Pembuatan Material Anoda Lithium Titanate (Li4Ti5O12) dan Studi Pengaruh Ketebalan Elektroda Terhadap Performa Elektrokimia Baterai Ion Lithium
PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li4Ti5O12 )
DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP
PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM
SKRIPSI
MIA AULIA DHIKA
120801004
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li4Ti5O12 )
DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP
PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana
Sains
MIA AULIA DHIKA
120801004
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
LEMBAR PENGESAHAN
PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li4Ti5O12 )
DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP
PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM
OLEH:
Mia Aulia Dhika
NIM: 120801004
Disetujui Oleh:
Komisi Pembimbing
Dr. Kerista Sebayang, M.S
Slamet Priyono, S.Si, M.T
NIP: 195806231986011001
NIP: 198610152009121004
DiketahuiOleh:
Departemen Fisika FMIPA USU
Pusat Penelitian Fisika-LIPI
Ketua,
Kepala,
Dr. Marhaposan Situmoran
Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng.
NIP: 195510301980031003
NIP: 196204301988031001
Universitas Sumatera Utara
PERSETUJUAN
Judul
: Pembuatan Material Anoda Lithium Titanate
(Li4Ti5O12)
dan
Studi
Pengaruh
Ketebalan
Elektroda Terhadap Performa Elektrokimia Baterai
Ion Lithium
Kategori
: Skripsi
Nama
: Mia Aulia Dhika
Nomor Induk Mahasiswa
: 120801004
Program Studi
: Sarjana (S1) Fisika
Departemen
: Fisika
Fakultas
: Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatera Utara
Disetujui di:
Medan, Mei 2016
Disetujui Oleh:
Pembimbing 1,
Pembimbing 2,
Dr. Kerista Sebayang, M.S
Slamet PriyonoS.Si, M.T.
NIP: 195806231986011001
NIP: 198610152009121004
Departemen Fisika FMIPA USU
Ketua
Dr. Marhaposan Situmorang
NIP: 195510301980031003
Universitas Sumatera Utara
PERNYATAAN
PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li4Ti5O12 )
DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP
PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM
SKRIPSI
Saya mengaku bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri, kecuali beberapa
kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, Juli 2016
MIA AULIA DHIKA
120801004
Universitas Sumatera Utara
PENGHARGAAN
Syukur alhamdulillah, puji syukur kepada Allah SWT, yang telah memberikan
rahmat,
dan
karunia-Nya
dan
Bimbingan-Nya
sehingga
penulis
dapat
menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “Pembuatan Material Anoda Lithium
Titanate (Li4Ti5O12) dan Studi Pengaruh Ketebalan Elektroda Terhadap
Performa Elektrokimia Baterai Ion Lithium”. Tugas Akhir merupakan salah
satu persyaratan untuk memperoleh gelar sarjana pada Fakultas Mtarematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara. Penelitian ini dilaksanakan
di Pusat Penelitian Fisika (P2F) Lembaga Ilmu Penelitian Indonesia (LIPI)
Serpong, Tangerang Selatan, Banten.
Penulis menyadari bahwa selama proses hingga akhir penyusunan skripsi ini
banyak sekali bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Dengan segala
kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan banyak terima kasih kepada :
1. Dr. Kerista Sebayang M.S sebagai Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.
2. Dr. Marhaposan Situmorang sebagai Ketua Departemen Fisika Universitas
Sumatera Utara, Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc sebagai Sekretaris
Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara, dan seluruh Staf Pengajar
serta Pegawai Administrasi di Departemen Fisika Universitas Sumatera
Utara yang telah memberikan pendidikan dan fasilitas selama perkuliahan.
3. Dr. Kerista Sebayang M.S sebagai sebagai Dosen Pembimbing di
Universitas Sumatera Utara yang telah membimbing dan memberikan
arahan kepada penulis. Kepada dosen-dosen penguji Dr. Diana Alemin
Barus, M.Sc, Dra. Manis Sembiring, MS dan Drs. Fauzi, MS yang telah
banyak memberikan saran dan masukan serta membimbing penulis dalam
menyelesaikan skripsi ini.
4. Slamet Priyono, S.Si. M.T dan Achmad Subhan, M.T sebagai Dosen
Pembimbing di Pusat Penelitian Fisika LIPI yang telah memberikan
Universitas Sumatera Utara
pengetahuan dan semangat serta sabar membimbing dalam menyelesaikan
skripsi ini, dan Dosen-Dosen Pembimbing lapangan dan Staf Pegawai di
bagian baterai Pak Ibrahim, Pak Fadhil, Pak Majid dan Mas Edi yang
banyak membantu dan memberikan saran dalam proses penelitian di P2F
LIPI.
5. Kedua orang tua tercinta Bapak Budiono, S.E dan Ibu Dra. Erlina
Sembiring, Kakak Mila Dhita, S.E, Abang Samudra Prasetya, Adik Dhandy
Erlangga, dan orang spesial Arif Zulfadly Silaen, Amd yang senantiasa
memberikan doa, nasehat, dukungan dan perhatiannya.
6. Sahabat terbaik saya Sri Hany yang senantiasa mendengar curhatan,
memberikan nasehat dan perhatiannya selama menyelesaikan skripsi ini.
7. Teman-teman seperjuangan : Sulistra Simamora, Riris Julita Tambunan,
Santa Simanjuntak, Marta M Nainggolan, Cut Hani Safira (bunda) dan Fitry
Silaban.
Terima kasih atas kebersamaan yang diberikan baik dalam suka maupun
duka selama menjalani penelitian.
8.
Teman-teman seperjuangan di bagian baterai selama di Pusat Penelitian
Fisika LIPI yang telah membantu peneliti dalam menjalani penelitian :
Giassanistya Fadillah Marpaung, Andi Mulya, Elisabeth Sinaga, dan Kana
Cicik Mahmudah.
9.
Sahabat-sahabat terbaik Fisika stambuk 2012 (Physics On Fire) dan
keluarga besar Ikatan Mahasiswa Fisika (IMF) Universitas Sumatera Utara.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena
itu,
penulis
mengharapkan
kritik
dan
saran
yang membangun
untuk
menyempurnakan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat memberi manfaat bagi
orang yang membacanya.
Medan, Juli 2016
Penulis
Universitas Sumatera Utara
PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li4Ti5O12)
DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP
PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM
ABSTRAK
Telah dilakukan pembuatan serbuk Li4Ti5O12 dan studi pengaruh ketebalan
terhadap performa elektrokimia baterai ion lithium. Li4Ti5O12 disintesis dari bahan
baku LiOH.H2O dan TiO2 dengan metode metalurgi serbuk. Lembaran elektroda
dibuat dengan mencampurkan serbuk Li4Ti5O12dengan PVDF , AB serta pelarut NN,DMAC hingga menjadi lumpur dan dilapiskan pada Cu foil dengan variasi
ketebalan 50 m, 80 m, dan 1β0 m. Dari lembaran tersebut dibuat baterai
setengah sel dengan menggunakan elektroda referensi metalik lithium dan
elektrolit LiPF6. Karakterisasi yang dilakukan meliputi X-Ray Diffraction (XRD)
untuk mengetahui struktur kristal dan fasa serbuk dan performa setangah sel
baterai dilakukan dengan uji Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS),
Cyclic Voltammetry (CV) dan Charge/Discharge (CD). Dari hasil pengujian XRD
menunjukkan ada dua fasa yang terbentuk, yaitu fasa Li4Ti5O12 sebesar 77,3 %
dengan struktur kristal cubic dan fasa TiO2 rutile sebesar 22,7 % dengan struktur
kristal tetragonal. Hasil konduktivitas yang tertinggi pada lembaran anoda dengan
menggunakan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) adalah 3,66 x 10-5
S/cm pada ketebalan 50 m. Hasil CV menunjukkan semakin tipis lembaran
anoda maka semakin cepat interkalasi dan de-interkalasi. Sedangkan, hasil CD
menunjukkan bahwa ketebalan lapisan mempengaruhi nilai kapasitas spesifik,
semakin tebal lapisan semakin menurun nilai kapasitas spesifiknya. Kapasitas sel
baterai yang baik diperoleh pada ketebalan lapisan 50 m, dengan kapasitas
charge sebesar 146,6 mAh/g dan kapasitas discharge sebesar 146,09 mAh/g.
Kata Kunci : Anoda, Lithium titanate, Ketebalan elektroda, Performa elektrokimia
Universitas Sumatera Utara
SYNTHESIS OF Li4Ti5O12 ANODE AND STUDY OF ELECTRODE
THICKNESS EFFECTON THE ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE
OF LITHIUM ION BATTERY.
ABSTRACT
The synthesis of Li4Ti5O12 and the study of electrode thickness effect on the
electrochemical performance of lithium ion batteries has been carried out.
Li4Ti5O12 powders were synthesized from raw materials LiOH.H 2O and TiO 2 via
powder metallurgy method. Electrode sheet was made by mixed Li4Ti5O12powders
with PVDF, AB and NN,DMAC solvents become sluury and coated into sheet on
the Cu foil with variations in the thickness of 50μm, 80μm, and 120 μm. The
electrode sheet was assembled into half-cell battery using a coin cell with metallic
lithium as reference electrode and LiFP 6 as electrolyte. Characterization included
X-Ray Diffraction (XRD) to know crystal structure and phases, while
elctrochemical performances were conducted by Electrochemical Impedance
Spectroscop (EIS), Cyclic Voltammetry (CV) and Charge/Discharge (CD). XRD
test showed that there are two phases formed, namely Li 4Ti5O12 with cubic
structure at 77.3% and rutile TiO 2 with tetragonal crystal structure at 22.7%. EIS
test showed that the highest conductivity of anode sheet is 3.66 x 10 -5 S/cm at a
thickness of 50 μm. While, CV results showed that thicker electrode sheet will
increase intercalation and de-intercalation. From CD test showed that the layer
thickness affects the value of the specific capacity, the thicker of electrode layer
will decreases the value of specific capacity. The best capacity of battery cells are
obtained in a layer thickness of 50 μm, with a charge capacity of 146.6 mAh/g and
the discharge capacity of 146.09 mAh/g.
Keywords: Anode, Li4Ti5O12, Electrode thichness, Electrochemical performance
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman
Lembar Pengesahan
Persetujuan
Pernyataan
Penghargaan
Abstrak
Abstract
Daftar Isi
Daftar Tabel
Daftar Gambar
Daftar Lampiran
i
ii
iii
iv
vi
vii
viii
x
xi
xii
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
1.2 Rumusan Masalah
1.3 Tujuan Penelitian
1.4 Manfaat Penelitian
1.5 Batasan Masalah
1.6 Sistematika Penulisan
1
3
4
4
5
5
BAB2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Baterai
2.2.1 Jenis-jenis Baterai
2.2 Baterai Ion Lithium
2.3 Material Anoda
2.4 Elektrolit
2.5 Separator
2.6 Bahan Baku Pembuatan Lembaran Anoda
2.6.1 LiOH.H2O
2.6.2 TiO2 (Titanium Dioksida)
2.7 Komponen Tambahan Penyusun Anoda Baterai
2.7.1 Polyvinylidene Fluoride (PVDF)
2.7.2 Acetylene Black (AB)
2.7.3 Pelarut N,N DMAC (N,NDimethyl-Acetamide )
2.8 Lithium Titanate (Li4Ti5O12)
2.9 Karakterisasi Sel Baterai
2.9.1 X-ray Diffraction (XRD)
2.9.2 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)
2.9.3 Cyclic Voltammetry (CV)
2.9.4 Charge-Discharge (CD)
6
7
7
9
10
11
12
12
12
12
12
12
13
13
14
14
15
15
16
Universitas Sumatera Utara
BAB3 METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat danWaktu Penelitian
3.2 Bahan dan Peralatan Penelitian
3.2.1 Bahan Penelitian
3.2.2 Peralatan Penelitian
3.3 Perhitungan Massa Bahan
3.4 Tahapan Penelitian
3.4.1 Proses Pembuatan Serbuk Li4Ti5O12
3.4.2 Pembuatan Lembaran Anoda Li4Ti5O12
3.5 Prosedur Penelitian
3.5.1 Proses Pembuatan Serbuk Li4Ti5O12
3.5.2 Pembuatan Lembaran AnodaLi4Ti5O12
17
17
17
18
19
20
20
21
22
22
22
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 X-ray Diffraction (XRD) terhadap Material Aktif Elektroda
4.4.1 Sampel Serbuk Li4Ti5O12
4.2 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)
4.2.1 Hasil Pengukuran Konduktivitas listrik pada lembaran anoda
4.2.2 Hasil Pengukuran Konduktivitas Sel Setengah Baterai
4.3 Cyclic Voltammetry (CV)
4.4 Charge/Discharge (CD)
4.5 Perbandingan Hasil Pengujian Terkait Dengan Penelitian
25
25
28
28
29
31
33
36
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
5.2 Saran
38
38
DAFTAR PUSTAKA
38
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Nomor
Tabel
2.1
2.2
3.1
3.2
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
Judul
Halaman
Perbandingan baterai ion lithium dengan baterai
sekunder lainnya
Jenis separator (pemisah) dalam berbagai jenis baterai
ion lithium
Perbandingan bahan baku pembuatan serbuk Li4Ti5O12
8
Perbandingan bahan baku pembuatan lembaran
Li4Ti5O12
Parameter Kisi Serbuk Li4Ti5O12 Hasil Pembacaan
Software PDXL
Hasil Perhitungan Konduktivitas ionik pada lembaran
Li4Ti5O12
Data kapasitas spesifik dan tegangan polarisasi pada
lembaran Li4Ti5O12
Data hasil analisis Charge/Discharge pada Li4Ti5O12
Perbandingan beberapa pengujian mengenai sintesis
Li4Ti5O12
11
19
20
26
29
32
34
36
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Nomor
Gambar
2.1
2.2
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
Halaman
Judul
Proses interkalasi pada baterai ion lithium saat
charge-discharge
Voltamogram siklik reaksi reduksi-oksidasi secara
reversible
Hasil lembaran anoda Li4Ti5O12 pada sampel M-1,
M-2, M-3 dan M-4
Grafik hasil Analisis XRD Serbuk Li4Ti5O12
(a) Analisis fasa yang terbentuk (b) Analisis bidang
kristal
Grafik hasil pengukuran konduktivitas listrik pada
lembaran anoda Li4Ti5O12 pada ketebalan M-1 (50
m), M-β (80 m) dan M-4 (1β0 m)
Grafik EIS dari serbuk Li4Ti5O12 pada sampel M-1,
M-2 dan M-4
Grafik siklik voltametri Li4Ti5O12 pada sampel M-1,
M-2 dan M-4
Grafik hasil charge/discharge pada sampel M-1, M-2
dan M-4
Grafik pengaruh ketebalan lapisan terhadap energi
density
Grafik pengaruh ketebalan lapisan terhadap power
density
8
15
24
25
27
28
31
33
34
35
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor
Lampiran
1.
2.
3.
4.
5.
Judul
Halaman
Perbandingan komposisi bahan
Li4Ti5O12 : PVDF : AB
Perhitungan Massa Bahan Li4Ti5O12
Menghitung Nilai Konduktivitas
Sel Baterai
Menghitung Energy Density
Menghitung Power Density
Gambar Bahan
Gambar Peralatan
Alat-alat Karakterisasi
Analisis XRD
Analisis EIS
L1
L2
L3
L4
L5
Universitas Sumatera Utara
DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP
PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM
SKRIPSI
MIA AULIA DHIKA
120801004
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li4Ti5O12 )
DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP
PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana
Sains
MIA AULIA DHIKA
120801004
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
LEMBAR PENGESAHAN
PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li4Ti5O12 )
DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP
PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM
OLEH:
Mia Aulia Dhika
NIM: 120801004
Disetujui Oleh:
Komisi Pembimbing
Dr. Kerista Sebayang, M.S
Slamet Priyono, S.Si, M.T
NIP: 195806231986011001
NIP: 198610152009121004
DiketahuiOleh:
Departemen Fisika FMIPA USU
Pusat Penelitian Fisika-LIPI
Ketua,
Kepala,
Dr. Marhaposan Situmoran
Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng.
NIP: 195510301980031003
NIP: 196204301988031001
Universitas Sumatera Utara
PERSETUJUAN
Judul
: Pembuatan Material Anoda Lithium Titanate
(Li4Ti5O12)
dan
Studi
Pengaruh
Ketebalan
Elektroda Terhadap Performa Elektrokimia Baterai
Ion Lithium
Kategori
: Skripsi
Nama
: Mia Aulia Dhika
Nomor Induk Mahasiswa
: 120801004
Program Studi
: Sarjana (S1) Fisika
Departemen
: Fisika
Fakultas
: Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatera Utara
Disetujui di:
Medan, Mei 2016
Disetujui Oleh:
Pembimbing 1,
Pembimbing 2,
Dr. Kerista Sebayang, M.S
Slamet PriyonoS.Si, M.T.
NIP: 195806231986011001
NIP: 198610152009121004
Departemen Fisika FMIPA USU
Ketua
Dr. Marhaposan Situmorang
NIP: 195510301980031003
Universitas Sumatera Utara
PERNYATAAN
PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li4Ti5O12 )
DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP
PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM
SKRIPSI
Saya mengaku bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri, kecuali beberapa
kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, Juli 2016
MIA AULIA DHIKA
120801004
Universitas Sumatera Utara
PENGHARGAAN
Syukur alhamdulillah, puji syukur kepada Allah SWT, yang telah memberikan
rahmat,
dan
karunia-Nya
dan
Bimbingan-Nya
sehingga
penulis
dapat
menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “Pembuatan Material Anoda Lithium
Titanate (Li4Ti5O12) dan Studi Pengaruh Ketebalan Elektroda Terhadap
Performa Elektrokimia Baterai Ion Lithium”. Tugas Akhir merupakan salah
satu persyaratan untuk memperoleh gelar sarjana pada Fakultas Mtarematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara. Penelitian ini dilaksanakan
di Pusat Penelitian Fisika (P2F) Lembaga Ilmu Penelitian Indonesia (LIPI)
Serpong, Tangerang Selatan, Banten.
Penulis menyadari bahwa selama proses hingga akhir penyusunan skripsi ini
banyak sekali bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Dengan segala
kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan banyak terima kasih kepada :
1. Dr. Kerista Sebayang M.S sebagai Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.
2. Dr. Marhaposan Situmorang sebagai Ketua Departemen Fisika Universitas
Sumatera Utara, Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc sebagai Sekretaris
Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara, dan seluruh Staf Pengajar
serta Pegawai Administrasi di Departemen Fisika Universitas Sumatera
Utara yang telah memberikan pendidikan dan fasilitas selama perkuliahan.
3. Dr. Kerista Sebayang M.S sebagai sebagai Dosen Pembimbing di
Universitas Sumatera Utara yang telah membimbing dan memberikan
arahan kepada penulis. Kepada dosen-dosen penguji Dr. Diana Alemin
Barus, M.Sc, Dra. Manis Sembiring, MS dan Drs. Fauzi, MS yang telah
banyak memberikan saran dan masukan serta membimbing penulis dalam
menyelesaikan skripsi ini.
4. Slamet Priyono, S.Si. M.T dan Achmad Subhan, M.T sebagai Dosen
Pembimbing di Pusat Penelitian Fisika LIPI yang telah memberikan
Universitas Sumatera Utara
pengetahuan dan semangat serta sabar membimbing dalam menyelesaikan
skripsi ini, dan Dosen-Dosen Pembimbing lapangan dan Staf Pegawai di
bagian baterai Pak Ibrahim, Pak Fadhil, Pak Majid dan Mas Edi yang
banyak membantu dan memberikan saran dalam proses penelitian di P2F
LIPI.
5. Kedua orang tua tercinta Bapak Budiono, S.E dan Ibu Dra. Erlina
Sembiring, Kakak Mila Dhita, S.E, Abang Samudra Prasetya, Adik Dhandy
Erlangga, dan orang spesial Arif Zulfadly Silaen, Amd yang senantiasa
memberikan doa, nasehat, dukungan dan perhatiannya.
6. Sahabat terbaik saya Sri Hany yang senantiasa mendengar curhatan,
memberikan nasehat dan perhatiannya selama menyelesaikan skripsi ini.
7. Teman-teman seperjuangan : Sulistra Simamora, Riris Julita Tambunan,
Santa Simanjuntak, Marta M Nainggolan, Cut Hani Safira (bunda) dan Fitry
Silaban.
Terima kasih atas kebersamaan yang diberikan baik dalam suka maupun
duka selama menjalani penelitian.
8.
Teman-teman seperjuangan di bagian baterai selama di Pusat Penelitian
Fisika LIPI yang telah membantu peneliti dalam menjalani penelitian :
Giassanistya Fadillah Marpaung, Andi Mulya, Elisabeth Sinaga, dan Kana
Cicik Mahmudah.
9.
Sahabat-sahabat terbaik Fisika stambuk 2012 (Physics On Fire) dan
keluarga besar Ikatan Mahasiswa Fisika (IMF) Universitas Sumatera Utara.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena
itu,
penulis
mengharapkan
kritik
dan
saran
yang membangun
untuk
menyempurnakan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat memberi manfaat bagi
orang yang membacanya.
Medan, Juli 2016
Penulis
Universitas Sumatera Utara
PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li4Ti5O12)
DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP
PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM
ABSTRAK
Telah dilakukan pembuatan serbuk Li4Ti5O12 dan studi pengaruh ketebalan
terhadap performa elektrokimia baterai ion lithium. Li4Ti5O12 disintesis dari bahan
baku LiOH.H2O dan TiO2 dengan metode metalurgi serbuk. Lembaran elektroda
dibuat dengan mencampurkan serbuk Li4Ti5O12dengan PVDF , AB serta pelarut NN,DMAC hingga menjadi lumpur dan dilapiskan pada Cu foil dengan variasi
ketebalan 50 m, 80 m, dan 1β0 m. Dari lembaran tersebut dibuat baterai
setengah sel dengan menggunakan elektroda referensi metalik lithium dan
elektrolit LiPF6. Karakterisasi yang dilakukan meliputi X-Ray Diffraction (XRD)
untuk mengetahui struktur kristal dan fasa serbuk dan performa setangah sel
baterai dilakukan dengan uji Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS),
Cyclic Voltammetry (CV) dan Charge/Discharge (CD). Dari hasil pengujian XRD
menunjukkan ada dua fasa yang terbentuk, yaitu fasa Li4Ti5O12 sebesar 77,3 %
dengan struktur kristal cubic dan fasa TiO2 rutile sebesar 22,7 % dengan struktur
kristal tetragonal. Hasil konduktivitas yang tertinggi pada lembaran anoda dengan
menggunakan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) adalah 3,66 x 10-5
S/cm pada ketebalan 50 m. Hasil CV menunjukkan semakin tipis lembaran
anoda maka semakin cepat interkalasi dan de-interkalasi. Sedangkan, hasil CD
menunjukkan bahwa ketebalan lapisan mempengaruhi nilai kapasitas spesifik,
semakin tebal lapisan semakin menurun nilai kapasitas spesifiknya. Kapasitas sel
baterai yang baik diperoleh pada ketebalan lapisan 50 m, dengan kapasitas
charge sebesar 146,6 mAh/g dan kapasitas discharge sebesar 146,09 mAh/g.
Kata Kunci : Anoda, Lithium titanate, Ketebalan elektroda, Performa elektrokimia
Universitas Sumatera Utara
SYNTHESIS OF Li4Ti5O12 ANODE AND STUDY OF ELECTRODE
THICKNESS EFFECTON THE ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE
OF LITHIUM ION BATTERY.
ABSTRACT
The synthesis of Li4Ti5O12 and the study of electrode thickness effect on the
electrochemical performance of lithium ion batteries has been carried out.
Li4Ti5O12 powders were synthesized from raw materials LiOH.H 2O and TiO 2 via
powder metallurgy method. Electrode sheet was made by mixed Li4Ti5O12powders
with PVDF, AB and NN,DMAC solvents become sluury and coated into sheet on
the Cu foil with variations in the thickness of 50μm, 80μm, and 120 μm. The
electrode sheet was assembled into half-cell battery using a coin cell with metallic
lithium as reference electrode and LiFP 6 as electrolyte. Characterization included
X-Ray Diffraction (XRD) to know crystal structure and phases, while
elctrochemical performances were conducted by Electrochemical Impedance
Spectroscop (EIS), Cyclic Voltammetry (CV) and Charge/Discharge (CD). XRD
test showed that there are two phases formed, namely Li 4Ti5O12 with cubic
structure at 77.3% and rutile TiO 2 with tetragonal crystal structure at 22.7%. EIS
test showed that the highest conductivity of anode sheet is 3.66 x 10 -5 S/cm at a
thickness of 50 μm. While, CV results showed that thicker electrode sheet will
increase intercalation and de-intercalation. From CD test showed that the layer
thickness affects the value of the specific capacity, the thicker of electrode layer
will decreases the value of specific capacity. The best capacity of battery cells are
obtained in a layer thickness of 50 μm, with a charge capacity of 146.6 mAh/g and
the discharge capacity of 146.09 mAh/g.
Keywords: Anode, Li4Ti5O12, Electrode thichness, Electrochemical performance
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman
Lembar Pengesahan
Persetujuan
Pernyataan
Penghargaan
Abstrak
Abstract
Daftar Isi
Daftar Tabel
Daftar Gambar
Daftar Lampiran
i
ii
iii
iv
vi
vii
viii
x
xi
xii
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
1.2 Rumusan Masalah
1.3 Tujuan Penelitian
1.4 Manfaat Penelitian
1.5 Batasan Masalah
1.6 Sistematika Penulisan
1
3
4
4
5
5
BAB2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Baterai
2.2.1 Jenis-jenis Baterai
2.2 Baterai Ion Lithium
2.3 Material Anoda
2.4 Elektrolit
2.5 Separator
2.6 Bahan Baku Pembuatan Lembaran Anoda
2.6.1 LiOH.H2O
2.6.2 TiO2 (Titanium Dioksida)
2.7 Komponen Tambahan Penyusun Anoda Baterai
2.7.1 Polyvinylidene Fluoride (PVDF)
2.7.2 Acetylene Black (AB)
2.7.3 Pelarut N,N DMAC (N,NDimethyl-Acetamide )
2.8 Lithium Titanate (Li4Ti5O12)
2.9 Karakterisasi Sel Baterai
2.9.1 X-ray Diffraction (XRD)
2.9.2 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)
2.9.3 Cyclic Voltammetry (CV)
2.9.4 Charge-Discharge (CD)
6
7
7
9
10
11
12
12
12
12
12
12
13
13
14
14
15
15
16
Universitas Sumatera Utara
BAB3 METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat danWaktu Penelitian
3.2 Bahan dan Peralatan Penelitian
3.2.1 Bahan Penelitian
3.2.2 Peralatan Penelitian
3.3 Perhitungan Massa Bahan
3.4 Tahapan Penelitian
3.4.1 Proses Pembuatan Serbuk Li4Ti5O12
3.4.2 Pembuatan Lembaran Anoda Li4Ti5O12
3.5 Prosedur Penelitian
3.5.1 Proses Pembuatan Serbuk Li4Ti5O12
3.5.2 Pembuatan Lembaran AnodaLi4Ti5O12
17
17
17
18
19
20
20
21
22
22
22
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 X-ray Diffraction (XRD) terhadap Material Aktif Elektroda
4.4.1 Sampel Serbuk Li4Ti5O12
4.2 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)
4.2.1 Hasil Pengukuran Konduktivitas listrik pada lembaran anoda
4.2.2 Hasil Pengukuran Konduktivitas Sel Setengah Baterai
4.3 Cyclic Voltammetry (CV)
4.4 Charge/Discharge (CD)
4.5 Perbandingan Hasil Pengujian Terkait Dengan Penelitian
25
25
28
28
29
31
33
36
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
5.2 Saran
38
38
DAFTAR PUSTAKA
38
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Nomor
Tabel
2.1
2.2
3.1
3.2
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
Judul
Halaman
Perbandingan baterai ion lithium dengan baterai
sekunder lainnya
Jenis separator (pemisah) dalam berbagai jenis baterai
ion lithium
Perbandingan bahan baku pembuatan serbuk Li4Ti5O12
8
Perbandingan bahan baku pembuatan lembaran
Li4Ti5O12
Parameter Kisi Serbuk Li4Ti5O12 Hasil Pembacaan
Software PDXL
Hasil Perhitungan Konduktivitas ionik pada lembaran
Li4Ti5O12
Data kapasitas spesifik dan tegangan polarisasi pada
lembaran Li4Ti5O12
Data hasil analisis Charge/Discharge pada Li4Ti5O12
Perbandingan beberapa pengujian mengenai sintesis
Li4Ti5O12
11
19
20
26
29
32
34
36
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Nomor
Gambar
2.1
2.2
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
Halaman
Judul
Proses interkalasi pada baterai ion lithium saat
charge-discharge
Voltamogram siklik reaksi reduksi-oksidasi secara
reversible
Hasil lembaran anoda Li4Ti5O12 pada sampel M-1,
M-2, M-3 dan M-4
Grafik hasil Analisis XRD Serbuk Li4Ti5O12
(a) Analisis fasa yang terbentuk (b) Analisis bidang
kristal
Grafik hasil pengukuran konduktivitas listrik pada
lembaran anoda Li4Ti5O12 pada ketebalan M-1 (50
m), M-β (80 m) dan M-4 (1β0 m)
Grafik EIS dari serbuk Li4Ti5O12 pada sampel M-1,
M-2 dan M-4
Grafik siklik voltametri Li4Ti5O12 pada sampel M-1,
M-2 dan M-4
Grafik hasil charge/discharge pada sampel M-1, M-2
dan M-4
Grafik pengaruh ketebalan lapisan terhadap energi
density
Grafik pengaruh ketebalan lapisan terhadap power
density
8
15
24
25
27
28
31
33
34
35
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor
Lampiran
1.
2.
3.
4.
5.
Judul
Halaman
Perbandingan komposisi bahan
Li4Ti5O12 : PVDF : AB
Perhitungan Massa Bahan Li4Ti5O12
Menghitung Nilai Konduktivitas
Sel Baterai
Menghitung Energy Density
Menghitung Power Density
Gambar Bahan
Gambar Peralatan
Alat-alat Karakterisasi
Analisis XRD
Analisis EIS
L1
L2
L3
L4
L5
Universitas Sumatera Utara