33 Gambar 3.4. Alat uji XRD
3.5.2 Scanning morfologi dengan Scanning Electron Moicroscopy SEM
SEM digunakan untuk memperoleh informasi kualitatif dan kuantitatif tentang morfologi atau komposisi sampel dengan bertujuan untuk
mengoptimalkan hubungan mikroskopis dengan data kromatografi. Teknik memberikan karakterisasi direproduksi dari semua fitur gambar seperti ukuran
partikel, masukan dan struktur pori-pori internal yang padat. Pada prinsipnya, analisis SEM harus mengekstrak jumlah maksimum informasi yang diperoleh per
fitur dan meminimalkan baik kompleksitas dan waktu yang dibutuhkan untuk analisis [48].
Dalam SEM, berkas elektron dilewatkan melalui ruang dan dievakuasi kemudian difokuskan oleh lensa elektromagnetik ke permukaan sample. Balok
dipulihkan selama proses spesimen dan kemudian disinkronkan dengan sinar tabung katoda CRT. Setelah dilakukan pelampiasan pada elektron sampel,
34
elektron sekunder secara inelastic dipancarkan dari sampel dan dikumpulkan oleh sintilator. Sinyal yang dihasilkan digunakan untuk memodulasi kecerahan tabung
sinar katoda untuk membentuk tampilan layar CRT. Perbedaan dalam hasil emisi sekunder dari perubahanan pada permukaan topografi. Elektron kembali tersebar
elastis dan dikumpulkan untuk membentuk citra dan hasil kontras berikutnya dari perbedaan komposisi. Saat ini, pencitraan SEM diperbesar dengan manipulasi
yang dikendalikan sepenuhnya secara terkomputerisasi dari berkas elektron yang rastering pada permukaan sampel. Kamera berevolusi tinggi digunakan untuk
merekam gambar pada layar tampilan dan mencetak gambar mikrograf [49].
Gambar 3.5. Alat Uji SEM
3.5.3 Analisis Surface Area BET
Luas permukaan spesifik SSA untuk bubuk kering dapat ditentukan oleh Brunauer-Emmett-Teller BET analisis. Brunauer, Emmett, dan Teller berasal
dari sebuah etik pada prinsip bahwa peningkatan tekanan parsial adsorbat lebih dari bubuk kering sesuai dengan peningkatan mono dan multi-layer serap [50].
35
Teknik pengukuran ini didasarkan pada adsorpsi fisik nitrogen atau helium pada suhu rendah, suhu konstan. Disini, nitrogen cair digunakan, yang memiliki suhu
didih 73 K. Teknik ini mengukur penyerapan gas adsorpsi untuk meningkatkan tekanan parsial pada sampel serbuk kering dan pelepasan gas desorpsi pada
penurunan parsial tekanan. Pengukuran yang dihasilkan menghasilkan adsorpsi isoterm yang berhubungan dengan jumlah adsorpsi pada tekanan relatif, dimana
SSA diperoleh dari bubuk. Dengan asumsi bahwa partikel berbentuk bola, tidak berpori, halus, dan monodisperse, rata-rata ukuran partikel primer dapat dihitung
[51]: d
BET
= 6 ρSSA
-1
di mana ρ adalah densitas bulk bubuk dan SSA luas permukaan spesifik massa. d
BET
menjelaskan diameter volume permukaan dan dapat digambarkan sebagai rata-rata diameter partikel primer, tapi d
BET
tidak memberikan informasi mengenai distribusi ukuran partikel bubuk.
Preparasi sampel untuk analisa luas permukaan cukup sederhana. Sampel yang digunakan berupa serbuk. Namun juga tergantung dari seri alat, pada seri
lama mengharuskan bahan dipeletkan terlebih dahulu agar tidak menghasilkan debu yang dapat merusak alat. Berat serbuk sampel yang digunakan sebesar 0,01-
0,1 gram. Dilakukan dua tahap pada uji BET. Alat ini terdiri dari dua bagian yaitu
Degasser dan Analyzer. Tahap pertama adalah menghilangkan gas – gas yang
terjerap pada permukaan padatan dengan cara memanaskan dalam kondisi vakum
36
pada suhu 200 C selama 3 jam, proses ini dilakukan pada bagian Degasser.
Kemudian tahap selanjutnya dilakukan pada bagian Analyzer. Proses ini memakai nitrogen cair sebagai absobernya.
Gambar 3.6. Alat Uji BET
3.5.4 Pengukuran Ukuran Bahan Aktif dengan Particle Size Analyzer PSA
Analisis ukuran partikel PSA adalah distribusi pengukuran ukuran partikel dalam sampel. Fitur utama dari PSA adalah penghancuran atau dispersi menjadi
unit diskrit dengan cara kimia, mekanik, atau cara ultrasonik dan pemisahan partikel menurut batas ukuran dengan cara seperti penyaringan dan sedimentasi
serta metode lainnya difraksi [52]. Data analisis ukuran partikel dapat disajikan dan digunakan dalam beberapa
cara, yang paling umum adalah kurva distribusi ukuran partikel kumulatif. contoh ditampilkan dalam Gambar 3.2. Persentase partikel kurang dari ukuran partikel
37
diberikan diplot terhadap logaritma dari diameter partikel efektif. Kurva distribusi ukuran partikel, ketika dibedakan grafis, menghasilkan kurva distribusi frekuensi
untuk berbagai ukuran partikel. Kurva frekuensi biasanya menunjukkan puncak atau puncak mewakili ukuran partikel yang paling umum.
Gambar 3.7. Kurva distribusi ukuran partikel [53]
Gambar 3.8. Alat Uji PSA
38
3.5.5 Pengujian Gugus Fungsi dengan FTIR
Spektroskopi FTIR Fourier Transform Insfrared merupakan spektroskopi inframerah yang dilengkap dengan transformasi Fourier untuk
deteksi dan analisis hasil spektrumnya. Inti spektroskopi FTIR adalah interferometer Michelson yaitu alat untuk menganalisis frekuensi dalam sinyal
gabungan [54]. Spektrum inframerah tersebut dihasilkan dari pentrasmisian cahaya yang
melewati sampel, pengukuran intensitas cahaya dengan detektor dan dibandingkan dengan intensitas tanpa sampel sebagai fungsi panjang gelombang.
Spektrum inframerah yang diperoleh kemudian diplot sebagai intesitas fungsi energi, panjang gelombang µm atau bilangan gelombang cm
-1
[55]. Skema alat spektroskopi FTIR secara sederhana ditunjukan pada Gambar
3.5.
Gambar 3.9. Skema alat spektroskopi FTIR. 1 Sumber Inframerah 2 Pembagi Berkas Beam Spliter 3 Kaca Pemantul 4 Sensor Inframerah 5 Sampel 6 Display [54].
39
Analisis gugus fungsi suatu sampel dilakukan dengan membandingkan pita absorbsi yang terbentuk pada spektrum inframerah menggunakan tabel
korelasi dan menggunakan spektrum senyawa pembanding yang sudah diketahui.
Gambar 3.10. Alat Uji FTIR
3.5.6 Pengujian Kapasitas Baterai dengan Uji Charge-Discharging
Charge-discharging adalah teknik elektrokimia yang paling umum
digunakan untuk karakterisasi perangkat penyimpanan energi. Dalam pengujian ini sebuah cell diisi dan di kosongkan dengan menggunakan arus konstan di antara
tegangan atas dan tegangan bawah. Batas tegangan atas dan bawah ditentukan oleh energi bebas Gibbs dari bahan elektroda. Untuk jenis paduan elektroda
negatif, secara praktik batas bawah berkisar 10 sampai 50 mV dan batas atas berkisar 1 sampai 2 V, tergantung pada jenis paduan. Batas bawah yang dipilih
40
lebih tinggi dari 0 V vs Li Li + karena pada potensi rendah lithium cenderung untuk deposit penyetor pada permukaan elektroda, yang akhirnya menyebabkan
pertumbuhan dendrit lithium, hal ini menyebabkan masalah keamanan. Arus yang diterapkan secara langsung berkaitan dengan output daya
elektroda. Biasanya laju C digunakan untuk menentukan tingkat cycle LIBs, dimana xC didefinisikan sebagai 1x jam per charge atau discharging. Dapat
dikatakan C10 atau C5 sebagai cycle yang lambat, meskipun tidak dalam keadaan setimbang.
Ada tiga cara untuk menunjukan hasil pengujian charge-discharging yaitu potensial-kapasitas profil, diferensial potensial-kapasitas profil dan kinerja
cycling . Dari pengujian charge-discharging, kita dapat memperoleh informasi
tentang transformasi fasa dalam elektroda dengan kecepatan yang berbeda, kinerja laju, struktur yang berbeda kristal atau amorf, berbagai potensi untuk
penggunaaan yang praktis dan cycle life dari LIBs [56]. Untuk melakukan uji charge-discharging mula-mula serbuk Li
4
Ti
5
O
12
dijadikan lembaran dengan membuat slurry dengan komposisi serbuk Li
4
Ti
5
O
12
, PVDF dan AB Acetilyn Black adalah 90:7:3. Kemudian slurry dicoatingkan
pada Cu foil dengan tembal 150 µm dan dikeringkan pada suhu 85
o
C selama 0,5 jam. Lembaran anoda yang telah mengering kemudian di potong dengan panjang
4 cm dan lebar 3 cm dan di assembling menjadi pouch sell.
41 Gambar 3.11. Alat Uji Charging-Discharging
43
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisa Komposisi Fasa Serbuk Li
4
Ti
5
O
12
dengan X-ray Diffraction
Studi pengaruh penambahan LiOH.H
2
O pada bahan aktif Li
4
Ti
5
O
12
terhadap fasa yang terbentuk pada bahan aktif anoda setelah melalui proses kalsinasi dan sintering dilakukan dengan cara menganalisis pola difraksi sinar-x.
Proses identifikasi pola difraksi sinar-x bahan aktif dilakukan dengan menggunakan alat uji XRD dengan merek Rigaku tipe SmartLab di Pusat
Penelitian Fisika-LIPI, dimana menggunakan CuK- sebagai sumber cahaya
dengan mengaplikasikan scanning speed 2
o
menit dengan rentang sudut 10
o
sampai 80
o
.
Serbuk Li
4
Ti
5
O
12
yang disintesis dengan melakukan variasi penambahan bahan baku LiOH.H
2
O ini berwarna putih. Hasil pola difraksi sinar-X bahan aktif anoda Li
4
Ti
5
O
12
dengan variasi penambahan LiOH.H
2
O yang disinter pada suhu 850
o
C selama 4 jam diperlihatkan pada Gambar 4.1. Masing-masing grafik pola XRD menunjukkan bahwa terdapat dua fasa dominan yang terbentuk yaitu
Li
4
Ti
5
O
12
dan TiO
2
rutile yang masing-masing di beri tanda segitiga dan lingkaran. Gambar 4.1. menunjukkan terbentuknya fasa Li
4
Ti
5
O
12
yang dilakukan penambahan LiOH.H
2
O sebesar 0, 2,5, 5, serta 7,5. Fasa lain yang terbentuk adalah pengotor yang berupa TiO
2
rutile. Analisis dengan menggunakan software HIGHSCORE diperoleh komposisi Lithium Titanate dan TiO
2
rutile seperti pada Tabel 4.1. Hasil pengolahan data menunjukkan bahwa fasa Li
4
Ti
5
O
12
yang terbentuk pada penambahan LiOH.H
2
O sebesar 0 adalah 94,50,
44
penambahan sebesar 2,5 adalah 94,70, penambahan sebesar 5 adalah 95,90 serta penambahan sebesar 7,5 adalah 95,50. Sementara itu fasa TiO
2
rutile yanga terbentuk pada penambahan LiOH.H
2
O sebesar 0 adalah 5,50, penambahan sebesar 2,5 adalah 5,30, penambahan sebesar 5 adalah 4,10
serta penambahan 7,5 adalah 4,50. Puncak difraksi 2 θ Li
4
Ti
5
O
12
terjadi pada 18
o
, 37
o
, 43
o
, 47
o
, 58
o
, 63
o
, 66
o
, 75
o
, 76
o
dan 79
o
. Meskipun fasa utama telah diperoleh, namun adanya puncak TiO
2
rutile di sudut difraksi 27
o
menyababkan serbuk yang diperoleh bukan fasa tunggal namun merupakan campuran Li
4
Ti
5
O
12
dan TiO
2
rutile.
Gambar 4.1. Pola Difraksi Sinar-X dari material Li
4
Ti
5
O
12
dengan penambahan LiOH.H
2
O sebesar 0, 2,5, 5 dan 7,5 Tabel 4.1. Komposisi Fasa dari Li
4
Ti
5
O
12
dengan Penambahan LiOH.H
2
O Hasil Analisa Software HIGHSCORE
Sampel Li
4
Ti
5
O
12
TiO
2
94,50 5,50
2,5 94,70
5,30
45
5
95,90 4,10
7,5 95,50
4,50
Penambahan LiOH.H
2
O pada pembuatan bahan aktif Li
4
Ti
5
O
12
berhasil menyebabkan fasa TiO
2
rutile yang terbentuk cenderung menurun sampai pada penambahan sebanyak LiOH.H
2
O sebanyak 5 dan kembali meningkat pada penambahan LiOH.H
2
O sebanyak 7,5. Hal ini menunjukkan bahwa penambahan LiOH.H
2
O pada sintesis menyebabkan campuran awal semakin merata. Setiap butir material awal TiO
2
bercampur dengan LiOH.H
2
O sehingga fasa Li
4
Ti
5
O
12
yang diharapkan semakin meningkat. Hasil analisa software HIGHSCORE pada pengaruh penambahan
LiOH.H
2
O terhadap konstanta kisi, volume kisi, dan densitas teoritis diperlihatkan pada Tabel 4.2. Pengaruh penambahan LiOH.H
2
O pada Konstanta Kisi a menyebabkan konstanta kisi menjadi membesar pada penambahan LiOH.H
2
O 2,5 dan 7,5. Sedangkan pada Li
4
Ti
5
O
12
tanpa penambahan LiOH.H
2
O lebih kecil daripada Li
4
Ti
5
O
12
dengan penambahan LiOH.H
2
O 5. Nilai konstanta kisi yang terbentuk memiliki perbedaan yang sangat kecil, sehingga dapat dikatakan
bahwa konstanta kisi yang terbentuk pada setiap sampel sama besar. Sedangkan volume kisi hanya pangkat tiga dari konstanta kisi karena kisi berbentuk kubik.
Tabel 4.2 Konstanta kisi Li
4
Ti
5
O
12
dengan penambahan LiOH.H
2
O hasil analisa software HIGHSCORE
Sampel a A
V A
3
Calc. Density gcm
3
8,3553 583,27
3,56 2,5
8,3568 583,61
3,55
5
8,3558 583,34
3,56 7,5
8,3577 583,79
3,56
46
4.2 Analisa Gugus Fungsi dengan Fourier Transform Infra Red FTIR
Proses identifikasi gugus fungsi bahan aktif dilakukan dengan menggunakan alat uji FTIR dengan merek Thermo Scientific tipe Nicolet iS10 di
Pusat Penelitian Fisika-LIPI. Alat ini membantu untuk mengetahui kemungkinan fasa yang terbentuk mengkonfirmasi hasil XRD dan mengetahui adanya gugus
fungsi. Pengambilan data dibagi menjadi dua yaitu metode ATR dengan
wavenumber rendah dan metode transmisi dengan wavenumber tinggi.
Wavenumber rendah dinilai dari skala 400 cm
-1
sampai 1000 cm
-1
yang menunjukkan gugus khas. Sedangkan wavenumber tinggi di nilai dari skala 1000
cm
-1
sampai dengan 4000 cm
-1
yang menunjukkan gugus fungsi. Getaran spinel berada pada wavenumber rendah dengan kisaran antara 400 cm
-1
sampai dengan 700 cm
-1
[57]. Struktur spinel yang terbentuk menandakan adanya fasa Li4Ti5O12 terbentuk dan hasil ini mengkonfirmasi hasil analisa XRD.
47
A
B
C
D
Gambar 4.2. Menunjukkan hasil analisa gugus fungsi dengan FTIR pada wavenumber
tinggi kiri dengan menggunakan metode transmisi dan wavenumber rendah kanan dengan menggunakan metode ATR pada masing-masing sampel serbuk
Li
4
Ti
5
O
12
dengan penambahan LiOH.H
2
O sebesar A. 0 B. 2,5 C. 5 D. 7,5
-0,1 0,1
0,2 0,3
0,4
1000 2000
3000 4000
75 85
95 105
115
400 600
800 1000
-0,1 0,1
0,2 0,3
0,4
1000 2000
3000 4000
80 90
100 110
120
400 600
800 1000
-0,1 0,1
0,3 0,5
1000 2000
3000 4000
85 90
95 100
105
400 600
800 1000
-0,1 0,1
0,2 0,3
0,4
1000 2000
3000 4000
65 80
95 110
125 140
400 600
800 1000
48
Dari uji Spektroskopi FTIR didapatkan spektrum inframerah seperti yang tampak pada Gambar 4.2. Dapat dilihat bahwa pada setiap sampel getaran spinel
telah terbentuk pada wavenumber rendah dengan kisaran 500 cm
-1
sampai dengan 700 cm
-1
. Pengambilan data wavenumber tinggi dilakukan dengan cara membuat
sampel dalam bentuk pellet. Data yang tertera merupakan data yang menunjukkan adanya serapan terhadap atsmosfer lingkungan sekitar. Pada masing-masing
sampel memperlihatkan tidak terlalu tingginya nilai serapan yang di miliki. Sampel yang memiliki nilai serapan tertinggi adalah sampel C dengan
penambahan LiOH.H
2
O sebesar 5.
Tabel 4.3. Tabulasi nilai wavenumber bahan aktif Li4Ti5O12 berdasarkan literature dengan penambahan LiOH.H
2
O sebesar A. 0 B. 2,5 C. 5 D. 7,5
No Designated
Wavenumber cm
-1
A B
C D
1 Ti-O stretching TiO
6
[59] 547,18
544,39 538,35
553,07 2
Ti-O pada TiO
2
rutile [59] 603,11
597,37 -
597,22 3
Symmetric stretching vibration TiO
6
octahedral [59]
635,49 641,52
647,26 641,37
4 C-O stretching [59]
1044,64 1053,58 1053,48 1053,48
5 AntiSymmetric stretching
vibration of CO
3 2-
anions [58]
1495,01 1439,08
1433,20 1495,01
1439,08 1495,01
1439,08 1483,24
6 Strong aSymmetric
stretching band COO
-
[58] 1636,30
1636,30 1636,30 1648,08 7
Adsorbed CO
2
on surface of material [58]
- 1983,65
- 1986,70
8 C-N [59]
2498,77 2492,89 2498,77 2498,77
9 Broad stretching band of
OH
-
[58] 3452,49
3476,04 3437,78 3408,38