KESIMPULAN SARAN Grafit sebagai Anoda Li

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. KESIMPULAN

Dari hasil pembahasan sebelumnya, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Pembuatan material Na 2 Li 2 Ti 6 O 14 dengan metode metalurgi serbuk pada kalsinasi 700 o C dan sintering 800 o C telah menghasilkan material 96 . 2. Pengaruh carbon coating terhadap Na 2 Li 2 Ti 6 O 14 pada sampel A1 perbandingan 12:1 terbaik dengan konduktivitas 4,460 x 10 2 σ Scm. 3. Pengaruh carbon coating terhadap material anoda Na 2 Li 2 Ti 6 O 14 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 Na 2 Li 2 Ti 6 O 14 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. Universitas Sumatera Utara 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 menemukan satu “ solusi emas” yang lebih baik untuk setiap situasi. Sebaliknya, Universitas Sumatera Utara 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 Universitas Sumatera Utara 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 Universitas Sumatera Utara 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 Whkg dan kepadatan energi diukur dengan WhL. kepadatan energi juga dapat diukur dengan gravimetrik dan velumetri, masing-masing daya listrik yang spesifik dinyatakan dalam Wkg dan kerapatan daya WL 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 Universitas Sumatera Utara 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, Universitas Sumatera Utara 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 Universitas Sumatera Utara 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 LiC 6 . 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 Universitas Sumatera Utara 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 Universitas Sumatera Utara garam lithium, dimana LiPF 6 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. Li

2 Ti 5 O 12 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, Universitas Sumatera Utara 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