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
Material elektroda pada baterai ion lithium terdiri atas material aktif katoda dan material aktif anoda. Material aktif katoda yang sering digunakan yaitu LiFePO
4
dan material aktif anoda yaitu Mesocarbon Microbead MCMB.
2.3.1 Material Katoda
Struktur, sifat fisik dan sifat elektrokimia material katoda menentukan kinerja pada baterai ion lithium. Untuk setiap berat material katoda, jumlah ion lithium
yang dilepaskan material katoda saat charging dan jumlah ion lithium yang kembali dalam waktu tertentu ke material katoda saat discharging
menggambarkan densitas energi dan densitas daya sel baterai. Semakin banyak ion lithium dipindahkan dari katoda ke anoda maka semakin besar pula densitas
energi sel baterai. Semakin banyak ion lithium yang kembali ke katoda dari anoda maka semakin besar densitas dayanya. Oleh karena itu, material katoda harus
bersifat ion dan elektron konduktif Triwibowo, 2011. Ada beberapa karakteristik yang harus dimiliki oleh material katoda yaitu
antara lain : 1.
Struktur host nya harus memiliki kemampuan interkalasi yang besar kapasitas energinya tinggi dan memiliki koefisien difusi kimia lithium yang
tinggi densitas dayanya tinggi.
Universitas Sumatera Utara
2. Perubahan struktur host selama interkalasi dan deinterkalasi harus sekecil
mungkin siklus hidupnya panjang. 3.
Material harus memiliki sifat kimia yang stabil, tidak beracun dan murah. 4.
Proses pengerjaannya mudah Yao, 2003. Material katoda yang sering digunakan pada baterai ion lithium yaitu
LiCoO
2
, LiFePO
4
, LiMn
2
O
4
dan material lainnya. Ketiga material tersebut memiliki bentuk struktur host yang berbeda yang dapat dilihat pada Gambar 2.5.
a b c
Gambar 2.5. a Struktur Layered pada Material Katoda LiCoO
2
, b Struktur Spinel pada LiMn
2
O
4
dan c Struktur Olivine pada LiFePO
4
Buchmann, 2001
Pada struktur host bentuk layered, ion lithium beinterkalasi dalam tiga arah, pada struktur host bentuk spinel interkalasi ion lithium dalam dua arah, sedangkan
pada struktur host bentuk olivine interkalasi ion lithium dalam satu arah Buchmann, 2001. Karakteristik elektrokimia dari masing-masing material
tersebut dapat dilihat perbandingannya pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3. Karakteristik Elektrokimia dari Beberapa Material Katoda
Katoda LiFePO
4
LiMnO
4
LiCoO
2
Densitas gcm
3
3,6 4,31
5,10 Potensial V
3,5 4,05
3,90 Kapasitas Spesifik mAhg
169 148
274 Energi Spesifik Whg
0,59 0,56
0,98 Sumber : Yueping Yao 2003
Universitas Sumatera Utara
Lithium Ferrophosphate LiFePO
4
LiFePO
4
merupakan salah satu material katoda yang memiliki struktur olivine, termasuk kedalam sistem kristal ortorombik Pnma. Konstanta kisi a, b dan c
adalah masing- masing 1,033, 0,601 dan 0,4693 μm. Ikatan kovalen kuat pada PO
membuat LiFePO
4
stabil bahkan pada suhu diatas 200 °C. Struktur kristal LiFePO
4
dapat dilihat pada Gambar 2.6.
a b
Gambar 2.6. a Struktur Kristal LiFePO
4
Padhi et al. 2002 dan b Struktur Kristal LiFePO
4
saat Charge-Discharge Rizki, 2014
Penggunaan LiFePO
4
sebagai material aktif katoda pertama kali dilakukan oleh John Goodenough’s di Universitas Texas pada tahun 1996. Alasan pemilihan
LiFePO
4
sebagai material aktif katoda karena memiliki banyak keunggulan dibandingkan material katoda lain diantaranya seperti biaya pembuatan lebih
murah karena bahan pembentuknya mudah didapatkan di alam, tidak beracun, kapasitas sedang 170 mAhg, keelektronegatifannya tinggi, sangat reaktif,
densitas energi yang tinggi, dan ramah lingkungan. Namun, material ini masih memiliki kelemahan yaitu konduktifitas listrik yang rendah berorde 10
-9
Scm dan difusi ion lithium yang lambat Padhi et al. 2002.
Untuk meningkatkan konduktifitas material katoda LiFePO
4
yang rendah maka dapat dilakukan dengan beberapa cara diantaranya dengan penambahan zat
aditif konduktif untuk membentuk material komposit. Sumber karbon, seperti carbon black, acetylene black, grafit, dan sumber karbon lainnya sering
digunakan sebagai zat aditif pada material tersebut Wu et al. 2011. Karakteristik dari LiFePO
4
dapat dilihat pada Tabel 2.4.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.4. Karakteristik dari LiFePO
4
Material Nilai
Kapasitas Spesifik mAhg 160
Densitas gcc 3,70
Densitas Energi Wh L 220
Tegangan Kerja V 3,3
Daya Spesifik Wkg 300
Waktu Hidup tahun 10
Siklus Hidup cycle 2.000
Sumber : Yoshio et al 2009
2.3.2 Material Anoda
