Pengaruh Komposisi Dan Ketebalan Katoda LiMn2O4 (Lithium Mangan Oksida) Pada Kapasitas Baterai Ion Lithium

PENGARUH KOMPOSISI DAN KETEBALAN KATODA
LiMn 2 O 4 (LITHIUM MANGAN OKSIDA) PADA
KAPASITAS BATERAI ION LITHIUM

SKRIPSI

TRI MALA SARI
110801080

DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015

1
Universitas Sumatera Utara

2

PENGARUH KOMPOSISI DAN KETEBALAN KATODA

LiMn 2 O 4 (LITHIUM MANGAN OKSIDA) PADA
KAPASITAS BATERAI ION LITHIUM

SKRIPSI

Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar
Sarjana Sains

TRI MALA SARI
110801080

DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015

Universitas Sumatera Utara

PERSETUJUAN

Judul

Kategori
Nama
Nomor Induk Mahasiswa
Program Studi
Departemen
Fakultas

: Pengaruh Komposisi Dan Ketebalan Katoda
LiMn 2 O 4
(Lithium
Mangan
Oksida)
Pada
Kapasitas Baterai Ion Lithium
: Skripsi
: Tri Mala Sari
: 110801080

: Sarjana (S1) Fisika
: Fisika
: Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatera Utara

Disetujui di
Medan, Agustus 2015

Disetujui Oleh
Departemen Fisika FMIPA USU
Ketua,

Pembimbing,

Dr. Marhaposan Situmorang
NIP. NIP. 195510301980031003

Dr. Kerista Sebayang, MS
NIP. 195806231986011001

i
Universitas Sumatera Utara

PERNYATAAN

PENGARUH KOMPOSISI DAN KETEBALAN KATODA
LiMn 2 O 4 (LITHIUM MANGAN OKSIDA) PADA
KAPASITAS BATERAI ION LITHIUM

SKRIPSI

Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri. Kecuali beberapa kutipan
dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.

Medan,

Juli 2015

TRI MALA SARI
110801080

ii
Universitas Sumatera Utara

PENGHARGAAN

Syukur alhamdulillah, puji syukur kepada Allah SWT, Tuhan semesta alam yang
telah memberikan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan
tugas akhir. Salawat beriring salam teruntuk nabi besar Muhammad SAW yang
menjadi teladan dalam menjalani kehidupan.
Tugas akhir merupakan salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar
sarjana pada Fakultas

Matematika dan Ilmu Pengetahuan

Alam Universitas

Sumatera Utara Medan. Untuk memenuhi persyaratan diatas penulis mengerjakan
tugas akhir dengan judul : “ PENGARUH KOMPOSISI DAN KETEBALAN
KATODA LiMn 2 O 4 (LITHIUM MANGAN OKSIDA) PADA KAPASITAS

BATERAI ION LITHIUM ”. Yang dilaksanakan di Laboratorium Baterai P2F
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Serpong, Tangerang Selatan, Banten.
Penulis menyadari bahwa selama proses hingga akhir terselesaikannya
penyusunan skripsi ini bayak sekali bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak.
Dengan segala kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih dan
penghargaan yang sebesar-besarnya kepada :
1. Kedua orangtua saya yang tercinta dan tersayang Ayahanda Misri dan Ibunda
Rumiati yang tulus menyayangi penulis dan tak henti-hentinya memberikan
nasehat, doa, dukungan serta materi maupun moril. Semoga penulis menjadi
anak yang bisa membanggakan ayah dan ibu.
2. Bapak Dr. Sutarman M.Sc selaku Dekan Departemen Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Medan.
3. Bapak Dr. Marhaposan Situmorang selaku Ketua Departemen Fisika Fakultas
Matematika dan Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Medan.

iii
Universitas Sumatera Utara

4. Bapak Dr. Syahrul Humaidi, MS selaku Sekretaris Departemen Fisika
Fakultas Matematika dan Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara

Medan.
5. Bapak Ir. Joko Triwibowo, M.Sc. M.T. dan Bapak Dr. Kerista Sebayang, MS
selaku Dosen Pembimbing yang telah bersedia meluangkan waktu untuk
membimbing penulis dalam melakukan penelitian dan menyelesaikan skripsi
ini.
6. Bapak Dr. Bambang Widyatmoko, M. Eng, selaku Kepala Laboratorium
Pusat Penelitian Fisika P2F-LIPI Serpong.
7. Bapak Ibrahim, Bapak Slamet Priyono, Mbak Kristine, Bapak Fadli yang
telah

memberikan

waktu,

bimbingan,

ilmu

kepada

penulis

dalam

menyelesaikan skripsi ini.
8. Mas Edi, Kak Reza, Kak Ali yang telah memberikan waktu dan tenaganya
dalam membantu penulis melakukan penelitian di lapangan.
9. Seluruh Staf dosen, Pembantu Dekan, Pegawai Departemen Fisika FMIPA
USU
10. Kakak saya tercinta Dwi Misri Yani dan Abang saya Junaidi yang telah
memberikan motivasi, doa, dan dukungan yang tak henti-henti kepada
penulis.
11. Sahabat-sahabat saya Sry Pratiwi, Sri Handika Pratiwi, Intan Zahar, Henni
Setia Ningsih, Elmariska Khairani, Wiria Sasmita yang tak henti-hentinya
memberikan semangat, doa, dan dukungan kepada penulis.
12. Seluruh teman – teman seperjuangan angkatan 2011 yang tidak bisa saya
sebutkan satu per satu, sukses untuk kedepannya buat kita semua.

Medan, Juli 2015

Penulis

iv
Universitas Sumatera Utara

PENGARUH KOMPOSISI DAN KETEBALAN KATODA
LiMn 2 O 4 (LITHIUM MANGAN OKSIDA) PADA
KAPASITAS BATERAI ION LITHIUM

ABSTRAK
Telah dibuat lembaran katoda LiMn 2 O 4 dari campuran serbuk LiMn 2 O 4 , Super P,
PVDF serta pelarutnya DMAC sebanyak 60 ml dengan menggunakan variasi
komposisi dan ketebalan dimana variasi komposisi yang digunakan adalah 85:10:5
dan 90:7:3 sedangkan variasi ketebalannya adalah 100 µm, 150 µm, 300 µm. Dari
lembaran katoda tersebut dibuat baterai coin cell dengan menggunakan anoda yaitu
metalik lithium dan elektrolitnya yaitu 1 M LiPF 6 . Karakterisasi yang diuji yaitu
serbuk LiMn 2 O 4 dengan XRD, morfologi lembaran katoda LiMn 2 O 4 dengan
Mikroskop Optik dan SEM-EDX, serta kapasitas discharge baterai coin cell dengan
uji charge discharge. Dari hasil pengujian kapasitas discharge baterai yang
dihasilkan pada komposisi 85:10:5 semakin menurun dengan bertambahnya ketebalan

lembaran katoda LiMn 2 O 4 , sedangkan pada komposisi 90:7:3 kapasitas discharge
baterai meningkat pada ketebalan 150 µm yaitu sebesar 0,93 mAh/gr, jika ketebalan
lembaran katoda ditambahkan menjadi 300 µm maka kapasitas discharge-nya
menjadi menurun yaitu sebesar 0,31 mAh/gr.
Kata Kunci: Baterai lithium, LiMn 2 O 4 , Material katoda, Kapasitas discharge.

v
Universitas Sumatera Utara

EFFECT OF COMPOSITION AND THICKNESS LiMn 2 O 4
(LITHIUM MANGANESE OXIDE) CATHODE TO
CAPACITY LITHIUM ION BATTERY

ABSTRACT
LiMn 2 O 4 cathode sheets have been made from a mixture of LiMn 2 O 4 powder, Super
P, PVDF and DMAC solvent of 60 ml by using a variation of the composition and
thickness variation wherein the composition used is 85: 10: 5 and 90: 7: 3, while the
variation in thickness is 100 μm, 150 μm, 300 µm. The cathode sheets made from
coin cell batteries using metallic lithium anode and electrolyte which is 1 M LiPF 6 .
Characterization of powder LiMn 2 O 4 tested by XRD, morphology LiMn 2 O 4 cathode

sheets with Optical Microscopy and SEM-EDX, and the coin-cell battery discharge
capacity with charge-discharge test. From the results of testing the capacity of the
battery discharge generated on the composition of 85: 10: 5 decreases with increasing
thickness of the sheet LiMn 2 O 4 cathode, while the composition of 90: 7: 3 discharge
capacity of the battery is increased in thickness of 150 μm is equal to 0.93 mAh / g, if
the thickness of cathode sheets are added to 300 μm then its discharge capacity was
decreased in the amount of 0.31 mAh / g.
Keywords: Lithium battery, LiMn 2 O 4 , Cathode material, Discharge capacity.

vi
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI

Persetujuan
Pernyataan
Penghargaan
Abstrak
Abstract
Daftar Isi
Daftar Tabel
Daftar Gambar
Daftar Lampiran
BAB 1. Pendahuluan
1.1 Latar Belakang
1.2 Rumusan Masalah
1.3 Batasan Masalah
1.4 Tujuan Penelitian
1.5 Manfaat Penelitan
1.6 Tempat dan Waktu Peneltian
1.7 Sistematika Penulisan
BAB 2. Tinjauan Pustaka
2.1. Baterai
2.2. Sejarah Baterai
2.3 Jenis-jenis Baterai
2.3.1. Baterai Primer
2.3.2. Baterai Sekunder
2.4. Bentuk-Bentuk Baterai Sekunder
2.5. Baterai Lithium
2.6. Proses Interkalasi
2.7. Material Katoda
2.8. Metalik Lithium
2.9. Elektrolit
2.10. Separator
2.11 Lithium Mangan Oksida (LiMn 2 O 4 )
2.12. Super P
2.13. Polyvynilidene Flouride (PVDF)
2.14. N-N Dimetil acetamide (DMAC)
2.15 XRD (X-Ray Diffraction)
2.16 SEM (Scanning Electron Microscope)–EDS
2.17 Mikroskop Optik

Halaman
i
ii
iii
v
vi
vii
ix
x
xi

1
3
4
4
4
4
5

6
7
8
8
9
9
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
26
vii
Universitas Sumatera Utara

2.18 Charge Discharge Baterai Lithium-Ion

26

BAB 3. Metodologi Penelitian
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
3.2 Peralatan dan Bahan Penelitian
3.2.1 Peralatan Penelitian
3.2.2 Alat Karakterisasi
3.2.3 Bahan Penelitian
3.3 Diagram Alir Penelitian
3.4.Prosedur Penelitian
3.4.1 Bahan Baku
3.4.2 Penentuan Komposisi Bahan
3.4.3 Penamaan Sampel
3.4.4 Proses Pencampuran
3.4.5 Proses Pelapisan
3.4.6 Prosese Pengeringan
3.4.7 Proses Press
3.4.8 Proses Pencetakan
3.4.9 Proses Aktivasi Baterai

29
29
29
30
31
32
33
33
33
33
34
34
34
35
35
35

BAB 4. Hasil dan Pembahasan
4.1 Analisa Struktur Kristal Serbuk LiMn 2 O 4 dengan XRD
36
4.2 Analisa Morfologi dengan SEM (Scanning Electron Microscope )-EDX
4.3 Analisa Mikrostruktur dengan Optical Microscope (OM)
4.4 Analisa Discharge Baterai Coin Cell

37
41
43

BAB 5. Kesimpulan dan Saran
5.1. Kesimpulan
5.2. Saran

48
48

Daftar Pustaka

49

viii
Universitas Sumatera Utara

ix

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL

Nomor
Tabel

Judul

Halaman

Tabel 2.1 Sejarah Perkembangan Baterai
Tabel 2.2 Sifat Fisis dari Metalik Lithium
Tabel 2.3 Sifat Fisik LiPF 6
Tabel 2.4 Jenis Separator (pemisah) yang Digunakan Dalam Berbagai Jenis
Baterai lithium sekunder
Tabel 2.5 Sifat Bahan Baku LiMn 2 O 4
19
Tabel 2.6 Sifat umum Polyvinylidene Fluoride
Tabel 2.7 Sifat umum N-N-Dimethylacetamide
Tabel 4.1 Data Puncak Tertinggi Serbuk LiMn 2 O 4
Tabel 4.2 Hasil Analisis Struktur Kristal (Paramter Kisi) Serbuk LiMn 2 O 4
Tabel 4.3 Persentase Unsur Laminate LiMn 2 O 4 Komposisi 85:10:5 (150µm)
Tabel 4.4 Kapasitas Discharge Baterai Coin Cell

8
15
16
17

20
21
37
37
39
46

x
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR

Nomor
Gambar

Judul

Halaman

Gambar 2.1 Struktur sebuah sel baterai
7
Gambar 2.2 Baterai kantung yang simple, fleksibel dan ringan
10
Gambar 2.3 Desain siliner pada baterai sekunder dengan material elektroda berupa
lembaran
10
Gambar 2.4 Baterai sekunder berbentuk kancing tidak dilengkapi ventilasi
11
Gambar 2.5 Penampang baterai prismatik yang lebih fleksibel dalam segi ukuran 11
Gambar 2.6 Prinsip kerja baterai litium yang dapat diisi ulang
12
Gambar 2.7 Proses interkalasi dalam beberapa fase
13
Gambar 2.8 Tiga model host dari bahan katoda dan anoda
14
Gambar 2.9 Bentuk dari Metalik Lithium
15
Gambar 2.10 Struktur spinel Li x Mn 2 O 4
19
Gambar 2.11 Struktur Polyvynilidene Flouride
20
Gambar 2.12 Struktur molekul N-N dimetil acetamide (DMAC)
21
Gambar 2.13 Pola difraksi sinar-X yang terhambur oleh kisi dalam bidang kristal 23
Gambar 2.14 Contoh sebuah alat SEM
24
Gambar 2.15 Interaksi antara elektron primer dengan permukaan sampel
25
Gambar 2.16 a) Skema Mikroskop Optik , b) Contoh mikroskop optik
26
Gambar 2.17 Profil tegangan yang harus dipenuhi selama mengisi ulang sebuah
baterai lithium
27
Gambar 2.18 Gambaran skema konfigurasi elektronik pengujian karakterisasi
charge/discharge sel baterai
28
Gambar 3.1 Proses Mixing
34
Gambar 4.1 Grafik dari hasil XRD serbuk LiMn 2 O 4
36
Gambar 4.2 Hasil Mapping a) Unsur C, b) Unsur F, c) Mix Unsur
38
Gambar 4.3 Hasil compare spectrum lembaran katoda LiMn 2 O 4
39
Gambar 4.4 Hasil SEM lembaran katoda LiMn 2 O 4 perbesaran 100 x
40
Gambar 4.5 Hasil SEM lembaran katoda LiMn 2 O 4 perbesaran 1500 x
40
Gambar 4.6 Hasil SEM lembaran katoda LiMn 2 O 4 perbesaran 2500 x
41
Gambar 4.7 Hasil Uji Optical Microscope lembaran katoda LiMn 2 O 4 untuk
komposisi 85:10:5 dan 90:7:3
42
Gambar 4.8 Grafik charge discharge komposisi 85:10:5 ketebalan 100 µm
43
Gambar 4.9 Grafik charge discharge komposisi 85:10:5 ketebalan 150 µm
44
Gambar 4.10 Grafik charge discharge komposisi 85:10:5 ketebalan 300 µm
44
Gambar 4.11 Grafik charge discharge komposisi 90:7:3 ketebalan 100 µm
45
Gambar 4.12 Grafik charge discharge komposisi 90:7:3 ketebalan 150 µm
45
Gambar 4.13 Grafik charge discharge komposisi 90:7:3 ketebalan 300 µm
46

xi
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor
Lamp
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Judul

Halaman

Lampiran Bahan
Lampiran Alat
Lampiran Sampel
Lampiran Alat Karakterisasi
Lampiran Perhitungan Massa LMO
Lampiran Grafik Kapasitas Discharge Baterai
Lampiran XRD
Lampiran Perhitungan Kapasitas Discharge Secara Teori

52
53
56
57
58
60
72
81

xii
Universitas Sumatera Utara