Pengaruh Komposisi Dan Ketebalan Katoda LiMn2O4 (Lithium Mangan Oksida) Pada Kapasitas Baterai Ion Lithium
1
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Baterai kini telah menjadi bagian dari kehidupan sehari-hari, untuk kehidupan
modern saat ini baterai sudah menjadi sebuah kebutuhan yang melekat pada setiap
aktivitas terutama yang berhubungan dengan piranti elektronika. Pengembangan
baterai yang kian hari kian maju menuju arah yang lebih baik, terus dilakukan oleh
para ahli. Apalagi saat ini masyarakat dunia tengah berupaya mencari energi alternatif
yang berupa non migas. Pemanfaatan baterai yang digunakan sebagai media
penyimpan energi alternatif yang terlebih dahulu dikonversikan menjadi energi
listrik. Salah satu upaya untuk penyelamatan dari ketergantungan pada minyak bumi.
Baterai didefenisikan sebagai suatu alat yang dapat mengubah langsung energi
kima menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia. Pengertian baterai yang saat
ini umum digunakan sesungguhnya mencakup satu atau beberapa sel baterai yang
digabungkan secara seri atau paralel sesuai dengan tegangan dan kapasitas listrik
yang diinginkan. Sel baterai adalah unit terkecil dari suatu sistem proses elektrokimia
yang terdiri dari elektroda, elektrolit, separator, wadah terminal/current collector
(Triwibowo, 2011). Baterai sekunder ialah baterai yang dapat dipakai ulang beberapa
kali untuk mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik melalui proses
elektrokimia. Proses elektrokimia ini berlangsung bolak-balik sehingga baterai ini
disebut juga baterai isi ulang atau rechargeable battery (Linden, 2002).
Penggunaan baterai ion-Li dalam produk-produk teknologi saat ini sangat luas
seperti laptop, telepon selular, sepeda elektrik dan mobil elektrik. Baterai ion-Li
mempunyai densitas energi paling tinggi di antara baterai sekunder yang lain (Ceder,
1998). Tegangan yang dihasilkan baterai ion-Li sekitar 3,6 Volt sampai 4 Volt, jauh
lebih besar dibandingkan energi dari NiCd dan NiMH masing-masing sebesar 1,2
Volt (Bouwmann, 2002). Baterai-baterai isi ulang atau rechargeable batteries kini
Universitas Sumatera Utara
menggantikan elemen primer karena menghemat sumber daya dan
mengurangi polusi. Baterai sekunder di antaranya adalah Pb-acid, Ni-Mh, Ni-Cd dan
Li-ion. Diantara baterai-baterai sekunder tersebut yang paling menonjol adalah
baterai Li-ion. Kelebihan baterai Li-ion memiliki lifecycle panjang (500-1000 siklus),
densitas energi tinggi dan kapasitas spesifik lebih tinggi dibandingkan dengan baterai
sekunder yang lain. Selain itu, baterai ion lithium sudah banyak digunakan sebagai
sumber energi untuk peralatan elektronik portable bahkan pada mobil listrik (Chew,
2008). Baterai ion-Li tidak mengalami memory effect sehingga dapat diisi kapan saja,
waktu pengisian singkat (2 – 4 jam) karena arus pengisian baterai tinggi (0,5 – 1 A),
laju penurunan efisiensi baterai rendah (5 – 10 % per bulan) serta lebih tahan lama
(masa hidup 3 tahun) (Eriksson, 2001). Anoda baterai ion-Li komersial berupa kristal
karbon, oksida logam (LiCoC 2 ) sebagai katoda, separator sebagai lapisan pemisah
antar elektroda, serta elektrolit berupa larutan garam lithium (LiPF 6 , LiBF 4 atau
LiClO 4 ) dalam pelarut organik seperti eter (Herstedt, 2003).
Secara umum, baterai ion lithium terdiri dari tiga komponen utama yaitu
elektrolit, anoda dan katoda. Material material elektrolit yang digunakan antara lain
adalah lithium hexafluorophosphat (LiPF 6 ). Material elektrolit tersebut berfungsi
sebagai media transfer ion. Sementara itu, material anodanya adalah metalik litium
dengan kapasitas spesifik hingga 3860 mAh/g. Komponen yang terahir adalah katoda.
Material katoda yang digunakan pada baterai ion lithium harus memiliki kapasitas
spesifik yang tinggi dan profil tegangan yang rata. Material katoda juga harus bersifat
ionik konduktif dan elektronik konduktif. Hal ini berkaitan dengan peristiwa
menerima dan melepas elektron pada proses elektrokimia, sehingga diperlukan
material katoda dengan konduktivitas listrik yang tinggi. Konduktivitas listrik yang
tinggi merupakan salah satu indikator bahwa material yang digunakan memenuhi
persyaratan sebagai bahan baterai. Untuk pemisah antara anoda dan katoda digunakan
separator. Separator adalah material berpori yang diletakkan diantara anoda dan
katoda, yang dapat mencegah terjadinya gesekan antara kedua elektroda tersebut yang
dapat menyebabkan arus pendek.
2
Universitas Sumatera Utara
3
Beberapa material katoda pada baterai ion litium yang telah disintesis yaitu
lithium mangan oxide (LiMn 2 O 4 ) (Chew, 2008), lithium cobalt oxide (LiCoO 2 )
(Ritchie, 2001) dan lithium iron phospate (LFP) (Hamid, 2012). Lithium Mangan
Oksida (LiMn 2 O 4 ) banyak digunakan sebagai bahan katoda untuk baterai lithium
rechargeable. Hal ini dianggap berpotensi untuk bahan katoda karena ketersediaanya
yang melimpah, ramah lingkungan dan harga terjangkau, memiliki kapasitas spesifik
-5
teori sebesar 110 mAh/g, konduktivitas listrik yakni sekitar 10 S/cm dan memiliki
range tegangan yang besar yaitu 3,5-4,5 Volt.
Dalam pembuatan lembaran katoda, ada beberapa hal yang harus diperhatikan
untuk mempengaruhi bagus tidaknya lembaran katoda yang akan dihasilkan yaitu
tingkat kehomogenan lumpur (slurry), suhu pemanasan, viskositas lumpur (slurry),
kecepatan pencampuran, dan lain-lain. Pada pembuatan lembaran katoda ini
digunakan bahan LiMn 2 O 4 ( Lithium Mangan Oxide) sebagai bahan material
aktifnya, PVDF (Polyvynilidene Flouride) sebagai bindernya, dan Super P sebagai
bahan aditif konduktif sedangkan untuk pelarutnya digunakan DMAC. Kemudian
dari lembaran katoda LiMn 2 O 4 tersebut akan dibuat menjadi baterai coin cell dengan
menggunakan metalik litium sebagai anodanya. Dalam penelitian ini difokuskan
pembuatan lembaran katoda dengan variasi komposisi, serta variasi ketebalan
lembaran katoda LiMn 2 O 4 untuk mengetahui mikrostruktur dari lembaran katoda
LiMn 2 O 4 , dan karakterisasi kapasitas discharge baterai coin cell.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, maka permasalahan yang akan dibahas dalam
penelitian ini adalah:
1. Bagaimana pengaruh variasi komposisi terhadap performa baterai coin cell?
2. Bagaimana pengaruh ketebalan lembaran katoda LiMn 2 O 4 terhadap performa
baterai coin cell?
Universitas Sumatera Utara
4
1.3 Batasan Masalah
Untuk mendapatkan suatu hasil penelitian dari permasalahan yang ditentukan maka
perlu ada pembatasan masalah penelitian, yaitu sebagai berikut:
1. Bahan yang digunakan dalam pembuatan lembaran katoda adalah serbuk
LiMn 2 O 4, Super P, PVDF dan pelarutnya yaitu DMAC sebanyak 60 ml.
2. Variasi komposisi yang digunakan adalah 85:10:5 dan 90:7:3.
3. Variasi ketebalan lembaran katoda LiMn 2 O 4 adalah 100 μm, 150 μm,
300 μm.
4. Anoda yang digunakan dalam pembuatan baterai coin cell adalah metalik
lithium.
5. Elektrolit yang digunakan dalam pembuatan baterai coin cell adalah 1M
LiPF 6 .
6. Parameter yang dianalisa yaitu kapasitas discharge baterai dan mikrostruktur
dari lembaran katoda LiMn 2 O 4 .
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Membuat lembaran katoda LiMn 2 O 4 dengan variasi komposisi dan ketebalan.
2. Mengetahui mikrostruktur lembaran katoda LiMn 2 O 4 dengan variasi
komposisi dan ketebalan.
3. Mengetahui kapasitas discharge baterai coin cell.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang didapat dari penelitian ini adalah dapat mengetahui performa baterai
coin cell dan mikrostrukturnya terhadap variasi komposisi dan ketebalan lembaran
katoda LiMn 2 O 4 .
1.6 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Baterai, Bidang Fisika, Pusat Penelitian
Fiska (P2F) LIPI Kawasan PUSPITEK Serpong, Desa Setu, Kecamatan Setu, Kota
Universitas Sumatera Utara
5
Taangerang Selatan, Kode Pos 15310, Provinsi Banten, Indonesia. Dimulai tanggal 5
Februari 2015 sampai tanggal 5 Mei 2015.
1.7 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan pada masing-masing bab adalah sebagai berikut:
BAB 1 PENDAHULUAN
Bab ini mencakup latar belakang penelitian, batasaan masalah yang
akan diteliti, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, tempat
penelitian, dan sistematika penulisan.
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk
proses pngambilan data, analisa data, serta pembahasannya.
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini membahas tentang metode penelitian, tempat dan waktu
penelitian peralatan dan bahan penelitian, diagram alir penelitian, prosedur
penelitian, dan pengujian sampel.
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAAN
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa data yang
diperoleh dari penelitian.
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dari penelitian
dan memeberikan saran untuk penelitian yang lebih lanjut.
DAFTAR PUSTAKA
Berisi
tentang
literatur
yang
digunakan
sebagai
referensi
dalam
penulisan tugas akhir ini.
Universitas Sumatera Utara
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Baterai kini telah menjadi bagian dari kehidupan sehari-hari, untuk kehidupan
modern saat ini baterai sudah menjadi sebuah kebutuhan yang melekat pada setiap
aktivitas terutama yang berhubungan dengan piranti elektronika. Pengembangan
baterai yang kian hari kian maju menuju arah yang lebih baik, terus dilakukan oleh
para ahli. Apalagi saat ini masyarakat dunia tengah berupaya mencari energi alternatif
yang berupa non migas. Pemanfaatan baterai yang digunakan sebagai media
penyimpan energi alternatif yang terlebih dahulu dikonversikan menjadi energi
listrik. Salah satu upaya untuk penyelamatan dari ketergantungan pada minyak bumi.
Baterai didefenisikan sebagai suatu alat yang dapat mengubah langsung energi
kima menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia. Pengertian baterai yang saat
ini umum digunakan sesungguhnya mencakup satu atau beberapa sel baterai yang
digabungkan secara seri atau paralel sesuai dengan tegangan dan kapasitas listrik
yang diinginkan. Sel baterai adalah unit terkecil dari suatu sistem proses elektrokimia
yang terdiri dari elektroda, elektrolit, separator, wadah terminal/current collector
(Triwibowo, 2011). Baterai sekunder ialah baterai yang dapat dipakai ulang beberapa
kali untuk mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik melalui proses
elektrokimia. Proses elektrokimia ini berlangsung bolak-balik sehingga baterai ini
disebut juga baterai isi ulang atau rechargeable battery (Linden, 2002).
Penggunaan baterai ion-Li dalam produk-produk teknologi saat ini sangat luas
seperti laptop, telepon selular, sepeda elektrik dan mobil elektrik. Baterai ion-Li
mempunyai densitas energi paling tinggi di antara baterai sekunder yang lain (Ceder,
1998). Tegangan yang dihasilkan baterai ion-Li sekitar 3,6 Volt sampai 4 Volt, jauh
lebih besar dibandingkan energi dari NiCd dan NiMH masing-masing sebesar 1,2
Volt (Bouwmann, 2002). Baterai-baterai isi ulang atau rechargeable batteries kini
Universitas Sumatera Utara
menggantikan elemen primer karena menghemat sumber daya dan
mengurangi polusi. Baterai sekunder di antaranya adalah Pb-acid, Ni-Mh, Ni-Cd dan
Li-ion. Diantara baterai-baterai sekunder tersebut yang paling menonjol adalah
baterai Li-ion. Kelebihan baterai Li-ion memiliki lifecycle panjang (500-1000 siklus),
densitas energi tinggi dan kapasitas spesifik lebih tinggi dibandingkan dengan baterai
sekunder yang lain. Selain itu, baterai ion lithium sudah banyak digunakan sebagai
sumber energi untuk peralatan elektronik portable bahkan pada mobil listrik (Chew,
2008). Baterai ion-Li tidak mengalami memory effect sehingga dapat diisi kapan saja,
waktu pengisian singkat (2 – 4 jam) karena arus pengisian baterai tinggi (0,5 – 1 A),
laju penurunan efisiensi baterai rendah (5 – 10 % per bulan) serta lebih tahan lama
(masa hidup 3 tahun) (Eriksson, 2001). Anoda baterai ion-Li komersial berupa kristal
karbon, oksida logam (LiCoC 2 ) sebagai katoda, separator sebagai lapisan pemisah
antar elektroda, serta elektrolit berupa larutan garam lithium (LiPF 6 , LiBF 4 atau
LiClO 4 ) dalam pelarut organik seperti eter (Herstedt, 2003).
Secara umum, baterai ion lithium terdiri dari tiga komponen utama yaitu
elektrolit, anoda dan katoda. Material material elektrolit yang digunakan antara lain
adalah lithium hexafluorophosphat (LiPF 6 ). Material elektrolit tersebut berfungsi
sebagai media transfer ion. Sementara itu, material anodanya adalah metalik litium
dengan kapasitas spesifik hingga 3860 mAh/g. Komponen yang terahir adalah katoda.
Material katoda yang digunakan pada baterai ion lithium harus memiliki kapasitas
spesifik yang tinggi dan profil tegangan yang rata. Material katoda juga harus bersifat
ionik konduktif dan elektronik konduktif. Hal ini berkaitan dengan peristiwa
menerima dan melepas elektron pada proses elektrokimia, sehingga diperlukan
material katoda dengan konduktivitas listrik yang tinggi. Konduktivitas listrik yang
tinggi merupakan salah satu indikator bahwa material yang digunakan memenuhi
persyaratan sebagai bahan baterai. Untuk pemisah antara anoda dan katoda digunakan
separator. Separator adalah material berpori yang diletakkan diantara anoda dan
katoda, yang dapat mencegah terjadinya gesekan antara kedua elektroda tersebut yang
dapat menyebabkan arus pendek.
2
Universitas Sumatera Utara
3
Beberapa material katoda pada baterai ion litium yang telah disintesis yaitu
lithium mangan oxide (LiMn 2 O 4 ) (Chew, 2008), lithium cobalt oxide (LiCoO 2 )
(Ritchie, 2001) dan lithium iron phospate (LFP) (Hamid, 2012). Lithium Mangan
Oksida (LiMn 2 O 4 ) banyak digunakan sebagai bahan katoda untuk baterai lithium
rechargeable. Hal ini dianggap berpotensi untuk bahan katoda karena ketersediaanya
yang melimpah, ramah lingkungan dan harga terjangkau, memiliki kapasitas spesifik
-5
teori sebesar 110 mAh/g, konduktivitas listrik yakni sekitar 10 S/cm dan memiliki
range tegangan yang besar yaitu 3,5-4,5 Volt.
Dalam pembuatan lembaran katoda, ada beberapa hal yang harus diperhatikan
untuk mempengaruhi bagus tidaknya lembaran katoda yang akan dihasilkan yaitu
tingkat kehomogenan lumpur (slurry), suhu pemanasan, viskositas lumpur (slurry),
kecepatan pencampuran, dan lain-lain. Pada pembuatan lembaran katoda ini
digunakan bahan LiMn 2 O 4 ( Lithium Mangan Oxide) sebagai bahan material
aktifnya, PVDF (Polyvynilidene Flouride) sebagai bindernya, dan Super P sebagai
bahan aditif konduktif sedangkan untuk pelarutnya digunakan DMAC. Kemudian
dari lembaran katoda LiMn 2 O 4 tersebut akan dibuat menjadi baterai coin cell dengan
menggunakan metalik litium sebagai anodanya. Dalam penelitian ini difokuskan
pembuatan lembaran katoda dengan variasi komposisi, serta variasi ketebalan
lembaran katoda LiMn 2 O 4 untuk mengetahui mikrostruktur dari lembaran katoda
LiMn 2 O 4 , dan karakterisasi kapasitas discharge baterai coin cell.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, maka permasalahan yang akan dibahas dalam
penelitian ini adalah:
1. Bagaimana pengaruh variasi komposisi terhadap performa baterai coin cell?
2. Bagaimana pengaruh ketebalan lembaran katoda LiMn 2 O 4 terhadap performa
baterai coin cell?
Universitas Sumatera Utara
4
1.3 Batasan Masalah
Untuk mendapatkan suatu hasil penelitian dari permasalahan yang ditentukan maka
perlu ada pembatasan masalah penelitian, yaitu sebagai berikut:
1. Bahan yang digunakan dalam pembuatan lembaran katoda adalah serbuk
LiMn 2 O 4, Super P, PVDF dan pelarutnya yaitu DMAC sebanyak 60 ml.
2. Variasi komposisi yang digunakan adalah 85:10:5 dan 90:7:3.
3. Variasi ketebalan lembaran katoda LiMn 2 O 4 adalah 100 μm, 150 μm,
300 μm.
4. Anoda yang digunakan dalam pembuatan baterai coin cell adalah metalik
lithium.
5. Elektrolit yang digunakan dalam pembuatan baterai coin cell adalah 1M
LiPF 6 .
6. Parameter yang dianalisa yaitu kapasitas discharge baterai dan mikrostruktur
dari lembaran katoda LiMn 2 O 4 .
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Membuat lembaran katoda LiMn 2 O 4 dengan variasi komposisi dan ketebalan.
2. Mengetahui mikrostruktur lembaran katoda LiMn 2 O 4 dengan variasi
komposisi dan ketebalan.
3. Mengetahui kapasitas discharge baterai coin cell.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang didapat dari penelitian ini adalah dapat mengetahui performa baterai
coin cell dan mikrostrukturnya terhadap variasi komposisi dan ketebalan lembaran
katoda LiMn 2 O 4 .
1.6 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Baterai, Bidang Fisika, Pusat Penelitian
Fiska (P2F) LIPI Kawasan PUSPITEK Serpong, Desa Setu, Kecamatan Setu, Kota
Universitas Sumatera Utara
5
Taangerang Selatan, Kode Pos 15310, Provinsi Banten, Indonesia. Dimulai tanggal 5
Februari 2015 sampai tanggal 5 Mei 2015.
1.7 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan pada masing-masing bab adalah sebagai berikut:
BAB 1 PENDAHULUAN
Bab ini mencakup latar belakang penelitian, batasaan masalah yang
akan diteliti, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, tempat
penelitian, dan sistematika penulisan.
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk
proses pngambilan data, analisa data, serta pembahasannya.
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini membahas tentang metode penelitian, tempat dan waktu
penelitian peralatan dan bahan penelitian, diagram alir penelitian, prosedur
penelitian, dan pengujian sampel.
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAAN
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa data yang
diperoleh dari penelitian.
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dari penelitian
dan memeberikan saran untuk penelitian yang lebih lanjut.
DAFTAR PUSTAKA
Berisi
tentang
literatur
yang
digunakan
sebagai
referensi
dalam
penulisan tugas akhir ini.
Universitas Sumatera Utara