Pengertian Baterai Perkembangan Baterai Lithium Sebagai Energi Terbarukan

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Baterai

Baterai adalah suatu sel elektrokimia yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Listrik yang dihasilkan oleh sebuah baterai muncul akibat adanya perbedaan potensial energi listrik dari kedua buah elektrodanya katoda dan anoda. Perbedaan potensial ini dikenal dengan potensial sel atau ggl. Baterai yang kita gunakan sekarang mempunyai perbedaan yang besar dengan baterai generasi awal. Dari segi konstruksi, baterai generasi awal mempunyai ukuran yang besar dan mempunyai komponen komponen yang rawan akan kerusakan. Baterai sekarang mempunyai ukuran yang kecil dan sebagian komponennya padat, sehingga lebih aman. Dari segi kapasitas energi, baterai sekarang mempunyai rasio energi terhadap massa yang jauh lebih besar dibandingkan baterai generasi awal.

2.1.1 Jenis – Jenis Baterai

Berdasarkan kemampuannya untuk dikosongkan dischargerd dan diisi ulang recharged, baterai dibagi menjadi dua, yaitu baterai primer dan baterai sekunder. Kemampuan atau ketidakmampuan sebuah baterai untuk diisi ulang terletak pada reaksi kimiawi dalam baterai tersebut. 1. Baterai Primer Baterai primer adalah baterai yang tidak dapat diisi ulang. Setelah kapasitas baterai habis fully discharged, baterai tidak dapat dipakai kembali. Beberapa contoh baterai jenis ini adalah baterai Seng-Karbon Baterai Kering, baterai Alkalin dan baterai Merkuri. 2. Baterai Sekunder Baterai sekunder adalah baterai yang dapat diisi ulang. Kemampuan diisi ulang baterai sekunder bervariasi antara 100-500 kali Satu siklus adalah satu kali pengisian dan pengosongan. Beberapa contoh baterai sekunder Universitas Sumatera Utara adalah baterai Timbal-Asam Aki, baterai Ni-Cd, baterai Ni-MH, dan salah satu jenis baterai yang saat ini berkembang adalah Lithium Ion Battery atau baterai ion lithium.

2.2 Baterai Ion Lithium

Baterai ion lithium merupakan salah satu jenis baterai sumber arus sekunder yang dapat diisi ulang dan merupakan baterai yang ramah lingkungan karena tidak mengandung bahan yang berbahaya seperti baterai baterai yg berkembang lebih dahulu yaitu baterai NI-Cd dan Ni-MH. Kelebihan lainnya yaitu baterai ion lithium tidak mengalami memory effect sehingga dapat diisi kapan saja, waktu pengisian singkat 2- 4 jam karena arus pengisian baterai tertinggi 0,5 – 1 A, laju penurunan efisiansi baterai rendah 5 – 10 per bulan serta lebih tahan lama masa hidup 3 tahun Eriksson, 2001. Jenis baterai ini pertama kali diperkenalkan oleh peneliti dari Exxon yang bernama M. S. Whittingham yang melakukan penelitian dengan judul ― Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry” pada tahun 1970. Beliau menjelaskan mengenai proses interkalasi pada baterai litium ion menggunakan titanium II sulfide sebagai katoda dan logam litium sebagai anoda. Proses interkalasi adalah proses perpindahan ion lithium dari anoda ke katoda dan sebaliknya pada baterai lithium ion. Lithium Ion Battery pada umumnya memiliki empat komponen utama yaitu elektroda negatif anoda, elektroda positif katoda, elektrolit, dan separator. 1. Anoda Elektroda Negatif Anoda merupakan elektroda negatif yang berkaitan dengan reaksi oksidasi setengah sel yang melepaskan elektron ke dalam sirkuit eksternal. Subhan,2011. Anoda berfungsi sebagai tempat pengumpulan ion lithium serta merupakan tempat bagi material aktif, dimana lembaran pada anoda biasanya berupa tembaga Cu foil . Material yang dapat dipakai sebagai anoda harus memiliki karakteristik antara lain memiliki kapasitas energi yang besar, memiliki profil kemampuan menyimpan dan melepas muatanion yang baik, memiliki tingkat siklus pemakaian yang lama, mudah untuk di proses, aman dalam pemakaian tidak mengandung racun dan harganya murah. Universitas Sumatera Utara Salah satu material yang dapat berperan sebagai anoda adalah material yang berbasis karbon seperti grafit LiC 6 . Material aktif lain yang dapat digunakan sebagai anoda antar lain lithium titanium oxide LTO. Material ini aman dipakai serta memiliki tingkat siklus pemakaian yang cukup lama. Pada Tabel 2.1 memberikan contoh beberapa material yang pernah digunakan sebagai anoda dengan kapasitas energinya. Tabel 2.1 Beberapa material yang digunakan untuk anoda Gritzner, 1993. Anoda Beda potensial rata-rata V Kapasitas Spesific mAhg Energi spesifik kWhkg Grafit LiC 6 0,1-0,2 372 0,0372-0,0744 Titanate Li 4 Ti 5 O 12 1-2 160 0,16-0,32 Si Li4, 4Si 0,5-1 4212 2,106-4,212 GeLi4,4Ge 0,7-1,2 1624 1,137-1,949 2. Katoda Elektroda Positif Katoda merupakan elektroda positif. Subhan, 2011. Pada dasarnya katoda merupakan elektroda yang fungsinya sama seperti anoda yaitu berfungsi sebagai tempat pengumpulan ion lithium serta merupakan tempat bagi material aktif, dimana lembaran pada katoda biasanya adalah aluminium Al Foil. Beberapa karakteristik yang harus dipenuhi suatu material yang digunakan sebagai katoda antara lain material tersebut terdiri dari ion yang mudah melakukan reaksi reduksi dan oksidasi, memiliki konduktifitas yang tinggi seperti logam, memiliki kerapatan energi yang tinggi, memiliki kapasitas energi yang tinggi, memiliki kestabilan yang tinggi tidak mudah berubah strukturnya atau terdegradasi baik saat pemakaian maupun pengisian ulang, harganya murah dan ramah lingkungan. Tabel 2.2 menunjukkan beberapa jenis material yang dapat digunakan untuk katoda dengan besar kapasitas energinya yang dapat disimpan. Universitas Sumatera Utara Tabel 2.2 Beberapa jenis material yang digunakan untuk katoda Gritzner, 1993. Material Beda potensial rata-rata V Kapasitas spesific mAhg Energi spesific kWhkg LiCoO 2 3,7 140 0,518 LiMn 2 O 4 4,0 100 0,400 LiNiO 2 3,5 180 0,360 LiFePO 4 3,3 150 0,495 LiCo 13 Ni 13 Mn 13 O 2 3,6 160 0,576 3. Elektrolit Elektrolit merupakan perangkat elektrokimia yang sangat penting dalam suatu baterai. Elektrolit merupakan material yang bersifat penghantar ionik. Fungsi elektrolit ialah sebagai media untuk mentransfer ion lithium antara katoda dan anoda. Ada beragam jenis elektrolit seperti cair, padat, polimer dan komposit elektrolit. Elektrolit yang banyak digunakan pada baterai lithium adalah elektrolit cair yang terdiri dari garam lithium yang dilarutkan dalam pelarut berair. Hal yang paling penting dalam suatu elektrolit adalah interaksi antara elektrolit dan elektroda pada baterai. Hubungan dua bahan ini akan mempengaruhi kinerja baterai secara signifikan. Fadhel, 2009. Karakteristik elektrolit yang penting untuk diperhatikan antara lain konduktivitas ion yang tinggi tetapi konduktivitas elektron yang rendah, viskositas yang rendah, titik leleh yang rendah, titik didih yang tinggi aman tidak beracun serta harganya murah. 4. Separator Separator adalah material berpori yang terletak di antara anoda dan katoda dan diaplikasikan sebagai penjamin faktor keamanan baterai. Material ini berfungsi sebagai barrier antara elektroda untuk menjamin tidak terjadinya hubungan pendek yang bisa menyebabkan kegagalan dalam baterai. Separator dapat berupa elektrolit yang berbentuk gel, atau plastik film microporous nanopori, atau material inert berpori yang diisi dengan Universitas Sumatera Utara elektrolit cair. Sifat listrik separator ini mampu dilewati oleh ion tetapi juga mampu memblokir elektron, jadi bersifat konduktif ionik sekaligus tidak konduktif elektron. Subhan, 2011. Karakteristik yang penting untuk dijadikan separator pada baterai yaitu bersifat insulator, memiliki hambatan listrik yang kecil, kestabilan mekanik tidak mudah rusak, memiliki sifat hambatan kimiawi untuk tidak mudah terdegradasi dengan elektrolit serta memiliki ketebalan lapisan yang seragam atau sama diseluruh permukaan. Persyaratan umum separator yang dapat digunakan untuk baterai ion lithium dapat di lihat pada Tabel 2.3 Tabel 2.3 Persayaratan umum untuk separator baterai ion lithium Jun, 2010 Parameter pada separator Nilai parameter Standar Ketebalan 25 m ASTM D5947-96 Hambatan listrik 2 Ωcm 2 US 4.464.238 Ukuran pori 1 m ASTM E 128-99 Porositas ± 40 ASTM E 128-99 Wettabilitas Basah keseluruhan pada elektrolit Stabilitas kimia Stabil dalam baterai untuk penggunaan yang lama. Penyusutan 5 ASTM D 1204 Titik leleh Tegangan rusak ±130 C 20 V Beberapa material yang dapat digunakan sebagai separator antara lain polyolefins PE dan PP, Poly vinylidene fluoride PVDF, PTFE teflon, PVC, dan poly ethylene oxide . Higuchi et al., 1995 Universitas Sumatera Utara

2.2.1 Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium

Reaksi kimia dalam baterai sekunder bersifat reversible, sehingga material tersebut memiliki struktur kristal dengan kemampuan insertion compound David, 1994, yaitu material keramik yang mampu menerima dan melepaskan x koefisien ion lithium per mol A z B y tanpa mengalami perubahan besar atau kerusakan dalam struktur kristalnya. Kemampuan kapasitas energi yang tersimpan dalam baterai lithium tergantung pada berapa banyak ion lithium yang dapat disimpan dalam struktur bahan elektrodanya dan berapa banyak yang dapat bergerak dalam proses c harge dan discharge , karena jumlah arus elektron yang tersimpan dan tersalurkan sebanding dengan jumlah ion lithium yang bergerak. Lithium merupakan atom logam alkali yang terdapat pada golongan IA didalam unsur periodik. Atom-atom logam alkali golongan IA memiliki energi ionisasi yang paling kecil, dimana energi ionisasi merupakan energi yang diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron terluar dari suatu atom. Sehingga semakin kecil energi ionisasi yang dimiliki suatu unsur maka akan semakin mudah atom tersebut melepaskan elektron. Teori ini yang mendasari bahwajumlah ion lithium yang bergerak akan sama dengan jumlah elektron yang dihasilkan. Pada proses discharge material anoda akan terionisasi menghasilkan ion lithium bermuatan positif dan akan bergerak ke dalam elektrolit menuju komponen katoda sementara elektron yang dihasilkan akan dilepas bergerak melalui rangkaian luar menuju katoda. Ion lithium ini akan masuk kedalam anoda melalui mekanisme interkalasi seperti pada Gambar 2.1. Saat charge akan terjadi aliran ion dan elektron dengan arah kebalikan dari proses discharge. Universitas Sumatera Utara Electrolyte LiPF 6 Charge Discharge Separator Li C 6 LiCoO 2 Gambar 2.1 Proses charge -discharge pada baterai ion lithium dengan anoda grafit dan katoda lithium kobalt Ketika berbicara tentang konduksi ion didalam kristal, hal yang paling penting untuk diperhatikan yaitu struktur host pada materianya. Perpindahan ion lithium pada material katoda sangat bergantung pada potensial interaksi antara ion lithium dan struktur host material. Model sederhana untuk menentukan difusi ion dalam berbagai struktur kristal dalap dilihat dalam persamaan berikut W T = W C + W P + W R 2.1 Dimana : W T = Total energi potensial W C = Interaksi Coulomb W P = Interaksi van der Waals W R = Tolakan tumpang tindih antar ion Total energi potensial dari ion menyebar dalam kristal dihitung dan diasumsikan bahwa perpindahan ion telah terjadi mengikuti jalan total energi minimum sesuai dengan bentuk jalur difusi 1D, 2D, dan 3D. Reaksi yang terjadi pada sistem baterai lithium merupakan reaksi reduksi dan oksidasi yang terjadi pada katoda dan anoda baterai. Reaksi reduksi adalah reaksi penambahan elektron oleh suatu molekul atau atom sedangkan reaksi oksidasi adalah reaksi pelepasan elektron pada suatu molekul atau atom. Pada percobaan ini material yang dipakai pada adalah LiC 6 dan material katoda yang digunakan LiCoO 2 . Maka reaksi yang terjadi Universitas Sumatera Utara Charge Pada anoda : LiC 6 xLi + + xe - + C 6 Discharge Charge Pada katoda : Li 1-x CoO2 + xLi + + xe - LiCoO 2 Discharge Charge Reaksi total : LiC 6 + Li 1-x CoO2 LixC 6 + LiCoO 2 Discharge Suatu material elektrokimia dapat berfungsi dengan baik sebagai elektroda anoda maupun katoda bergantung pada pemilihan material yang akan menentukan karakteristik perbedaan nilai tegangan kerja dari kedua material yang dipilih. Untuk memperoleh perbedaan potensial yang besar maka material katoda harus memiliki tegangan kerja yang besar dan material anoda harus memiliki tegangan kerja yang kecil . Potensial tegangan yang terbentuk antara elektroda katoda dan anoda bergantung pada reaksi kimia reduksi-oksidasi dari bahan elektroda yang dipilih. Beberapa material dapat berfungsi sebagai anoda terhadap material katoda lainnya jika memiliki potensial Li + yang lebih rendah. Contoh, grafit adalah anoda dalam sistem elektroda LiMn 2 O 4 , namun akan berfugsi sebagai katoda saat dipasangkan dengan elektroda Li metal sebagai anodanya. Subhan, 2011. Gambar 2.2 menunjukkan tegangan kerja pada beberapa material. Gambar 2.2 Tegangan kerja dari beberapa material yang sering digunakan sebagai elektroda pada baterai lithium Prihandoko, 2015 Universitas Sumatera Utara

2.3 Bahan Anoda Untuk Baterai Ion Lithium

Sebelum munculnya baterai ion lithium, logam lithium digunakan untuk baterai lithium primer. Ketika lithium digunakan sebagai anoda pada baterai lithium sekunder diperoleh densitas energi yang tinggi, karena lithium murni memiliki spesifik kapasitas yang tinggi. Namun menggunakan bahan ini masih tidak efesian, alasannya karena bahan yang digunakan yaitu logam lithium yang berbahaya bagi kesehatan. Pada siklus charge-discharge , lithium sering terdeposisi menjadi sebuah dendrit. Dendrit pada lithium ini memiliki pori, luas permukaan yang tinggi, dan sangat reaktif dalam elektrolit organik. Dendrit lithium secara bertahap tumbuh pada siklus baterai digunakan dan menembus separator setelah beberapa siklus pemakaian. Hal ini akan mengakibatkan arus pendek dan dapat menyebabkan kebakaran atau ledakan. Masalah yang berkaitan dengan penggunaan logam lithium sebagai anoda dapat diatasi dengan menggunakan bahan paduan sebagai anoda baterai lithium. Bahan yang paling umum digunakan sebagai anoda yaitu karbon Yueping, 2003. Ada tiga persyaratan dasar untuk bahan anoda : 1. Potensial dari interkalasi dan deinterkalasi dari Li + Li harus serendah mungkin 2. Jumlah lithium yang dapat ditampung anoda harus setinggi mungkin untuk mencapai kapasitas yang tinggi 3. Host pada anoda harus dapat bertahan pada proses interkalasi dan deinterkalasi ion lithium tanpa adanya kerusakan struktur pada siklus penggunaan yang relatif panjang. Yueping, 2003

2.3.1 Karbon Sebagai Material Anoda Pada Baterai Ion Lithium

Pada tahun 1990 Sony Corparation berhasil menemukan bahan yang dapat digunakan sebagai anoda yang memiliki tegangan rendah dan reversible yaitu karbon. Sebgai pengganti dari bahan anoda yang digunakan sebelumnya. Fauteux et al, 1993 Karbon grafit ditemukan memiliki dimensi yang stabil untuk proses interkalasi dan deinterkalasi pada atom lithium. Oleh karena itu, grafit menjadi bahan anoda pilihan untuk baterai lithium. Pada material ini setiap layer Universitas Sumatera Utara disisipkan satu atom lithium. Jarak antara layernya adalah 0,335 nanometer. Kepadatan energi secara teori yang dihasilkan dari material ini adalah berkisar 372 Ahkg. Ada ratusan jenis karbon yang tersedia secara komersil, termasuk karbon alam dan grafit sintesis, karbon hitam, karbon aktif, serat karbon, kokas dan berbagai bahan karbon lainnya. Yueping, 2003. Bahan- bahan anoda karbon umumnya dikategorikan seperti bagan berikut ini. Gambar 2.3 Bagan pembagian jenis karbon Menurut Dahn et al dijelaskan beberapa kelas karbon yang relevan dengan baterai ion lithium. Pertama karbon grafit, biasanya disiapkan dengan memanaskan karbon tersebut dengan prekursor biasa disebut soft carbon. Grafitisasi akan berhasil jika dilakukan treatment pada suhu 1300 – 2400 C. Kedua yaitu hard carbon dimana karbon ini disebut non-grafit karena bahan ini sulit untuk menjadi grafit walaupun telah diberi treatment pada suhu tinggi. Hard carbon tidak dapat digunakan sebagai material anoda pada baterai ini disebabkan karena tempat difusi pada hard carbon tampak seperti labirin sehingga menyulitkan ion lithium untuk berinterkalasi.Masaki et al, 2009. Strukturnya karbonnya dapat dilihat pada Gambar 2.4 Dibawah ini a b c Gambar 2.4 a stuktur soft carbon b struktur hard carbon c Grafit Wakihara, 2001 Hard Carbon Grafit Sintesis Karbon Grafit Alam Soft Carbon Universitas Sumatera Utara Untuk membuat bahan menjadi anoda baterai maka diperlukan bahan yang dapat membentuk struktur kristal. 1. Grafit Alam Grafit alam adalah karbon yang telah memiliki struktur kristal dan tersusun dari atom karbon yang membentuk struktur 3 dimensi 3D. Material ini dapat kita jumpai di isi pensil yang sering kita pakai untuk menulis. Ketika kita menulis, maka grafit tersebut akan rapuh dan membuat suatu jenis material lebih sederhana yang dikenal dengan grephene. Struktur dari grafit dan grephene dapat dilihat pada gambar berikut. Gambar 2.5 a Struktur grephene berupa lapisan dengan ketebalan 1 atom C b Struktur grafit yang terdiri dari lapisan grephene Buchmann, 2001 Sekarang grafit alam merupakan salah satu kandidat yang paling menjanjikan sebgai bahan anoda baterai ion lithium, alasanya karena biaya rendah, potensial listrik rendah,kepadatan energi yang lebih tinggi, dan kapasitas reversible relatif tinggi 330-350 mAhg. Yoshio, 2009.Grafit memiliki struktur laminar yang sangat baik, dan interkalasi ion lithium antara lapisan grafit membentuk senyawa Li x C 6 . Namun grafit alam memiliki beberapa kekurangan yaitu ketika digunakan sebagai elektroda negatif dalam baterai lithium ion, grafit alam akan mengalami penurunan kapasitas dan kompatibilitas terhadap elektrolit yang buruk, dimana molekul elektrolit masuk diantara lapisan grafit selama pengisian charge dan akan membentuk SEI Solid Electrolit Interphase pada permukaan grafit. Maka dapat disimpulkan baterai tersebut tidak dapat digunakan dalam siklus charge-discharge yang berkelanjutan. Chin-Wei Shen et al, 2014. Universitas Sumatera Utara 2. Grafit Sintesis Grafit sintesis pada dasarnya memiliki sifat yang sama seperti grafit alam. Selain itu, grafit sintesis memiliki kemurnian yang tinggi, memiliki struktur yang cocok untuk proses interkalasi dan diinterkalasi ion lithium. Namun, grafit sintesis memiliki sebuah kekurangan yaitu struktur kristalnya berbentuk amorf sehingga untuk membuatnya memiliki struktur kristal menggunakan biaya yang tinggi karena memerlukan perlakuan pada suhu 2.800 C pada proses grafitisasinya. Yoshio, 2009 2.3.2 Mesocarbon Microbead MCMB Mesocarbon microbead MCMB adalah bagian dari soft carbon yang memiliki struktur kristal lebih sedikit dibanding dengan grafit alam. Mesocarbon microbead MCMB telah dipelajari oleh Mabuchi et al. Material ini diperoleh dari biji batu- bara, bahan mentah pertama kali dikarbonisasi di furnance yang di aliri gas inert Argon,Nitrogen dan di grafitisasi pada suhu berkisar 1200-2800 C. Pada percobaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa MCMB yang digrafitisasi dengan suhu 1000 C tidak menunjukkan ketergantungan pada elektrolit yang mengakibatkan tegangannya semakin lama semakin menurun. Dikondisi yang lain, pada saat MCMB di grafitisasi pada suhu tinggi, 2800 C sampel menunjukkan dependence dengan elektrolit. Kinerja siklusnya meningkat ke kapasitas muatan sebesar 240 mAhg. Besenhard et al, 1998. Langkah penting untuk memperoleh MCMB yang memiliki struktur kristal yang tinggi adalah kalsinasi pada MCMB pada temperatur tertentu. Tujuan dari kalsinasi ini adalah untuk : 1. Menghilangkan kotoran pelarut yang digunakan selama ekstraksi yang terperangkap didalam MCMB. 2. Menyesuaikan jumlah komponen pengikat yang terdapat pada MCMB. Proses kalsinasi ini dapat dilakukan dengan furnance yang di aliri gas inert maupun yang tidak dialiri gas inert. Aggrwal et al, 2000 Grafitisasi MCMB memiliki banyak kelebihan bila digunakan sebagai anoda baterai diantara lain : konduktivitas elektronik yang tinggi 10 3 -10 4 S cm -1 . Universitas Sumatera Utara Fabrice, 2010 Packing densitas yang tinggi menjamin densitas energi yang tinggi pula. Luas permukaan yang kecil menurunkan kapasitas ireversible sesuai dengan dekomposisi elektrolit. MCMB memiliki struktur spinel sehingga ion lithium mudah berinterkalasi dan hal tersebut akan meningkatkan kapasitas baterai. MCMB dapat dengan mudah menyepar ke Cu- foil. Yoshio, 2009. Karakteristik dari Mesocarbon microbead MCMB dapat dilihat pada tabel berikut. Tabel 2.4 Karakterisasi dari Mesocarbon microbead MCMB Safety data sheet, June 2010 Karakteristik Kadar C 99,6 Spesifik kapasitas 345,2 mAhg Efficiency 93,4 Densitas 1,324 gcm 3 Uap air 0,035 Specific Gravity 1,8-2,1 pH 5,00 – 10,0 Titik leleh 3550 C 6422F Temp Sintering 1800-2500 K Warna Hitam Bau Tidak berbau

2.3.3 Perkembangan

Mesocarbon Microbead MCMB Ada berbgai jenis struktur MCMB yang di produksi di pasaran yaitu MCMB tipe Brooks-Taylor, tipe Honda, tipe Kovac-Lewis, dan tipe Huttinger. Dijepang, ada dua perusahaan utma yang memproduksi MCMB secara besar-besaran yaitu Osaka Gas dan Kawasaki Steel Co Ltd. Produk MCMB mereka termasuk tipe Brooks-Taylor, secara skematis strukturnya di tunjukkan pada Gambar 2.6 berikut. Yoshio, 2000. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.6 Struktur MCMB tipe Brooks-Taylor Di indonesia sendiri penegembangan MCMB mulai dilakukan oleh Puslitbang Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan mengembangkan riset tentang mesocarbon microbead MCMB. Gustan Pari dkk telah melakukan riset pembuatan karbon sphere dari pati singkong karet racun. Selain ramah lingkungan juga bahan bakunya mudah didapatkan. Tepung singkong racun ini mampu menghasilkan sphare dengan menghilangkan unsur racunnya terlebih dahulu. Tepung tapioka itu diolah menjadi karbon sphere melalui proses hidrotermal karbonisasi dengan suhu tinggi untuk menciptakan pori-pori nano porous karbon. Syarat utama pembentukan karbon sphere ini harus berbentuk kelereng agar dapat menghasilkan energi tinggi. Saat ini riset karbon sphere digunakan sebagai pengisi baterai lithium kendaraan berbasis listrik baru sampai pada tahap pemanasan dengan suhu 800 C.

2.4 Bahan Katoda Untuk Baterai Ion Lithium

Bahan katoda untuk baterai ion lithium dirancang untuk mengoptimalkan dua faktor penting, densitas energi dan kapasitas. Densitas energi ditentukan oleh reversible kapasitas dan tegangan operasional, yang sebagian besar ditentukan oleh bahan intrinsik kimia, seperti pasangan redoks dan konsentrasi maksimum ion lithium pada bahan aktif. Untuk silkus penggunaan, mobilitas elektron dan ion merupakan faktor utama, meskipun morfologi partikel juga merupakan faktor penting karena sifat anisotropik dari unsur. Universitas Sumatera Utara

2.4.1 Lithium Cobalt Oxide LiCoO

2 Sebagian besar baterai ion lithium untuk aplikasi portabel menggunakan katoda berbasis kobalt. Baterai ion lithium kobalt juga dikenal sebagai baterai ion lithium berkekuatan tinggi karena kepadatan energi yang tinggi. Lithium ion kobalt bila di pasangkan dengan anoda grafit karbon maka akan memiliki beda potensial sebesar 3,6 V dan beda ptensial ini tiga kali lipat bila dibandingkan dengan NICD atau NiMH yang hanya mempunyai beda potensial 1,2 V Mehul, 2010. Walaupun sekarang untuk katoda pada baterai ion lithium banyak menggunakan Lithium Iron Phospat, namun Lithium Cobalt Oxide masih memegang kualitas yang lebih baik, seperti yang dilihatkan pada Tabel 2.5 berikut ini. Tabel 2.5 Ringkasan spesifikasi baterai Mehul, 2010 Katoda Tipe Baterai Volume m 3 Massa g Tegangan V Arus A Kapasitas Ah Lithium Cobalt Oxide Panasonic CGR18650E 1.77 47 3,7 4,9 2,55 Lithium Iron Posphate A123 26650 3,42 70 3,42 3,3 2,30

2.5 Komponen Tambahan Penyusun Anoda Baterai

Semakin besar komposisi bahan aktif mengisi volume baterai, semakin besar pula kekuatan yang diperoleh. Dengan demikian setiap komponen selain dari material aktif, seperti binder, elektroda Cu-foil dan aditif konduktif harus dikurangi sebanyak mungkin.

2.5.1 Binder PVDF

poly vinylidene fluoride Binder adalah bagian penting dari formulasi elektroda pada baterai ion lithium karena binder mempertahankan struktur fisik elektroda, tanpa binder elektroda akan berantakan. Fabrice et al, 2010. Sangat diharapkan bahwa binder memiliki titik leleh yang tinggi, dan struktur komposit dari material aktif dan binder harus stabil di dalam elektrolit, bahkan di suhu tinggi. Jika binder meggembungkan Universitas Sumatera Utara dalam elektrolit melebihi ambang batas, kontak listrik antara material aktif dan anoda akan hilang, maka pada saat itu kapasitas pun akan mengecil. Potensi kelemahan dari binder yaitu binder mungkin saja melapisi permukaan material aktif. Jadi sangat penting bahwa ion lithium dapat melewati bahan pengikat. Wilayah amorf di PVDF poly vinylidene fluoride adalah matrik yang baik untuk molekul polar, dan ion lithium dapat melewati lapisan tipis PVDF. Tsunemi,K et al,1983. Akhirnya, jika binder bisa menghantarkan listrik dengan baik, kinerja baterai akan lebih meningkat. PVDF memiliki properti yang baik, PVDF tidak tereduksi pada potensial rendah 5 mV vs LiLi + atau teroksidasi pada potensial tinggi 5 V vs LiLi + Fabrice M et al,2010. Karakteristik penting dari PVDF adalah kristalinitasnya. PVDF memiliki beberapa bentuk kristal. XRD menunjukkan bahwa sekitar 50 PVDF memiliki struktur amorf. Tsunemi et al,1983. Gambar 2.7. merupakan struktur dari PVDF dan interaksi PVDF dengan material aktif. a b Gambar 2.7. a Struktur PVDF b ilustrasi binder PVDF dengan material aktif Yoshio, 2000

2.5.2 Zat Aditif

Acetylene Black Acetylene Black adalah karbon black yang dihasilkan dari dekomposisi terus menerus gas asetilena. Acetylene black terdiri dari partikel karbon black berukuran koloid, dan memiliki sifat unik seperti konduktivitas listrik yang baik, kapasitas absorpsi yang tinggi, konduktivitas termal yang baik dan lain-lain. Karena karakteristik berikut setiap partikel acetylene black terdiri dari 1. Komposisi kristal yang besar 2. Membentuk struktur panjang 3. Memiliki inpuritas yang paling sedikit dari karbon hitam lainnya Universitas Sumatera Utara Oleh karena itu acetylene black telah digunakan sebagai bahan dasar untuk memproduksi sel baterai kering, serta sebagai zat aditif dalam karet atau plastik bahan antistatik dan elektrik konduktif yang digunakan dalam berbagai bidang industri, seperti kabel listrik, ban, sabuk, selang, pemanas, cat, perekat dan banyak alat elektronik lainnya. Penggunaan acetylene black didalam baterai memiliki beberapa keunggulan yaitu dari absorpsi yang tinggi dan bersifat konduktif sehingga acetylen black digunakan untuk mempertahankan larutan elektrolit dalam banyak baterai kering dan meningkatkan konduktivitas listrik dari elektroda baterai. Safety data sheet, 2002 Gambar 2.8 merupakan serbuk Acetylene Black yang digunakan sebagai bahan zat aditif pembuatan baterai. Gambar 2.8 Produk Acetylene black www.denka.co.jp , diakses 18 Maret 2015

2.5.3 Pelarut DMAC

N-N Dimethyl Acetamide DMAC adalah pelarut industri yang kuat dan serbaguna yang memiliki kelarutan terhadap bahan organik dan anorganik yang tinggi, titik didih tinggi, titik beku yang rendah, dan stabilitas yang baik. Selain itu DMAC tidak reaktif dalam reaksi kimia. DMAC memiliki konstanta dielektrik yang tinggi, DMAC benar-benar larut dalam air, eter, ester, keton dan senyawa aromatik. DMAC umumnya larut dalam senyawa alifatik tidak jenuh. DMAC kestabilan yang bagus, pada dasarnya DMAC tidak akan mengalami degradasi dan perubahan warna jika dipanaskan dibawah suhu 350 C. Universitas Sumatera Utara 2.5.4 Copper F oil Cu – F oil Copper foil Cu – Foil adalah lembaran berwarna kuning keemasan yang digunakan sebagai tempat menempelnya material aktif anoda baterai ion lithium. Cu – foil memiliki densitas 0.54 gm 2 . Komposisi dari Cu – foil dapat dilihat pada tabel berikut ini. Lembaran untuk anoda menggunakan Cu-Foil sebagai substrat anoda memiliki sifat yang lebih baik seperti: 1. Konduktivitas listrik yang lebiih baik dan resistivitas yang kecil 2. Kekuatan mekanik yang lebih baik dan ketangguhan untuk menghindari hubungan pendek yang disebabkan oleh pertumbuhan dendrit 3. Kekuatan lapisan yang lebih baik dengan bahan elektroda. Gambar 2.9 Copper foil Cu – foil www.basiccopper.com , diakses 18 Maret 2015 Lembaran komponen baterai yang telah siap kemudian disusun menjadi sel baterai utuh. Berapa banyak material aktif yang digunakan dalam satu sel baterai tergantung dari kapsitas baterai yang diinginkan. Penyusunan komponen sel baterai mengenal beberapa bentuk, yaitu silindris, prismatis, kancing dan kantung, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.11 dibawah ini. a b Universitas Sumatera Utara c d Gambar 2.10 Bentuk susunan sel baterai lithium ion aKoin; bSilindris; cKantung; dPrismatis Menhul, 2010

2.6 Perkembangan Baterai Lithium Sebagai Energi Terbarukan

Perkembangan baterai lithium sebagai penyimpan energi semakin banyak digunakan dalam perangkat teknologi yang sifatnya mobile seperti ponsel, laptop, kamera handycam, alat-alat militer, kendaraan mobil hybrid, bahkan baterai lithium digunakan pada pesawat impulse bertenaga surya yang berasal dari Swiss yang saat ini sedang menjalankan misi mengelilingi dunia, di 12 penerbangan tanpa bahan bakar. Solar Impluse 2 adalah sebuah proyek untuk mengenalkan teknologi bersih, merupakan satu dari banyak proyek sebagai inovasi dan teknologi untuk masa depan. Pesawat terbang Solar Impluse mempunyai 4 partner utama yang semuanya adalah perusahaan besar, diantaranya; ABB, OMEGA, Schindler dan Solvay. Solar Impluse menggunakan teknologi ―solar cell‖ yang dapat meng- konversi sumber energi cahaya menjadi muatan listrik yang disimpan dalam baterai lithium. Dari teknologi yang sudah ada pada prototipe sebelumnya HB- SIA, Solar Impluse HB-SIB membutuhkan pengembangan material baru dan metode kontruksi baru. Perusahaan rekanan Solvay telah menciptakan elektrolit yang memungkinkan kepadatan energi dari baterai yang meningkat dan keputusan menggunakna serat karbon yang ringan dalam berat daripada yang tampak pada prototipe SI-1. Universitas Sumatera Utara Solar cell atau panel surya pada SI-2 terdapat lebih dari 17.000 sel surya yang mampu mengumpulkan hingga 340 kWh energi surya perhari yang dapat mewakili oleh luas sekitar 269,5 m 2 dibagian atas sayap sepanjang 72 meter. Energi yang dikumpuklan oleh sel surya disimpan dalam baterai lithium polimer, yang kepadatan energi dioptimalkan untuk 260 Whkg. Baterai tersebut terisolasi oleh busa high density dan dipasang diempat nacelles mesin, dengan sistem untuk mengontrol pengisisan ambang batas dan suhu. Berat baterai total adalah 633 kg sekitar seperempat dari semua berat pesawat. Mukhlis,2015

2.7 Karakterisasi dan Pengujian