nilai diukur melalui pergerakan kurva. Proses yang terjadi dalam sel pada keadaan awal atau tidak ada potensial (open circuit). Kation dan anion berada pada keadaan diam ditengah antara elektroda kerja/working electrode (WE) dan elektroda pembanding/ counter
electrode (CE).
Ketika potensial diberikan pada sel elktrolisis mulai terjadi pergerakan kation dan anion. Penentuan secara voltammetry didasarkan pada respon analit ketika diberi potensial dan memberikan perubahan arus yang membentuk sutau gelombang. Besarnya arus puncak sebanding dengan konsentrasi analit dalam
(49)
larutan. Cyclic Voltammetry merupakan teknik yang banyak digunakan untuk mendapatkan informasi tentang reaksi elektrokimia. Cyclic Voltammetry diperoleh dari scan potensial melawan densitas arus dengan berbagai kecepatan scan. Dari CV didapatkan beberapa nilai parameter penting seperti potensial puncak anoda (Epa), potensial puncak katoda (EPc), puncak arus anoda (ipa), puncak arus katoda (ipc) dan potensial setengah gelombang (E1/2).
2.8.4. Karakterisasi Kapasitas baterai (Charge/Discharge)
Untuk mendapatkan performasi sebuah baterai maka diperlukan pengujian charge/discharge sehingga akan didapatkan besar kapasitas sel baterai. Baterai lithium sekunder memilki pola pengisian yang agak berbeda dengan baterai lainnya. Dipergulungan charge dengan profil I-V yang memenuhi karakteristik sebagai sumber arus dan sekaligus diakhir tahap pengisian berkarakteristik sebagai sumber tegangan. Gambar 2.5 menunjukkan profil I-V pengisian baterai lithium ion rechargeable. Terdiri dari 3 tahapan. tahap 1: baterai diisi dengan sumber arus tetap, tahap 2: baterai diisi dengan sumber tegangan tetap. tahap 3: baterai diisi dengan sumber tegangan tetap. (Achmad, 2011).
Gambar 2.5. Profil tegangan yang harus dipenuhi selama mengisi ulang sebuah baterai lithium.
(50)
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Baterai merupakan salah satu kebutuhan bagi manusia dalam penyimpanan energi. Pengembangan energi terbarukan baik sebagai pembangkit listrik maupun dalam transportasi memerlukan energy storage dalam bentuk baterai. Berbagai macam baterai telah beredar di dunia ini. Sedangkan perkembangan pasar baterai setiap tahunnya makin bertambah. Seperti terlihat pada gambar 1.1.
Gambar 1.1. Market Profile dari baterai di dunia (Tarascon, 2006)
Baterai adalah alat listrik-kimiawi yang menyimpan energi dan mengeluarkan tenaganya dalam bentuk listrik. Baterai yang biasa dijual (disposable/sekali pakai) mempunyai tegangan listrik 1,5 volt. Baterai ada yang berbentuk tabung atau kotak. Ada juga yang dinamakan rechargeable battery, yaitu baterai yang dapat diisi ulang, seperti yang biasa terdapat pada telepon genggam. Baterai sekali pakai disebut juga dengan baterai primer, sedangkan baterai isi ulang disebut dengan baterai sekunder.
Baik baterai primer maupun baterai sekunder, kedua-duanya bersifat mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Baterai primer hanya bisa dipakai sekali,
(51)
karena menggunakan reaksi kimia yang bersifat tidak bisa dibalik (irreversible
reaction). Sedangkan baterai sekunder dapat diisi ulang karena reaksi kimianya
bersifat bisa dibalik (reversible reaction).
Umumnya baterai menggunakan grafit sebagai anoda dengan struktur kristalnya berbentuk hexagonal, seperti gambar 1.2 Grafit mempunyai sejumlah ruang dalam satu dimensi dan mempunyai kemampuan konduktivitas elektrik yang cukup tinggi dalam perannya sebagai anoda.
Gambar 1.2. Model struktur grafit (Kucinnkis, et al. 2013).
Grafit tidak bisa dipakai untuk baterai karena menghasilakn listrik. SEI bermanfaat bagi baterai, dalam arti bahwa SEI merupakan elektroda pasif yang bereaksi dengan elektrolit, tetapi juga memiliki beberapa kelemahan. Difusi ion dapat menurun dengan lapisan SEI, sehingga mengurangi daya maksimum yang dapat diekstraksi dari baterai. Pembentukan lapisan SEI juga mengkonsumsi bahan aktif, sehingga mengurangi kapasitas baterai. Selain itu, selama interkalasi dan deinterkalasi, bahan dasar sering mengalami perubahan volume. Perubahan volume ini akan membentuk retakan di SEI dan SEI baru akan terbentuk pada saat terjadi retakan. Setelah itu terjadi berulang-ulang, maka perlahan-lahan akan mengurangi kapasitas dari baterai (Winter, 2004; Palacin, 2009).
Lithium Titanat Oxide tidak membutuhkan SEI karena pembentukan SEI mengarah pada hilangnya kapasitas ireversibel misalnya karena komsumsi bahan aktif, ketebalan lapisan tipis pada umumnya negatif. Jumlah SEI terbentuk tergantung pada luas permukaan aktif materi, yang pada umumnya menghalangi penggunaan bahan berstruktur nano di elektroda, karena ini akan memiliki
(52)
kekurangan yang terlalu tinggi dari kapasitas sesuai pembentukan SEI. (Wu, 2012; Pasquier, 2009).
Lithium titanat memiliki working voltage 1,55 V vs lithium, yang agak tinggi untuk bahan bekerja sebagai baterai Li anoda. Memiliki working voltage sekitar 2,5 V bukannya biasa 3,5 V, sehingga mengurangi energi spesifik dalam baterai. Salah satu efek positif adalah bahwa working voltage yang tinggi LTO tetap di dalam jendela stabilitas elektrolit, SEI kecil ini akan terbentuk.
Penggunaan Natrium dalam penelitian ini bisa menjadi substitusi Lithium untuk mengurangi working voltage pada baterai lithium ion.
Penelitian ini ditujukan untuk mengetahui pengaruh pelapisan karbon pada bahan aktif anoda Na2Li2Ti6O14 dengan proses kalsinasi dengan suhu 700oC selama 2 jam dan di lakukan proses sintering dengan suhu 800oC selama 4 jam, dalam penelitian ini menggunakan metode metalurgi serbuk yang dalam arti suatu kegiatan yang mencakup pembuatan bahan komersil dari serbuk logam melalui penekanan. Proses ini dapat disertai milling, penekanan dan pemanasan.Selama proses penekanan atau sesudahnya disebut sinter, menghasilkan pengikat partikel halus. Dengan demikian kekuatan dan sifat fisis lainnya meningkat. Produk hasil metalurgi serbuk dapat terdiri dari produk campuran serbuk berbagai logam atau dapat berupa bahan bukan logam untuk meningkatkan ikatan partikel dan mutu benda secara keseluruhan. Dalam penelitian ini juga dilakukan proses coating dengan Carbon dengan proses pirolisa. dengan mencampurkan material aktif dengan PVDF, AB dan juga DMAC sesuai perhitungan yang telah dilakukan.
1.2. Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Bagaimana membuat material Na2Li2Ti6O14 menjadi baterai lithium sebagai anoda menggunakan metode metalurgi serbuk ?
2. Bagaimana pengaruh carbon coating terhadap struktur Na2Li2Ti6O14 sebagai anoda baterai lithium ?
3. Bagaiamana pengaruh carbon coating terhadap material anoda Na2Li2Ti6O14 ?
(53)
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Untuk mengetahui bagaimana membuat material Na2Li2Ti6O14 menjadi baterai lithium sebagai anoda menggunakan metode metalurgi serbuk.
2. Untuk mengetahui bagaimana pengaruh carbon coating terhadap Na2Li2Ti6O14 sebagai anoda baterai lithium.
3. Untuk mengetahui bagaimana pengaruh carbon coating terhadap material anoda Na2Li2Ti6O14 .
1.4. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah :
1. Dapat memberikan informasi mengenai pengaruh jumlah karbon yang digunakan dalam proses coating terhadap struktur dan konduktivitas dari Na2Li2Ti6O14 sebagai anoda baterai lithium.
2. Penelitian ini merupakan inovasi baru akan pemanfaatan Na2Li2Ti6O14 sebagai anoda baterai lithium sehingga dapat digunakan sebagai rujukan penelitian selanjutnuya.
1.5. Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Penelitian ini ditujukan pada pembuatan Na2Li2Ti6O14. 2. Menggunakan metode metalurgi serbuk.
3. Perbandingan bahan 12:1, 10:1, 8:1 dengan carbon coating. 4. Proses pirolisa 800 oC / 2 jam pada carbon coating.
(54)
1.6. Sistematika Penulisan
Adapun sistematika dalam penulisan Skripsi ini mencakup beberapa bab dan subbab seperti yang dijelaskan di bawah ini:
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini terdiri atas latar belakang penelitian, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dalam penelitian, serta sistematika penulisan laporan penelitian.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk proses pengambilan data, analisa data serta pembahasan.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisi tempat dan waktu penelitian, metode yang digunakan bahan dan peralatan yang digunakan serta diagram alir penelitian.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini mencakup pembahasan dari hasil penelitian berupa hasil karakterisasi anailia fasa dan struktur Kristal, analisa fasa, konduktivitas, analisa reaksi redoks dan analisa kapasitas.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi kesimpulan yang diperoleh dari bab sebelumnya yaitu hasil dan pembahasan terkait tujuan dari penelitian. Dan juga saran yang diberikan untuk kajian lebih lanjut dari skripsi ini.
(55)
PENGARUH PELAPISAN KARBON PADA BHAN AKTIF ANODA Na2Li2Ti6O14
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian pembuatan sintesis bahan : LiOH.H2O, TiO2 dan Na2CO3 untuk mengetahui pengaruh pelapisan bahan karbon pada bahan aktif anoda Na2Li2Ti6O14. Dengan metode metalurgi serbuk pada kalsinasi 700 oC selama 2 jam dan di sintering 800 oC. Kemudian dilakukan coating dengan tapioka dan asam asetat dengan perbandingan bahan 12:1, 10:1, 8:1 melaui proses pirolisa dengan carbon natrium.untuk menentukan pengaruh pelapisan dalam performa elektrokimia sel baterai Na2Li2Ti6O14. Pengujian yang dilakukan yaitu analisa fasa dan struktur kristal menggunakan XRD, mengetahui konduktivitas menggunakan EIS, mengetahui reaksi redoks menggunakan CV, dan mengetahui kapasitas menggunakan CD. Analisa XRD dihasilkan fasa yang terbentuk adalah lithium sodium titanium oxide dengan rumus kimia (NaLiTi3O7) dan fasa rutyl,syn dengan rumus kimia (TiO2) sebanyak 96 % dan 4 %. Hasil EIS menunjukkan konduktivitas yang tertinggi adalah pada 12:1 konduktivitas terendah adalah tanpa coating, kemudian hasil yang ditunjukan pada sampel CV 12:1, 10:1, 8:1 dan non coating puncak oksidasi/reduksi yang memilki terbaik adalah 10:1, dan kapasitas terbaik pada sampel 12:1 dengan kapasitas charge 101,7 mAh/g dan kapasitas discharge 60,9 mAh/g.
(56)
THE INFLUENCE OF THE CARBON COATING ON THE ANODE ACTIVE MATERIAL Na2Li2Ti6O14
ABSTRACT
Research the influence of the carbon coating on the anode active material material Na2Li2Ti6O14 has been conducted synthesis manufacturing materials:
LiOH.H2O, TiO2 and Na2CO3 to know influence of coating materials on carbon
anode Na2Li2Ti6O14 active ingredients. Powder metallurgy methods on kalsinasi
700 oC for 2 hours in sintering and 800 °C. Then done coating with tapioca and acetic acid with comparative ingredients. 12:1, 10:1, 8:1 via the process of pyrolysis carbon with sodium. to determine the influence of the coating in an electrochemical cell Na2Li2Ti6O14 battery performance. Testing done i.e. the
phase analysis and crystal structure using XRD, knowing the conductivity using EIS, knows the redox reactions using the CV, and knowing the capacity of using the CD. XRD analysis generated by the phase is lithium sodium titanium oxide chemical formula (NaLiTi3O7) and phase rutyl, syn with the chemical formula (TiO2) as many as 96% and 4%. The results of the EIS shows the highest conductivity was at 12:1 is the lowest conductivity without the coating, then the results are shown on a sample CV 12:1, 10:1, 8:1 and non oxidation/reduction of peak coating that has best is 10:1, and the best capacity on samples of 12:1 with a capacity charge 101.7 mAh/g and a discharge capacity 60.9 mAh/g.
(57)
PENGARUH PELAPISAN KARBON PADA BAHAN AKTIF
ANODA Na
2Li
2Ti
6O
14SKRIPSI
ANDI MULYA
120801021
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
(58)
PENGARUH PELAPISAN KARBON PADA BAHAN AKTIF
ANODA Na
2Li
2Ti
6O
14SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas akhir dan memenuhi syarat
mencapai gelar sarjana Sains
ANDI MULYA
120801021
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
(59)
LEMBAR PENGESAHAN
PENGARUH PELAPISAN KARBON PADA BAHAN AKTIF ANODA Na2Li2Ti6O14
OLEH :
ANDI MULYA
NIM : 120801021
Disetujui Oleh : Komisi Pembimbing
Dr. Kerista Sebayang, M.S Dr. Ir. Bambang Prihandoko M.T
NIP: 195806231986011001 NIP: 196512251987011001
Diketahui Oleh :
Departemen Fisika FMIPA USU Pusat Penelitian Fisika-LIPI Ketua, Kepala,
Dr. Marhaposan Situmorang Dr. Bambang Widiyatmoko, M, Eng. NIP: 195510301980031003 NIP: 196204301989031001
(60)
PERSETUJUAN
Judul : Pengaruh Pelapisan Karbon pada Bahan Aktif Anoda Na2Li2Ti6O14
Kategori : Skripsi
Nama : Andi Mulya
NomorIndukMahasiswa : 120801021
Program studi : Sarjana (S1) Fisika Departemen : Fisika
Fakultas : Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam
Disetujuidi : Medan, Juni 2016
DisetejuiOleh
Pembimbing, DepartemenFisika FMIPA USU
Ketua,
Dr. KeristaSebayang, M.S Dr. MarhaposanSitumorang NIP : 195806231986011001 NIP : 195510301980031003
(61)
PERNYATAAN
PENGARUH PELAPISAN KARBON PADA BAHAN AKTIF
ANODA Na
2Li
2Ti
6O
14SKRIPSI
Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dari ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, Juni 2016
ANDI MULYA
120801021
(62)
PENGHARGAAN
Alhamdulliah, ucapan syukur yang tak terkira kepada yang pecipta alam semesta. Allah SWT yang telah memberikan begitu banyak kenikmatan berupa Iman dan Islam. Shalawat beriringkan salam ditunjukan kepada baginda Rasulullah saw yang memiliki peranan besar dalam peradapan dunia dan menjadi tauladan paling sempurna hingga saat ini.
Terwujudnya skripsi ini tidak lepas dari partisipasi dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih yang setulus-tulusnya kepada :
1. Dr. Kerista Sebayang, M.S selaku Dekan Fakultas Matematika & Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara, serta selaku pembimbing di Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan masukan dan arahan dalam menyelesaikan skripsi.
2. Dr. Marhaposan Situmorang selaku Ketua Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara, Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc. selaku Sekertaris Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara, dan seluruh staf pengajar beserta pegawai administrasi di Departemen Fisika yang telah memberikan fasilitas kepada penulis selama perkuliahan.
3. Dr. Bambang Prihandoko, selaku komisi pembimbing di Pusat Penelitian Fisika LIPI, yang telah memberikan banyak pengetahuan dan selalu sabar dalam membimbing penulis selama penelitian.
4. Prof. Dr. T. Sembiring, M.Sc, Dr. Kurnia Sembring, MS, Drs. Achiruddin,MS selaku dosen penguji yang telah memberikan banyak saran yang membuat skripsi ini lebih baik.
5. Orang Tua tercinta; Ayahanda Karmin, Ibunda Sulastri, untuk doa, dukungan baik secara moril dan finansial, kasih sayang, perhatian, kesabaran, motivasi dan nasehat. Terima kasih telah memberikan warna yang sangat indah dalam hidup ini.
6. Teman-teman yang luar biasa : Rahmad Saleh Nasution, Muhammad Balyan, Muhammad Iqbal, Indah Juriani, Devi Handayani Safitri,
(63)
Giassanistya Fadilah Marpaung, Eva Wahyuni Harahap, Fatimah Marwa Nasution, Dina Anggriani. Terima kasih atas kebersamaan yang telah diberikan selama perkuliahan.
7. Teman-teman satu bimbingan selama di Pusat Penelitian Fisika LIPI yang telah membantu peneliti dalam menjalani penelitian : Kana cicik.
8. Teman-teman seperjuangan : Rahmad Saleh Nasution, Firman Lamsyah, Rizuriniko Saragih, Muhammad Taufik, Indah Juriani, Devi Handayani Saftri, Giassanistya Fadilah Marpaung, Mia Aulia Dhika dan Elisabet Fransiska Sinaga. Terima kasih atas kebersamaan yang telah diberikan baik dalam suka maupun duka selama menjalani penelitian.
Atas kesadaran dan keterbatasan diri, masukan dan pengembangan lanjutan akan hasil penelitian ini diharapkan hadir sebagai proses perkembanagan ilmu pengetahuan. Harapan yang sederhana, semoga banyak manfaat yang didapat dari tulisan ini.
(64)
PENGARUH PELAPISAN KARBON PADA BHAN AKTIF ANODA Na2Li2Ti6O14
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian pembuatan sintesis bahan : LiOH.H2O, TiO2 dan Na2CO3 untuk mengetahui pengaruh pelapisan bahan karbon pada bahan aktif anoda Na2Li2Ti6O14. Dengan metode metalurgi serbuk pada kalsinasi 700 oC selama 2 jam dan di sintering 800 oC. Kemudian dilakukan coating dengan tapioka dan asam asetat dengan perbandingan bahan 12:1, 10:1, 8:1 melaui proses pirolisa dengan carbon natrium.untuk menentukan pengaruh pelapisan dalam performa elektrokimia sel baterai Na2Li2Ti6O14. Pengujian yang dilakukan yaitu analisa fasa dan struktur kristal menggunakan XRD, mengetahui konduktivitas menggunakan EIS, mengetahui reaksi redoks menggunakan CV, dan mengetahui kapasitas menggunakan CD. Analisa XRD dihasilkan fasa yang terbentuk adalah lithium sodium titanium oxide dengan rumus kimia (NaLiTi3O7) dan fasa rutyl,syn dengan rumus kimia (TiO2) sebanyak 96 % dan 4 %. Hasil EIS menunjukkan konduktivitas yang tertinggi adalah pada 12:1 konduktivitas terendah adalah tanpa coating, kemudian hasil yang ditunjukan pada sampel CV 12:1, 10:1, 8:1 dan non coating puncak oksidasi/reduksi yang memilki terbaik adalah 10:1, dan kapasitas terbaik pada sampel 12:1 dengan kapasitas charge 101,7 mAh/g dan kapasitas discharge 60,9 mAh/g.
(1)
DAFTAR ISI
Halaman
Lembar Pengesahan I
Persetujuan Ii
Pernyataan Iii
Penghargaan Iv
Abstrak Vi
Abstract Vii
Daftar Isi Viii
Daftar Tabel Xi
Daftar Gambar Xii
Daftar Lampiran Xiii
BAB 1. Pendahuluan
1.1.Latar Belakang 1
1.2.Rumusan Masalah 3
1.3.Tujuan Penelitian 4
1.4.Manfaat Penelitian 4
1.5.Batasan Masalah 4
1.6.Sistematika Penulisan 5
BAB 2. Tinjauan Pustaka
2.1. Baterai 6
2.1.1. Pengertian Baterai 6
2.1.2. Pengoprasian Baterai 7
2.1.3. Komponen dalam Lembaran Elektroda 10
2.2. Baterai Ion Lithium 10
2.2.1. Spesifikasi Kimia Baterai Ion Lithium 11
2.2.2. Katoda (elektroda positif) 13
2.2.3. Elelektrolit 13
2.2.4. Anoda 14
2.3. Grafit sebagai anoda 14
(2)
2.5. SEI sebagai Anoda 15
2.6. Lithium Titanate 16
2.7. Proses Pembuatan 17
2.7.1. Proses Metalurgi Serbuk 17
2.7.2. Proses Pirolisa 18
2.7.3. Kalsinasi 18
2.7.4. Sitering 19
2.8. Karakterisasi 20
2.8.1. Karaterisasi X-Ray Diffraction 20
2.8.2. Karakterisasi Electrochemical Impedance
Spectroscopy.
20
2.8.3. Karakterisasi Cyclic Voltammetry 21
2.8.4. Karakterisasi Kapasitas baterai (Charge/Discharge)
22
BAB 3. Metodologi Penelitian
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian 23
3.2. Bahan dan Peralatan Penelitian 23
3.2.1. Bahan 23
3.2.2. Peralatan Penelitian 23
3.3. Perhitungan Massa Bahan 25
3.3.1. Pembuatan Material Anoda Na2Li2Ti6O14 25
3.3.2. Pembuatan Lembaran Anoda Na2Li2Ti6O14 25
3.4. Tahapan penelitian 26
3.4.1. Pembuatan Material Anoda Na2Li2Ti6O14 26 3.4.2. Pembuatan Lembaran Anoda Na2Li2Ti6O14 27
3.5. Prosedur Penelitian 28
3.6. Karakterisasi 30
3.6.1. Karakterisasi X-Ray Diffraction 30
3.6.2. Karakterisasi Electrochemichal Impedance
Spectroscopy
31
3.6.3. Karakterisasi Cyclic Voltammetry
(3)
3.6.4. Karakterisasi Charge/Discharge 31 BAB 4. Hasil dan Pembahasaan
4.1. Karakteristik Material Anoda Na2Li2Ti6O14 32
4.1.1. Analisa Fasa dan Struktur Kristal Na2Li2Ti6O14 menggunakan XRD
32
4.2. Karakterisasi Sel terhadap Lembaran Na2Li2Ti6O14 34 4.2.1. Analisa EIS (Electrochemical Impedance
Spectroscopy)
35
4.2.2. Analisa Elektkimia dengan CV (Cyclic
Voltammetry)
38
4.2.3. Analisa CD (Charge Discharge) 39
BAB 5. Kesimpulan dan Saran
5.1. Kesimpulan 41
5.2. Saran 41
(4)
DAFTAR TABEL
Nomor Tabel
Judul Halaman
3.1 Perbandingan komposisi bahan dalam (gr) pada pembuatan material anoda
25
3.2 Perbandingan Komposisi bahan dalam (gr) pada pembuatan lembaran anoda
25
3.3 Komposisi bahan NaLiTi3O 28
4.1 Hasil analisis struktur kristal (parameter kisi) NaLiTi3O7 dan TiO2
34
4.2 Resistansi sampel A1,A2,A3,A4 hasil uji EIS 37
(5)
DAFTAR GAMBAR
Nomor Gambar
Judul Halaman
1.1 Market Profile dari baterai di dunia 1
1.2 Model struktur grafit 2
2.1 Skema baterai Lithium ion yang sederhana 8
2.2 Skema lengkap baterai Lithium ion 9
2.3 Skematik bahan elektroda dalam baterai Lithium-ion 13
2.4 Sebuah kemungkinan yang ada pada komposisi lapisan
SEI pada anoda grafit dalam baterai Li-ion
15
2.5 Profil tegangan yang harus dipenuhi 22
4.1 Struktur Orthorhombic 32
4.2 Struktur Tetragonal 33
4.3 Grafik dan bidang hkl hasil XRD pada Na2Li2Ti6O14 33
4.4 Hasil lembaran anoda Na2Li2Ti6O12 pada sampel A1, A2, A3 dan A4.
35
4.5 Grafik cole-cole plot A1, A2, A3, A4 hasilUji EIS 36
4.6 Grafik cole-cole plot hasilUji EIS 37
4.7 Grafik Voltammogram siklik pada sampel NaLTO, A1,
A2, A, A4
38
(6)
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran Judul Halaman
A Perhitungan Komposisi Bahan 44
B 1. Gambar Bahan Penelitian 47
2. Gambar Peralatan Penelitian 49