Pengaruh Ketebalan Katoda LiFePO4 Terhadap Variasi Komposisi dan Ketebalan Anoda Mesocarbon Microbead (MCMB) pada Kapasitas Baterai Ion Lithium
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Energi tidak akan pernah lepas dari kehidupan manusia. Konsumsi energi yang
sedemikian tinggi menyebabkan sumber energi minyak bumi semakin menipis
(Minami, 2005). Persediaan bahan bakar fosil yang terbatas dan terjadinya
pemanasan global membuat urgensi untuk menggantikan minyak bumi dengan
sumber energi bersih terutama yang berasal dari sumber energi terbarukan seperti
angin, surya, dan pasang surut (Priyono, 2014).
Pemerintah Indonesia menargetkan penggunaan sel surya sebagai sumber
energi bersih pada tahun 2025 sebesar 800 MWp. Hal ini termuat dalam Peraturan
Presiden No. 5 tahun 2006 tentang kebijakan energi nasional. Oleh karena itu,
lebih kurang 40 MWp pembangkit listrik tenaga surya harus dibangun per
tahunnya. Selain itu, Badan Energi Internasional (IEA) memperkirakan bahwa
pada tahun 2020 dan 2025, perkembangan teknologi untuk kendaraan listrik jenis
EV (Electric Vehicle) dan PHEV (Plug Hybrid Electric Vehicle) masing-masing
mencapai 6,9 juta dan 17,7 juta per tahunnya. Kedua rencana tersebut mendapat
perhatian khusus karena penggunaan teknologi tersebut membutuhkan baterai
sekunder sebagai tempat penyimpanan energi listriknya. Salah satu baterai
sekunder yang sedang dikembangkan di Indonesia pada saat ini yaitu baterai ion
lithium (Hudaya, 2011).
Baterai ion lithium merupakan baterai yang digerakkan oleh ion lithium
(Prihandoko, 2008). Pemilihan baterai ion lithium sebagai penyimpan energi
karena memiliki banyak keunggulan diantaranya dapat diisi ulang, mempunyai
kapasitas dan densitas energi yang tinggi, daya tahan yang baik, ringan, ramah
lingkungan dan dapat dibentuk sesuai dengan kebutuhan (fleksibel). Sekarang ini,
aplikasi baterai ion lithium sering digunakan dalam perangkat elektronik portable
yaitu 57,4% pada ponsel, 31,5% pada notebook, laptop dan 7,4% pada kamera.
Aplikasi baterai ion lithium juga telah dikembangkan pada bidang lainnya,
Universitas Sumatera Utara
termasuk kendaraan listrik hibrida, aplikasi ruang angkasa, kendaraan militer dan
aplikasi lainnya (Wu et al. 2011).
Kemampuan kapasitas energi yang tersimpan dalam baterai ion lithium
ditentukan oleh pilihan bahan aktif dan bahan pasif, komposisi antara filler, zat
aditif, dan matriks, serta parameter pembuatan. Oleh karena itu, pemilihan
material elektroda sangat menentukan kinerja baterai. Keunggulan bahan elektoda
terletak pada kestabilannya dalam proses interkalasi dan mempunyai struktur host
yaitu tempat bagi perpindahan ion lithium (Prihandoko, 2008).
Material katoda yang sering digunakan pada baterai ion lithium yaitu
Lithium Ferro Phosphate (LiFePO 4 ). Alasan pemilihan LiFePO 4 sebagai material
aktif katoda karena memiliki banyak keunggulan dibandingkan material katoda
lainnya diantaranya seperti murah, tidak beracun, kapasitas sedang (170 mAh/gr),
keelektronegatifan tinggi, sangat reaktif, densitas energi yang tinggi, dan ramah
lingkungan (Padhi, 2002). Sedangkan material anoda yang sering digunakan pada
baterai ion lithium yaitu Mesocarbon Microbeads (MCMB). Adapun alasan
pemilihan karbon MCMB sebagai material aktif anoda karena memiliki kapasitas
yang tinggi (320-330 mAh/gr) pada tegangan rendah dan kemampuan siklusnya
yang terbaik dibandingkan dengan semua jenis bahan anoda karbon yang lain
(Yao, 2003).
Zheng, et al (2012) meneliti tentang pengaruh ketebalan elektroda LiFePO 4
dengan komposisi LiFePO 4 : PvDf : Acetylene Black (80,8 : 12 : 7,2) pada variasi
ketebalan 10 µm, 25 µm, 50 µm, 77 µm dan 108 µm untuk kinerja elektrokimia
baterai ion lithium. Material aktif anoda yang digunakan yaitu MCMB dengan
komposisi MCMB : PvDf : Acetylene Black (88,8 : 8 : 3,2). Hasil yang didapat
yaitu semakin meningkatnya ketebalan elektroda maka densitas energi semakin
tinggi tetapi densitas daya semakin kecil karena dipengaruhi oleh tahanan dalam
dan pembentukan lapisan SEI (Solid Electrolyte Interface) pada baterai. Kapasitas
discharge yang dihasilkan pada 0,1 C yaitu sekitar 160 mAh/gr.
Shin, et al (2006) meneliti tentang sifat elektrokimia dari coating karbon
pada katoda LiFePO 4 dengan grafit, karbon black, dan acetylene black.
Perbandingan komposisi antara filler : zat aditif : matriks yaitu 85 : 10 : 5. Hasil
yang didapat yaitu kapasitas tertinggi dengan grafit sebesar 140 mAh/gr pada
Universitas Sumatera Utara
0,2 C karena grafit memiliki konduktivitas listrik yang tinggi sebesar 6,4 x 10-2
S/cm dibandingkan karbon black dan acetylene black.
Berdasarkan uraian diatas, maka perlu dilakukan penelitian mengenai
pengaruh ketebalan katoda LiFePO 4 dengan variasi komposisi serta ketebalan
anoda MCMB pada kapasitas baterai ion lithium. Pada katoda LiFePO 4
perbandingan komposisi antara filler (LiFePO 4 ), zat aditif (Super P) dan matriks
polimer (PvDf) yaitu 85 : 10 : 5 dengan ketebalan laminate 100 µm, 150 µm, dan
300 µm. Pada komposisi tersebut LiFePO 4 dan Super P memiliki komposisi yang
lebih besar dibandingkan PvDf untuk melihat dengan bahan aktif dan zat aditif
yang besar maka kapasitas yang dihasilkan juga besar sesuai kapasitas secara
teori. Selain itu, anoda MCMB juga divariasikan pada komposisi serta
ketebalannya untuk melihat pengaruhnya pada besar kapasitas dan efisiensi
baterai ion lithium.
Baterai ion lithium pada penelitian ini dibuat dengan model baterai
prismatik dan proses assembling sel baterai dengan menggunakan metode
stacking yaitu proses assembling sel baterai dengan lembaran katoda, anoda, dan
seperator digulung. Alasan pemilihan metode ini untuk memaksimalkan
penggunaan lembaran elektroda agar tidak banyak yang terbuang dan dengan
permukaan lapisan (laminate) elektroda yang luas diharapkan memiliki kapasitas
yang tinggi karena massa material aktifnya semakin besar pada lembaran.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Bagaimanakah pengaruh ketebalan pada lembaran katoda LiFePO 4 terhadap
kapasitas baterai ion lithium ?
2. Bagaimanakah pengaruh variasi komposisi pada lembaran anoda MCMB
terhadap kapasitas baterai ion lithium pada masing–masing ketebalan lembaran
katoda LiFePO 4 ?
3. Bagaimanakah pengaruh variasi ketebalan pada lembaran anoda MCMB
terhadap kapasitas baterai ion lithium pada masing–masing ketebalan lembaran
katoda LiFePO 4 ?
Universitas Sumatera Utara
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Pembuatan material katoda merupakan campuran yang terdiri dari LiFePO 4
sebagai filler, Super P sebagai zat aditif, PvDf sebagai matriks dan DMAC
sebagai pelarut. Perbandingan komposisi antara LiFePO 4 : Super P : PvDf
yaitu 85 : 10 : 5 dengan ketebalan lapisan (laminate) 100 µm , 150 µm, dan
300 µm.
2. Pembuatan material anoda merupakan campuran yang terdiri dari MCMB
sebagai filler, Super P sebagai zat aditif, PvDf sebagai matriks dan DMAC
sebagai pelarut. Perbandingan komposisi antara MCMB : Super P: PVDf yaitu
85 : 10 : 5 dengan ketebalan lapisan (laminate) 100 µm dan 150 µm serta
dengan komposisi 80 : 13 : 7 dengan ketebalan laminate 150 µm.
3. Karakterisasi sampel uji yang akan dilakukan yaitu: analisis struktur kristal
serbuk material aktif LiFePO 4 dan MCMB dengan X-Ray Difraction (XRD),
analisis morfologi permukaan serbuk material aktif LiFePO 4 dan MCMB serta
lembaran katoda LiFePO 4 dengan SEM, analisis morfologi permukaan
lembaran elektroda dengan Mikroskop Optik, dan pengujian charge-discharge
untuk kapasitas baterai ion lithium pada 0,1 C sampai siklus (cycle) ke tiga dan
kapasitas spesifik masing-masing baterai diambil pada siklus ke tiga.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Untuk mengetahui pengaruh ketebalan pada lembaran katoda LiFePO 4
terhadap kapasitas baterai ion lithium.
2. Untuk mengetahui pengaruh variasi komposisi pada lembaran anoda MCMB
terhadap kapasitas baterai ion lithium pada masing–masing ketebalan lembaran
katoda LiFePO 4 .
3. Untuk mengetahui pengaruh variasi ketebalan pada lembaran anoda MCMB
terhadap kapasitas baterai ion lithium pada masing–masing ketebalan lembaran
katoda LiFePO 4 .
Universitas Sumatera Utara
1.5 Manfaat Penelitian.
Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Untuk memberikan informasi ilmiah mengenai cara pembuatan lembaran
katoda LiFePO 4 dan anoda MCMB yang dilapisi dengan zat aditif Super P dan
matriks polimer (PvDf) hingga menjadi baterai ion lithium.
2. Untuk pengalihan penggunaan baterai konvensional yang relatif berbahan
racun ke arah penggunaan baterai lithium yang lebih ramah lingkungan.
3. Untuk mendapatkan baterai yang memiliki kapasitas dan efisiensi yang tinggi
sehingga dapat diaplikasikan pada perangkat elektronik portable, penyimpan
energi untuk sumber energi bersih dan mobil listrik hibrid.
1.6 Sistematika Penulisan
Laporan tugas akhir ini disusun dengan sistematika sebagai berikut:
Bab 1 Pendahuluan
Bab ini berisi tentang latar belakang penelitian, perumusan masalah, tujuan
penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dan sistematika penulisan.
Bab 2 Tinjauan Pustaka
Bab ini berisi studi literatur tentang dasar teori baterai, jenis-jenis baterai, baterai
ion lithium dan prinsip kerjanya, material elektroda untuk baterai ion lithium,
pengujian XRD, SEM, mikroskop optik dan charge-discharge yang menjadi
acuan untuk proses pengambilan data, analisa data serta pembahasan.
Bab 3 Metodologi Penelitian
Bab ini membahas tentang tempat dan waktu penelitian, peralatan dan bahan
penelitian, prosedur penelitian serta diagram alir penelitian pada pembuatan
lembaran katoda dan anoda serta proses assembling baterai.
Bab 4 Hasil dan Pembahasan Penelitian
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa data yang diperoleh
dari penelitian berupa tabel, gambar maupun grafik. Data ini akan dibandingkan
dengan teori yang menjadi landasan penelitian dan dengan data-data yang tertera
dalam literatur.
Universitas Sumatera Utara
Bab 5 Kesimpulan dan Saran
Bab ini menyajikan kesimpulan dari seluruh kegiatan dan hasil penelitian dan
saran-saran yang diperlukan untuk pengembangan dan penelitian lebih lanjut.
Daftar Pustaka
Berisi tentang literatur yang digunakan sebagai referensi dalam penulisan tugas
akhir ini.
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Energi tidak akan pernah lepas dari kehidupan manusia. Konsumsi energi yang
sedemikian tinggi menyebabkan sumber energi minyak bumi semakin menipis
(Minami, 2005). Persediaan bahan bakar fosil yang terbatas dan terjadinya
pemanasan global membuat urgensi untuk menggantikan minyak bumi dengan
sumber energi bersih terutama yang berasal dari sumber energi terbarukan seperti
angin, surya, dan pasang surut (Priyono, 2014).
Pemerintah Indonesia menargetkan penggunaan sel surya sebagai sumber
energi bersih pada tahun 2025 sebesar 800 MWp. Hal ini termuat dalam Peraturan
Presiden No. 5 tahun 2006 tentang kebijakan energi nasional. Oleh karena itu,
lebih kurang 40 MWp pembangkit listrik tenaga surya harus dibangun per
tahunnya. Selain itu, Badan Energi Internasional (IEA) memperkirakan bahwa
pada tahun 2020 dan 2025, perkembangan teknologi untuk kendaraan listrik jenis
EV (Electric Vehicle) dan PHEV (Plug Hybrid Electric Vehicle) masing-masing
mencapai 6,9 juta dan 17,7 juta per tahunnya. Kedua rencana tersebut mendapat
perhatian khusus karena penggunaan teknologi tersebut membutuhkan baterai
sekunder sebagai tempat penyimpanan energi listriknya. Salah satu baterai
sekunder yang sedang dikembangkan di Indonesia pada saat ini yaitu baterai ion
lithium (Hudaya, 2011).
Baterai ion lithium merupakan baterai yang digerakkan oleh ion lithium
(Prihandoko, 2008). Pemilihan baterai ion lithium sebagai penyimpan energi
karena memiliki banyak keunggulan diantaranya dapat diisi ulang, mempunyai
kapasitas dan densitas energi yang tinggi, daya tahan yang baik, ringan, ramah
lingkungan dan dapat dibentuk sesuai dengan kebutuhan (fleksibel). Sekarang ini,
aplikasi baterai ion lithium sering digunakan dalam perangkat elektronik portable
yaitu 57,4% pada ponsel, 31,5% pada notebook, laptop dan 7,4% pada kamera.
Aplikasi baterai ion lithium juga telah dikembangkan pada bidang lainnya,
Universitas Sumatera Utara
termasuk kendaraan listrik hibrida, aplikasi ruang angkasa, kendaraan militer dan
aplikasi lainnya (Wu et al. 2011).
Kemampuan kapasitas energi yang tersimpan dalam baterai ion lithium
ditentukan oleh pilihan bahan aktif dan bahan pasif, komposisi antara filler, zat
aditif, dan matriks, serta parameter pembuatan. Oleh karena itu, pemilihan
material elektroda sangat menentukan kinerja baterai. Keunggulan bahan elektoda
terletak pada kestabilannya dalam proses interkalasi dan mempunyai struktur host
yaitu tempat bagi perpindahan ion lithium (Prihandoko, 2008).
Material katoda yang sering digunakan pada baterai ion lithium yaitu
Lithium Ferro Phosphate (LiFePO 4 ). Alasan pemilihan LiFePO 4 sebagai material
aktif katoda karena memiliki banyak keunggulan dibandingkan material katoda
lainnya diantaranya seperti murah, tidak beracun, kapasitas sedang (170 mAh/gr),
keelektronegatifan tinggi, sangat reaktif, densitas energi yang tinggi, dan ramah
lingkungan (Padhi, 2002). Sedangkan material anoda yang sering digunakan pada
baterai ion lithium yaitu Mesocarbon Microbeads (MCMB). Adapun alasan
pemilihan karbon MCMB sebagai material aktif anoda karena memiliki kapasitas
yang tinggi (320-330 mAh/gr) pada tegangan rendah dan kemampuan siklusnya
yang terbaik dibandingkan dengan semua jenis bahan anoda karbon yang lain
(Yao, 2003).
Zheng, et al (2012) meneliti tentang pengaruh ketebalan elektroda LiFePO 4
dengan komposisi LiFePO 4 : PvDf : Acetylene Black (80,8 : 12 : 7,2) pada variasi
ketebalan 10 µm, 25 µm, 50 µm, 77 µm dan 108 µm untuk kinerja elektrokimia
baterai ion lithium. Material aktif anoda yang digunakan yaitu MCMB dengan
komposisi MCMB : PvDf : Acetylene Black (88,8 : 8 : 3,2). Hasil yang didapat
yaitu semakin meningkatnya ketebalan elektroda maka densitas energi semakin
tinggi tetapi densitas daya semakin kecil karena dipengaruhi oleh tahanan dalam
dan pembentukan lapisan SEI (Solid Electrolyte Interface) pada baterai. Kapasitas
discharge yang dihasilkan pada 0,1 C yaitu sekitar 160 mAh/gr.
Shin, et al (2006) meneliti tentang sifat elektrokimia dari coating karbon
pada katoda LiFePO 4 dengan grafit, karbon black, dan acetylene black.
Perbandingan komposisi antara filler : zat aditif : matriks yaitu 85 : 10 : 5. Hasil
yang didapat yaitu kapasitas tertinggi dengan grafit sebesar 140 mAh/gr pada
Universitas Sumatera Utara
0,2 C karena grafit memiliki konduktivitas listrik yang tinggi sebesar 6,4 x 10-2
S/cm dibandingkan karbon black dan acetylene black.
Berdasarkan uraian diatas, maka perlu dilakukan penelitian mengenai
pengaruh ketebalan katoda LiFePO 4 dengan variasi komposisi serta ketebalan
anoda MCMB pada kapasitas baterai ion lithium. Pada katoda LiFePO 4
perbandingan komposisi antara filler (LiFePO 4 ), zat aditif (Super P) dan matriks
polimer (PvDf) yaitu 85 : 10 : 5 dengan ketebalan laminate 100 µm, 150 µm, dan
300 µm. Pada komposisi tersebut LiFePO 4 dan Super P memiliki komposisi yang
lebih besar dibandingkan PvDf untuk melihat dengan bahan aktif dan zat aditif
yang besar maka kapasitas yang dihasilkan juga besar sesuai kapasitas secara
teori. Selain itu, anoda MCMB juga divariasikan pada komposisi serta
ketebalannya untuk melihat pengaruhnya pada besar kapasitas dan efisiensi
baterai ion lithium.
Baterai ion lithium pada penelitian ini dibuat dengan model baterai
prismatik dan proses assembling sel baterai dengan menggunakan metode
stacking yaitu proses assembling sel baterai dengan lembaran katoda, anoda, dan
seperator digulung. Alasan pemilihan metode ini untuk memaksimalkan
penggunaan lembaran elektroda agar tidak banyak yang terbuang dan dengan
permukaan lapisan (laminate) elektroda yang luas diharapkan memiliki kapasitas
yang tinggi karena massa material aktifnya semakin besar pada lembaran.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Bagaimanakah pengaruh ketebalan pada lembaran katoda LiFePO 4 terhadap
kapasitas baterai ion lithium ?
2. Bagaimanakah pengaruh variasi komposisi pada lembaran anoda MCMB
terhadap kapasitas baterai ion lithium pada masing–masing ketebalan lembaran
katoda LiFePO 4 ?
3. Bagaimanakah pengaruh variasi ketebalan pada lembaran anoda MCMB
terhadap kapasitas baterai ion lithium pada masing–masing ketebalan lembaran
katoda LiFePO 4 ?
Universitas Sumatera Utara
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Pembuatan material katoda merupakan campuran yang terdiri dari LiFePO 4
sebagai filler, Super P sebagai zat aditif, PvDf sebagai matriks dan DMAC
sebagai pelarut. Perbandingan komposisi antara LiFePO 4 : Super P : PvDf
yaitu 85 : 10 : 5 dengan ketebalan lapisan (laminate) 100 µm , 150 µm, dan
300 µm.
2. Pembuatan material anoda merupakan campuran yang terdiri dari MCMB
sebagai filler, Super P sebagai zat aditif, PvDf sebagai matriks dan DMAC
sebagai pelarut. Perbandingan komposisi antara MCMB : Super P: PVDf yaitu
85 : 10 : 5 dengan ketebalan lapisan (laminate) 100 µm dan 150 µm serta
dengan komposisi 80 : 13 : 7 dengan ketebalan laminate 150 µm.
3. Karakterisasi sampel uji yang akan dilakukan yaitu: analisis struktur kristal
serbuk material aktif LiFePO 4 dan MCMB dengan X-Ray Difraction (XRD),
analisis morfologi permukaan serbuk material aktif LiFePO 4 dan MCMB serta
lembaran katoda LiFePO 4 dengan SEM, analisis morfologi permukaan
lembaran elektroda dengan Mikroskop Optik, dan pengujian charge-discharge
untuk kapasitas baterai ion lithium pada 0,1 C sampai siklus (cycle) ke tiga dan
kapasitas spesifik masing-masing baterai diambil pada siklus ke tiga.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Untuk mengetahui pengaruh ketebalan pada lembaran katoda LiFePO 4
terhadap kapasitas baterai ion lithium.
2. Untuk mengetahui pengaruh variasi komposisi pada lembaran anoda MCMB
terhadap kapasitas baterai ion lithium pada masing–masing ketebalan lembaran
katoda LiFePO 4 .
3. Untuk mengetahui pengaruh variasi ketebalan pada lembaran anoda MCMB
terhadap kapasitas baterai ion lithium pada masing–masing ketebalan lembaran
katoda LiFePO 4 .
Universitas Sumatera Utara
1.5 Manfaat Penelitian.
Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Untuk memberikan informasi ilmiah mengenai cara pembuatan lembaran
katoda LiFePO 4 dan anoda MCMB yang dilapisi dengan zat aditif Super P dan
matriks polimer (PvDf) hingga menjadi baterai ion lithium.
2. Untuk pengalihan penggunaan baterai konvensional yang relatif berbahan
racun ke arah penggunaan baterai lithium yang lebih ramah lingkungan.
3. Untuk mendapatkan baterai yang memiliki kapasitas dan efisiensi yang tinggi
sehingga dapat diaplikasikan pada perangkat elektronik portable, penyimpan
energi untuk sumber energi bersih dan mobil listrik hibrid.
1.6 Sistematika Penulisan
Laporan tugas akhir ini disusun dengan sistematika sebagai berikut:
Bab 1 Pendahuluan
Bab ini berisi tentang latar belakang penelitian, perumusan masalah, tujuan
penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dan sistematika penulisan.
Bab 2 Tinjauan Pustaka
Bab ini berisi studi literatur tentang dasar teori baterai, jenis-jenis baterai, baterai
ion lithium dan prinsip kerjanya, material elektroda untuk baterai ion lithium,
pengujian XRD, SEM, mikroskop optik dan charge-discharge yang menjadi
acuan untuk proses pengambilan data, analisa data serta pembahasan.
Bab 3 Metodologi Penelitian
Bab ini membahas tentang tempat dan waktu penelitian, peralatan dan bahan
penelitian, prosedur penelitian serta diagram alir penelitian pada pembuatan
lembaran katoda dan anoda serta proses assembling baterai.
Bab 4 Hasil dan Pembahasan Penelitian
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa data yang diperoleh
dari penelitian berupa tabel, gambar maupun grafik. Data ini akan dibandingkan
dengan teori yang menjadi landasan penelitian dan dengan data-data yang tertera
dalam literatur.
Universitas Sumatera Utara
Bab 5 Kesimpulan dan Saran
Bab ini menyajikan kesimpulan dari seluruh kegiatan dan hasil penelitian dan
saran-saran yang diperlukan untuk pengembangan dan penelitian lebih lanjut.
Daftar Pustaka
Berisi tentang literatur yang digunakan sebagai referensi dalam penulisan tugas
akhir ini.
Universitas Sumatera Utara