Sintesis Lithium Mangan Oksida (LiMn2O4) untuk Katoda Baterai Lithium Ion Chapter III V
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN
3.1
Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan dari tanggal 6 Februari 2017 s.d 28 April 2017 di
Pusat Penelitian Fisika-LIPI, Komplek Puspiptek Gd 442 Serpong Tangerang
Selatan.
3.2
Bahan dan Peralatan Penelitian
3.2.1
Bahan Penelitian
1.
Li2CO3
Fungsi : berfungsi sebagai material aktif (bahan katoda).
2.
LiOH.H2O
Fungsi : berfungsi sebagai material aktif (bahan katoda).
3.
MnO2
Fungsi : berfungsi sebagai material aktif (bahan katoda).
4.
PVDF (Polyvinylidene Fluoride)
Fungsi : sebagai bahan polimer pengikat (Binder).
5.
AB (Acetylene Black)
Fungsi : sebagai karbon konduktif.
6.
DMAC (N,N-Dimethylacetamide)
Fungsi : sebagai pelarut bahan PVDF.
7.
Aseton
Fungsi : untuk membersihkan peralatan penelitian.
8.
Al Foil
Fungsi : sebagai current collector dalam lembaran katoda.
9.
Separator
Fungsi : untuk mencegah terjadinya kontak/ hubungan singkat antara
LiMn2O4 (katoda) dan Metal Lithium (anoda).
10. Metal Lithium
Fungsi : sebagai anoda pada pengujian sel baterai.
Universitas Sumatera Utara
11. LiPF6
Fungsi : sebagai elektrolit dalam pembuatan sel baterai.
3.2.2 Peralatan Penelitian
1. Neraca Digital
Fungsi : untuk mengukur massa dari bahan baku.
2. Beaker Glass
Fungsi : sebagai wadah dalam pembuatan slurry.
3. Spatula
Fungsi : untuk mengambil dan mengaduk bahan.
4. Pipet Tetes
Fungsi : untuk mengambil cairan DMAC.
5. Cawan
Fungsi: sebagai tempat untuk menimbang bahan yang digunakan.
6. Mortar dan pastel
Fungsi : Untuk menumbuk bahan hingga halus.
7. Hot Plate
Fungsi : untuk memanaskan campuran bahan sehingga mampu
mempercepat proses
homogenisasi.
8. Magnetic Stirer
Fungsi : untuk menghomogenkan campuran bahan dengan pengadukan.
9. Penjepit
Fungsi : untuk menjepit lembaran.
10. Doctor Blade
Fungsi : untuk pelapisan slurry pada Al Foil.
11. Pisau doctor blade
Fungsi : Untuk mengukur ketebalan pengcoatingan.
12. Oven
Fungsi : untuk mengeringkan lembaran LiMn2O4 setelah dicoating.
13. Coin Cell
Fungsi : sebagai wadah untuk aktivasi sel baterai.
Universitas Sumatera Utara
14. Glove Box
Fungsi : sebagai tempat untuk assembling sel baterai.
15. Multimeter
Fungsi : untuk mengukur tegangan sel baterai pada coin cell.
16. WBCS 3000
Fungsi : untuk uji kapasitas sel baterai
17. XRD (X-Ray Diffraction)
Fungsi : untuk mengetahui fasa dan struktur kristal dari material aktif
katoda LiMn2O4
18. FTIR
Fungsi : Untuk mengetahui gugus fungsional yang terbentuk pada lembaran katoda
LiMn2O4
3.3
Perhitungan Massa Bahan
Massa bahan untuk sebanyak 5 gram. Sehingga massa bahan utama yang
dibutuhkan adalah seperti yang ditunjukkan oleh tabel berikut ini. Perhitungan
stokiometri secara lengkap dapat dilihat di lampiran 1.
Tabel 2. Massa bahan baku pembuatan serbuk LiMn2O4
Bahan Baku
Li2CO3
LiOH.H2O
MnO2
Massa (gram)
1,0196
1,1581
4,7989
Tabel 3. Perbandingan komposisi bahan pembuatan lembaran LiMn2O4
mpel
omposisi (%wt) 4 (gr)
(gr)
C
(gr)
3.4
Tahapan Penelitian
Universitas Sumatera Utara
3.4.1
Proses Pembuatan Serbuk LiMn2O4
Mulai
Li2CO3/LiOH.H2O
MnO2
Ditimbang
Ditimbang
Dicampur
homogen/merata
Digerus
Disintering 800 0C selama 4 jam
Digerus + Diayak
Material aktif katoda LiMn2O4
Karakterisasi
XRD
FTIR
Analisa
Kesimpulan
3.4.2 Pembuatan lembaran katoda LiMn2O4
Universitas Sumatera Utara
Material aktif
(LiMn2O4)
DMAC
AB
PVDF
Dicampur
homogen/merata
…....
Hot Plate T= 700C
Rpm = 200 Rpm
Slurry
Dilakukan coating pada Al foil
Doctor Blade
……. dengan kecepatan 6,
ketebalan = 0,15 µm
Dikeringkan pada suhu 80oC
Lembaran LiMn2O4
Cutting
Assembly sel baterai dengan Coin Cell
Uji CV/CD
Analisa
Kesimpulan
3.5
Prosedur Penelitian
Universitas Sumatera Utara
3.5.1
Proses Pembuatan Serbuk LiMn2O4
1. Tahap Penimbangan Bahan
Ditimbang semua bahan baku sesuai dengan hasil perhitungan stoikiometri
menggunakan neraca digital dengan Li2CO3 = 1,0196 gram, LiOH.H2O = 1,1581
gram dan MnO2 = 4,7989 gram. Bahan yang telah ditimbang tersebut dicampur
terlebih dahulu kemudian diaduk dan dilakukan penggerusan.
2. Tahap Sintering
Setelah itu, dilakukan sintering dengan suhu awal 400 oC selama 2 jam
kemudian suhu dinaikkan menjadi 800 0C selama 4 jam.
3.5.2 Pembuatan Lembaran Katoda LiMn2O4
1. Tahap Penimbangan Bahan
Bahan material aktif LiMn2O4, PVDF, Acetylene Black ditimbang dengan
menggunakan Neraca Digital, sedangkan untuk DMAC diukur dengan beaker glass.
Massa bahan LiMn2O4 dibutuhkan sebanyak 1 gram. Massa PVDF dibutuhkan
sebanyak 0,1176 gram, massa acetylene black sebanyak 0,0588 gram dan pelarut
DMAC sebanyak 4 ml untuk sampel A dan 3 ml untuk sampel B.
2. Tahap Slurry
Pelarut DMAC dimasukkan kedalam Beaker Glass, kemudian dimasukkan
magnetic stirrer didalamnya. Diletakkan beaker glass tersebut diatas Hot Plate.
Dilakukan pengaturan Hot Plate dengan 200 rpm, dan suhu 70 oC. Kemudian
ditunggu selama 15 menit kemudian dimasukkan serbuk PVDF dan ditunggu 30
menit hingga tercampur merata. Setelah itu dimasukkan serbuk Acetylene Black
perlahan-lahan dengan menggunakan spatula dan ditunggu selama 30 menit hingga
serbuk Acetylene Black tersebut tercampur merata dan warnanya menjadi hitam.
Kemudian dimasukkan serbuk LiMn2O4 perlahan-lahan menggunakan spatula
ditunggu selama 30 menit hingga tercampur merata dan warna yang dihasilkan
hitam. Jika pada saat pencampuran serbuk LiMn 2O4 terjadi pengentalan, maka dapat
dilakukan penambahan pelarut DMAC.
3. Tahap Coating
Universitas Sumatera Utara
Setelah bahan selesai dibentuk menjadi slurry, maka bahan tersebut siap
dibuat menjadi lembaran katoda. Alat yang digunakan yaitu Doctor Blade. Doctor
Blade dibersihkan dengan Aseton, lalu kecepatanya diatur dengan range 6 dan presisi
celah Doctor Blade diatur dengan ketebalan 0,15 µm. Al Foil dibersihkan
menggunakan etanol. Lembaran Al foil diletakkan diatas mesin coating dan tombol
vakum dihidupkan. Diletakkan lembaran diatas Doctor Blade dan slurry dituangkan
secukupnya. Dengan menggunakan Doctor Blade, slurry diratakan pada lembaran Al
foil.
Setelah proses coating selesai, lembaran katoda diangkat dan dikeringkan
menggunakan oven pada suhu 80oC sampai kering. Dilakukan langkah yang sama
untuk ketebalan lembaran katoda LiMn2O4 menggunakan sampel B.
4. Tahap Cutting
Lembaran katoda yang telah terbentuk tersebut digunting membentuk
lingkaran dengan ukuran sisinya 14 mm dan separator dipotong dengan ukuran
diameter 18 mm.
5. Tahap Assembly
Pada tahapan ini lembaran katoda LiMn 2O4 yang sudah disiapkan dalam
bentuk coin cell di assembling didalam glove box dengan anoda yaitu metal lithium,
elektrolit yaitu LiPF6, dan separator sebagai pemisah antara katoda dan anoda yang
berfungsi untuk mencegah agar tidak terjadinya hubungan singkat antara katoda dan
anoda. Assembling didalam glove box bertujuan agar semua bahan tidak
terkontaminasi dengan udara luar. Kemudian setelah menjadi baterai coin, dilakukan
pengujian CV/CD pada baterai.
6. Karakterisasi
Karakterisasi yang dilakukan meliputi : Karakterisasi serbuk katoda LiMn2O4
(uji XRD dan FTIR) dan karakterisasi sel (uji CV/CD).
Universitas Sumatera Utara
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Lembaran Katoda LiMn2O4 Variasi Bahan Baku
Pada Gambar 9 dapat dilihat lembaran katoda LiMn2O4 dengan bahan baku
sumber lithium yang berbeda, sampel A (dengan sintesis Li2CO3) dan sampel B
(dengan sintesis LiOH.H2O). Maka dari hasil yang di dapatkan lembaran katoda
LiMn2O4 pada Sampel A dan Sampel B memiliki daya rekat yang baik dapat dilihat
dengan tidak rontoknya material aktif dari Al Foil dan tidak terdapat bintik-bintik
pori pada lembaran. Pada Gambar 9 tampak bahwa warna lembaran pada sampel B
lebih hitam jika dibandingkan dengan sampel A dikarenakan pelarut DMAC yang
digunakan pada sampel B lebih sedikit. Pada lembaran katoda sampel A DMAC
yang digunakan sebanyak 4 ml sedangkan pada sampel B DMAC yang digunakan
lebih sedikit sekitar 3 ml, sehingga slurry pada sampel B lebih pekat dan lembaran
yang dihasilkan lebih hitam.
A
B
Gambar 9. Hasil Lembaran Katoda LiMn2O4 pada Sampel A (dengan Sintesis
Li2CO3) dan B (dengan Sintesis LiOH.H2O)
4.2 Analisis Struktur Kristal Serbuk LiMn2O4 Menggunakan XRD
Pengamatan struktur kristal dan fasa yang terbentuk dalam material katoda
dengan variasi bahan baku sumber litium dilakukan menggunakan X-Ray Diffraction
(XRD). Hasil pola difraksi sinar–x material aktif katoda LiMn2O4 pada Analisis
bidang kristal dapat dilihat pada Gambar 10. Struktur Kristal dari sampel katoda
yang telah disintesis dikarakterisasi dengan menggunakan alat XRD Merk Rigaku
dengan radiasi Cu Kα yang beroperasi pada 40 kV dan 30 mA. Data difraksi
Universitas Sumatera Utara
dikumpulkan setiap 4s step with 0,01o dengan range sudut 2θ dari 10o – 70o. Hasil uji
semua sampel dicocokkan dengan data ICDD (International Centre Diffraction
Database). Identifikasi fasa yang terbentuk dilakukan dengan membandingkan nilai
sudut 2θ hasil pengujian dengan sudut 2θ sampel standar dari data ICDD pada PDF
(Powder Diffraction File) dengan nomor 01-070-3120 yang dapat dilihat pada
Gambar 10. Puncak-puncak difraksi yang muncul pada XRD memiliki kesamaan
dengan ICCD nomor 01-070-3120 untuk material LiMn2O4. Hasil analisa XRD
selengkapnya dapat dilihat pada lampiran.
Pada Gambar 10 memperlihatkan hasil pengolahan XRD material
aktif katoda LiMn2O4 dengan variasi bahan baku sumber lithium. Kedua sampel
teridentifikasi memiliki struktur Kristal LiMn 2O4 dengan puncak tertinggi berada
pada sudut 2θ =18.60o dengan jarak bidang d = 4,76 Å. Data tersebut cocok atau
sesuai dengan data ICDD dengan nomor PDF 01-070-3120. Berdasarkan Gambar 10
dapat dilihat bahwa material aktif katoda LiMn 2O4 mempunyai tingkat kristalinitas
yang rendah, Hal ini ditunjukkan dengan tingkat intensitas peak yang diperoleh pada
masing-masing pola difraksi tidak begitu tajam.
Gambar 10. Grafik Bidang Kristal Hasil XRD LiMn2O4 pada Sampel A dan Sampel
B
Universitas Sumatera Utara
Dari hasil XRD yang ditunjukkan pada Gambar 10 terlihat bahwa Material
LiMn2O4 pada sampel A (yang disintesis dengan Li2CO3) telah terbentuk fasa
LiMn2O4 tanpa adanya fasa pengotor. Hasil pengamatan XRD material aktif katoda
LiMn2O4 pada sampel A menunjukkan bahwa puncak fasa LiMn2O4 terdapat pada
sudut 2θ 18,6014o; 36,133o; 37,808o; 43,901o; 48,071o; 58,137o; 63,828o; 67,14o.
Pola difraksi LiMn2O4 pada sampel B menunjukkan bahwa fasa LiMn2O4 telah
terbentuk namun terdapat fasa pengotor (impurities) yang terdeteksi dalam spektrum
XRD. Pada sampel yang B ini ditemukan beberapa puncak difraksi yang bukan
merupakan puncak LiMn2O4 yaitu puncak yang berada pada sudut 2θ = 32,93o
dengan d = 2,7180 Å merupakan fasa Li2O dan puncak pada sudut 2θ = 65,77o
dengan d = 1.4187 merupakan fasa MnO2 (Zhang, 2015). Material katoda LiMn2O4
pada sampel B puncak fasa LiMn2O4 terdapat pada sudut 2θ 18,6047o; 36,077o;
37,720o; 43,858o; 48,17o; 58,12o; 63,82o; 67,16o.
Hasil XRD menunjukkan bahwa sampel A memiliki tingkat kristalinitas yang
lebih tinggi jika dibandingkan dengan tingkat kristalinitas LiMn2O4 yang diperoleh
pada sampel B. Hal ini dapat ditunjukkan dengan fasa yang terbentuk pada masingmasing sampel dimana fasa yang terbentuk pada sampel A adalah fasa LiMn 2O4
murni sedangkan pada sampel B masih ditemukannya fasa selain dari fasa LiMn 2O4
yang merupakan impurities (fasa pengotor). Adanya fasa pengotor pada sampel B ini
dapat disebabkan karena campuran bahan baku tidak merata dan waktu sintering
yang masih singkat. Selain itu juga partikel LiOH.H2O memiliki ukuran partikel
yang lebih besar dan tingkat kemurnian yang lebih kecil jika dibandingkan dengan
Li2CO3, sehingga tidak bereaksi sempurna dan jika dicampur dengan bahan lain
campuran menjadi tidak merata. Sedangkan partikel Li2CO3 memiliki tingkat
kemurnian yang lebih besar dan ukuran partikel yang jauh lebih kecil. Hasil XRD
pada fasa LiMn2O4 menunjukkan struktur Kristal yang terbentuk adalah kubik
dengan Space Group (Fd-3m) dan parameter kisi yaitu 8,244 Å.
4.3 Pengamatan Gugus Fungsi Menggunakan FTIR
Pengamatan gugus fungsi padasampel dilakukan dengan menggunakan alat FTIR
Proses identifikasi gugus fungsi material aktif katoda LiMn 2O4 dilakukan dengan
menggunakan alat uji FTIR dengan merk Thermoscientific tipe Nicolet iS-10 di
Universitas Sumatera Utara
Pusat Penelitian Fisika-LIPI. Proses karakterisasi ini dilakukan untuk mengetahui
adanya gugus fungsi yang terdapat dalam sampel yang telah dibuat. Pengujian ini
dilakukan dengan metode iTR pada rentang wavenumber dari 400-4000 cm-1. Dari
uji spektroskopi FTIR dengan sampel A dan B didapatkan spektrum inframerah
seperti yang tampak pada Gambar 11.
Gambar 11. Hasil Analisis Spektrofotometri FTIR pada Sampel A dan B
Pengambilan data wavenumber dilakukan dengan cara membuat sampel
dalam bentuk pellet lalu dilakukan proses pencampuran sampel dengan KBr di dalam
wadah. Setelah itu, dilanjutkan dengan mengkarakterisasi sampel menggunakan
FTIR. Dari uji Spektroskopi FTIR didapatkan spektrum inframerah seperti yang
tampak pada Gambar 11.
Gambar 11 memperlihatkan bahwa puncak-puncak yang terbentuk pada
masing-masing sampel akibat dari serapan oleh sinar infra merah. Puncak-puncak
tersebut mengkonfirmasi ada atau tidaknya gugus fungsi yang terbentuk pada sampel
yang diamati dari wavenumber. Untuk mengkonfirmasi data-data dari wavenumber
pada sampel maka digunakan wavenumber referensi seperti yang dapat dilihat pada
Tabel 4.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4. Akumulasi Data Wavenumber dari Sampel A dan B menggunakan FTIR
yang Dicocokkan Berdasarkan literatur
No.
1.
Wavenumber (cm-1)
Sampel A
Sampel B
526,73
514,80
Wavenumber Referensi
Assignments
-1
(cm )
513 (Chitra et al., 1999)
Mn-O asym. Streching
(MnO6 group)
2.
623,86
617,83
622 (Chitra et al., 1999)
Mn-O asym. Streching
(MnO6 group)
3.
1047,70
-
1041 (Xiang et al., 2013)
C-O stretching
4.
1630,47
1630,42
1635 (Matsui M, 2009)
C=O stretching
5.
3443,53
3437,78
3430 (Seyedahmadian et O-H Streching
al., 2012)
Dari tabel 4 dapat dilihat pada puncak wavenumber 514,80 cm-1 dan 526,73 cm-1
terbentuk gugus vibrasi stretching Mn-O asimetri yang berasal dari unsur MnO6 yang
merupakan bahan dasar pembuatan serbuk LiMn 2O4. Gugus Li-Mn terletak pada
wavenumber 310 cm-1 (Lagashetty A, 2006) sehingga tidak tampak pada hasil
pengukuran FTIR, untuk menentukannya harus menggunakan Raman Spektroskopi.
Pada puncak wavenumber 617,83 cm-1 dan 623,86 cm-1 terdapat gugus yang sama
yaitu gugus vibrasi stretching Mn-O yang berasal dari unsur MnO6. Puncak-puncak
di bawah 1000 cm-1 menunjukkan frekuensi vibrasi metal oksigen. Sampel
menunjukkan gugus serapan di bawah wavenumber 1000 cm-1 (Lagashetty A, 2006).
Pada spektrum LiMn2O4 tersebut juga terlihat muncul gugus C=O dengan vibrasi
streching pada bilangan gelombang 1630,42 cm -1 dan 1630,47 cm-1 dengan intensitas
yang rendah yang bisa berasal dari CO2 di udara. Pada sampel A terdapat puncak
pada bilangan gelombang 1047,70 cm-1 adalah puncak karakteristik dari ikatan C-O
vibrasi streching yang berasal dari CO32-, puncak ini tidak dimiliki oleh sampel B
mengindikasikan bahwa sampel A mempunyai kemungkinan untuk mengalami
proses degradasi menjadi Li2CO3. Pada wavenumber 3437,78 cm-1 dan 3443,53 cm-1
terdapat pita serapan gugus fungsi OH dari molekul air yang terletak diantara lapisan.
Hal ini menandakan bahwa sampel menyerap air.
Universitas Sumatera Utara
4.4 Karakterisasi Performa Elektrokimia
Karakterisasi performa elektrokimia dilakukan melalui uji CV (Cyclic
Voltammetry) dan uji CD (Charge-Dicharge).
4.4.1 Pengujian CV (Cyclic Voltammetry)
Karakterisasi elektrokomia menggunakan cyclic voltametry menggunakan
WBCS 3000, Automatic Battery ver. 3.2 yang dilakukan di pusat Penelitian FisikaLIPI. Pengujian Cyclyc Voltammetry ini yang bertujuan untuk melihat adanya reaksi
oksidasi dan reduksi yang terbentuk pada sampel. Data yang diperoleh berupa grafik
voltammogram, yaitu kurva potensial (V) terhadap arus (A). Pengujian ini dilakukan
dengan tingkat scan rate 0,01 mV/s dan memiliki rentang potensial 3 V sampai 4,6
V. Gambar 12 menunjukkan kurva voltammogram hasil uji CV material katoda
LiMn2O4.
Gambar 12. Grafik Cyclic Voltammetri Katoda LiMn2O4 pada Sampel A dan Sampel
B
Dari Grafik cyclic voltammetri tampak bahwa adanya reaksi oksidasi dan
reduksi hal ini ditunjukkan dengan
munculnya pasangan puncak oksidasi dan
reduksi pada masing-masing sampel. Adanya pasangan puncak oksidasi-reduksi
menunjukkan reaksi reversibel sehingga sampel baterai bersifat rechargeable.
Universitas Sumatera Utara
Puncak-puncak reaksi redoks berkaitan dengan interkalasi dan de-interkalasi ion
lithium pada LiMn2O4.
Setiap reaksi redoks memiliki dua puncak oksidasi dan dua puncak reduksi.
Reaksi oksidasi ditunjukkan pada puncak yang menghadap keatas sedangkan reaksi
reduksi ditunjukkan pada puncak yang menghadap kebawah. Grafik cyclic
Voltammetri pada Gambar 12 menunjukkan bahwa sampel B memiliki performa
elektrokimia yang lebih baik. Hal ini ditunjukkan dengan adanya dua pasang puncak
oksidasi dan reduksi yang lebih tajam dari pada sampel A. Puncak redok yang sempit
dan tajam dalam kurva cyclic voltammetri menunjukkan bahwa reaksi elektrokimia
pada sampel B berlangsung cepat, sehingga proses interkalasi/deinterkalasi dari Liion berlangsung pada tingkat yang lebih cepat. Pada sampel A puncak oksidasi dan
reduksi terlihat tidak begitu tajam dan bentuk puncak redok melebar, hal ini
mengindikasikan bahwa interkalasi dan deinterkalasi berlangsung lambat. Beberapa
parameter yang diperoleh dari Cyclic voltammetry sampel A dan B tercantum dalam
Tabel 5.
Tabel 5. Parameter Puncak Sampel A (dengan Sintesis LiOH.H2O) dan Sampel B
(dengan Sintesis Li2CO3) dari LiMn2O4
Ip1
∆Vp2
(mv) (mA)
600 0,071
Ip2
(mA)
I’ p1
(mA)
I’ p2
(mA)
3,96
∆Vp1
(mv)
600
0,094
-0,079
-0,069
4,01
200
200
0,075
-0,063
-0,055
Sampel
Vp1
(v)
Vp2
(v)
V’ p1
(v)
V’p2
(v)
V
(v)
A
4,22
4,42
3,62
3,82
B
4,08
4,22
3,88
4,02
0,083
Pada Tabel 5 Dapat dilihat puncak pemisah (∆Vp) pada sampel B lebih kecil
dari pada puncak pemisah (∆Vp) pada sampel A. Semakin kecil puncak pemisah
menunjukkan bahwa sampel memiliki sifat yang lebih reversibel. Terdapat sepasang
puncak oksidasi dan sepasang puncak reduksi pada masing-masing sampel, dimana
puncak oksidasi katoda LiMn2O4 pada sampel A berada pada 4,22 V dan 4,42V
sedangkan puncak reduksi berada pada 3,62V dan 3,82V dengan tegangan kerja
sebesar 3,96V. Grafik voltammogram untuk material katoda pada sampel B yang
terlihat pada Gambar 12. menunjukkan sepasang puncak oksidasi pada potensial
4,08V dan 4,22V mewakili dua tahap de-interkalasi khas ion lithium dari struktur
spinel LiMn2O4. Sedangkan puncak reduksi muncul di 3,88 V dan 4,02 V dengan
tegangan kerja sebesar 4,01 V.
Universitas Sumatera Utara
4.4.2 Pengujian CD (Charge-Discharge)
Pengujian charge-discharge dilakukan untuk mengetahui kemampuan sel
baterai untuk menyimpan kapasitas energi. Kapasitas
satuan mAh/gram
atau
energi dinyatakan dalam
Ah/gram. Pengujian charge-discharge (CD) dilakukan
menggunakan alat WBCS 3000. Pengukuran Charge-discharge dilakukan dengan
arus konstan sebesar 0,05 mA (0,1 C) dengan rentang potensial 3,3 V- 4,6 V. Dari
Pengujian charge/discharge dengan range yang dilakukan pada 1 cycle, satu kali
cycle adalah sama dengan satu proses charge (terjadinya reaksi oksidasi,dimana
melepaskan ion Li dan elektron ke anoda) dan satu kali discharge (terjadinya reaksi
reduksi, dimana ion Li dan elektron masuk ke katoda). Dari pengujian chargedischarge pada lembaran katoda LiMn2O4 didapatkan kurva seperti pada Gambar 13.
Gambar 13. Grafik Charge-Discharge pada sampel A dan sampel B
Tabel 6. Data Analisis charge/discharge pada LiMn2O4
Sampel
Kapasitas Spesifik
Charge (mAh/g)
Discharge (mAh/g)
Efisiensi
Coulombic (%)
A (Li2CO3)
65,068
64,78
99,58
B (LiOH.H2O)
51,959
51,59
99,29
Universitas Sumatera Utara
64,78 mAhg-1 sedangkan untuk LiMn2O4 pada sampel B dihasilkan kapasitas chargedischarge masing-masing sebesar 51.959 mAhg-1 dan 51,59
mAhg-1. LiMn2O4
pada sampel A memiliki kapasitas yang relatif lebih besar jika dibandingkan dengan
LiMn2O4 menggunakan sampel B. Hal ini menunjukkan bahwa Li2CO3 merupakan
komposisi terbaik dibandingkan LiOH.H2O. Tetapi Kedua sampel memiliki efisiensi
yang sangat baik yaitu diatas 99%.
Universitas Sumatera Utara
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
1. Telah disintesis serbuk LiMn2O4 dengan Metode Solid State Reaction. Hasil
analisa XRD menunjukkan bahwa katoda LiMn2O4 pada sampel A (dengan
sintesis Li2CO3) terbentuk fase LiMn2O4 murni, sedangkan pada hasil analisa
XRD untuk katoda LiMn2O4 pada sampel B (dengan sintesis LiOH.H2O)
terbentuk fasa LiMn2O4 dan fasa pengotor berupa Li2O dan MnO2. LiMn2O4 yang
disintesis dengan Li2CO3 memiliki tingkat kristalinitas yang lebih baik dari pada
LiOH.H2O.
2. Pengaruh komposisi bahan baku terhadap karakteristik fisik dari katoda LiMn 2O4
yaitu dilihat dari hasil analisa gugus fungsi masing-masing sampel dengan
menggunakan FTIR. Hasil FTIR menunjukkan kedua bahan memiliki gugus
fungsi yang sama namun sampel A mengalami kemungkinan untuk terdegradasi
kembali menjadi Li2CO3 .
3. Dari Data Cyclic Voltammetry menunjukkan bahwa sampel B (dengan sintesis
LiOH.H2O) memiliki performa elektrokimia yang lebih baik. Hal ini ditunjukkan
dengan adanya pasangan puncak oksidasi dan pasangan puncak reduksi yang
diperoleh sampel B lebih tajam dan sempit dari pada sampel A, tetapi sampel A
(dengan sintesis Li2CO3) memiliki kapasitas charge-discharge yang lebih tinggi
dari pada sampel
B dengan kapasitas charge 65,068 mAh/g dan kapasitas
discharge 64,78 mAh/g.
5.2 Saran
1. Untuk penelitian selanjutnya teknik pembuatan slurry perlu diperhatikan agar
campuran bahan lebih homogen dan kualitas yang dihasilkan dapat lebih baik.
2. Untuk mendapatkan fasa LiMn2O4 yang lebih baik, perlu dilakukan penambahan
waktu proses sintering.
3. Perlu dilakukan pengujian CV dan CD ulang untuk penelitian berikutnya.
Universitas Sumatera Utara
3.1
Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan dari tanggal 6 Februari 2017 s.d 28 April 2017 di
Pusat Penelitian Fisika-LIPI, Komplek Puspiptek Gd 442 Serpong Tangerang
Selatan.
3.2
Bahan dan Peralatan Penelitian
3.2.1
Bahan Penelitian
1.
Li2CO3
Fungsi : berfungsi sebagai material aktif (bahan katoda).
2.
LiOH.H2O
Fungsi : berfungsi sebagai material aktif (bahan katoda).
3.
MnO2
Fungsi : berfungsi sebagai material aktif (bahan katoda).
4.
PVDF (Polyvinylidene Fluoride)
Fungsi : sebagai bahan polimer pengikat (Binder).
5.
AB (Acetylene Black)
Fungsi : sebagai karbon konduktif.
6.
DMAC (N,N-Dimethylacetamide)
Fungsi : sebagai pelarut bahan PVDF.
7.
Aseton
Fungsi : untuk membersihkan peralatan penelitian.
8.
Al Foil
Fungsi : sebagai current collector dalam lembaran katoda.
9.
Separator
Fungsi : untuk mencegah terjadinya kontak/ hubungan singkat antara
LiMn2O4 (katoda) dan Metal Lithium (anoda).
10. Metal Lithium
Fungsi : sebagai anoda pada pengujian sel baterai.
Universitas Sumatera Utara
11. LiPF6
Fungsi : sebagai elektrolit dalam pembuatan sel baterai.
3.2.2 Peralatan Penelitian
1. Neraca Digital
Fungsi : untuk mengukur massa dari bahan baku.
2. Beaker Glass
Fungsi : sebagai wadah dalam pembuatan slurry.
3. Spatula
Fungsi : untuk mengambil dan mengaduk bahan.
4. Pipet Tetes
Fungsi : untuk mengambil cairan DMAC.
5. Cawan
Fungsi: sebagai tempat untuk menimbang bahan yang digunakan.
6. Mortar dan pastel
Fungsi : Untuk menumbuk bahan hingga halus.
7. Hot Plate
Fungsi : untuk memanaskan campuran bahan sehingga mampu
mempercepat proses
homogenisasi.
8. Magnetic Stirer
Fungsi : untuk menghomogenkan campuran bahan dengan pengadukan.
9. Penjepit
Fungsi : untuk menjepit lembaran.
10. Doctor Blade
Fungsi : untuk pelapisan slurry pada Al Foil.
11. Pisau doctor blade
Fungsi : Untuk mengukur ketebalan pengcoatingan.
12. Oven
Fungsi : untuk mengeringkan lembaran LiMn2O4 setelah dicoating.
13. Coin Cell
Fungsi : sebagai wadah untuk aktivasi sel baterai.
Universitas Sumatera Utara
14. Glove Box
Fungsi : sebagai tempat untuk assembling sel baterai.
15. Multimeter
Fungsi : untuk mengukur tegangan sel baterai pada coin cell.
16. WBCS 3000
Fungsi : untuk uji kapasitas sel baterai
17. XRD (X-Ray Diffraction)
Fungsi : untuk mengetahui fasa dan struktur kristal dari material aktif
katoda LiMn2O4
18. FTIR
Fungsi : Untuk mengetahui gugus fungsional yang terbentuk pada lembaran katoda
LiMn2O4
3.3
Perhitungan Massa Bahan
Massa bahan untuk sebanyak 5 gram. Sehingga massa bahan utama yang
dibutuhkan adalah seperti yang ditunjukkan oleh tabel berikut ini. Perhitungan
stokiometri secara lengkap dapat dilihat di lampiran 1.
Tabel 2. Massa bahan baku pembuatan serbuk LiMn2O4
Bahan Baku
Li2CO3
LiOH.H2O
MnO2
Massa (gram)
1,0196
1,1581
4,7989
Tabel 3. Perbandingan komposisi bahan pembuatan lembaran LiMn2O4
mpel
omposisi (%wt) 4 (gr)
(gr)
C
(gr)
3.4
Tahapan Penelitian
Universitas Sumatera Utara
3.4.1
Proses Pembuatan Serbuk LiMn2O4
Mulai
Li2CO3/LiOH.H2O
MnO2
Ditimbang
Ditimbang
Dicampur
homogen/merata
Digerus
Disintering 800 0C selama 4 jam
Digerus + Diayak
Material aktif katoda LiMn2O4
Karakterisasi
XRD
FTIR
Analisa
Kesimpulan
3.4.2 Pembuatan lembaran katoda LiMn2O4
Universitas Sumatera Utara
Material aktif
(LiMn2O4)
DMAC
AB
PVDF
Dicampur
homogen/merata
…....
Hot Plate T= 700C
Rpm = 200 Rpm
Slurry
Dilakukan coating pada Al foil
Doctor Blade
……. dengan kecepatan 6,
ketebalan = 0,15 µm
Dikeringkan pada suhu 80oC
Lembaran LiMn2O4
Cutting
Assembly sel baterai dengan Coin Cell
Uji CV/CD
Analisa
Kesimpulan
3.5
Prosedur Penelitian
Universitas Sumatera Utara
3.5.1
Proses Pembuatan Serbuk LiMn2O4
1. Tahap Penimbangan Bahan
Ditimbang semua bahan baku sesuai dengan hasil perhitungan stoikiometri
menggunakan neraca digital dengan Li2CO3 = 1,0196 gram, LiOH.H2O = 1,1581
gram dan MnO2 = 4,7989 gram. Bahan yang telah ditimbang tersebut dicampur
terlebih dahulu kemudian diaduk dan dilakukan penggerusan.
2. Tahap Sintering
Setelah itu, dilakukan sintering dengan suhu awal 400 oC selama 2 jam
kemudian suhu dinaikkan menjadi 800 0C selama 4 jam.
3.5.2 Pembuatan Lembaran Katoda LiMn2O4
1. Tahap Penimbangan Bahan
Bahan material aktif LiMn2O4, PVDF, Acetylene Black ditimbang dengan
menggunakan Neraca Digital, sedangkan untuk DMAC diukur dengan beaker glass.
Massa bahan LiMn2O4 dibutuhkan sebanyak 1 gram. Massa PVDF dibutuhkan
sebanyak 0,1176 gram, massa acetylene black sebanyak 0,0588 gram dan pelarut
DMAC sebanyak 4 ml untuk sampel A dan 3 ml untuk sampel B.
2. Tahap Slurry
Pelarut DMAC dimasukkan kedalam Beaker Glass, kemudian dimasukkan
magnetic stirrer didalamnya. Diletakkan beaker glass tersebut diatas Hot Plate.
Dilakukan pengaturan Hot Plate dengan 200 rpm, dan suhu 70 oC. Kemudian
ditunggu selama 15 menit kemudian dimasukkan serbuk PVDF dan ditunggu 30
menit hingga tercampur merata. Setelah itu dimasukkan serbuk Acetylene Black
perlahan-lahan dengan menggunakan spatula dan ditunggu selama 30 menit hingga
serbuk Acetylene Black tersebut tercampur merata dan warnanya menjadi hitam.
Kemudian dimasukkan serbuk LiMn2O4 perlahan-lahan menggunakan spatula
ditunggu selama 30 menit hingga tercampur merata dan warna yang dihasilkan
hitam. Jika pada saat pencampuran serbuk LiMn 2O4 terjadi pengentalan, maka dapat
dilakukan penambahan pelarut DMAC.
3. Tahap Coating
Universitas Sumatera Utara
Setelah bahan selesai dibentuk menjadi slurry, maka bahan tersebut siap
dibuat menjadi lembaran katoda. Alat yang digunakan yaitu Doctor Blade. Doctor
Blade dibersihkan dengan Aseton, lalu kecepatanya diatur dengan range 6 dan presisi
celah Doctor Blade diatur dengan ketebalan 0,15 µm. Al Foil dibersihkan
menggunakan etanol. Lembaran Al foil diletakkan diatas mesin coating dan tombol
vakum dihidupkan. Diletakkan lembaran diatas Doctor Blade dan slurry dituangkan
secukupnya. Dengan menggunakan Doctor Blade, slurry diratakan pada lembaran Al
foil.
Setelah proses coating selesai, lembaran katoda diangkat dan dikeringkan
menggunakan oven pada suhu 80oC sampai kering. Dilakukan langkah yang sama
untuk ketebalan lembaran katoda LiMn2O4 menggunakan sampel B.
4. Tahap Cutting
Lembaran katoda yang telah terbentuk tersebut digunting membentuk
lingkaran dengan ukuran sisinya 14 mm dan separator dipotong dengan ukuran
diameter 18 mm.
5. Tahap Assembly
Pada tahapan ini lembaran katoda LiMn 2O4 yang sudah disiapkan dalam
bentuk coin cell di assembling didalam glove box dengan anoda yaitu metal lithium,
elektrolit yaitu LiPF6, dan separator sebagai pemisah antara katoda dan anoda yang
berfungsi untuk mencegah agar tidak terjadinya hubungan singkat antara katoda dan
anoda. Assembling didalam glove box bertujuan agar semua bahan tidak
terkontaminasi dengan udara luar. Kemudian setelah menjadi baterai coin, dilakukan
pengujian CV/CD pada baterai.
6. Karakterisasi
Karakterisasi yang dilakukan meliputi : Karakterisasi serbuk katoda LiMn2O4
(uji XRD dan FTIR) dan karakterisasi sel (uji CV/CD).
Universitas Sumatera Utara
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Lembaran Katoda LiMn2O4 Variasi Bahan Baku
Pada Gambar 9 dapat dilihat lembaran katoda LiMn2O4 dengan bahan baku
sumber lithium yang berbeda, sampel A (dengan sintesis Li2CO3) dan sampel B
(dengan sintesis LiOH.H2O). Maka dari hasil yang di dapatkan lembaran katoda
LiMn2O4 pada Sampel A dan Sampel B memiliki daya rekat yang baik dapat dilihat
dengan tidak rontoknya material aktif dari Al Foil dan tidak terdapat bintik-bintik
pori pada lembaran. Pada Gambar 9 tampak bahwa warna lembaran pada sampel B
lebih hitam jika dibandingkan dengan sampel A dikarenakan pelarut DMAC yang
digunakan pada sampel B lebih sedikit. Pada lembaran katoda sampel A DMAC
yang digunakan sebanyak 4 ml sedangkan pada sampel B DMAC yang digunakan
lebih sedikit sekitar 3 ml, sehingga slurry pada sampel B lebih pekat dan lembaran
yang dihasilkan lebih hitam.
A
B
Gambar 9. Hasil Lembaran Katoda LiMn2O4 pada Sampel A (dengan Sintesis
Li2CO3) dan B (dengan Sintesis LiOH.H2O)
4.2 Analisis Struktur Kristal Serbuk LiMn2O4 Menggunakan XRD
Pengamatan struktur kristal dan fasa yang terbentuk dalam material katoda
dengan variasi bahan baku sumber litium dilakukan menggunakan X-Ray Diffraction
(XRD). Hasil pola difraksi sinar–x material aktif katoda LiMn2O4 pada Analisis
bidang kristal dapat dilihat pada Gambar 10. Struktur Kristal dari sampel katoda
yang telah disintesis dikarakterisasi dengan menggunakan alat XRD Merk Rigaku
dengan radiasi Cu Kα yang beroperasi pada 40 kV dan 30 mA. Data difraksi
Universitas Sumatera Utara
dikumpulkan setiap 4s step with 0,01o dengan range sudut 2θ dari 10o – 70o. Hasil uji
semua sampel dicocokkan dengan data ICDD (International Centre Diffraction
Database). Identifikasi fasa yang terbentuk dilakukan dengan membandingkan nilai
sudut 2θ hasil pengujian dengan sudut 2θ sampel standar dari data ICDD pada PDF
(Powder Diffraction File) dengan nomor 01-070-3120 yang dapat dilihat pada
Gambar 10. Puncak-puncak difraksi yang muncul pada XRD memiliki kesamaan
dengan ICCD nomor 01-070-3120 untuk material LiMn2O4. Hasil analisa XRD
selengkapnya dapat dilihat pada lampiran.
Pada Gambar 10 memperlihatkan hasil pengolahan XRD material
aktif katoda LiMn2O4 dengan variasi bahan baku sumber lithium. Kedua sampel
teridentifikasi memiliki struktur Kristal LiMn 2O4 dengan puncak tertinggi berada
pada sudut 2θ =18.60o dengan jarak bidang d = 4,76 Å. Data tersebut cocok atau
sesuai dengan data ICDD dengan nomor PDF 01-070-3120. Berdasarkan Gambar 10
dapat dilihat bahwa material aktif katoda LiMn 2O4 mempunyai tingkat kristalinitas
yang rendah, Hal ini ditunjukkan dengan tingkat intensitas peak yang diperoleh pada
masing-masing pola difraksi tidak begitu tajam.
Gambar 10. Grafik Bidang Kristal Hasil XRD LiMn2O4 pada Sampel A dan Sampel
B
Universitas Sumatera Utara
Dari hasil XRD yang ditunjukkan pada Gambar 10 terlihat bahwa Material
LiMn2O4 pada sampel A (yang disintesis dengan Li2CO3) telah terbentuk fasa
LiMn2O4 tanpa adanya fasa pengotor. Hasil pengamatan XRD material aktif katoda
LiMn2O4 pada sampel A menunjukkan bahwa puncak fasa LiMn2O4 terdapat pada
sudut 2θ 18,6014o; 36,133o; 37,808o; 43,901o; 48,071o; 58,137o; 63,828o; 67,14o.
Pola difraksi LiMn2O4 pada sampel B menunjukkan bahwa fasa LiMn2O4 telah
terbentuk namun terdapat fasa pengotor (impurities) yang terdeteksi dalam spektrum
XRD. Pada sampel yang B ini ditemukan beberapa puncak difraksi yang bukan
merupakan puncak LiMn2O4 yaitu puncak yang berada pada sudut 2θ = 32,93o
dengan d = 2,7180 Å merupakan fasa Li2O dan puncak pada sudut 2θ = 65,77o
dengan d = 1.4187 merupakan fasa MnO2 (Zhang, 2015). Material katoda LiMn2O4
pada sampel B puncak fasa LiMn2O4 terdapat pada sudut 2θ 18,6047o; 36,077o;
37,720o; 43,858o; 48,17o; 58,12o; 63,82o; 67,16o.
Hasil XRD menunjukkan bahwa sampel A memiliki tingkat kristalinitas yang
lebih tinggi jika dibandingkan dengan tingkat kristalinitas LiMn2O4 yang diperoleh
pada sampel B. Hal ini dapat ditunjukkan dengan fasa yang terbentuk pada masingmasing sampel dimana fasa yang terbentuk pada sampel A adalah fasa LiMn 2O4
murni sedangkan pada sampel B masih ditemukannya fasa selain dari fasa LiMn 2O4
yang merupakan impurities (fasa pengotor). Adanya fasa pengotor pada sampel B ini
dapat disebabkan karena campuran bahan baku tidak merata dan waktu sintering
yang masih singkat. Selain itu juga partikel LiOH.H2O memiliki ukuran partikel
yang lebih besar dan tingkat kemurnian yang lebih kecil jika dibandingkan dengan
Li2CO3, sehingga tidak bereaksi sempurna dan jika dicampur dengan bahan lain
campuran menjadi tidak merata. Sedangkan partikel Li2CO3 memiliki tingkat
kemurnian yang lebih besar dan ukuran partikel yang jauh lebih kecil. Hasil XRD
pada fasa LiMn2O4 menunjukkan struktur Kristal yang terbentuk adalah kubik
dengan Space Group (Fd-3m) dan parameter kisi yaitu 8,244 Å.
4.3 Pengamatan Gugus Fungsi Menggunakan FTIR
Pengamatan gugus fungsi padasampel dilakukan dengan menggunakan alat FTIR
Proses identifikasi gugus fungsi material aktif katoda LiMn 2O4 dilakukan dengan
menggunakan alat uji FTIR dengan merk Thermoscientific tipe Nicolet iS-10 di
Universitas Sumatera Utara
Pusat Penelitian Fisika-LIPI. Proses karakterisasi ini dilakukan untuk mengetahui
adanya gugus fungsi yang terdapat dalam sampel yang telah dibuat. Pengujian ini
dilakukan dengan metode iTR pada rentang wavenumber dari 400-4000 cm-1. Dari
uji spektroskopi FTIR dengan sampel A dan B didapatkan spektrum inframerah
seperti yang tampak pada Gambar 11.
Gambar 11. Hasil Analisis Spektrofotometri FTIR pada Sampel A dan B
Pengambilan data wavenumber dilakukan dengan cara membuat sampel
dalam bentuk pellet lalu dilakukan proses pencampuran sampel dengan KBr di dalam
wadah. Setelah itu, dilanjutkan dengan mengkarakterisasi sampel menggunakan
FTIR. Dari uji Spektroskopi FTIR didapatkan spektrum inframerah seperti yang
tampak pada Gambar 11.
Gambar 11 memperlihatkan bahwa puncak-puncak yang terbentuk pada
masing-masing sampel akibat dari serapan oleh sinar infra merah. Puncak-puncak
tersebut mengkonfirmasi ada atau tidaknya gugus fungsi yang terbentuk pada sampel
yang diamati dari wavenumber. Untuk mengkonfirmasi data-data dari wavenumber
pada sampel maka digunakan wavenumber referensi seperti yang dapat dilihat pada
Tabel 4.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4. Akumulasi Data Wavenumber dari Sampel A dan B menggunakan FTIR
yang Dicocokkan Berdasarkan literatur
No.
1.
Wavenumber (cm-1)
Sampel A
Sampel B
526,73
514,80
Wavenumber Referensi
Assignments
-1
(cm )
513 (Chitra et al., 1999)
Mn-O asym. Streching
(MnO6 group)
2.
623,86
617,83
622 (Chitra et al., 1999)
Mn-O asym. Streching
(MnO6 group)
3.
1047,70
-
1041 (Xiang et al., 2013)
C-O stretching
4.
1630,47
1630,42
1635 (Matsui M, 2009)
C=O stretching
5.
3443,53
3437,78
3430 (Seyedahmadian et O-H Streching
al., 2012)
Dari tabel 4 dapat dilihat pada puncak wavenumber 514,80 cm-1 dan 526,73 cm-1
terbentuk gugus vibrasi stretching Mn-O asimetri yang berasal dari unsur MnO6 yang
merupakan bahan dasar pembuatan serbuk LiMn 2O4. Gugus Li-Mn terletak pada
wavenumber 310 cm-1 (Lagashetty A, 2006) sehingga tidak tampak pada hasil
pengukuran FTIR, untuk menentukannya harus menggunakan Raman Spektroskopi.
Pada puncak wavenumber 617,83 cm-1 dan 623,86 cm-1 terdapat gugus yang sama
yaitu gugus vibrasi stretching Mn-O yang berasal dari unsur MnO6. Puncak-puncak
di bawah 1000 cm-1 menunjukkan frekuensi vibrasi metal oksigen. Sampel
menunjukkan gugus serapan di bawah wavenumber 1000 cm-1 (Lagashetty A, 2006).
Pada spektrum LiMn2O4 tersebut juga terlihat muncul gugus C=O dengan vibrasi
streching pada bilangan gelombang 1630,42 cm -1 dan 1630,47 cm-1 dengan intensitas
yang rendah yang bisa berasal dari CO2 di udara. Pada sampel A terdapat puncak
pada bilangan gelombang 1047,70 cm-1 adalah puncak karakteristik dari ikatan C-O
vibrasi streching yang berasal dari CO32-, puncak ini tidak dimiliki oleh sampel B
mengindikasikan bahwa sampel A mempunyai kemungkinan untuk mengalami
proses degradasi menjadi Li2CO3. Pada wavenumber 3437,78 cm-1 dan 3443,53 cm-1
terdapat pita serapan gugus fungsi OH dari molekul air yang terletak diantara lapisan.
Hal ini menandakan bahwa sampel menyerap air.
Universitas Sumatera Utara
4.4 Karakterisasi Performa Elektrokimia
Karakterisasi performa elektrokimia dilakukan melalui uji CV (Cyclic
Voltammetry) dan uji CD (Charge-Dicharge).
4.4.1 Pengujian CV (Cyclic Voltammetry)
Karakterisasi elektrokomia menggunakan cyclic voltametry menggunakan
WBCS 3000, Automatic Battery ver. 3.2 yang dilakukan di pusat Penelitian FisikaLIPI. Pengujian Cyclyc Voltammetry ini yang bertujuan untuk melihat adanya reaksi
oksidasi dan reduksi yang terbentuk pada sampel. Data yang diperoleh berupa grafik
voltammogram, yaitu kurva potensial (V) terhadap arus (A). Pengujian ini dilakukan
dengan tingkat scan rate 0,01 mV/s dan memiliki rentang potensial 3 V sampai 4,6
V. Gambar 12 menunjukkan kurva voltammogram hasil uji CV material katoda
LiMn2O4.
Gambar 12. Grafik Cyclic Voltammetri Katoda LiMn2O4 pada Sampel A dan Sampel
B
Dari Grafik cyclic voltammetri tampak bahwa adanya reaksi oksidasi dan
reduksi hal ini ditunjukkan dengan
munculnya pasangan puncak oksidasi dan
reduksi pada masing-masing sampel. Adanya pasangan puncak oksidasi-reduksi
menunjukkan reaksi reversibel sehingga sampel baterai bersifat rechargeable.
Universitas Sumatera Utara
Puncak-puncak reaksi redoks berkaitan dengan interkalasi dan de-interkalasi ion
lithium pada LiMn2O4.
Setiap reaksi redoks memiliki dua puncak oksidasi dan dua puncak reduksi.
Reaksi oksidasi ditunjukkan pada puncak yang menghadap keatas sedangkan reaksi
reduksi ditunjukkan pada puncak yang menghadap kebawah. Grafik cyclic
Voltammetri pada Gambar 12 menunjukkan bahwa sampel B memiliki performa
elektrokimia yang lebih baik. Hal ini ditunjukkan dengan adanya dua pasang puncak
oksidasi dan reduksi yang lebih tajam dari pada sampel A. Puncak redok yang sempit
dan tajam dalam kurva cyclic voltammetri menunjukkan bahwa reaksi elektrokimia
pada sampel B berlangsung cepat, sehingga proses interkalasi/deinterkalasi dari Liion berlangsung pada tingkat yang lebih cepat. Pada sampel A puncak oksidasi dan
reduksi terlihat tidak begitu tajam dan bentuk puncak redok melebar, hal ini
mengindikasikan bahwa interkalasi dan deinterkalasi berlangsung lambat. Beberapa
parameter yang diperoleh dari Cyclic voltammetry sampel A dan B tercantum dalam
Tabel 5.
Tabel 5. Parameter Puncak Sampel A (dengan Sintesis LiOH.H2O) dan Sampel B
(dengan Sintesis Li2CO3) dari LiMn2O4
Ip1
∆Vp2
(mv) (mA)
600 0,071
Ip2
(mA)
I’ p1
(mA)
I’ p2
(mA)
3,96
∆Vp1
(mv)
600
0,094
-0,079
-0,069
4,01
200
200
0,075
-0,063
-0,055
Sampel
Vp1
(v)
Vp2
(v)
V’ p1
(v)
V’p2
(v)
V
(v)
A
4,22
4,42
3,62
3,82
B
4,08
4,22
3,88
4,02
0,083
Pada Tabel 5 Dapat dilihat puncak pemisah (∆Vp) pada sampel B lebih kecil
dari pada puncak pemisah (∆Vp) pada sampel A. Semakin kecil puncak pemisah
menunjukkan bahwa sampel memiliki sifat yang lebih reversibel. Terdapat sepasang
puncak oksidasi dan sepasang puncak reduksi pada masing-masing sampel, dimana
puncak oksidasi katoda LiMn2O4 pada sampel A berada pada 4,22 V dan 4,42V
sedangkan puncak reduksi berada pada 3,62V dan 3,82V dengan tegangan kerja
sebesar 3,96V. Grafik voltammogram untuk material katoda pada sampel B yang
terlihat pada Gambar 12. menunjukkan sepasang puncak oksidasi pada potensial
4,08V dan 4,22V mewakili dua tahap de-interkalasi khas ion lithium dari struktur
spinel LiMn2O4. Sedangkan puncak reduksi muncul di 3,88 V dan 4,02 V dengan
tegangan kerja sebesar 4,01 V.
Universitas Sumatera Utara
4.4.2 Pengujian CD (Charge-Discharge)
Pengujian charge-discharge dilakukan untuk mengetahui kemampuan sel
baterai untuk menyimpan kapasitas energi. Kapasitas
satuan mAh/gram
atau
energi dinyatakan dalam
Ah/gram. Pengujian charge-discharge (CD) dilakukan
menggunakan alat WBCS 3000. Pengukuran Charge-discharge dilakukan dengan
arus konstan sebesar 0,05 mA (0,1 C) dengan rentang potensial 3,3 V- 4,6 V. Dari
Pengujian charge/discharge dengan range yang dilakukan pada 1 cycle, satu kali
cycle adalah sama dengan satu proses charge (terjadinya reaksi oksidasi,dimana
melepaskan ion Li dan elektron ke anoda) dan satu kali discharge (terjadinya reaksi
reduksi, dimana ion Li dan elektron masuk ke katoda). Dari pengujian chargedischarge pada lembaran katoda LiMn2O4 didapatkan kurva seperti pada Gambar 13.
Gambar 13. Grafik Charge-Discharge pada sampel A dan sampel B
Tabel 6. Data Analisis charge/discharge pada LiMn2O4
Sampel
Kapasitas Spesifik
Charge (mAh/g)
Discharge (mAh/g)
Efisiensi
Coulombic (%)
A (Li2CO3)
65,068
64,78
99,58
B (LiOH.H2O)
51,959
51,59
99,29
Universitas Sumatera Utara
64,78 mAhg-1 sedangkan untuk LiMn2O4 pada sampel B dihasilkan kapasitas chargedischarge masing-masing sebesar 51.959 mAhg-1 dan 51,59
mAhg-1. LiMn2O4
pada sampel A memiliki kapasitas yang relatif lebih besar jika dibandingkan dengan
LiMn2O4 menggunakan sampel B. Hal ini menunjukkan bahwa Li2CO3 merupakan
komposisi terbaik dibandingkan LiOH.H2O. Tetapi Kedua sampel memiliki efisiensi
yang sangat baik yaitu diatas 99%.
Universitas Sumatera Utara
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
1. Telah disintesis serbuk LiMn2O4 dengan Metode Solid State Reaction. Hasil
analisa XRD menunjukkan bahwa katoda LiMn2O4 pada sampel A (dengan
sintesis Li2CO3) terbentuk fase LiMn2O4 murni, sedangkan pada hasil analisa
XRD untuk katoda LiMn2O4 pada sampel B (dengan sintesis LiOH.H2O)
terbentuk fasa LiMn2O4 dan fasa pengotor berupa Li2O dan MnO2. LiMn2O4 yang
disintesis dengan Li2CO3 memiliki tingkat kristalinitas yang lebih baik dari pada
LiOH.H2O.
2. Pengaruh komposisi bahan baku terhadap karakteristik fisik dari katoda LiMn 2O4
yaitu dilihat dari hasil analisa gugus fungsi masing-masing sampel dengan
menggunakan FTIR. Hasil FTIR menunjukkan kedua bahan memiliki gugus
fungsi yang sama namun sampel A mengalami kemungkinan untuk terdegradasi
kembali menjadi Li2CO3 .
3. Dari Data Cyclic Voltammetry menunjukkan bahwa sampel B (dengan sintesis
LiOH.H2O) memiliki performa elektrokimia yang lebih baik. Hal ini ditunjukkan
dengan adanya pasangan puncak oksidasi dan pasangan puncak reduksi yang
diperoleh sampel B lebih tajam dan sempit dari pada sampel A, tetapi sampel A
(dengan sintesis Li2CO3) memiliki kapasitas charge-discharge yang lebih tinggi
dari pada sampel
B dengan kapasitas charge 65,068 mAh/g dan kapasitas
discharge 64,78 mAh/g.
5.2 Saran
1. Untuk penelitian selanjutnya teknik pembuatan slurry perlu diperhatikan agar
campuran bahan lebih homogen dan kualitas yang dihasilkan dapat lebih baik.
2. Untuk mendapatkan fasa LiMn2O4 yang lebih baik, perlu dilakukan penambahan
waktu proses sintering.
3. Perlu dilakukan pengujian CV dan CD ulang untuk penelitian berikutnya.
Universitas Sumatera Utara