KESIMPULAN SARAN Baterai ion Lithium

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 KESIMPULAN

Berdasarkan penelitian dan hasil pengamatan maka dapat disimpulkan bahwa 1. Pengaruh ketebalan pada lembaran katoda LiFePO 4 pada kapasitas baterai ion lithium yaitu dengan meningkatnya ketebalan pada lembaran katoda LiFePO 4 maka semakin besar kapasitas yang dihasilkan. Kapasitas yang terbesar yaitu pada baterai yang memiliki ketebalan laminate katoda 300 µm dan kapasitas yang terkecil pada baterai yang memiliki ketebalan laminate katoda 100 µm. 2. Pengaruh variasi komposisi pada lembaran anoda MCMB pada kapasitas baterai ion lithium yaitu baterai dengan komposisi anoda MCMB 80 : 13 : 7 memiliki kapasitas yang lebih tinggi. Kapasitas spesifik pada ketebalan laminate katoda 100 µm, 150 µm dan 300 µm masing-masing sebesar 69,65 mAhgr, 73,61 mAhgr dan 81,93 mAhgr. 3. Pengaruh ketebalan pada lembaran anoda MCMB pada kapasitas baterai ion lithium yaitu baterai dengan ketebalan laminate anoda 100 µm memiliki kapasitas yang lebih tinggi. Kapasitas spesifik yang diperoleh pada ketebalan laminate katoda 100 µm, 150 µm dan 300 µm masing-masing sebesar 79,10 mAhgr, 82,54 mAhgr dan 88 mAhgr. Pada variasi komposisi dan ketebalan pada lembaran anoda MCMB, maka MCMB dengan komposisi 85 : 10 : 5 dan ketebalan 100 µm merupakan anoda terbaik karena menghasilkan kapasitas yang terbesar dan efisiensi diatas 99 .

5.2 SARAN

1. Sebaiknya perlu dilakukan penelitian untuk selanjutnya, pengaruh kapasitas baterai pada anoda MCMB dengan massa material aktif MCMB pada lembaran dibawah satu gram. 2. Sebaiknya perlu dilakukan penelitian untuk selanjutnya, untuk ketebalan katoda LiFePO 4 diatas 300 µm. Universitas Sumatera Utara BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sejarah Perkembangan Baterai

Baterai adalah alat yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia yaitu proses terjadinya reaksi oksidasi dan reduksi. Listrik yang dihasilkan oleh sebuah baterai muncul akibat adanya perbedaan potensial energi listrik kedua buah elektrodanya. Perbedaan potensial ini dikenal dengan potensial sel atau gaya gerak listrik ggl. Alessandro Volta merupakan orang yang pertama kali menciptakan baterai pada awal abad ke-19 yang dikenal dengan Tumpukan Volta Voltaic Pile. Baterai ini terdiri dari tumpukan cakram seng dan tembaga berselang seling dengan kain basah yang telah dicelup air garam sebagai pembatasnya. Baterai ini telah mampu menghasilkan arus yang kontinu dan stabil. Baterai mempunyai sejarah yang panjang dan terus mengalami perkembangan. Berikut sejarah perkembangan baterai yang dapat dilihat pada Tabel 2.1. Tabel 2.1. Sejarah Perkembangan Baterai Tahun Penemu Penemuan 1600 Gilbert Inggris Peletakkan dasar-dasar elektrokimia 1789 Galvani Italia Penemuan listrik dari hewan 1800 Volta Italia Penemuan Sel Voltaik 1802 Cruickshank Inggris Baterai pertama yang mampu diproduksi massal 1820 Ampere Perancis Listrik oleh magnet 1833 Faraday Inggris Hukum Faraday 1859 Planto Inggris Penemuan baterai timbalasam Universitas Sumatera Utara 1868 Leclanche Inggris Penemuan sel Leclanche 1888 Gassner AS Penyempurnaan sel kering 1899 Jungner Swedia Penemuan baterai Ni-Cd 1901 Edison AS Penemuan baterai Ni-besi 1932 Schlect dan Ackerman Jerman Penemuan pelat kutub yang dipadatkan 1947 Neumann Perancis Berhasil mengemas baterai Ni-Cd 1960-an Union Carbide AS Pengembangan baterai alkaline primer 1970-an Union Carbide AS Pengembangan baterai timbalasam dengan pengaturan katup 1990 Union Carbide AS Komersialisasi baterai Ni-MH 1992 Kordesch Kanada Komersialisasi baterai alkaline yang dapat dipakai ulang 1999 Kordesch Kanada Komersialisasi baterai Li-ion polimer Sumber : Buchmann 2001

2.1.1 Komponen Utama Baterai

Komponen utama pada baterai yaitu terdiri atas : a. Elektroda negatif anoda yaitu elektroda yang melepaskan elektron ke rangkaian luar dan mengalami proses oksidasi pada proses elektrokimia. b. Elektroda positif katoda yaitu elektroda yang menerima elektron ke rangkaian luar dan mengalami proses reduksi pada proses elektrokimia. c. Elektrolit adalah media transfer ion yang bergerak dari anoda ke katoda dalam sel baterai saat penggunaan Linden, 2002. d. Separator. Seperator adalah material berpori yang diletakkan di antara anoda dan katoda untuk mencegah terjadinya gesekan antar plat yang menyebabkan arus pendek Subhan, 2011. Universitas Sumatera Utara

2.1.2 Jenis – Jenis Baterai

Berdasarkan kemampuannya untuk dikosongkan discharged dan diisi ulang recharged baterai terbagi menjadi dua jenis yaitu sebagai berikut : 1. Baterai Primer Baterai primer adalah baterai yang tidak dapat diisi ulang. Setelah kapasitas baterai habis fully discharged, baterai tidak dapat dipakai kembali. Beberapa contoh baterai jenis ini adalah baterai Seng-Karbon Baterai Kering, baterai Alkalin dan baterai Merkuri. 2. Baterai Sekunder Baterai sekunder adalah baterai yang dapat diisi ulang. Kemampuan diisi ulang baterai sekunder bervariasi antara 100-500 kali satu siklus adalah satu kali pengisian dan pengosongan. Beberapa contoh baterai sekunder adalah baterai Ni-Cd, baterai Ni-MH dan baterai ion lithium Buchmann, 2001.

2.1.3 Istilah-Istilah Umum dalam Baterai

Beberapa istilah-istilah umum dalam baterai yaitu antara lain : 1. Kapasitas baterai Kapasitas baterai merupakan kemampuan baterai untuk menyimpan dan memberikan arus listrik pada waktu tertentu yang dinyatakan dalam satuan Ampere-hour Ah. Proses reaksi sel yang terjadi secara spontan, terkait dengan perubahan energi bebas dan jumlah total muatan yang bisa ke rangkaian luar Q, disebut kapasitas sel, oleh hukum Faraday dirumuskan dengan: Q = ∫ � �� � = zFN 2.1 dimana i adalah arus yang mengalir dalam rangkaian, t adalah waktu, z adalah jumlah elektron yang berhubungan dengan reaksi redoks, F adalah konstanta Faraday 96.490 Cmol -1 dan N merupakan jumlah mol dari reaksi elektrokimia Persamaan 2.1. diatas menyatakan bahwa jumlah total listrik yang dihasilkan sebanding dengan jumlah mol dengan jumlah elektron konstan Faraday Moretti, 2010. Universitas Sumatera Utara Besar kapasitas baterai secara teoritik tergantung dari jumlah material aktif terkandung terlihat pada rumus 2.1. Sebagai contoh, besar kapasitas material katoda LiCoO 2 sebesar 1 gram adalah sebagai berikut : Berat atom Li = 7, Co = 59 dan O 2 = 16. 1 gram LiCoO 2 setara dengan 0,010204 mol Jumlah muatan = 1 Dari bilangan Avogadro diketahui 1 mol material mengandung 96.500 Couloumb. Maka 1 gram LiCoO 2 memiliki kapasitas listrik sebesar = 0,010204 × 1 × 96.500 3600 = 273,5 mAh Triwibowo, 2011. 2. Kapasitas spesifik Kapasitas spesifik adalah total muatan yang dihasilkan pada saat discharge dari sel dalam satu siklus dibagi dengan total massa ∑ � dari sel. Q = ��∗� ∑ � 2.2 3. Efisiensi baterai Efisiensi baterai merupakan perbandingan antara kapasitas discharge dan kapasitas charge yang dirumuskan sebagai berikut : Efisiensi baterai = ����ℎ���� ke n �ℎ���� ke n x 100 2.3 dimana discharge ke n adalah kapasitas discharge pada siklus ke n dan charge ke n adalah kapasitas charge pada siklus ke n. 4. Kerugian kapasitas irreversible Kerugian kapasitas irreversible berhubungan dengan banyaknya kapasitas yang hilang setiap siklus. Kerugian kapasitas irreversible = �ℎ���� ke n− ����ℎ���� ke n �ℎ���� ke n x 100 2.4 Gritzner et al. 1993. Universitas Sumatera Utara

2.2 Baterai ion Lithium

Baterai ion lithium adalah baterai yang digerakkan oleh ion lithium. Baterai ion lithium pertama kali dikomersialisasikan pada tahun 1990 oleh Sony Corp untuk ponsel Kyocera. Sejak diperkenalkan, pasar ion lithium telah berkembang menjadi sekitar 4 miliar pada tahun 2005 Yoshio et al. 2009. Baterai ion lithium memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan baterai sekunder lainnya yaitu ringan, densitas energinya tinggi, tidak memiliki memory effect, dapat diisi ulang rechargeable, tahan lama, tegangannya tinggi 4V, ramah lingkungan dan penurunan charge baterai ion lithium rendah sekitar 5 per bulan. Namun, baterai ion lithium masih memiliki kekurangan diantaranya sangat sensitif terhadap suhu tinggi dan biayanya lebih tinggi dibandingkan dengan baterai yang sudah ada Oswal et al. 2010. Baterai ion lithium juga memiliki sifat utama yaitu nilai spesifik energi secara grafimetrik maupun volumik jauh lebih unggul dibandingkan dengan baterai sekunder lain Kawamoto, 2010. Hal ini dapat dilihat perbandingannya pada Gambar 2.1. Gambar 2.1. Perbandingan Baterai ion Lithium dengan Baterai Sekunder Lainnya Tarascon et al. 2001 Universitas Sumatera Utara Penjelasan pada Gambar 2.1. dapat dilihat perbandingan antara baterai ion lithium dengan baterai sekunder lainnya pada Tabel 2.2. dibawah ini. Tabel 2.2. Perbandingan Baterai ion Lithium dengan Baterai Sekunder Lainnya Katoda Ion Li Pb – Acid Ni – Cd Ni – MH Waktu hidup cycle 500-1000 200-500 500 500 Tegangan kerja V 3,6 1,0 1,2 1,2 Energi Spesifik WhKg 100 30 60 70 Energi Spesifik WhL 240 100 155 190 Sumber : Wu et al 2011 Dalam kondisi charge dan discharge baterai ion lithium bekerja menurut fenomena interkalasi, yaitu proses pelepasan ion lithium dari tempatnya di struktur kristal suatu bahan elektroda dan pemasukan ion lithium pada tempat di struktur kristal bahan elektroda yang lain Munshi, 1995. Sehingga bahan elektroda harus mempunyai tempat bagi perpindahan ion lithium yang sering disebut host. Bahan elektroda mempunyai struktur host dengan variasi interkalasi yang berbeda-beda. Pada umumnya, bahan memiliki tiga model interkalasi berdasarkan struktur dari hostnya, yaitu interkalasi satu dimensi, dua dimensi dan tiga dimensi seperti pada Gambar 2.2. Prihandoko, 2008. Gambar 2.2. Tiga Model Host dari Bahan Anoda dan Katoda Universitas Sumatera Utara Proses interkalasi pada baterai ion lithium saat charge dan discharge dapat dilihat pada Gambar 2.3. dibawah ini. Gambar 2.3. Proses Interkalasi pada Baterai ion Lithium saat Charge dan Discharge Leite, 2009 Selama proses charge baterai, terjadi pergerakan ion lithium dari elektroda positif katoda melalui seperator dan elektrolit ke elektroda negatif anoda. Baterai menyimpan energi selama proses ini densitas energi. Selama discharge, ion lithium bergerak dari elektroda negatif anoda ke elektroda positif katoda melalui seperator dan elektrolit, menghasilkan densitas daya pada baterai. Dalam proses interkalasi elektron mengalir dalam arah yang berlawanan dengan ion di sekitar sirkuit luar Oswal et al. 2010. Reaksi kimia yang terjadi dalam baterai ion lithium bersifat reversible, sehingga material penyusun sel dipilih dari material yang memiliki struktur kristal dengan kemampuan ’insertion compound’ yaitu material yang mampu menerima dan melepaskan ion lithium tanpa mengalami perubahan besar atau kerusakan dalam struktur kristalnya Linden, 2002. Reaksi yang terjadi merupakan reaksi reduksi dan oksidasi redoks pada katoda dan anoda. Reaksi reduksi merupakan reaksi penambahan elektron oleh suatu molekul atau atom sedangkan reaksi oksidasi adalah reaksi pelepasan elektron pada suatu Universitas Sumatera Utara molekul atau atom. Reaksi oksidasi dan reduksi yang terjadi pada katoda LiFePO 4 dan anoda LiC 6 saat charge dan discharge pada baterai ion lithium yaitu : Pada katoda : LiFePO 4 + xLi + + xe - xFePO 4 + Li 1-x FePO 4 2.5 Wu et al. 2011. Pada anoda : C 6 + x Li + + x e - LixC 6 2.6 Reaksi pada sel baterai : LiFePO 4 + C 6 Li 1-x FePO 4 + Li x C 6 2.7 Zhao et al. 2015. Suatu material elektrokimia dapat berfungsi baik sebagai elektroda anoda maupun katoda bergantung pada pemilihan material yang akan menentukan karakteristik perbedaan nilai tegangan kerja working voltage dari kedua material tersebut. Potensial tegangan yang terbentuk antara kedua elektroda bergantung dari reduksi dan oksidasi pada bahan elektroda yang dipilih Subhan, 2011. Tegangan kerja dari beberapa material elektroda dapat dilihat pada Gambar 2.4. Gambar 2.4. Tegangan Kerja pada Beberapa Material Elektroda pada Baterai ion Lithium Marom et al. 2001 Universitas Sumatera Utara Pada Gambar 2.4. tampak bahwa material yang dapat berfungsi sebagai katoda dan anoda dilihat pada tegangan kerjanya. Material yang berperan sebagai katoda harus memiliki tegangan kerja yang lebih tinggi dibandingkan dengan tegangan kerja pada material anoda. Misalnya, grafit berfungsi sebagai anoda ketika dipasangkan dengan Li x MnO 2 karena tegangan kerja grafit sebesar 0,5 V sedangkan Li x MnO 2 tegangan kerjanya sebesar 3 V. Namun grafit dapat berfungsi sebagai katoda saat dipasangkan dengan elektroda Li metal sebagai anodanya karena tegangan kerja Li metal masih dibawah tegangan kerja grafit sebesar 0 Volt Subhan, 2011.

2.3 Material Elektroda untuk Baterai ion Lithium