Pengaruh Ketebalan Katoda LiFePO4 Terhadap Variasi Komposisi dan Ketebalan Anoda Mesocarbon Microbead (MCMB) pada Kapasitas Baterai Ion Lithium

PENGARUH KETEBALAN KATODA LiFePO 4
TERHADAP VARIASI KOMPOSISI SERTA KETEBALAN
ANODA MESOCARBON MICROBEAD (MCMB)
PADA KAPASITAS BATERAI ION LITHIUM

SKRIPSI

LENI DAULAY
110801062

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

Universitas Sumatera Utara

PENGARUH KETEBALAN KATODA LiFePO 4
TERHADAP VARIASI KOMPOSISI SERTA KETEBALAN

ANODA MESOCARBON MICROBEAD (MCMB) PADA
KAPASITAS BATERAI ION LITHIUM

SKRIPSI

Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai
gelar Sarjana Sains

LENI DAULAY
NIM : 110801062

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

Universitas Sumatera Utara

PERNYATAAN

PENGARUH KETEBALAN KATODA LiFePO 4 TERHADAP VARIASI
KOMPOSISI SERTA KETEBALAN ANODA MESOCARBON
MICROBEAD (MCMB) PADA KAPASITAS BATERAI ION LITHIUM

SKRIPSI

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

Medan, 11 Agustus 2015

LENI DAULAY
110801062

Universitas Sumatera Utara

PENGHARGAAN

Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan rahmat,
hidayah, kesehatan dan kekuatan lahir serta batin sehingga penulis bisa
menyelesaikan penyusunan skripsi ini. Shalawat dan salam kepada Nabi besar
Muhammad SAW beserta keluarga dan sahabatnya yang merupakan suri tauladan
bagi kita semua.
Skripsi dengan judul “Pengaruh Ketebalan Katoda LiFePO 4 Terhadap
Variasi Komposisi dan Ketebalan Anoda Mesocarbon Microbead (MCMB) pada
Kapasitas Baterai Ion Lithium” disusun untuk memenuhi persyaratan akademis
dalam meraih gelar Sarjana Sains pada Program studi Fisika, Fakultas Matematika
dan Ilmu Pengetahuan Alam USU. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan
skripsi ini tidak terlepas dari bantuan dan bimbingan berbagai pihak. Oleh karena
itu, pada kesempatan ini penulis ingin memberikan penghargaan dan ucapan
terima kasih kepada :
1. Dr. Marhaposan Situmorang selaku Ketua Departemen Fisika Universitas
Sumatera Utara, Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc. selaku Sekretaris Departemen
Fisika Universitas Sumatera Utara, dan seluruh staf pengajar beserta pegawai
administrasi di Departemen Fisika yang telah memberikan fasilitas kepada
penulis selama perkuliahan.
2. Drs. Herli Ginting, MS. dan Ir. Joko Triwibowo, M.Sc., M.T. selaku dosen
pembimbing yang telah sabar dalam memberikan bimbingan, arahan, waktu,

tenaga dan pikiran dalam penelitian hingga penulisan skripsi ini.
3. Prof. Dr. Timbangen Sembiring, M.Sc. selaku ketua penguji, Drs. Aditia
Warman, M.Si. selaku sekretaris penguji dan Drs. Achiruddin, MS. selaku
anggota penguji yang telah memberikan kritik, saran, dan arahan kepada
penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
4. Grup Peneliti Baterai (Pak Slamet, Pak Fadli, Pak Majid dan Pak Ibrahim),
Grup Sintesis (Mas Edi, Kak Riza dan Kak Ali), Recepcionist (Bu Yati dan Pak
Mardi), Grup Bengkel (Pak Misli dan Pak Adi) dan Satpam LIPI atas diskusi,

Universitas Sumatera Utara

motivasi, semangat dan bantuan moralnya serta bu Neneng atas kasih sayang
dan doanya.
5. Orangtua (Bapak Rusdi Daulay dan Ibu Nurmalige), Kakak dan Adik (Melisa,
Taupik, Pauja dan Hapis), Sepupu (Bang Udin, Akbar dan Budi), Uwak
(Musinem, Ratni dan Ratna) dan seluruh keluarga tercinta yang selalu
memberikan kasih sayang, semangat, doa dan restu serta pengorbanan baik
moral maupun materi kepada penulis.
6. Sahabat terbaik, Riyama (Sri, Ria dan Elma), Aini, JKRT K4, dan rekan-rekan
seperjuangan mahasiswa Reguler Fisika angkatan 2011 yang selama ini samasama berbagi suka dan duka saat menjalani perkuliahan.

7. Teman-teman satu kost penulis (Rici, Winda, Intan, Mei-Mei, Zannah, Nurul,
Khaliza, Wenny, Leli dan Tia) atas motivasi dan doanya.

Penulis berharap Allah SWT berkenan membalas segala kebaikan semua
pihak yang telah membantu skripsi ini. Penulis menyadari “Tiada Gading yang
Tak Retak”, dengan segala kekurangan yang ada, penulis mengharapkan kritik
dan saran yang membangun untuk penyempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini
dapat memberi manfaat dan kontribusi dalam pengembangan ilmu pengetahuan
dan teknologi khususnya baterai.
“Amin”.

Penulis

Leni Daulay

Universitas Sumatera Utara

THE EFFECTS OF LiFePO 4 CATHODE THICKNESS ON
THE VARIED MESOCARBON MICROBEAD (MCMB)
COMPOSITION AND THICKNESS OF LITHIUM ION

BATTERIES CAPACITY
ABSTRACT

A research has been done about the manufactured of lithium ion batteries. The
materials that used were of LiFePO 4 powders as cathode filler, MCMB as anode
filler, Super P as additives carbon, PvDf as matrix and DMAC as solvent. The
composition of LiFePO 4 cathode sheet the consisted of 85 % LiFePO 4 , 10 %
Super P and 5 % PvDf in DMAC solvent with different thickness of 100 µm,
150 µm and 300 µm. The same composition of MCMB anode sheet as LiFePO 4
cathode sheet with varied thickness of 100 μm and 150 μm and varied
composition of 85 : 10 : 5 and 80 : 13 : 7 with a thickness of 150 µm. The
electrode sheets prepared by using sheet casting based on doctor blade and
assembling process of batteries cells by using stacking method with prismatic
batteries model. The batteries used liquid electrolytes was 1M LiPF 6 and
polyolefin seperator. The analysis of crystal structure on active material powders
were examined by using XRD, surface morphology and particle size on active
material powder and morphology LiFePO 4 cathode sheet analyzed by using SEM,
surface morphology of the electrode sheets by using Optical Microscope and
battery capacity by BST8-10A30V. The results of research showed that the
highest capacity is 300 μm cathode thickness and the smallest is 100 µm

thickness. The influence of varied composition for MCMB anode, the
composition of 80 : 13 : 7 has higher specific capacity at cathode thickness of
100 µm, 150 µm and 300 µm with each has specific capacity is 69,65 mAh/gr,
73,61 mAh/gr and 81,93 mAh/gr. Each battery has efficiency above 98 %. The
varied thickness of MCMB anode, so the thickness of 100 μm has a higher
specific capacity at cathode thickness of 100 µm, 150 µm and 300 µm with each
has specific capacity is 79,10 mAh/gr, 82,54 mAh/gr and 88 mAh/gr. The
efficiency of each battery above 99 %. The highest battery capacity and efficiency
at 300 µm cathode thickness reached 88 mAh/gr with MCMB anode composition
of 85 : 10 : 5 at 100 μm thickness.
Keywords: lithium ion batteries, LiFePO 4 cathode, MCMB anode, chargedischarge.

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI

Halaman
i
ii
iii

v
vi
vii
ix
x
xii
xiii

Pengesahan
Pernyataan
Penghargaan
Abstrak
Abstract
Daftar Isi
Daftar Tabel
Daftar Gambar
Daftar Grafik
Daftar Lampiran
BAB 1. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang

1.2 Rumusan Masalah
1.3 Batasan Masalah
1.4 Tujuan Penelitian
1.5 Manfaat Penelitian
1.6 Sistematika Penulisan

1
1
3
4
4
5
5

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sejarah Perkembangan Baterai
2.1.1 Komponen Utama Baterai
2.1.2 Jenis-Jenis Baterai
2.1.3 Istilah-Istilah Umum dalam Baterai
2.2 Baterai ion Lithium

2.3 Material Elektroda untuk Baterai ion Lithium
2.3.1 Material Katoda
2.3.2 Material Anoda
2.4 Zat Aditif Super P
2.5 Matriks Polyvinylidene Fluoride (PvDf)
2.6 Pelarut N,N-Dimethylacetamide (DMAC)
2.7 Elektrolit Lithium Hexafluorophosphate (LiPF 6 )
2.8 Seperator
2.9 Analisis Mikrostruktur
2.9.1 X-Ray Diffraction (XRD)
2.9.2 Scanning Electron Microscope (SEM)
2.9.3 Mikroskop Optik
2.10 Pengujian Charge-Discharge

7
7
8
9
9
11

15
15
18
22
23
24
25
26
27
27
29
30
32

Universitas Sumatera Utara

BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
3.2 Peralatan dan Bahan
3.2.1 Peralatan Penelitian
3.2.2 Bahan Baku Penelitian
3.3 Diagram Alir Penelitian
3.3.1 Pembuatan Lembaran Elektroda
3.3.2 Proses Assembling Baterai ion Lithium
3.4 Prosedur Penelitian
3.4.1 Pemberian Label pada Sampel Katoda dan Anoda
3.4.2 Tahap Pembuatan Lembaran Elektroda
3.4.3 Tahap Proses Assembling Baterai ion Lithium

33
33
33
33
35
37
37
38
39
39
40
43

BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisa Hasil XRD terhadap Material Aktif Elektroda
4.1.1 Material Aktif Katoda LiFePO 4
4.1.2 Material Aktif Anoda MCMB
4.2 Analisa Morfologi Serbuk Material Aktif Elektroda dengan SEM
4.2.1 Material Aktif Katoda LiFePO 4
4.2.2 Material Aktif Anoda MCMB
4.3 Analisa Morfologi Lembaran Elektroda dengan Mikroskop Optik
4.3.1 Lembaran Katoda LiFePO 4
4.3.2 Lembaran Anoda MCMB
4.4 Analisa Morfologi Lembaran Katoda LiFePO 4 dengan SEM
4.5 Analisa Hasil Pengujian Charge-Discharge
4.5.1 Dengan Anoda MCMB 85 : 10 : 5 Ketebalan 150 µm
4.5.2 Dengan Anoda MCMB 80 : 13 : 7 Ketebalan 150 µm
4.5.3 Dengan Anoda MCMB 85 : 10 : 5 Ketebalan 100 µm

45
45
45
47
48
48
49
50
50
52
54
56
57
62
67

BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
5.2 Saran

77
77
77

DAFTAR PUSTAKA

78

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL

Nomor
Tabel

Judul

Halaman

Tabel 2.1. Sejarah Perkembangan Baterai
Tabel 2.2. Perbandingan Baterai ion Lithium dengan Baterai Sekunder
Lainnya
Tabel 2.3. Karakteristik Elektrokimia dari Beberapa Material Katoda
Tabel 2.4. Karakteristik dari LiFePO 4
Tabel 2.5. Perbandingan antara Grafit, Hard Carbon dan Soft Carbon
Tabel 2.6. Karakteristik dari Mesocarbon Microbead (MCMB)
Tabel 2.7. Karakteristik dari Super P
Tabel 2.8. Sifat Umum Polyvinylidene Fluoride (PvDf)
Tabel 2.9. Sifat Fisik dan Kimia DMAC
Tabel2.10 Karakteristik dari Lithium Hexafluorophosphate (LiPF 6 )
Tabel 3.1 Pembuatan Material Katoda LiFePO 4 dengan Komposisi
85 : 10 : 5
Tabel 3.2. Pembuatan Material Anoda MCMB dengan Komposisi
85 : 10 : 5
Tabel 3.3. Pembuatan Material Anoda MCMB dengan Komposisi
80 : 13 : 7
Tabel 4.1. Parameter Kisi Serbuk LiFePO 4 Hasil Pembacaan Software
PDXL
Tabel 4.2. Parameter Kisi Serbuk MCMB Hasil Pembacaan Software
PDXL
Tabel 4.3. Kapasitas Baterai LD 1 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Tabel 4.4. Kapasitas Baterai LD 2 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Tabel 4.5. Kapasitas Baterai LD 3 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Tabel 4.6. Hasil Kapasitas Charge-Discharge Baterai dengan Komposisi
Anoda MCMB 85 : 10 : 5 Ketebalan 150 µm
Tabel 4.7. Kapasitas Baterai LD 4 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Tabel 4.8. Kapasitas Baterai LD 5 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Tabel 4.9. Kapasitas Baterai LD 6 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Tabel 4.10. Hasil Kapasitas Charge-Discharge Baterai dengan Komposisi
Anoda MCMB 80 : 13 : 7 Ketebalan 150 µm
Tabel 4.11. Kapasitas Baterai LD 7 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Tabel 4.12. Kapasitas Baterai LD 8 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Tabel 4.13. Kapasitas Baterai LD 9 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Tabel 4.14. Hasil Kapasitas Charge-Discharge Baterai dengan Komposisi
Anoda MCMB 85 : 10 : 5 Ketebalan 100 µm

7
12
16
18
21
22
23
24
24
25
39
39
39
46
48
58
59
60
61
63
64
65
66
68
69
70
71

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR

Nomor
Gambar

Judul

Halaman

Gambar 2.1. Perbandingan Baterai ion Lithium dengan Baterai Sekunder
Lainnya
Gambar 2.2. Tiga Model Host dari Bahan Anoda dan Katoda
Gambar 2.3. Proses Interkalasi pada Baterai ion Lithium saat ChargeDischarge
Gambar 2.4. Tegangan Kerja pada Beberapa Material Elektroda pada
Baterai ion Lithium
Gambar 2.5. a) Struktur Layered pada material Katoda LiCoO 2
b) Struktur Spinel pada LiMnO 4
c) Struktur Olivine pada LiFePO 4
Gambar 2.6. a) Struktur Kristal LiFePO 4 dan
b) Struktur Kristal LiFePO 4 saat Charge-Discharge
Gambar 2.7. a) Struktur Graphene berupa Lapisan dengan Ketebalan
1 Atom C
b) Struktur Grafit yang terdiri dari lapisan Graphene
Gambar 2.8. Struktur a) Soft Carbon, b) Hard Carbon dan c) Grafit
Gambar 2.9. Struktur MCMB tipe Brooks-Taylor
Gambar 2.10. Struktur Kimia PvDf
Gambar 2.11. Seperator dalam Sel Baterai ion Lithium
Gambar 2.12. Prinsip Kerja XRD
Gambar 2.13. Sinyal-Sinyal dalam SEM
Gambar 2.14. Prinsip Kerja SEM
Gambar 2.15. Bagian-Bagian dari Mikroskop Optik
Gambar 3.1. a) Proses Pencampuran PvDf dan Pelarut DMAC
b) Proses Pencampuran dengan Serbuk Super P
Gambar 3.2. a) Proses Mixing di Vacum Mixing
b) Slurry Katoda LiFePO 4
Gambar 3.3. Proses Sheet Casting Katoda LiFePO4 dengan Doctor Blade
Gambar 3.4. Proses Pengeringan Lembaran Katoda dengan MSK AFA
E 300
Gambar 3.5. Proses Sheet Casting Anoda MCMB dengan Doctor Blade
Gambar 3.6. Proses Pemotongan (Cutting) dan Calendring
Gambar 3.7. Proses Calendring Lembaran Elektroda dengan Mesin
Calendring
Gambar 3.8. Proses Penggulungan Lembaran Elektroda dengan Seperator
Gambar 3.9. Proses Pemasukan Lembaran Baterai dalam Kantung Baterai
Gambar 3.10. Proses Perekatan Pinggiran Kantung Baterai dengan alat
MSK 140
Gambar 3.11. Proses Pengisian Elektrolit dalam Glove Box

11
12
13
14
16
16
16
17
17
19
19
20
21
23
26
27
29
30
31
40
40
41
41
41
42
42
42
43
43
44
44
44

Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.12
Gambar 4.1.
Gambar 4.2.
Gambar 4.3.

Gambar 4.4.

Gambar 4.5.
Gambar 4.6.

Baterai ion Lithium yang akan di Uji
44
Serbuk Material Aktif LiFePO 4 Perbesaran a) 5000 x
48
dan b) 10.000 x
Serbuk Material Aktif MCMB Perbesaran a) 1000 x
49
dan b) 2000 x
Hasil Mikroskop Optik pada Lembaran Katoda LiFePO 4
51
a) Serbuk LiFePO 4 , b) Ketebalan laminate 100 µm
b) Ketebalan laminate 150 µm dan d) Ketebalan laminate
300 µm
Hasil Mikroskop Optik pada Lembaran Anoda MCMB
52
a) Serbuk MCMB, b) Komposisi 80 : 13 : 7 Ketebalan 150 µm
b) Komposisi 85 : 10 : 5 Ketebalan c) 100 µm dan d) 150 µm
Hasil Morfologi Lembaran Katoda LiFePO 4 dengan SEM
54
Perbesaran a) 1000 x dan c) 5000 x
a) Unsur Fe, b) Unsur F, c) Unsur C, d) Maping Mix SEM
55
e) SEM

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GRAFIK

Nomor
Grafik

Judul

Halaman

Grafik 4.1.
Grafik 4.2.
Grafik 4.3.
Grafik 4.4.
Grafik 4.5.
Grafik 4.6

Pola Difraksi Sinar-X pada Serbuk LiFePO 4
Pola Difraksi Sinar-X pada Serbuk MCMB
Kapasitas pada Baterai LD 1 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Kapasitas pada Baterai LD 2 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Kapasitas pada Baterai LD 3 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Kapasitas pada Baterai LD 1, LD 2 dan LD 3 pada
Cycle ketiga
Grafik 4.7 Kapasitas pada Baterai LD 4 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Grafik 4.8 Kapasitas pada Baterai LD 5 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Grafik 4.9 Kapasitas pada Baterai LD 6 pada Cycle ke 1, 2 dan 3

45
47
57
58
59
60

Grafik 4.10 Kapasitas pada Baterai LD 4, LD 5 dan LD 6 pada
Cycle ketiga
Grafik 4.11 Kapasitas pada Baterai LD 7 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Grafik 4.12 Kapasitas pada Baterai LD 8 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Grafik 4.13. Kapasitas pada Baterai LD 9 pada Cycle ke 1, 2 dan 3
Grafik 4.14. Kapasitas pada Baterai LD 7, LD 8 dan LD 9 pada
Cycle ketiga
Grafik 4.15. Kapasitas Spesifik Baterai ion Lithium pada Variasi
Komposisi Anoda
Grafik 4.16. Kapasitas Baterai ion Lithium pada Variasi Ketebalan
Anoda

65

62
63
64

67
68
69
70
73
75

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor
Lampiran
LAMPIRAN A
LAMPIRAN B
LAMPIRAN C
LAMPIRAN D
LAMPIRAN E
LAMPIRAN F

Judul

Halaman

Alat-Alat Percobaan
Bahan-Bahan Percobaan
Lembaran Katoda LiFePO 4 dan Anoda MCMB
Perhitungan Data Pengujian
Hasil Uji XRD pada Serbuk Material Aktif
Hasil Pengukuran pada Ukuran Butir Serbuk Material
Aktif

81
84
86
88
92
93

Universitas Sumatera Utara