Pengaruh Komposisi Lembaran Anoda LTO (Li4Ti5O12) Terhadap Performa Sel Baterai Ion Lithium

PENGARUH KOMPOSISI LEMBARAN ANODA LTO

(Li

4

Ti

5

O

12

) TERHADAP PERFORMA SEL BATERAI ION

LITHIUM

SKRIPSI

SUCI PURNAMA SARI

110801020

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2015

PENGARUH KOMPOSISI LEMBARAN ANODA LTO

(Li

4

Ti

5

O

12

) TERHADAP PERFORMA SEL BATERAI ION

LITHIUM

SKRIPSI

Diajukan untuk melengkapi tugas akhir dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains

SUCI PURNAMA SARI

110801020

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2015

LEMBAR PENGESAHAN

PENGARUH KOMPOSISI LEMBARAN ANODA LTO (Li4Ti5O12)

TERHADAP PERFORMA SEL BATERAI ION LITHIUM

OLEH:

Suci Purnama Sari NIM : 110801020

Disetujui Oleh: Komisi Pembimbing

Drs. Herli Ginting, MS. Slamet Priyono, S.Si., M.T. NIP :195505191986011001 NIP :198610152009121004

Diketahui Oleh:

Departemen Fisika FMIPA USU Pusat Penelitian Fisika-LIPI Ketua, Kepala,

Dr. Marhaposan Situmorang Dr. Bambang Widiyatmoko,M.Eng. NIP : 195510301980031003 NIP: 196204301988031001

PERNYATAAN

PENGARUH KOMPOSISI LEMBARAN ANODA LTO (Li4Ti5O12)

TERHADAP PERFORMA SEL 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

SUCI PURNAMA SARI 110801020

PENGHARGAAN

Allah telah menurunkan air (hujan) dari langit, maka mengalirlah air di lembah-lembah menurut ukurannya, maka arus itu membawa buih yang mengembang. Dan dari apa (logam) yang mereka lebur dalam api untuk membuat perhiasan

atau alat-alat, ada (pula) buihnya seperti buih arus itu. Demikianlah Allah membuat perumpamaan (bagi) yang benar dan yang batil. Adapun buih itu, akan

hilang sebagai sesuatu yang tak ada harganya; adapun yang memberi manfaat kepada manusia, maka ia tetap di bumi. Demikianlah Allah membuat

perumpamaan-perumpamaan. (Ar-Ra’d :17)

Alhamdulillah, ucapan syukur yang tak terkira kepada Sang Pencipta alam semesta, Allah SWT yang telah memberikan begitu banyak kenikmatan berupa Iman dan Islam. Shalawat beriringkan salam ditujukan kepada baginda Rasulullah saw yang memiliki peranan besar dalam peradaban dunia dan menjadi tauladan paling sempurna hingga saat ini.

Terwujudnya skripsi ini tidak lepas dari partisipasi dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih yang setulus-tulusnya kepada :

1. Dr. Sutarman, M.Sc, selaku Dekan Fakultas Matematika & Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.

2. Dr. Marhaposan Situmorang selaku Ketua Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara, Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc. selaku Sekertaris Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara, dan seluruh staf pengajar beserta pegawai administrasi di Departemen Fisika yang telah memberikan fasilitas kepada penulis selama perkuliahan.

3. Drs. Herli Ginting, MS. selaku komisi pembimbing di Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan masukan dan arahan dalam penyelesaian skripsi.

4. Slamet Priyono, S.si. MT. selaku komisi pembimbing di Pusat Penelitian Fisika LIPI, yang telah memberikan banyak pengetahuan dan selalu sabar dalam membimbing penulis selama penelitian.

5. Dr. Perdinan Sinuhaji, MS, Dra. Manis Sembiring, MS dan Awan Maghfirah, S.Si., M.Si selaku dosen penguji yang telah memberikan banyak saran yang membuat skripsi ini lebih baik.

6. Orang-orang tercinta; Ayahanda Zainal Abidin, Ibunda Sarimanur, untuk doa, dukungan baik secara moril dan finansial, kasih sayang, perhatian, kesabaran,

motivasi dan nasehat. Terima kasih telah memberikan warna indah dalam hidup ini.

7. Keluarga besar UKMI Al-Falak dan KAM Rabbani yang telah menjadi perantara kepada penulis dalam mengenal dakwah dan terus belajar tentang arti kehidupan yang sesungguhnya.

8. Perempuan-perempuan luar biasa; Kak Nana, Mbak Irma, Masyuni, Sri Handika, Fatimah Marwah Nst, Rossa dan Desy. Terima kasih atas jalinan ukhuwah yang telah diberikan.

9. Keluarga besar Laboratorium Fisika Dasar LIDA, yang telah memberikan kesempatan penulis untuk bisa mengembangan potensi dan keilmuan. Kepada Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc., Dr. Tulus Ikhsan Nst, Kak Melly, Kak Mora, Kak Pepi, Wulan. Terima kasih.

10. Keluarga baru di Serpong, Bu Neneng, Kak Ina, Teteh, Bu Eva. Terima kasih untuk semua dukungan.

11. Teman-teman satu bimbingan selama di Pusat Penelitian Fisika LIPI yang telah membantu peneliti dalam menjalani penelitian; Arin Gudesma dan Raras.

12. Adik-adik junior dan tarbiyah; Miska, Fitri, Mona, Widya, Rahma, Nur Rahmah, Ayu, Zakia, Khodijah, Lina, Eli, Putri, Wana, Rica, Vivi, Elvi, Ria. Terima kasih atas doa dan dukungan kalian.

13. Teman-teman seperjuangan; Khairani Nasution, Yuni Aulia Umi, Meilia Krisanti, Kartika Sari, Shelly Maharani, Sri Rakhmawati dan Leni Daulay. Terima kasih atas kebersamaan yang diberikan baik dalam suka maupun duka selama menjalani penelitian.

Tersebab sadar akan keterbatasan diri, masukan dan pengembangan lanjutan akan hasil penelitian ini diharapkan hadir sebagai proses perkembangan ilmu pengetahuan. Harapan sederhana, semoga teriring manfaat dalam tulisan ini.

PENGARUH KOMPOSISI LEMBARAN ANODA LTO (Li4Ti5O12)

TERHADAP PERFORMA SEL BATERAI ION LITHIUM

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian mengenai pengaruh komposisi serbuk LTO pada pembuatan lembaran anoda. Variasi komposisi serbuk LTO:PVDF:Super P yaitu 77:15:8 , 85:10:5 dan 90:7:3 % wt. Pembuatan lembaran dengan mencampurkan bahan serbuk PVDF dengan pelarut N-N,DMAC dan kemudian ditambahkan dengan serbuk Super P dan LTO sehingga terbentuk slurry. Kemudian dilakukan pengcoatingan slurry pada Cu foil dan dikeringkan pada oven hingga terbentuk lembaran. Lembaran yang sudah jadi dilakukan analisis morforlogi/komposisi unsur dan gugus fungsi dengan SEM/EDX dan FTIR. Sedangkan performa baterai meliputi Cyclic Voltammetry (CV) dan Charge/Discharge (CD) yang dilakukan dengan Automatic battery cycler. Hasil analisis SEM menunjukkan bahwa pencampuran bahan pada komposisi 77:15:8 %wt homogen dikarenakan komposisi yang seimbang dari masing-masing bahan sehingga tersebar merata pada seluruh permukaan (tidak ada yang mendominasi) dan dari hasil analisis EDX menunjukan persentase unsur pada masing-masing sampel. Pengujian FTIR menunjukan bahwa tidak terjadinya reaksi kimia antara LTO dengan PVDF dilihat dari tidak adanya gugus Li-F pada wavenumber 1191 cm-1. Sifat elektrokimia sel terbaik pada komposisi 77:15:8 %wt yang dilihat dari kurva CV yaitu terbentuknya pasangan puncak redoks dan dari grafik charge/discharge didapat kapasitas dari LTO 160 mAHr/g.

Kata Kunci : Lithium Titanate, SEM-EDX, FTIR, Cyclic Voltammetry, Charge/Discharge

INFLUENCE OF COMPOSITIONS IN MANUFACTURING ANODELTO (Li4Ti5O12) TO PERFORMANCE CELLOF LITHIUMIONBATTERY

ABSTRACT

Research has conducted on the effect of the variation composition of powder LTO in manufacturing of the laminate anode. Variations composition of powder LTO: PVDF: Super P is 77: 15: 8, 85: 10: 5 and 90: 7: 3 %wt. Manufacture of laminate by mixing the powder material PVDF with solvents N,N-DMAC and then added to the powder Super P and LTO to form a slurry. Then slurry is coating on Cu foil and dried in oven to form a laminate. Laminate which has been so finished to

analyzed morforlogi /elemental of composition and functional groups with SEM/EDX and FTIR. While the battery performance include CV and CD performed with the Automatic battery cycler. The results of SEM analysis indicated that the mixing of ingredients in the composition of 77: 15: 8 is homogeneous because balanced of composition from each material that is spread evenly on the entire surface (no one dominates) and the results of EDX analysis showed the percentage of each element in samples. FTIR testing not showed that chemical reaction between LTO with PVDF seen from the absence of Li-F group at wavenumber 1191 cm-1. Best cell electrochemical properties on the composition of 77: 15: 8 %wt as seen from the curve CV is the establishment of a redox couple and from graph charge /discharge obtained capacity of LTO is 160 mAH/g.

Keywords : Lithium Titanate, SEM-EDX, FTIR, Cyclic voltammetry,

DAFTAR ISI

Halaman

Lembar Pengesahan i

Pernyataan ii

Penghargaan iii

Abstrak v

Abstract vi

Daftar Isi vii

Daftar Tabel ix

Daftar Gambar x

Daftar Lampiran xi

BAB 1. Pendahuluan 1.1. Latar Belakang 1

1.2. Rumusan Masalah 4

1.3. Tujuan Penelitian 4

1.4. Manfaat Penelitian 4

1.5. Batasan Masalah 5

1.6. Sistematika Penulisan 5

BAB 2. Tinjauan Pustaka 2.1. Baterai 7

2.1.1. Bagaimana Baterai Beroperasi 8

2.1.2. Desain Baterai 11

2.2. Baterai Ion Lithium 12

2.2.1. Spesifikasi Kimia Baterai Ion Lithium 14

2.2.2. Bahan Dalam Baterai Ion Lithium 17

2.3. Baterai Lithium Titanium Oksida (Li4Ti5O12) 18

2.3.1. Spinel Lithium Titanium Oksida 18

2.3.1.1. Gambaran Struktural 18

2.3.1.2. Pembuatan Li4Ti5O12 (LTO) 18

2.3.1.3. Karakteristik elektrokimia 19

2.3.2. Keuntungan dan Kerugian anoda Li4Ti5O12 (LTO) 19

2.4. Bahan Baku 20

2.4.1. Serbuk Li4Ti5O12 (LTO) 20

2.4.2. PVdF 21

2.4.3. Super P 22

2.4.4. N,N DMAC (N,N-Dimethylacetamide) 23

2.4.5. Cu Foil 24

2.5 Karakterisasi 24

2.5.1. Karakterisasi morfologi komposit lembaran anoda 24

dengan SEM-EDX 2.5.2. Karakterisasi gugus fungsional dengan FTIR 26 (Fourier Transform Infrared)

2.5.3. Karakterisasi Cyclic Voltamettry 27

2.5.4. Karakterisasi kapasitas baterai (Charge/Discharge) 28

BAB 3. Metode Penelitian 3.1. Waktu dan Tempat Penelitian 30

3.2. Bahan dan Peralatan Penelitian 30

3.2.1 Bahan 30

3.2.2 Peralatan Penelitian 30

3.3. Perhitungan massa bahan 32

3.4. Tahapan Penelitian 33

3.5. Prosedur Penelitian 34

BAB 4. Hasil dan Pembahasan 4.1. Sifat Fisis 35

4.1.1. Morfologi 35

4.1.2. Gugus Fungsi 44

4.2. Sifat Elektrokimia Sel Baterai 47

4.2.1. Cyclic Voltammetry (CV) 47

4.2.2. Charge/Discharge (CD) 50

BAB 5. Kesimpulan dan Saran 5.1. Kesimpulan 53

5.2. Saran 53

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman Tabel

2.1. Spesifikasi serbuk LTO 21

3.1. Perbandingan komposisi bahan dalam (gr) 32 4.1. Persentase unsur dengan EDS 40 4.2. Akumulasi data wavenumber dari sampel A, B dan C

menggunakan FTIR yang dicocokan berdasarkan literatur 42

4.3. Data tegangan lembaran LTO 44

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

Gambar

1.1. Perkiraan global pada kendaraan listrik, 2010-2020 1

2.1. Skema sederhana dari baterai Lithium ion 9

2.2. Skema lengkap dari baterai Lithium ion 10

2.3. Empat desain sel umum baterai: a.silinder, b.koin, c.prismatik, dan d.datar 12

2.4. Perbandingan keunggulan dari masing-masing jenis baterai 13

2.5. Skema dari bahan elektroda dalam baterai Li-ion 15

2.6. Kemungkinan komposisi lapisan SEI pada anoda grafit dalam baterai Li-ion 16

2.7. Prinsip kerja SEM 25

2.8. Skema sistem kerja dari FTIR 27

2.9. Kurva I-V pada scan rate dan rate konstan (cyclic-vol) 28

2.10. Profil tegangan yang harus dipenuhi selama mengisi ulang 29

sebuah baterai lithium 4.1. Hasil lembaran anoda LTO dengan 3 variasi komposisi 35

4.2. Permukaan sampel lembaran LTO pada sampel A, B dan C dengan perbesaran 1000 kali 36

4.3. Permukaan sampel lembaran LTO pada sampel A, B dan C dengan perbesaran 10000 kali 37

4.4. Spot pengujian SEM-EDS lembaran LTO pada sampel A, B dan C 39

4.5. Spektrum pengamatan EDS pada sampel A 41

4.6. Spektrum pengamatan EDS pada sampel B 42

4.7. Spektrum pengamatan EDS pada sampel C 43

4.8. Spektrum Inframerah sampel A, B dan C 45

4.9. Grafik Voltamogram Siklik pada sampel A, B dan C 48

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran Halaman

LAMPIRAN A Perhitungan Komposisi Bahan 58

LAMPIRAN B 1. Gambar Bahan Penelitian 60

2. Gambar Peralatan Penelitian 62

PENGARUH KOMPOSISI LEMBARAN ANODA LTO (Li4Ti5O12)

TERHADAP PERFORMA SEL BATERAI ION LITHIUM

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian mengenai pengaruh komposisi serbuk LTO pada pembuatan lembaran anoda. Variasi komposisi serbuk LTO:PVDF:Super P yaitu 77:15:8 , 85:10:5 dan 90:7:3 % wt. Pembuatan lembaran dengan mencampurkan bahan serbuk PVDF dengan pelarut N-N,DMAC dan kemudian ditambahkan dengan serbuk Super P dan LTO sehingga terbentuk slurry. Kemudian dilakukan pengcoatingan slurry pada Cu foil dan dikeringkan pada oven hingga terbentuk lembaran. Lembaran yang sudah jadi dilakukan analisis morforlogi/komposisi unsur dan gugus fungsi dengan SEM/EDX dan FTIR. Sedangkan performa baterai meliputi Cyclic Voltammetry (CV) dan Charge/Discharge (CD) yang dilakukan dengan Automatic battery cycler. Hasil analisis SEM menunjukkan bahwa pencampuran bahan pada komposisi 77:15:8 %wt homogen dikarenakan komposisi yang seimbang dari masing-masing bahan sehingga tersebar merata pada seluruh permukaan (tidak ada yang mendominasi) dan dari hasil analisis EDX menunjukan persentase unsur pada masing-masing sampel. Pengujian FTIR menunjukan bahwa tidak terjadinya reaksi kimia antara LTO dengan PVDF dilihat dari tidak adanya gugus Li-F pada wavenumber 1191 cm-1. Sifat elektrokimia sel terbaik pada komposisi 77:15:8 %wt yang dilihat dari kurva CV yaitu terbentuknya pasangan puncak redoks dan dari grafik charge/discharge didapat kapasitas dari LTO 160 mAHr/g.

Kata Kunci : Lithium Titanate, SEM-EDX, FTIR, Cyclic Voltammetry, Charge/Discharge

INFLUENCE OF COMPOSITIONS IN MANUFACTURING ANODELTO (Li4Ti5O12) TO PERFORMANCE CELLOF LITHIUMIONBATTERY

ABSTRACT

Research has conducted on the effect of the variation composition of powder LTO in manufacturing of the laminate anode. Variations composition of powder LTO: PVDF: Super P is 77: 15: 8, 85: 10: 5 and 90: 7: 3 %wt. Manufacture of laminate by mixing the powder material PVDF with solvents N,N-DMAC and then added to the powder Super P and LTO to form a slurry. Then slurry is coating on Cu foil and dried in oven to form a laminate. Laminate which has been so finished to

analyzed morforlogi /elemental of composition and functional groups with SEM/EDX and FTIR. While the battery performance include CV and CD performed with the Automatic battery cycler. The results of SEM analysis indicated that the mixing of ingredients in the composition of 77: 15: 8 is homogeneous because balanced of composition from each material that is spread evenly on the entire surface (no one dominates) and the results of EDX analysis showed the percentage of each element in samples. FTIR testing not showed that chemical reaction between LTO with PVDF seen from the absence of Li-F group at wavenumber 1191 cm-1. Best cell electrochemical properties on the composition of 77: 15: 8 %wt as seen from the curve CV is the establishment of a redox couple and from graph charge /discharge obtained capacity of LTO is 160 mAH/g.

Keywords : Lithium Titanate, SEM-EDX, FTIR, Cyclic voltammetry,

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pada saat sekarang, dunia telah mengalami krisis energi dan masalah lingkungan akibat penggunaan energi fosil untuk kendaraan konvensional, sehingga penggunaan kendaraan listrik sangat diperhitungkan untuk mengatasi masalah tersebut (Lu, 2013 ; Hu, 2010). Menurut perkiraan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.1, pada tahun 2020, penjualan HEVs, PHEVs dan EVs akan mencapai sekitar 40 juta kendaraan, yang mewakili kira-kira setengah dari total pasar. HEVs akan terus memimpin jalan, membuat sebagian besar penjualan kendaraan listrik meningkat dan menunjukkan pergeseran dari NiMH ke baterai ion lithium. Perkiraan ini jelas menyatakan bahwa setidaknya selama 10 tahun ke depan, pasar mobil akan terdiri dari beberapa jenis kendaraan (ICES, HEVs, PHEVs, EVs) serta berbagai jenis baterai (NiMH, lithium-ion, lead-acid). Sumber industri lain setuju bahwa semua kemungkinan akan berkembang secara bersama, bertahap dan pada lokasi yang berbeda, sehingga mungkin tidak ada pemenang tunggal yang jelas (Wise, 2010).

Gambar 1.1. Perkiraan global pada kendaraan listrik , 2010-2020 (PRTM, 2010) Beberapa perkiraan pasar yang lebih sederhana. Menurut Total Battery

Consulting (TBC), misalnya pasar kendaraan untuk EV dan PHEV akan

meningkat 200.000 pada tahun 2015 dan satu juta pada tahun 2020, jauh lebih rendah dari perkiraan PRTM. TBC menyimpulkan, bahkan dari perkiraan yang

lebih sederhana, bahwa penanaman modal dan ekspansi yang didukung oleh dana Arra akan menyebabkan kelebihan kapasitas mulai tahun 2013 (Farley, 2010). Demikian pula, strategi perusahaan konsultan Roland Berger memprediksi bahwa pada awal 2015, kapasitas global untuk baterai lithium-ion akan dua kali lipat jumlah peningkatannya untuk memenuhi proyeksi permintaan 2016 (Roland Berger Strategy Consultants, 2010).

Baterai lithium ion dianggap sebagai salah satu bagian yang paling penting dalam masalah ini (Lu, 2013 ; Hu, 2010). Battery Management System (BMS) sangat penting untuk membuat penggunaan baterai dalam EVs lebih baik. Dikarenakan kapasitas baterai menurun seiring meningkatnya waktu siklus baterai, maka State Of Healt (SOH) memprioritaskan estimasi pada BMS. Kapasitas baterai baru di dapat dengan mudah, tetapi kapasitas dari usia sel harus diperkirakan sesuai dengan karakteristik siklus hidup dari baterai. Selain itu, penggunaan Remaining Useful Life (RUL) dapat dianalisis berdasarkan siklus hidup baterai (Chen, 2013).

Baterai lithium ion terdiri lebih dari satu sel. Setiap sel terdiri dari empat komponen, yaitu: Elektroda positif (katoda), Elektroda negatif (anoda), Separator dan Elektrolit. Katoda terbuat dari bahan yang disisipkan pada aluminium foil. Pasta katoda mengandung bahan katoda, termasuk oksida logam lithium, pengikat

(Polivinilidena fluoride (PVDF)), bahan karbon (karbon black, bubuk grafit, dan

serat karbon, dll) dan pelarut (N-methyl-2-pirolidon (NMP)). Pasta dilapiskan pada aluminium foil, kemudian dikeringkan dan ditekan dengan ketebalan yang sesuai (METI, 2009b). Ada empat jenis katoda yang digunakan dalam baterai lithium-ion untuk kendaraan. LMO (Lithium Mangan Oxide) adalah yang paling umum digunakan sebagai katoda untuk HEVs, PHEVs, dan EVS. (Deutsche Bank, 2009)

Anoda terbuat dari bahan yang disisipkan pada tembaga foil. Bahan aktif anoda, seperti grafit, yang dicampur dengan binder (PVDF atau karet stirena butadiena (SBR)), pelarut (NMP atau air), dan karbon (tabung karbon dan karbon hitam) (METI, 2009b). Setelah terbentuk lapisan, anoda dikeringkan dan di press.

Separator adalah membran mikro-pori, yang mencegah kontak antara anoda dan katoda. Separator terbuat dari polietilena atau polypropylene. Selain

itu, separator memiliki fungsi keamanan yang disebut "shutdown". Jika sel sengaja dipanaskan, maka separator mencair karena suhu tinggi dan mengisi pori-pori mikro untuk menghentikan aliran lithium-ion antara anoda dan katoda (METI, 2009b) .

Elektrolit yang digunakan dalam baterai lithium-ion adalah campuran garam litium dan pelarut organik. Beberapa pelarut organik dicampur untuk mengurangi viskositas elektrolit dan meningkatkan kelarutan garam litium (METI, 2009b). Hal ini akan meningkatkan mobilitas ion lithium dalam elektrolit, sehingga kinerja baterai lebih tinggi.

Saat ini, semua studi untuk siklus hidup baterai didasarkan pada baterai lithium ion dengan anoda berbasis grafit. Namun, siklus hidup baterai lithium ion dengan anoda grafit terbatas karena terbentuknya lapisan pasif Solid Electrolyte

Interphasa (SEI) dan penebalan pada anoda grafit, terjadi lithium plating saat

pengisian di bawah suhu rendah, dan terjadi reaksi samping lainnya. Saat ini, anoda lithium titanium oksida (LTO, biasanya Li4Ti5O12) dianggap sebagai pilihan yang lebih baik daripada anoda grafit konvensional (Scrosati, 2010), karena bersifat zero-strain, tidak ada pembentukan lapisan SEI, tidak terjadi

lithium plating sehingga pengisian cepat meskipun di bawah suhu rendah, dan

stabilitas termal di bawah suhu tinggi (Belharouak, 2011). Jadi baterai ion lithium dengan anoda LTO menunjukkan siklus hidup yang sangat panjang. Hasil ini juga diverifikasi dalam banyak literatur (Lu, 2013 ; Scrosati, 2010 ; Zaghib, 2011 ; Han, 2013). Kemungkinan penurunan kapasitas baterai biasanya sangat kecil dalam kondisi siklus biasa, terutama di bawah suhu kamar (Han, 2013).

Dalam pembuatan sel baterai, hal yang paling penting adalah membuat lembaran. Lembaran harus memiliki komposisi bahan yang tepat, memiliki daya rekat yang baik, memiliki konduktifitas tinggi dan ketebalan yang sesuai. Lembaran dibuat dengan mencampurkan material aktif dengan binder (PVDF), Super P, dan pelarut (DMAC). Dalam proses pembuatan lembaran elektroda ada beberapa parameter yang harus diperhatikan seperti komposisi bahan, lama pencampuran, suhu pemanasan, kecepatan pencampuran, viskositas slurry, ketebalan, kecepatan coating, suhu dan lama pengeringan. Parameter-parameter ini yang mempengaruhi karakteristik lembaran elektroda baterai yang pada

akhirnya mempengaruhi performa sel baterai. Ketepatan dalam mencampurkan bahan pada komposisi yang pas sangat perlu diperhatikan dalam hal ini, karena komposisi bahan akan menentukan morfologi lembaran anoda dan efeknya berpengaruh terhadap kinerja elektroda. Dalam penelitian ini akan dibuat lembaran anoda dengan berbahan dasar serbuk LTO yang fokus pada komposisi bahan.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang telah dijelaskan diatas, maka permasalahan dalam penelitian ini adalah mengoptimalkan variasi perbandingan komposisi bahan baku serbuk LTO dalam pembuatan lembaran anoda pada baterai ion lithium sehingga nantinya dihasilkan lembaran anoda yang dapat meningkatkan performa dari sel baterai ion lithium.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Untuk membuat lembaran anoda dengan variasi komposisi serbuk LTO. 2. Untuk mengetahui pengaruh komposisi bahan baku dalam pembuatan

lembaran anoda terhadap karakteristik morfologi dan gugus fungsi pada komposisi lembaran anoda LTO.

3. Untuk mengetahui performa elektrokimia sel baterai pada anoda LTO dari kurva cyclic-voltammetry dan charge-discharge.

1.4 Manfaat Penelitian

Penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi yang positif terhadap usaha pengoptimalan performa sel baterai ion lithium dengan anoda LTO.

1.5 Batasan Masalah

Batasan masalah dalam penelitian ini adalah:

1. Penelitian ini difokuskan pada pembuatan lembaran anoda LTO.

2. Bahan baku yang digunakan adalah serbuk LTO, PVDF dan Super P dengan pelarut N,N-Dimethylacetamide.

3. Variasi yang dilakukan dalam penelitian meliputi komposisi serbuk LTO dengan perbandingan 77:15:8 , 85:10:5 , dan 90:7:3.

4. Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini meliputi karakterisasi dari morfologi, gugus fungsional, reaksi kimia dan kapasitas sel baterai dengan anoda LTO.

1.6 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika dalam penulisan Skripsi ini mencakup beberapa bab dan subbab seperti dijelaskan di bawah ini:

BAB 1 : Pendahuluan

Bab ini terdiri atas latar belakang penelitian, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dalam penelitian, serta sistematika penulisan laporan penelitian.

BAB 2 : Tinjauan Pustaka

Bab ini berisi dasar-dasar teori yang terkait kajian dan analisa dalam penelitian, yakni teori baterai secara umum, baterai ion lithium, karakteristik dari masing-masing bahan baku pembuatan lembaran anoda dan beberapa perbandingan baterai berbahan baku serbuk LTO dengan baterai berbahan material yang lain.

BAB 3 : Metodologi Penelitian

Bab ini berisi tempat dan waktu penelitian, metode yang digunakan dalam penelitian meliputi bahan dan peralatan yang digunakan serta diagram alir penelitian.

BAB 4 : Hasil dan Pembahasan

Bab ini mencakup pembahasan dari hasil penelitian berupa hasil karakterisasi morfologi, gugus fungsi, cyclic voltammetry

dan charge/discharge.

BAB 5 : Kesimpulan dan Saran

Bab ini berisi kesimpulan yang diperoleh dari bab sebelumnya yaitu hasil dan pembahasan terkait tujuan dari penelitian. Dan juga saran yang diberikan untuk kajian lebih lanjut dari skripsi ini.

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Baterai

Ada dua jenis baterai, yaitu baterai primer dan sekunder atau disebut juga non-isi ulang dan isi ulang. Produksi baterai primer hanya dapat digunakan untuk sekali pemakaian, habis selama penggunaan dan kemudian dibuang. Sel yang dapat diisi ulang atau sel sekunder paling sering diproduksi dalam keadaan bermuatan, dan kemudian diisi sebelum penggunaan. Sementara sel primer yang digunakan hanya selama siklus pertama (primer), sel-sel sekunder yang digunakan dalam siklus sekunder dibebankan di antara keduanya. Produk hasil reaksi dalam sel primer memiliki energi stabil untuk membalikkan proses, tidak membalikkan reaksi asli, reaksi yang tidak diinginkan lainnya akan berlangsung sehingga sel-sel primer tidak dapat diisi ulang (Armand, 2008)

Produksi untuk baterai berbeda, tergantung pada aplikasi. Sementara susunan sel hibrida baterai membutuhkan daya yang tinggi untuk memanfaatkan energi, mobil listrik membutuhkan kepadatan energi yang tinggi untuk mendapatkan jarak tempuh yang lebih besar. Terdapat kriteria yang berbeda pada baterai tergantung pada aplikasi dan telah memberikan peluang untuk menemukan satu "solusi emas" yang terbaik untuk setiap situasi. Sebaliknya, untuk masa mendatang mungkin akan banyak baterai kimia yang berbeda dan disesuaikan dengan aplikasi bidang tertentu (Nordh, 2013).

Ketersediaan bahan adalah masalah besar bagi baterai isi ulang. Bahan aktif dapat bereaksi pada situasi yang tidak diinginkan secara perlahan-lahan, dari waktu ke waktu, menyebabkan kapasitas baterai menurun, sehingga membuat efisiensi baterai menurun. Penurunan efisiensi pada baterai ini tergantung pada jumlah siklus baterai. Hal ini bisa menjadi solusi tepat dalam aplikasi kendaraan listrik hibrida, karena baterai ini memiliki siklus yang panjang. Untuk mendapatkan kinerja yang baik dari baterai, maka siklus hidup dari baterai harus diperpanjang (Nordh, 2013).

2.1.1 Bagaimana Baterai Beroperasi

Banyak reaksi kimia yang melibatkan transfer elektron sehingga material aktif yang terlibat mengalami perubahan dalam keadaan oksidasi yang disebut reaksi redoks. Dalam reaksi redoks, salah satu material aktif teroksidasi dengan memberikan elektron sehingga bilangan oksidasi naik dan material aktif lain berkurang dengan menerima elektron dan dengan demikian mengurangi bilangan oksidasinya. Secara fisik, reaksi oksidasi terpisah dari reaksi reduksi dan membawa elektron melalui sirkuit eksternal sehingga elemen galvanik (atau sel baterai) terbentuk. Selama elektron bergerak melalui sirkuit eksternal maka akan ada arus yang dapat digunakan, sebagai contohnya kekuatan bola lampu di senter. Tujuan dari semua baterai adalah untuk mengkonversi energi kimia yang tersimpan menjadi energi listrik (Nordh, 2013).

Setiap reaksi redoks memiliki tegangan tertentu. Ada nilai mutlak praktis untuk potensial ini, sehingga sistem pengukuran relatif digunakan sebagai gantinya. Dalam referensi ini, potensial keseimbangan reaksi antara proton dan gas hidrogen diatur ke nol.

2H + + 2 e- → H2 (g) (2.1) Untuk mengukur potensi reaksi lain, percobaan diatur di mana persamaan (2.1) didefinisikan sebagai anoda dan reaksi lain sebagai katoda, dan diukur potensial antara dua reaksi ekuilibrium. Potensi reaksi tersebut tergantung pada suhu, tekanan dan aktivitas reaktan, sehingga tidak praktis untuk tabulasi semua nilai saat adanya faktor-faktor tersebut. Potensi standar diukur terhadap persamaan (2.1) di bawah satu variabel tetap seperti suhu, tekanan, dan nilai yang terukur. Kondisi ini menjelaskan bahwa potensial suhu dan tekanan normal (NTP) pada reduksi standar. Karena pada persamaan (2.1) didefinisikan sebagai anoda, berarti keseimbangan yang diukur dilambangkan sebagai katoda dan potensial elektroda diberi tanda yang sesuai (+/-) (Nordh, 2013).

Dalam sel baterai, site reduksi disebut katoda dan site oksidasi disebut anoda. Elektroda yang bertindak sebagai anoda dan yang bertindak sebagai katoda ditentukan oleh bagaimana potensial reduksi standar berhubungan satu sama lain, dan dengan demikian yang lainnya lebih mudah teroksidasi. Elektroda dengan

potensial standar yang lebih tinggi akan bertindak sebagai katoda, dan potensial rendah sebagai anoda (Nordh, 2013).

Skema dasar baterai (menggunakan elektrolit Li-ion) ditunjukkan pada Gambar 2.1. Kedua elektroda dipisahkan oleh isolasi elektronik dan ionik yang terdapat pada elektrolit, ketika sedang terhubung dengan sebuah sirkuit eksternal maka elektron akan mengalir. Elektrolit biasanya berupa larutan garam. Jika elektrolit tidak mengalami isolasi elektronik, maka elektron akan diangkut melalui elektrolit bukan melalui sirkuit eksternal, dan baterai akan mengalami hubungan pendek, sehingga terjadi kerugian kapasitas. Namun demikian, banyak elektrolit yang memiliki beberapa konduktivitas elektronik yang rendah. Sementara penghantar ini tidak cukup untuk baterai pada sirkuit pendek dan discharge

dengan cepat, kondisi ini akan menyebabkan discharge pada baterai itu sendiri lambat dari waktu ke waktu, sehingga waktu penyimpanan pada baterai terbatas. (Nordh, 2013)

Gambar 2.1. Skema sederhana dari baterai Lithium ion

Gambar 2.1 menampilkan skema baterai yang sangat sederhana dengan komponen utama: anoda, katoda dan elektrolit. Perjalanan ion melalui elektrolit dari anoda ke katoda dan elektron melalui sirkuit eksternal. Namun, ada beberapa lagi komponen yang diperlukan untuk sebagian besar baterai praktis. Skema kerja baterai yang lebih lengkap dapat dilihat pada Gambar 2.2. Elektroda membutuhkan separator mekanis, jika tidak ada separator maka baterai akan mengalami arus pendek dan bisa hancur. Elektrolit cair lebih disukai karena konduktivitas ionik yang tinggi, tetapi elektrolit cair kurang stabil untuk

mencegah kontak antara elektroda. Sehingga separator menjadi solusi untuk hal ini, polimer atau serat gelas berpori sering direndam dengan cairan elektrolit untuk menggabungkan pemisahan fisik dan konduktivitas ionik. Elektroda bahan aktif itu sendiri merupakan konduktor elektronik yang buruk, sehingga elektroda menjadi bahan komposit dengan aditif yang meningkatkan konduktivitas. Kolektor memberikan kontak yang baik antara elektroda dan sirkuit eksternal. (Winter, 2004)

Gambar 2.2. Skema lengkap dari baterai Lithium ion

Dari Gambar 2.2. dapat dilihat dalam sebuah wadah, anoda dan katoda dipisahkan oleh separator dan direndam dalam elektrolit. Kolektor yang dihubungkan dengan kontak akan menyediakan sambungan ke sirkuit eksternal. Berikut dua formula dari NTP potensial reduksi standar:

O2(g) + 4H+ + 4e- 2H2O E = + 1,229 V (2.2) 2H2O + 2e- H2 (g) + 2OH-(aq) E = -0.83 V (2.3) ditunjukkan bahwa setiap baterai berisi air hanya memiliki jendela potensial stabil antara -0,83 V dan 1,229 V tanpa menghasilkan hidrogen atau oksigen gas. Kebanyakan baterai ion lithium komersial memiliki anoda dengan potensial kerja di bawah -0,83 V, oleh karena itu penting untuk menghindari terjadinya hubungan dengan gas beracun dalam air ketika perangkat baterai ion lithium bekerja.

Ada beberapa cara untuk menaikan spesifikasi dari baterai. Energi dapat dinyatakan dalam energi spesifik yang diukur dalam Wh/kg atau kepadatan energi diukur dalam Wh/L, juga disebut energi gravimetri dan volumetric density. Listrik dinyatakan dalam daya spesifik (W/kg) dan kerapatan daya (W/L). Kekuatan khusus/densitas daya dan energi spesifik/kepadatan energi dari baterai dapat diubah oleh desain sel. Lapisan tebal bahan elektroda memberikan energi yang tinggi karena peningkatan jumlah bahan aktif, tapi ini juga meningatkan panjang difusi untuk ion dalam materi yang pada gilirannya dapat menurunkan daya. Begitu juga sebaliknya, lapisan tipis elektroda memberikan jalur difusi pendek dan lebih berpengaruh, tetapi mereka mengandung bahan yang kurang aktif dan akibatnya kandungan energi menurun. Dengan demikian, peningkatan satu sifat bahan sering datang dari bahan lainnya (Nordh, 2013).

2.1.2 Desain baterai

Meskipun ada banyak konfigurasi sel, pemakaian baterai yang paling umum adalah dalam bentuk sel koin, sel gulung, sel prismatik, dan sel datar (Winter, 2004 ; Dell, 2000 ; Tarascon, 2001). Desain sel koin adalah desain lurus ke depan di mana elektroda sejajar satu sama lain. Elektroda ini dipisahkan biasanya dengan lembar polietilen (separator) yang berisi elektrolit cair. Bahan-bahan ini ditempatkan dalam kaleng logam silinder tipis yang disegel oleh tutup logam. Untuk mencegah hubungan listrik arus pendek, gasket polimer digunakan untuk tutup kaleng. Dengan demikian, biasanya tiang satu untuk elektroda sementara tutupnya adalah tiang elektroda lain dari sel. Nama desain ini berasal dari casingnya yang menyerupai koin. Desain yang paling umum kedua adalah desain sel gulung. Desain ini menggunakan strip panjang elektroda dan separator dalam gulungan dan dapat ditempatkan dalam silinder panjang. Sebuah sistem yang sama yang digunakan untuk menutup desain sel koin juga digunakan dalam sel ini. Sel prismatik mirip dengan sel silinder dalam sel gulung yang datar. Desain sel datar mengandung bolak piring elektroda dan separator. Setiap lempeng elektroda memiliki tab yang masing-masing dilas ke semua tab lain elektroda.

Gambar 2.3 (1-4 (a-d)) menyajikan empat desain sel umum dari referensi (Tarascon, 2001).

Gambar 2.3 Empat desain sel umum baterai: a. silinder, b. koin, c. prismatik, dan d. datar (Tarascon, 2001)

2.2. Baterai Ion Lithium

Baterai lithium pertama kali diusulkan pada tahun 1976 dan telah banyak digunakan dalam aplikasi portable sejak awal 1990-an. Dalam beberapa tahun terakhir, tingginya harga minyak telah memberikan inisiatif bagi para peneliti untuk melihat ke dalam teknologi baterai baru yang dapat digunakan dalam aplikasi kendaraan listrik. Di Kalangan baterai lithium, ada tiga kategori pembagian, yaitu: logam lithium, lithium polymer dan ion lithium. (Whittingham, 1976)

Lithium ion tidak memiliki definisi kimia yang unik seperti asam timbal, nikel metal hidrida atau Baterai Nickel Cadmium. Sebuah sel lithium ion memiliki tiga utama komponen: elektroda positif (katoda), elektroda negatif (anoda) dan separator. Di setiap sel memiliki kelebihan dan kekurangan. Di satu sisi, berbagai

bahan katoda dan anoda memberikan fleksibilitas untuk merancang baterai untuk kebutuhan aplikasi yang spesifik, namun di sisi lain dalam jumlah yang besar, kemungkinan menimbulkan kebingungan pada reaksi kimia tertentu yang dikembangkan dan berhasil diuji di lapangan. (Whittingham, 1976)

Berbagai pilihan yang tersedia untuk masing-masing komponen (manfaat dan kerugian) dijelaskan secara rinci di bawah ini. Karakteristik listrik dan kinerja baterai seperti tegangan, kapasitas, kepadatan energi, tingkat kemampuan, siklus hidup, dan lama hidup akan berubah sebagai salah satu konsekuensi dalam memilih bahan yang berbeda untuk anoda, katoda, elektrolit dan separator. Seperti yang akan ditampilkan nanti, tidak ada satu kombinasi tertentu komponen sel tersebut yang dapat memenuhi setiap kebutuhan di semua aplikasi. Harus memilih salah satu dan memodifikasi komponen sel untuk memenuhi kebutuhan aplikasi. Selain itu, kita juga dapat merubah komposisi bahan katoda dan anoda, ukuran partikel dan morfologi untuk mencapai kinerja baterai tertentu. (Whittingham, 1976)

Gambar 2.4. Perbandingan keunggulan dari masing-masing jenis baterai (Whittingham, 1976)

Gambar 2.4 menunjukkan berbagai perbandingan teknologi baterai yang berbeda dalam hal kepadatan energi volumetrik (Wh/L) dan kepadatan energi gravimetri (Wh/kg). Seperti dapat diamati pada Gambar 2.4, baterai lithium jauh

merah menunjukkan berbagai teknologi baterai lithium baru dengan kinerja baterai yang unik. Seperti yang dilihat bahwa baterai lithium merupakan baterai yang memiliki aliran paling besar di antara semua teknologi penyimpanan energi. (Whittingham, 1976)

2.2.1 Spesifikasi Kimia Baterai Ion Lithium

Sejak komersialisasi baterai Lithium-ion yang dapat diisi ulang di awal tahun 1990-an, lithium berbasis kimia memiliki pangsa yang semakin meningkat dari pasar baterai global. Ini karena lithium memiliki beberapa sifat kimia dan fisik yang jauh lebih baik dari yang diinginkan. Pertama, lithium adalah unsur yang paling elektronegatif dalam pengurangan potensi standar seri NPT dengan potensial elektroda negatif -3,05 V. Hal ini memungkinkan untuk memproduksi baterai dengan tegangan hingga 6 V, meskipun 3-3,5 V adalah rentang tegangan yang paling umum untuk baterai lithium. Hasil tegangan tinggi dalam baterai mampu melakukan lebih banyak pekerjaan dengan jumlah pembawa muatan yang sama, baterai memiliki energi spesifik yang lebih tinggi dari sel yang setara dengan tegangan yang lebih rendah. Kedua, lithium adalah salah satu unsur yang paling ringan dan terkecil dalam tabel periodik. Hal ini lebih mempermudah untuk membuat desain baterai yang lebih ringan dan lebih kecil, dan akibatnya lithium memiliki kepadatan energi gravimetri dan volumetrik yang lebih tinggi dari sel yang setara dengan elemen yang lebih berat. Jari-jari ionik yang kecil juga membuat baterai lithium relatif lebih mudah untuk menemukan bahan interkalasi yang baik (Nordh, 2013).

Logam lithium murni akan menghasilkan energi volumetrik dan gravimetri tertinggi untuk baterai lithium. Logam lithium sendiri adalah elektronik konduktif yang memiliki sifat mekanik yang baik, sehingga tidak ada tambahan yang diperlukan. Dengan adanya elektrolit dalam baterai, lithium memiliki energi spesifik yang lebih tinggi. Namun, dengan menggunakan logam lithium menimbulkan masalah besar dalam sel sekunder. Setelah pengisian, ketika ion lithium kembali pindah ke lithium logam foil, pembentukan dendrit dapat diamati. Setelah berulang dendrit ini dapat tumbuh ke sisi positif dari baterai dan dengan

demikian terjadi arus pendek pada baterai, dalam skenario kasus terburuk mungkin terjadi ledakan. Masalah keamanan ini terlalu besar untuk diabaikan, dan karena itu alternatif sumber lithium perlu digunakan. Ketika memecahkan masalah dengan dendrit yang berhubungan dengan lithium logam, banyak jalan alternatif yang dieksplorasi, dan hasil yang paling menjanjikan berasal dari senyawa interkalasi. Suatu senyawa interkalasi bekerja sebagai matriks tempat di mana ion lithium disimpan. Struktur host materi secara keseluruhan tidak berubah ketika dimasukkan lithium dalam senyawa interkalasi; lithium sebaliknya menemukan lubang dalam struktur di mana ia dapat disimpan (Nordh, 2013).

Salah satu elektroda negatif yang paling umum digunakan dalam baterai saat ini adalah grafit. Atom-atom karbon dalam grafit tersusun dalam lapisan halus dengan ikatan van der waals. Atom lithium kemudian dapat bergerak antara lapisan tersebut dan disimpan (lihat Gambar 2.5). Di tengah lapisan terdapat cincin karbon yang memungkinkan satu atom lithium dapat disimpan dalam enam karbon dan membentuk LiC6. Masalah keamanan dapat diatasi karena bahan interkalasi yang umumnya tidak mengalami pembentukan dendrit, namun berpengaruh pada energi dan daya spesifik (Nordh, 2013).

Gambar 2.5. Skema dari bahan elektroda dalam baterai Li-ion (Nordh, 2013) Dari Gambar 2.5 dapat dilihat bahan elektroda menggunakan logam lithium oksida katoda dan anoda grafit. Lithium diselingi antara lapisan grafit saat

Baterai yang paling umum, lithium-ion memiliki grafit sebagai anoda, bekerja pada -2.5 V vs elektroda hidrogen standar, dan bahan interkalasi lain, umumnya oksida logam transisi, sebagai katoda bekerja sekitar 1,0 V. Memiliki satu elektroda yang bekerja pada -2.5 V dan yang lainnya di 1,0 V, sehingga total potensial di mana baterai beroperasi adalah 3,5 V. Potensial ni memang cukup besar untuk membuat elektrolit tetap stabil secara kimiawi dari kedua reaksi, oksidasi dan reduksi. Bahkan, sebagian besar elektrolit tidak stabil dalam potensial yang ada dalam baterai lithium (Xu, 2004). Yang paling sering terjadi adalah anoda akan bertindak sebagai katalis dan garam organik dalam elektrolit bereaksi membentuk zat baru pada permukaan anoda. Layer baru ini bersifat pasif pada permukaan elektroda, sehingga mencegah reaksi lebih lanjut dalam elektrolit. Lapisan ini disebut Solid Electrolyte Interface (atau SEI) (Nordh, 2013).

Gambar 2.6. Kemungkinan komposisi lapisan SEI pada anoda grafit dalam baterai Li-ion (Nordh, 2013).

Pada Gambar 2.6 dapat dilihat kemungkinan kombinasi bahan di lapisan SEI pada grafit, dengan ketebalan yang khas. SEI bermanfaat bagi baterai, dalam arti bahwa SEI merupakan elektroda pasif yang bereaksi dengan elektrolit, tetapi juga memiliki beberapa kelemahan. Difusi ion dapat diturunkan dengan lapisan SEI, sehingga mengurangi daya maksimum yang dapat diekstraksi dari baterai. Pembentukan lapisan SEI juga mengkonsumsi bahan aktif, sehingga mengurangi kapasitas baterai. Selain itu, selama interkalasi dan deinterkalasi, bahan dasar sering mengalami perubahan volume. Perubahan volume ini akan membentuk retakan di SEI dan SEI baru akan terbentuk pada saat terjadi retakan. Setelah ini

terjadi berulang-ulang, maka perlahan-lahan akan mengurangi kapasitas dari baterai (Winter, 2004 ; Palacin, 2009).

2.2.2 Bahan Dalam Baterai Ion Lithium

Untuk penggunaan akhir, mungkin kadang-kadang tampak seperti hanya ada satu jenis baterai ion lithium, tetapi kenyataannya ada beberapa sel kimia yang berbeda dari sel ion lithium. Anoda standar di sebagian besar sel komersial saat ini adalah grafit. Namun, bahan katoda dan elektrolit bervariasi secara substansial dalam sel, bersama-sama dengan formulasi komposit elektroda, ukuran partikel bahan aktif, dan lain-lain (Nordh, 2013).

Elektrolit dalam sel komersial memiliki sejumlah aditif untuk meningkatkan kinerja baterai dan keselamatan, resep khusus untuk sebagian besar elektrolit komersial menjadi rahasia yang dijaga ketat. Secara umum, kebanyakan elektrolit komersial mengandung karbonat organik dan garam lithium, di mana LiPF6 adalah garam yang paling umum digunakan (Nordh, 2013).

Grafit umumnya digunakan untuk kinerja yang cukup baik, dengan biaya rendah, tetapi untuk memenuhi kebutuhan baterai kedepannya, semakin banyak penelitian yang sedang dilakukan pada bahan anoda alternatif untuk meningkatkan kinerja keseluruhan baterai Li-ion. Salah satu anoda yang mungkin adalah Li4Ti5O12: Lithium-Titanat Oxide, LTO. Bahan LTO telah dikenal untuk waktu yang lama, namun telah mengalami peningkatan jumlah dalam beberapa tahun terakhir. LTO dipelajari dalam penelitian superkonduktor di tahun 1980-an (Ronci, 2002), dan kemudian ditemukan bahwa LTO dapat berinterkalasi dalam proses reversibel. Kemudian studi menemukan bahwa LTO adalah bahan zero -regangan (Ronci, 2002 ; Colbow, 1989), yang dalam teori harus memungkinkan pemakaian arus yang sangat tinggi/charge. Jika tidak terjadi perubahan volume, proses charge/discharge tidak dibatasi oleh gerakan dalam materi, dan dengan demikian tidak harus memblokir jalan difusi ionik, yang pada gilirannya akan mencapai kapasitas tinggi pada arus yang tinggi. LTO menampilkan stabilitas pengiriman daya yang sangat baik, yang akan membuat komponen ideal dalam baterai kendaraan listrik hibrida (Nordh, 2013).

2.3. Baterai Lithium Titanium Oksida (Li4Ti5O12)

Baterai dengan anoda lithium titanat telah dikenal sejak 1980-an. Li-titanate menggantikan grafit di anoda baterai lithium-ion yang khas dan bentuk-bentuk materi dalam struktur spinel.

2.3.1. Spinel Lithium Titanium Oksida 2.3.1.1. Gambaran struktural

Spinel Lithium Titanium Oksida (Li4Ti5O12) digunakan sebagai anoda pada baterai ion lithium pada satu fase dalam sistem terner Li-Ti-O. Ini terdapat pada satu titik akhir yang berhubungan dengan fase spinel LiTi2O4. Dalam spinel Li4Ti5O12, 1/6 dari ion Ti disubstitusi oleh ion Li+. Dengan demikian, dalam notasi spinel, rumus empiris Li[Li1/3Ti5/3]O4 dimana kation dalam kurung merupakan kation pada situs oktahedral (Harrison, 1985).

2.3.1.2. Pembuatan Li4Ti5O12 (LTO)

Banyak kelompok yang telah melaporkan produksi bahan ini. Pada intinya, dua rute telah dieksplorasi. Rute pertama adalah reaksi solid-state antara TiO2 dan garam Li. Reaksi solid-state menggunakan campuran prekursor menyeluruh yang dipanaskan sampai sekitar 800oC di udara selama 24 jam. Bahan yang dihasilkan adalah bubuk putih yang berstruktur spinel. Rute ini adalah yang paling mudah untuk produksi bahan ini dan ukuran partikel rata-rata produk tersebut dalam kisaran 5 sampai 10 mikron (Peramunage, 1998 ; Wang, 1999 ; Zaghib, 1999). Rute kedua adalah metode sol-gel yang dilaporkan oleh Bach et al. (Bach, 1998-1999). Metode ini menggunakan Ti-isopropoxide dicampur dengan lithium asetat. Produk hasil hidrolisis Ti-isopropoxide berupa zat putih susu. Campuran ini dikeringkan dan dipanaskan sampai 500oC di udara untuk membentuk bubuk spinel (Simon, 2007).

2.3.1.3. Karakteristik elektrokimia

Li4Ti5O12 biasanya digunakan sebagai elektroda anoda dan memiliki kapasitas teoritis 175 mAh/g. Dengan menggunakan rumus empiris Li4Ti5O12, spinel ini dapat menerima hingga 3 mol atom Li untuk membentuk Li7Ti5O12 pada charge. Penurunan ini reversibel setelah pengisian dan bahan teroksidasi kembali ke Li4Ti5O12. Persamaan (2.4) menggambarkan reaksi reduksi dan oksidasi (Simon, 2007).

Li4Ti5O12 + 3Li+ + 3e-↔ Li7Ti5O12 (2.4) Kinerja elektrokimia bahan ini agak unik, jika dibandingkan dengan bahan interkalasi lainnya. Salah satu fitur uniknya adalah potensi datar (sekitar 1.55 V vs logam Li) lebih dari 90% untuk kapasitas saat interkalasi dan deinterkelasi ion Li+. Polarisasi juga kurang penting jika dibandingkan dengan elektroda oksida logam lainnya pada rapat arus yang sama. Hal ini diyakini bahwa rata-rata potensi region substansial terdiri dari dua tahap, yaitu Li4Ti5O12 dan Li7Ti5O12, yang selalu hadir pada charge dan discharge (Colbow, 1989 ; Ohzuku, 1995).

Fitur unik yang lain adalah perubahan volume sangat kecil ketika material ion Li+ ini mengalami interkalasi dan deinterkalasi sebagai sel discharge dan

charge. (Ohzuku, 1995)

2.3.2. Keuntungan dan Kerugian anoda Li4Ti5O12 (LTO)

LTO menawarkan keuntungan dalam hal kekuasaan dan stabilitas kimia, tetapi baterai berbasis LTO memiliki tegangan rendah: 2.5 V vs LiCoO2 dan 1.9 V vs LFP. Namun demikian, tegangan operasi yang lebih rendah membawa keuntungan yang signifikan dalam hal keselamatan. Selanjutnya, baterai ini dapat diisi ulang dengan cepat. Data menunjukkan bahwa baterai ini dapat dengan aman dikenakan tarif lebih tinggi dari 10 C. Ini berarti baterai dapat diisi dalam waktu kurang dari 10 menit. Baterai berbasis LTO juga memiliki luas rentang suhu operasi dan efisiensi mengisi ulang melebihi 98%. Meskipun kepadatan energi dari baterai berbasis LTO rendah dibandingkan dengan baterai ion lithium lain, masih lebih tinggi dari asam timbal dan baterai NiCad. Ada banyak aplikasi di mana baterai asam timbal dan baterai NiCad digunakan dalam hubungannya

dengan generator. Perubahan volumetrik selama pengisian dan pengosongan sangat kecil dibandingkan dengan karbon dan memberikan siklus hidup lebih lama. Baterai berbasis LTO memberikan kinerja yang jauh lebih baik pada suhu rendah dibandingkan dengan baterai berbasis karbon. Kehidupan siklus besar dan kemampuan tingkat tinggi baterai berbasis LTO juga membawa keuntungan unik dalam aplikasi di mana keandalan kisi rendah. Ketika jaringan listrik tersedia, baterai dapat diisi dengan cepat dan dikosongkan dengan lambat. Ini akan menghemat sejumlah besar biaya dalam hal diesel dan sering penggantian baterai VRLA. Untuk kendaraan listrik, kemampuan mengisi ulang cepat membuat perbedaan besar dalam waktu mengisi ulang dibandingkan dengan bahan kimia lainnya. 10 menit untuk baterai berbasis LTO dibandingkan dengan 8 jam untuk bahan kimia tertentu. (Whittingham, 1976)

2.4. Bahan Baku

Bahan baku yang digunakan dalam pembuatan lembaran anoda adalah sebagai berikut:

2.4.1. Serbuk Li4Ti5O12 (LTO)

Sifat fisik dan kimia dari serbuk LTO adalah: berbentuk padat (serbuk), berwarna putih, tidak berbau, titik lelehnya > 1,000 °C (> 1,832 °F).

Efek terhadap kesehatan jika terjadi kontak terhadap bahan ini adalah jika terkena kulit dapat menyebabkan iritasi kulit, kerusakan mata serius / iritasi mata, mungkin berbahaya bila terhirup yang dapat menyebabkan iritasi saluran pernafasan dan berbahaya jika tertelan. Gejala paling penting dari efek kesehatan tersebut adalah pusing, iritasi, batuk dan sesak nafas.

Tindakan pertolongan pertama jika terjadi kontak yaitu, jika tidak bernapas berikan napas buatan. Jika kontak dengan kulit maka cuci menggunakan sabun dengan air yang banyak. Cari bantuan medis jika iritasi berkembang. Jika terjadi kontak dengan mata maka segera basuh mata dengan air selama minimal 15 menit. Jika tertelan maka jangan pernah memberikan apapun melalui mulut kepada orang yang tidak sadar. Bilas mulut dengan air. (MSDS LTO)

Tabel 2.1 Spesifikasi serbuk LTO

Item Unit Content

D10 µm 1.09

50 µm 1.9

D90 µm 4.24

Dmax µm 34

Tap Density g/ml 1.50

Spesifik luas permukaan m2/g 1.0~2.0

Kemurnian % >98

Kapasitas pada pemakaian 0.5C mAh/g >161.2

Tingkat coulomb pada siklus pertama % 95.5

Kapasitas pada pemakaian 1C mAh/g >150.2

Kapasitas pada pemakaian 10C mAh/g >126.1

Kapasitas pada pemakaian 1C dibagi dengan kapasitas pada pemakaian 0.5C

% 93.2

2.4.2. PVDF

Polyvinylidene fluoride atau Polyvinylidene difluorida (PVDF) adalah bahan

polimerisasi yang berbahaya dengan rumus kimia C2H2F2. PVDF memiliki karakteristik kimia dan fisika sebagai berikut: berbentuk pellet, berwarna putih dan tidak berbau, berat jenis 1,76 - 1,80, kelarutan dalam air dapat diabaikan, Hidrogen Fluorida (HF) memiliki NAB 3 ppm, titik lelehnya 165 °C (329 °F), tekanan uap 20 hPa (15 mmHg) pada 32°C (90°F) , densitasnya 1,78 g/mL pada 25°C (77°F).

Bahan ini stabil secara kimiawi di bawah kondisi penyimpanan dan penanganan yang normal serta dapat diantisipasi. Meskipun tidak begitu berbahaya dalam kondisi penanganan normal, tetapi jika bahan ini dipanaskan lebih dari 600oF (315oC) maka akan diproduksi suatu produk penguraian yang berbahaya dan evolusi HF menjadi cepat pada suhu 700oF (370oC). Produk penguraian yang berbahaya tersebut berupa hidrogen fluorida dan oksida karbon dengan konsentrasi suhu dan lama pemanasan yang bervariasi.

Hasil dekomposisi dari Hidrogen Fluorida (HF) tersebut sangat korosif dan dapat menyebabkan luka bakar parah yang mungkin tidak segera terlihat atau menyakitkan. Paparan HF dapat berakibat fatal jika diserap melalui kulit, terhirup atau tertelan. Dalam semua kasus paparan hidrogen fluorida utama (termasuk luka bakar pada kulit pada telapak tangan) mengakibatkan hipokalsemia. Pasien dengan luka bakar pada leher atau wajah, atau dengan tanda-tanda iritasi pernafasan, harus dipantau untuk edema paru, dan edema saluran napas pada pernafasan obstruksi. Perawatan pernapasan harus diawasi secara teliti dan lebih lanjut diberikan sebesar 2,5% kalsium glukonat oleh nebulization. Jika rasa sakit terus berlanjut lebih dari 30 menit, pertimbangkan untuk menyuntikkan kalsium glukonat (5%) ke dalam jaringan kulit di sekitar daerah yang terkena. Pada saat proses pemakaian produk, diharuskan pada ruangan yang memiliki ventilasi memadai. Simpan pada wadah tertutup rapat. Hindari dari menghirup asap atau uap pengolahan. (MSDS PVDF)

2.4.3. Super-P

Super P adalah campuran superplasticizing yang dapat mengurangi jumlah air yang dibutuhkan tanpa mempengaruhi konsistensi campuran. Aplikasi utama yang dibuat yaitu di pabrik perkerasan, beton dan lembaran. Manfaat dari penggunaan bahan Super-P adalah meningkatkan campuran plastisitas untuk penanganan lebih mudah dan cepat, meningkatkan daya tahan dan kekuatan, mengurangi penyusutan, membuatnya lebih mudah untuk mendapatkan permukaan halus dan mengurangi permeabilitas. Pemakaian bahan Super-P harus pada saat yang sama dengan agregat kering. Campur selama satu menit untuk memastikan dispersi lengkap. Super-P harus ditambahkan secara terpisah dari admixtures lainnya.

Sifat fisik dan kimia dari bahan Super-P adalah bahan ini berupa serbuk berwarna hitam, baunya tidak menyengat, densitas: 0.6 g/mL, pH: 7-10, Viskositas: 22,5 cst pada suhu 40oC, bersifat stabil, tidak cocok bila disatukan dengan asam dan zat pengoksidasi kuat, bersifat korosif, kelarutan dalam air: sebagian larut.

Efek terhadap kesehatan dapat menyebabkan iritasi mata atau iritasi kulit, berpotensi pada efek kesehatan choronic: studi pada hewan menunjukkan bahwa dietilen glikol monobutil eter memiliki efek reversibel pada organ manusia seperti hati, ginjal, sistem darah.

Pertolongan pertama jika terjadi kontak mata yaitu basuh segera dengan air selama minimal 15 menit, jika kontak dengan kulit: cuci dengan sabun dan bilas dengan air, segera hubungi dokter jika iritasi berkembang. Jika terjadi inhalasi pindahkan ke udara segar, jika napas terhenti, berikan napas buatan. (MSDS Super-P)

2.4.4. N,N-DMAC (N,N-Dimethylacetamide)

N,N-DMAC merupakan bahan kimia yang umumnya digunakan dalam penyusunan formula kimia untuk aplikasi industri, pembuatan zat kimia lain (digunakan sebagai perantara), dan sebagai pelarut dalam proses industri.

Sifat fisik dan kimia dari N,N DMAC adalah bahan ini berupa cairan tak berwarna hingga kuning dan memiliki bau amonia lemah, memiliki titik beku -20°C dan titik didih 165-166°C, non-eksplosif namun dianggap sebagai cairan yang tidak mudah terbakar. Nilai pH 4 (200g/l , 20°C), titik lebur -20°C, flash point 64.0°C. Batas ledakan bawah 5-15°C dibawah titik nyala. Batas ledakan atas nyala pada suhu 345°C. Tekanan uap 2,0 mbar (20°C), densitas 0.94 g/cm3 (20°C), kepadatan relatif 0.94. Koefisien Partisi noctanol/air (log Pow) -0.77 (25°C) , dekomposisi termal 420°C, > 120 kJ/kg. Viskositas dinamis 0,92 mPa.s (25°C). Kelarutan dalam air > 1.000 g/l (20°C), massa molar 87.12 g/mol.

Efek terhadap kesehatan yaitu: Berbahaya bila terhidup yang mengakibatkan toksisitas akut, berbahaya jika kena kulit, mungkin berbahaya jika tertelan, tidak menyebabkan iritasi pada kulit, dapat menimbulkan iritasi pada mata jika terkena, tidak dianggap sensitif, tidak dianggap mutagenik, tidak dianggap karsinogenik, dapat menyebabkan keracunan setelah paparan berulang.

2.4.5. Cu Foil

Sifat fisik dan kimia dari Cu foil yaitu: berbentuk padat dalam lembaran, berwarna keemasan, tidak berbau dan memiliki densitas 8.9 g/cm3. Adhesive acrylic bersifat konduktif, ketebalan berkisar 1,4 mil (0,04mm) dan tebal total (ASTM D1000) 3,5 mils (0,088mm). Pertambahan panjang 5%. Kekuatan adhesi (ASTM D3330) 35 oz (3.8 N / 10 mm). Rentang suhu -40ºC sampai +130ºC.

Efek kesehatan yang dapat merugikan manusia yaitu: debu pada proses inhalasi dapat menyebabkan iritasi. Jika terjadi kontak dengan debu dari bahan maka dapat menyebabkan iritasi pada mata.

Perlindungan tangan dapat dilakukan dengan menggunakan sarung tangan untuk melindungi tangan dari tepi lembaran tembaga yang tajam selama penanganan material. Perlindungan Pernapasan: Jika ada debu atau asap, menggunakan respirator sesuai dengan standar NIOSH/MSHA. Perlindungan mata: dapat mengunakan kacamata pengaman. Perlindungan kulit dan tubuh dengan memakai pakaian bersih atau sarung tangan pelindung. Simpan jauh dari kelembaban dan tetap di bawah suhu 25oC & 60% RH untuk mencegah dari oksidasi.

2.5. Karakterisasi

Karakterisasi yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi:

2.5.1. Karakterisasi morfologi komposit lembaran anoda dengan SEM-EDS

Scanning Electron Microscopy (SEM) dilakukan sebagai analisis pendahuluan untuk mendapatkan visualisasi sampel. SEM bekerja dengan membombardir sampel dengan elektron berenergi tinggi yang menyebabkan elektron keluar dari dalam sampel dan elektron yang keluar tersebut akan dideteksi oleh detektor, yang disebut elektron sekunder. Elektron sekunder memiliki energi rendah dan mudah berhenti, dan oleh karena itu metode analisis sangat sensitif terhadap topografi. Dengan menghitung data yang diterima dengan metode ini, representasi visual, yaitu, mikrograf sebuah sampel dapat dihasilkan.

Prinsip kerja dari SEM adalah sebagai berikut:

1. Sebuah pistol elektron memproduksi sinar elektron dan dipercepat dengan anoda.

2. Lensa magnetik memfokuskan elektron menuju ke sampel.

3. Sinar elektron yang terfokus memindai (scan) keseluruhan sampel dengan diarahkan oleh koil pemindai.

4. Ketika elektron mengenai sampel maka sampel akan mengeluarkan elektron baru yang akan diterima oleh detektor dan dikirim ke monitor (CRT).

Secara lengkap skema SEM dijelaskan oleh gambar dibawah ini:

Gambar 2.7. Prinsip kerja SEM (Sumber: Encyclopedia Britannica, Inc, 2008)

Ada beberapa sinyal yang penting yang dihasilkan oleh SEM. Dari pantulan inelastis didapatkan sinyal elektron sekunder dan karakteristik sinar X sedangkan dari pantulan elastis didapatkan sinyal backscattered electron.

Ada SEM yang dilengkapi dengan fasilitas EDS yang dihasilkan dari karakteristik Sinar X, yaitu dengan menembakkan sinar X pada posisi yang ingin kita ketahui komposisinya. Maka setelah ditembakkan pada posisi yang diinginkan maka akan muncul puncak – puncak tertentu yang mewakili suatu unsur yang terkandung. Dengan EDS juga bisa membuat elemental mapping (pemetaan elemen) dengan memberikan warna berbeda – beda dari masing – masing elemen di permukaan bahan. EDS bisa digunakan untuk menganalisa

secara kunatitatif dari persentase masing – masing elemen. (materialcerdas.wordpress.com)

2.5.2. Karakterisasi gugus fungsional dengan FTIR (Fourier Transform Infrared)

Spektrofotometri infra-merah merupakan alat rutin dalam penemuan gugus fungsional, pengenalan senyawa, dan analisa campuran. Kebanyakan gugus, seperti C-H, O-H, C=N, dan C=N, menyebabkan pita absorpsi infra-merah, yang berbeda sedikit dari satu molekul ke yang lain tergantung pada substituen yang lain (Day dan Underwood,1990).

Pancaran infra-merah pada umumnya mengacu pada bagian spektrum elektromagnet yang terletak di antara daerah tampak dan daerah gelombang mikro. Bagi kimiawan organik, sebagian besar kegunaannya terbatas di antara 4000 cm-1 dan 666 cm-1 (2,5 – 15,0 μm). Akhir-akhir ini muncul perhatian pada daerah infra-merah dekat, 14.290 – 4000 cm-1 (0,7 – 2,5 μm) dan daerah infra -merah jauh, 700 – 200 cm-1 (14,3 –50 μm) (Silverstein, dkk., 1986).

Spektrofotometri infra-merah juga digunakan untuk penentuan struktur, khususnya senyawa organik dan juga untuk analisis kuantitatif, seperti analisa kuantitatif pencemaran udara, misalnya karbon monoksida dalam udara dengan teknik non-dispersive (Khopkar, 2003).

Pada dasarnya Spektrofotometri FT-IR (Fourier Trasform Infra Red) adalah sama dengan spektrofotometri IR dispersi, yang membedakannya adalah pengembangan pada sistim optiknya sebelum berkas sinar infra-merah melewati sampel.

Cara Kerja Alat Spektrofotometer FTIR

Sistem optik Spektrofotometer FT-IR seperti pada gambar dibawah ini dilengkapi dengan cermin yang bergerak tegak lurus dan cermin yang diam. Dengan demikian radiasi infra-merah akan menimbulkan perbedaan jarak yang ditempuh menuju cermin yang bergerak (M) dan jarak cermin yang diam (F). Perbedaan jarak tempuh radiasi tersebut adalah 2 yang selanjutnya disebut sebagai retardasi ( δ ). Hubungan antara intensitas radiasi IR yang diterima detektor

terhadap retardasi disebut sebagai interferogram. Sedangkan sistem optik dari Spektrofotometer IR yang didasarkan atas bekerjanya interferometer disebut sebagai sistem optik Fourier Transform Infra Red.

Gambar 2.8. Skema sistem kerja dari FTIR (Sumber:http://persembahanku.wordpress.com)

Pada sistem optik FT-IR digunakan radiasi LASER (Light Amplification

by Stimulated Emmission of Radiation) yang berfungsi sebagai radiasi yang

diinterferensikan dengan radiasi infra merah agar sinyal radiasi infra-merah yang diterima oleh detektor secara utuh dan lebih baik.

Detektor yang digunakan dalam Spektrofotometer FT-IR adalah TGS

(Tetra Glycerine Sulphate) atau MCT (Mercury Cadmium Telluride). Detektor

MCT lebih banyak digunakan karena memiliki beberapa kelebihan dibandingkan detektor TGS, yaitu memberikan respon yang lebih baik pada frekwensi modulasi tinggi, lebih sensitif, lebih cepat, tidak dipengaruhi oleh temperatur, sangat selektif terhadap energi vibrasi yang diterima dari radiasi infra-merah (http://id.wikipedia.org/wiki/Spektrofotometer_FTIR).

2.5.3. Karakterisasi Cyclic Voltamettry

Dalam teknik voltametri siklik, pemindaian potensial dilakukan dalam arah bolak-balik mengikuti pola reaksi oksidasi dan reduksi. Voltamogram siklik reaksi redoks reversible diperlihatkan pada Gambar 2.9.

Pada voltamogram siklik tersebut, pemindaian kearah potensial negatif menghasilkan reaksi reduksi dengan arus puncak katodik pada potensial , sedangkan pemindaian kea rah sebaliknya menghasilkan arus puncak anodik pada potensial puncak .

Gambar 2.9. Profil voltamogram siklik suatu reaksi redoks.

Untuk reaksi redoks yang berlangsung secara reversibel, karakteristik voltametri siklik yang dapat diamati adalah:

1. Pemisahan potensial antara dua arus puncak (∆E) adalah mV.

2. Posisi potensial puncak tidak dipengaruhi oleh laju pemindaian potensial. 3. Rasio arus puncak, , sama dengan satu.

4. Arus puncak berbanding lurus dengan akar laju pindai. dan ∞ √

5. Seperti yang terjadi pada LSV, variasi laju pindai berpengaruh pada variasi tinggi arus puncak, tetapi tidak menggeser potensial puncak. (Bard, 2001)

2.5.4. Karakterisasi kapasitas baterai (Charge/Discharge)

Untuk mendapatkan performasi sebuah baterai maka diperlukan pengujian

charge/discharge sehingga akan didapatkan besar kapasitas sel baterai. Baterai

lithium sekunder memiliki pola pengisian yang agak berbeda dengan baterai lainnya. Dipergulungn charger dengan profil I-V yang memenuhi karakteristik sebagai sumber arus dan sekaligus diakhir tahap pengisian berkarakteristik

sebagai sebuah sumber tegangan. Gambar 2.10 menunjukkan profil I-V pengisian baterai lithium ion rechargeable.

Gambar 2.10 Profil tegangan yang harus dipenuhi selama mengisi ulang sebuah baterai lithium.

Terdiri dari 3 tahapan. Stage 1 baterai diisi dengan sumber arus tetap, stage 2-3 dengan sumber tegangan tetap. (Achmad, 2011)

BAB 3

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilakukan selama 3 bulan, dimulai dari tanggal 05 Februari 2015 sampai 05 Mei 2015 di Pusat Penelitian Fisika (PPF) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Puspiptek Serpong.

3.2. Bahan dan Peralatan Penelitian 3.2.1. Bahan

1. LTO , berfungsi sebagai material aktif (bahan anoda).

2. PVDF (polyvinylidene fluoride), berfungsi sebagai polimer pengikat

(binder).

3. Super-P , berfungsi sebagai aditif konduktif.

4. Cu Foil , berfungsi sebagai current colector dalam lembaran anoda.

5. N,N-DMAC (N,N Dimethylacetamide) , berfungsi sebagai pelarut bahan PVDF.

6. Aseton, berfungsi untuk membersihkan peralatan penelitian.

7. Separator, berfungsi untuk mencegah terjadinya kontak / hubungan singkat antara LTO (katoda) dan metal lithium (anoda).

8. Metal lithium, berfungsi sebagai anoda pada pengujian sel baterai. 9. LiPF6, berfungsi sebagai elektrolit dalam pembuatan sel baterai.

3.2.2. Peralatan Penelitian

1. Cawan (4 buah)

Fungsi : Sebagai wadah sampel bahan. 2. Spatula (2 buah)

Fungsi : Untuk mengambil dan mengaduk bahan. 3. Neraca digital (1 buah)

Fungsi : Untuk mengukur massa dari bahan baku. 4. Gelas ukur (1 buah)

5. Pipet tetes (1 buah)

Fungsi : Untuk mengambil bahan berupa cairan. 6. Magnetic stirrer (1 buah)

Fungsi : Untukmenghomogenkan campuran bahan dengan pengadukan. 7. Hot plate (1 buah)

Fungsi : Untuk memanaskan campuran bahan sehingga mampu mempercepat proses homogenisasi.

8. Jepitan (1 buah)

Fungsi : Untuk menjepit bahan-bahan yang dibutuhkan. 9. Cruicible (1 buah)

Fungsi : Untuk mencampurkan serbuk LTO. 10.Doctor Blade

Fungsi : Untuk pelapisan slurry pada Cu foil. 11.Pisau doctor blade (1 buah)

Fungsi : Untuk mengukur ketebalan pengcoatingan. 12.Calendering

Fungsi : Untuk meratakan/menghaluskan permukaan lembaran. 13.Oven

Fungsi : Untuk mengeringkan lembaran LTO setelah dicoating. 14.Holder (3 buah)

Fungsi : Sebagai wadah untuk aktivasi sel baterai. 15.Glove box

Fungsi : Untuk melindungi terjadi kontak kulit dari bahan baku yang berbahaya.

16.Multimeter (1 buah)

Fungsi : Untuk mengukur tegangan dari sel baterai. 17.Kabel dan Penjepit buaya

Fungsi : Untuk menghubungkan multimeter dengan holder. 18.SEM-EDS

Fungsi : Untuk mengetahui struktur mikro dari lembaran anoda LTO. 19.FTIR

lembaran anoda LTO.

20.WBCS3000, Automatic Battery Cycler Ver. 3.2

Fungsi : Untuk mengetahui performa elektrokimia dan kapasitas baterai dari lembaran anoda LTO.

3.3. Perhitungan massa bahan

Tabel 3.1 Perbandingan komposisi bahan dalam (gr) Nama Sampel Perbandingan komposisi

(%wt)

Serbuk LTO (gr)

PVDF (gr)

Super-P (gr)

Sampel A 77 : 15 : 8 1,2 0,24 0,12

Sampel B 85 : 10 : 5 2 0,24 0,12

Sampel C 90 : 7 : 3 3 0,24 0,12

Total massa pelarut N,N-DMAC sebanyak 15 kali dari massa total PVDF yaitu 14,4 mL.

3.4. Tahapan Penelitian

Penelitian yang dilakukan meliputi: Pembuatan slurry, coating, pengeringan lembaran, calendering dan karakterisasi bahan. Berikut ini merupakan diagram alir tahapan penelitian yang dilakukan:

Mulai

Ditimbang bahan serbuk (LTO , PVDF, Super-P) dengan masing-masing komposisi bahan 77:15:8 , 85:10:5 dan 90:7:3 % wt dari masing-masing massa total bahan serbuk.

Dicampurkan PVDF dengan pelarut DMAC

Ditambahkan secara perlahan-lahan Super-P hingga tercampur secara merata

Doctor Blade, dengan kecepatan coating 6

Dilakukan coating pada Cu foil

Karakterisasi sel Uji CV/CD

Analisa

Variasi komposisi serbuk LTO 1,2 gr, 2 gr dan 3 gr. Komposisi PVDF dan Super-P tetap.

Hot plate, T = 72oC , Rpm = 320 rpm dan t = 30 menit

Hot plate, T = 72oC , Rpm = 320 rpm dan t = 30 menit

Ditambahkan secara perlahan-lahan serbuk LTO hingga tercampur secara merata

Slurry

Oven, suhu 80oC selama 1 jam Dikeringkan Dicalendering Variasi komposisi Lembaran LTO Karakterisasi lembaran Uji SEM EDS dan FTIR

Kesimpulan

Selesai

Assembly sel baterai dengan menggunakan holder

3.5. Prosedur Penelitian

1. Disiapkan semua bahan dan peralatan.

2. Ditimbang bahan serbuk (LTO, PVDF dan Super-P) dengan variasi komposisi (lihat Tabel 3.1).

3. Dipanaskan terlebih dahulu pelarut DMAC di hot plate pada T = 72oC dan Rpm = 320 rpm selama 15 menit.

4. Ditambahkan secara perlahan-lahan serbuk PVDF ke pelarut DMAC dengan menggunakan hot plate pada suhu 72oC dan kecepatan 320 rpm. Kemudian ditunggu selama 30 menit hingga campuran bahan homogen.

5. Ditambahkan secara perlahan-lahan serbuk Super-P dengan menggunakan hot plate pada suhu 72oC dan kecepatan 320 rpm. Kemudian ditunggu selama 30 menit hingga campuran bahan homogen.

6. Ditambahkan serbuk LTO secara perlahan-lahan secara manual hingga tercampur merata (slurry).

7. Diukur ketebalan 0.15 µm untuk pengcoatingan lembaran dengan menggunakan pisau doctor blade.

8. Dilakukan pengcoatingan slurry pada Cu foil dengan menggunakan alat

Doctor Blade pada kecepatan pengcoatingan 6 (lembaran anoda).

9. Dikeringkan lembaran pada oven yang terdapat pada alat Doctor Blade

dengan suhu 80oC selama 1 jam.

10.Dicalendering lembaran anoda dengan alat calendaring.

11.Dilakukan karakterisasi pada sampel lembaran, karakterisasi meliputi: karakterisasi lembaran anoda LTO (uji SEM-EDS dan FTIR) dan karakterisasi sel (uji cyclic voltammetry dan charge/discharge).

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil dari sampel yang diuji memiliki dimensi dengan panjang 25 cm dan lebar 15 cm. Sampel memiliki daya rekat yang baik, dapat dilihat dari tidak rontoknya slurry dari lembaran setelah dikeringkan di oven dan tidak terdapat bintik-bintik pori pada lembaran.

Sampel A, LTO 1,2 gr Sampel B, LTO 2 gr

Sampel C, LTO 3 gr

Gambar 4.1. Hasil lembaran anoda LTO pada sampel A, B dan C

4.1 Sifat fisis

Dalam penelitian ini, sifat fisis yang diamati pada sampel meliputi morfologi lembaran anoda dan gugus fungsional.

4.1.1 Morfologi

Pengamatan morfologi pada permukaan sampel dilakukan dengan perbesaran 1000 kali menggunakan SEM (Scanning Electron Microscopy) merk Hitachi tipe

SU3500 di Pusat Penelitian Fisika-LIPI. Pengamatan ini dilakukan untuk menetahui pencampuran sampel homogen atau tidak. Sampel yang diamati adalah sampel A, B, dan C yang dapat dilihat pada gambar 4.2.

Sampel A, LTO 1,2 gr

Sampel C, LTO 3 gr

Gambar. 4.2 Permukaan sampel lembaran LTO pada sampel A, B dan C dengan perbesaran 1000 kali

Dari Gambar 4.2 dapat dilihat bahwa hasil dari SEM diperoleh gambar hitam putih/gelap terang, hasil gambar hitam putih/gelap terang ini dipengaruhi oleh unsur penyusunnya. Diketahui dari variasi komposisi dalam penelitian ini unsur yang paling menonjol adalah serbuk LTO dengan PVDF. Unsur penyusun dengan massa molekul lebih tinggi akan menghasilkan warna terang/putih dari pada unsur penyusun dengan massa molekul lebih rendah. Massa molekul dari serbuk LTO adalah 459,49 g/mol dan massa molekul dari PVDF adalah 64,0.3 g/mol Jadi dapat diketahui bahwa senyawa LTO akan menghasilkan gambar putih/terang dan PVDF akan menghasilkan gambar hitam/gelap.

Dari Gambar 4.2 dapat dilihat perbedaan antara gambar pada sampel A, B dan C dimana pada Sampel A terlihat gambar hitam/gelap yang lebih mendominasi dan pada Sampel B hitam/gelap lebih sedikit terlihat sedangkan pada Sampel C lebih mendominasi gambar putih/terang. Hal ini terjadi karena pengaruh dari massa molekul penyusun unsur seperti yang telah dijelaskan. Tekstur dari ketiga gambar terlihat permukaannya halus yang terdiri dari molekul-molekul kecil. Untuk melihat lebih jelas kehomogenan dari ketiga sampel, maka

dilakukan perbesaran SEM hingga 10.000 kali. Hasil perbesaran SEM untuk 10.000 kali dapat dilihat pada gambar 4.3.

Sampel A, LTO 1,2 gr

Sampel C, LTO 3 gr

Gambar 4.3 Permukaan sampel lembaran LTO pada sampel A, B dan C dengan perbesaran 10.000 kali

Dari Gambar 4.3 terlihat bahwa ukuran butir cukup besar dengan penyebaran butir yang tidak merata. Campuran komposit pada sampel lembaran LTO tidak homogen, karena terlihat butiran-butiran kecil yang bergabung menumpuk pada tempat tertentu atau terjadi penggumpalan. Bagian putih merupakan serbuk LTO yang tidak tercampur secara merata karena pengadukan secara manual. Pada Sampel A, B dan C terlihat adanya perbedaan yaitu, pada Sampel A terlihat penyebaran serbuk merata dan pada Sampel B mulai terlihat penyebaran serbuk yang tidak merata karena ada butiran-butiran yang mendominasi sedangkan pada Sampel C sangat terlihat penyebaran serbuk yang mendominasi pada permukaan.

Untuk melihat persentase unsur yang terkandung pada masing-masing sampel maka dilakukan pengamatan EDS dengan melihat spot dari spektrum yang diamati pada beberapa titik. Pada Gambar 4.4 dapat dilihat spot dari komposisi penyusun lembaran pada pengamatan EDS untuk sampel A, B dan C.

Sampel A, LTO 1,2 gr

Sampel B, LTO 2 gr

Sampel C, LTO 3 gr

Spektrum yang dihasilkan dari sampel A dapat dilihat dari Gambar 4.5. dibawah ini.

Gambar 4.5. Spektrum pengamatan EDS pada sampel A dengan LTO 1,2 gr

Spektrum yang dihasilkan dari sampel B dapat dilihat dari Gambar 4.6. dibawah ini.

Spektrum yang dihasilkan dari sampel C dapat dilihat dari Gambar 4.7. dibawah ini.

Gambar 4.7. Spektrum pengamatan EDS pada sampel C dengan LTO 3 gr

Pengamatan spot sampel lembaran LTO menghasilkan keluaran dalam bentuk persentase unsur. Unsur yang terdeteksi yaitu unsur karbon, oksigen, titanium, besi, tembaga dan alumunium. Persentase dari masing-masing unsur dapat dilihat pada tabel 4.1.

Tabel 4.1 Persentase Unsur dengan EDS

Unsur LTO 1,2 gr LTO 2 gr LTO 3 gr

%weight %atomic %weight %atomic %weight %atomic

C 23.29 34.23 20.64 31.31 31.02 44.75

O 38.71 46.67 23.13 50.27 29.42 35.83

Ti 29.94 11.49 28.23 10.97 30.77 12.05

F 7.64 7.26 7.47 7.18 7.91 7.14

Cu 0.56 0.16 0.26 0.07 0.2 0.05

Al 0.24 0.17 0.25 0.17 0.22 0.15

Unsur karbon didapat dari serbuk PVDF (C2H2F2), unsur titanium dan oksigen didapat dari serbuk LTO, unsur flour didapat dari serbuk PVDF, unsur tembaga didapat dari cu foil dan unsur alumunium didapat dari bahan TiO2 yang merupakan bahan dalam pembuatan serbuk LTO (Slamet, 2011). Sedangkan unsur H (dari PVDF) dan Li (dari LTO) tidak terdeteksi oleh EDS karena merupakan unsur ringan.

4.1.2 Gugus fungsi

Pengamatan gugus fungsi pada sampel dilakukan dengan menggunakan alat FTIR

(Fourier Transform Infrared) merk Thermo Scientific Tipe Nicolet iS10 yang

dilakukan di Pusat Penelitian Fisika-LIPI. Pengamatan FTIR dilakukan untuk mengetahui ikatan kimia yang terbentuk pada sampel, yang akan memberikan informasi bahwa struktur pada masing-masing campuran bahan pada sampel tidak rusak. Pengambilan data spectrum FTIR dilakukan dengan metode ATR pada rentang wavenumber 500-4000 cm-1. Dari uji spektroskopi FTIR dengan sampel A, B dan C didapatkan spektrum inframerah seperti yang tampak pada Gambar 4.5.

Gambar 4.8 Spektrum Inframerah sampel A, B dan C

Dari Gambar 4.8 dapat dilihat puncak-puncak yang terbentuk pada masing-masing sampel A, B dan C akibat dari serapan oleh sinar infra merah. Puncak-puncak tersebut mengkonfirmasi ada atau tidaknya gugus fungsi yang

Sampel A, LTO 1,2 gr

Sampel B, LTO 2 gr

Sampel C, LTO 3 gr

558. 95 588. 39 650. 20 991. 66 1121. 18 1221. 26 1344. 89 1439. 08 1583. 32 1789. 37 2328. 05 2928. 54 3314. 15 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 %T rans m itt anc e 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavenumbers (cm-1) 553. 07 591. 33 650. 20 785. 61 991. 66 1124. 12 1224. 20 1344. 89 1430. 25 1559. 77 1789. 37 2928. 54 3305. 31 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 %T rans m it tanc e 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavenumbers (cm-1) 558. 95 591. 33 638. 43 991. 66 1118. 23 1224. 20 1341. 95 1789. 37 2336. 88 2357. 48 2913. 82 3287. 65 88 89 90 91 92 93 94 95 96 %T rans m itt anc e 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavenumbers (cm-1)

Jun-1999 12:00 AM

Cu K_SERIES 0.82 0.00815 0.7977 0.54 0.04 0.17 Cu 1-Jun-1999 12:00 AM

Totals 100.00

Processing option : All elements analyzed (Normalised) Number of iterations : 6

Sample is unpolished X-ray corrections may be approximate. Sample is uncoated

Detector efficiency : Read from file ( X-Max 6.efy )

Sampel B, LTO 2 gr

SP 1

Element Line App. Conc k ratio Intensity corrn. Weight% Weight% sigma Atomic% Standard

C K_SERIES 75.94 0.35101 0.9021 27.38 0.13 39.33 CaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM

O K_SERIES 54.74 0.19646 0.4412 40.36 0.17 43.52 SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM

F K_SERIES 4.59 0.03536 0.1487 10.04 0.16 9.11 MgF2 1-Jun-1999 12:00 AM

Al K_SERIES 0.50 0.00369 0.7511 0.22 0.01 0.14 Al2O3 1-Jun-1999 12:00 AM

Ti K_SERIES 56.71 0.56711 0.8472 21.77 0.09 7.84 Ti 1-Jun-1999 12:00 AM

Cu K_SERIES 0.57 0.00568 0.7822 0.24 0.03 0.06 Cu 1-Jun-1999 12:00 AM

Processing option : All elements analyzed (Normalised) Number of iterations : 5

Sample is unpolished X-ray corrections may be approximate. Sample is uncoated

Detector efficiency : Read from file ( X-Max 6.efy ) SP 2

Element Line App. Conc k ratio Intensity corrn. Weight% Weight% sigma Atomic% Standard

C K_SERIES 68.04 0.31451 0.9254 32.70 0.17 50.30 CaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM

O K_SERIES 16.89 0.06061 0.3148 23.85 0.24 27.54 SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM

F K_SERIES 3.12 0.02403 0.1520 9.12 0.16 8.87 MgF2 1-Jun-1999 12:00 AM

Al K_SERIES 0.39 0.00286 0.7654 0.23 0.01 0.15 Al2O3 1-Jun-1999 12:00 AM

Ti K_SERIES 65.81 0.65813 0.8665 33.77 0.14 13.03 Ti 1-Jun-1999 12:00 AM

Cu K_SERIES 0.59 0.00594 0.7942 0.33 0.04 0.10 Cu 1-Jun-1999 12:00 AM

Totals 100.00

Processing option : All elements analyzed (Normalised) Number of iterations : 4

Sample is unpolished X-ray corrections may be approximate. Sample is uncoated

Detector efficiency : Read from file ( X-Max 6.efy ) SP 3

Element Line App. Conc k ratio Intensity corrn. Weight% Weight% sigma Atomic% Standard

C K_SERIES 33.37 0.15422 0.8347 14.63 0.12 22.65 CaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM

O K_SERIES 67.79 0.2433 0.4765 52.08 0.18 60.53 SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM

F K_SERIES 2.33 0.01792 0.1313 6.49 0.17 6.35 MgF2 1-Jun-1999 12:00 AM

Al K_SERIES 0.50 0.00368 0.7281 0.25 0.01 0.17 Al2O3 1-Jun-1999 12:00 AM

Ti K_SERIES 61.65 0.61646 0.8567 26.34 0.11 10.23 Ti 1-Jun-1999 12:00 AM

Cu K_SERIES 0.47 0.00473 0.7908 0.22 0.03 0.06 Cu 1-Jun-1999 12:00 AM

Totals 100.00

Processing option : All elements analyzed (Normalised) Number of iterations : 6

Sample is unpolished X-ray corrections may be approximate. Sample is uncoated

Detector efficiency : Read from file ( X-Max 6.efy ) SP 4

Element Line App. Conc k ratio Intensity corrn. Weight% Weight% sigma Atomic% Standard

C K_SERIES 16.07 0.07427 0.8008 7.88 0.11 12.97 CaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM

O K_SERIES 66.75 0.23959 0.4660 56.27 0.18 69.51 SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM

F K_SERIES 1.33 0.01025 0.1234 4.23 0.17 4.40 MgF2 1-Jun-1999 12:00 AM

Al K_SERIES 0.58 0.00426 0.7172 0.32 0.02 0.23 Al2O3 1-Jun-1999 12:00 AM

1-Jun-1999 12:00 AM

Cu K_SERIES 0.52 0.00517 0.7980 0.25 0.03 0.08 Cu 1-Jun-1999 12:00 AM

Totals 100.00

Processing option : All elements analyzed (Normalised) Number of iterations : 6

Sample is unpolished X-ray corrections may be approximate. Sample is uncoated

Detector efficiency : Read from file ( X-Max 6.efy )

Sampel C, LTO 3 gr

SP 1

Element Line App. Conc k ratio Intensity corrn. Weight% Weight% sigma Atomic% Standard

C K_SERIES 11.75 0.05432 0.7986 6.65 0.11 11.40 CaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM

O K_SERIES 50.94 0.18283 0.4206 54.73 0.19 70.43 SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM

F K_SERIES 0.60 0.00465 0.1201 2.27 0.16 2.46 MgF2 1-Jun-1999 12:00 AM

Al K_SERIES 0.50 0.00371 0.7175 0.32 0.02 0.24 Al2O3 1-Jun-1999 12:00 AM

Ti K_SERIES 69.22 0.69219 0.8734 35.81 0.15 15.39 Ti 1-Jun-1999 12:00 AM

Cu K_SERIES 0.39 0.00392 0.8031 0.22 0.04 0.07 Cu 1-Jun-1999 12:00 AM

Processing option : All elements analyzed (Normalised) Number of iterations : 6

Sample is unpolished X-ray corrections may be approximate. Sample is uncoated

Detector efficiency : Read from file ( X-Max 6.efy ) SP 2

Element Line App. Conc k ratio Intensity corrn. Weight% Weight% sigma Atomic% Standard

C K_SERIES 63.01 0.29124 0.9423 33.84 0.18 52.57 CaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM

O K_SERIES 13.26 0.04761 0.2973 22.58 0.25 26.33 SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM

F K_SERIES 2.01 0.01552 0.1482 6.88 0.16 6.75 MgF2 1-Jun-1999 12:00 AM

Al K_SERIES 0.36 0.00265 0.7715 0.24 0.02 0.16 Al2O3 1-Jun-1999 12:00 AM

Ti K_SERIES 62.27 0.62274 0.8691 36.26 0.16 14.12 Ti 1-Jun-1999 12:00 AM

Cu K_SERIES 0.32 0.00323 0.7952 0.21 0.04 0.06 Cu 1-Jun-1999 12:00 AM

Totals 100.00

Processing option : All elements analyzed (Normalised) Number of iterations : 4

Sample is unpolished X-ray corrections may be approximate. Sample is uncoated

Detector efficiency : Read from file ( X-Max 6.efy ) SP 3

Element Line App. Conc k ratio Intensity corrn. Weight% Weight% sigma Atomic% Standard

C K_SERIES 140.64 0.65007 1.0902 53.74 0.18 70.28 CaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM

O K_SERIES 8.35 0.02997 0.3176 10.95 0.20 10.75 SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM

F K_SERIES 6.91 0.05322 0.1946 14.78 0.15 12.22 MgF2 1-Jun-1999 12:00 AM

Al K_SERIES 0.24 0.00176 0.8092 0.12 0.01 0.07 Al2O3 1-Jun-1999 12:00 AM

Ti K_SERIES 40.83 0.40827 0.8397 20.25 0.09 6.64 Ti 1-Jun-1999 12:00 AM

Cu K_SERIES 0.31 0.00313 0.7723 0.17 0.03 0.04 Cu 1-Jun-1999 12:00 AM

Totals 100.00

Processing option : All elements analyzed (Normalised) Number of iterations : 4

Sample is unpolished X-ray corrections may be approximate. Sample is uncoated