STUDI TiO2 SEBAGAI BAHAN PEMBENTUKAN ELEKTRODA ANODA BERBASIS TITANATE DALAM APLIKASI PADA BATERAI ION LITHIUM SKRIPSI ELISABETH F SINAGA
STUDI TiO2 SEBAGAI BAHAN PEMBENTUKAN ELEKTRODA ANODA
BERBASIS TITANATE DALAM APLIKASI PADA BATERAI ION
LITHIUM
SKRIPSI
ELISABETH F SINAGA
120801048
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
STUDI TiO2 SEBAGAI BAHAN PEMBENTUKAN ELEKTRODA ANODA
BERBASIS TITANATE DALAM APLIKASI PADA BATERAI ION
LITHIUM
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar
Sarjana Sains
ELISABETH F SINAGA
120801048
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
LEMBAR PENGESAHAN
STUDI TiO2 SEBAGAI BAHAN PEMBENTUKAN ELEKTRODA ANODA
BERBASIS TITANATE DALAM APLIKASI PADA BATERAI ION
LITHIUM
OLEH:
ELISABETH FRANSISKA SINAGA
120801048
Disetujui Oleh:
Komisi Pembimbing
Drs. Herli Ginting
Achmad Subhan, M.T
Nip : 195505191986011001
NIP : 197011092000031001
Disetujui Oleh:
Departemen Fisika FMIPA USU
Pusat Penlitian Fisika-LIPI
Ketua,
Kepala,
Dr. Marhaposan Situmorang
Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng.
Nip : 195510301980031003
Nip : 196204301988031001
Universitas Sumatera Utara
PERSETUJUAN
Judul
: STUDI TiO2 SEBAGAI BAHAN PEMBENTUKAN
ELEKTRODA ANODA BERBASIS TITANATE
DALAM APLIKASI PADA BATERAI
ION LITHIUM
Kategori
: Baterai ion lithium
Nama
: Elisabeth F Sinaga
NIM
: 120801048
Program Studi
: Sarjana (S1) Fisika
Departemen
: Fisika
Fakultas
: Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas
Sumatera Utara
Disetujui,
Medan, Mei 2016
Pembimbing 1
Pembimbing 2
Drs. Herli Ginting
Achmad Subhan, M.T
NIP : 195505191986011001
NIP : 197011092000031001
Departemen Fisika FMIPA USU
Ketua,
Dr. Marhaposan Situmorang
NIP : 195510301980031003
Universitas Sumatera Utara
PERNYATAAN
STUDI TiO2 SEBAGAI BAHAN PEMBENTUKAN ELEKTRODA ANODA
BERBASIS TITANATE DALAM APLIKASI PADA BATERAI ION
LITHIUM
SKRIPSI
Saya menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri. Kecuali
beberapa kutipan dan ringkasan yang disebutkan sumbernya.
Medan, Juni 2016
ELISABETH FRANSISKA SINAGA
120801048
Universitas Sumatera Utara
PENGHARGAAN
Puji dan syukur kepada Tuhan yang Maha Esa atas anugerah dan pimpinan-nya
yang diberikan kepada penulis selama melaksanakan skripsi ini, sehingga penulis
dapat menyelesakan skripsi dengan baik. Pada proses penyusunan skripsi ini,
penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Dr. Kerista Sebayang, M.Sc, sebagai Dekan Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.
2. Dr. Marhaposan Situmorang sebagai ketua Departemen Fisika Universitas
Sumatera Utara, Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc, sebagai sekretaris
Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara, dan seluruh staf pengajar
serta pegawai Administrasi di Departemen Fisika Universitas Sumatera
Utara yang telah memberikan pendidikan dan fasilitas kepada penulis
selama perkuliahan.
3. Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng sebagai kepala Pusat Penelitian
Fisika-LIPI dan seluruh staf peneliti Pusat Penelitian Fisika-LIPI yang
telah membimbing dan memberikan pendidikan kepada penulis selama
penelitian.
4. Drs. Herli Ginting sebagai dosen pembimbing di Universitas Sumatera
Utara yang telah membimbing dan memberikan arahan pada penulis.
5. Achmad Subhan, MT sebagai dosen pembimbing yang telah memberikan
pengetahuan dan sabar membimbing penulis untuk menyelesaikan skripsi
ini, dan dosen-dosen di bagian baterai di Pusat Penellitian Fisika LIPI.
6. Keluarga tercinta : Bapak (T.Sinaga), Mama (R.Situmorang), Abang Julius
Sinaga, Kakak Marifa Siagian, Abang Ronal Leo Sinaga, Kakak Sari Julita
Sihotang, Abang Jekson Sinaga yang telah mendoakan, mencintai,
memberikan nasihat, semangat dan motivasi untuk menyelesaikan skripsi
ini kepada penulis. Penulis sangat menyayangi keluarga ini. Terima kasih.
7. Keluarga
besar Op. Julius Sinaga yang telah mendoakan dan
membimbing. Secara khusus untuk pak tua / maktua Yordi Sinaga, Clarita
Sinaga, Kakak Yordina Sinaga, Abang Arthur Siagian, Abang Jusran
Universitas Sumatera Utara
Sinaga. Dan Saudara-saudara yang telah memberikan semangat terkhusus
selama di tangerang.
8. Frits Tampubolon yang selalu mendoakan, memberikan semangat dan
mendukung, Hesti Monica Tarigan, Amenda Kristianti, Citra Pasaribu,
Eunike Febe Febriani, Nova Simamora yang telah memberikan semangat
kepada penulis. Terima kasih atas dukungannya dan hiburan.
9. Teman- teman seperjuangan yang melakukan penelitian di puspitek :
Melpa Simamora, Tania Christiyanti L.Tobing, Santa Simanjuntak, Marta
Masniary Nainggolan, Sulistra Simamora, Riris Julita Tambunan, Fitri
Silaban, Cut Hani Safira, Mia Aulia Dhika, Dewi Suryani Lubis, Yani
Permata Sari, Mareanus Mendrofa, Karyaman Zebua, Giassanistya
Marpaung, Andi Mulya, Indah Juriani, Risuliniko Saragih, Lyana Amirani,
Mona, Rahmat S, Devi, Taufik, Hanifah, Firman, Kana Cici Mahmuda.
Terima kasih atas segala kenangan saat suka ataupun duka kita dan
pengetahuan yang berhubungan dengan penelitian.
10. Keluarga fisika 2012 “ Physics on fire” yang memberikan semangat dan
dukungan dan terima kasih telah memberikan warna kehidupan ini.
Semoga tetap bersatu.
11. Keluarga besar Ikatan Mahasiswa Fisika (IMF): teman seperjuangan
angkatan 2012 , abang dan kakak alumni, adik-adik junior di Universitas
Sumatera Utara.
12. Keluarga Legio Maria yaitu ibu morina, kak agnes, ibu diana di binjai
yang telah mendoakan dan memberikan semangat.
13. Bimbingan Primagama Binjai yang telah memberikan izin penulis untuk
menyelesaikan skripsi dan semangat.
Penulis menyadari bahwa pada skripsi ini merupakan karya penyusunannya atas
keterbatasan penulis dalam memahami semua hal yang pernah dilalui selama
penelitian berlangsung. Jika ada saran dan kritikan selalu penulis harapkan untuk
pengembangan di masa depan.
Penulis
Universitas Sumatera Utara
STUDI TiO2 SEBAGAI BAHAN PEMBENTUKAN
ELEKTRODA ANODA BERBASIS TITANATE DALAM
APLIKASI PADA BATERAI ION LITHIUM
ABSTRAK
TiO2 digunakan sebagai bahan pembentukan elektroda anoda berbasis titanate
dalam aplikasi pada baterai ion lithium. TiO2 yang digunakan yaitu TiO2 china.
Li4Ti5O12 disintesis dengan proses kalsinasi dan sintering dengan bahan precursor
dari LiOH.H2O dan TiO2 china. NaLiTi3O7 disintesis dengan LiOH.H2O, TiO2 dan
Na2CO3. Kemudian dilakukan pembuatan lembaran dan coin cell setengah baterai.
Uji analisa serbuk untuk indentifikasi fasa dan morfologi dengan alat XRD dan
SEM. Analisa elektrokimia dengan alat cyclic voltammetry, charge discharge, dan
Electrocimical Impedance Spectroscopy. Pengujian XRD pada Li4Ti5O12 dan
NaLiTi3O7 terbentuk fasa anatase,syn dan zabuyelite,syn. Pengujian SEM terlihat
Li4Ti5O12 memiliki pori yang banyak dan pada NaLiTi3O7 seperti batu karang
yang banyak pori-pori sehingga stabilitas energi tinggi. Tegangan kerja dari uji
cyclic voltammetry untuk TiO2, Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7 yaitu 1,8995 volt, 1,865
volt, 1,82 volt. Kapasitas spesifik yg diperoleh utk TiO2, Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7
yaitu 128,1 mAh/g, 124,05 mAh/g 152,6 mAh/g. Electrochemical Impedance
Spectroscopy menunjukkan hambatan Rct TiO2, Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7 yaitu
210 Ω, 85,8 Ω dan 134 Ω. Performa elektrokimia sel setengah baterai yang baik
yaitu Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7 mengalami kenaikan kapasitas spesifik, penurunan
tegangan kerja,tegangan polarisasi dan resistansi yang rendah dibandingkan TiO2
sebelum perlakuan panas.
Kata kunci : TiO2, solid state reaction, Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7
Universitas Sumatera Utara
STUDY TiO2 AS MATERIAL FORMING ANODE
ELECTRODE TITANATE BASED IN APPLICATIONS OF
LITHIUM ION BATTERY
ABSTRACT
TiO2 is used as material forming anode electrode to titanate based in application
of lithium ion battery. TiO2 used is TiO2 china. Li4Ti5O12 is synthesized by
calcination process and sintering by precursor material from LiOH.H2O and TiO2
china. NaLiTi3O7 is synthesized by LiOH.H2O, TiO2 and Na2CO3. Then do
manufacture of sheet and coin cell half battery. Powder analysis test for fasa
identification and morphology is by XRD and SEM. Electrochemical analysis is
by cyclic voltammetry, charge discharge, and electrocimical impedance
spectroscopy tool. Testing of XRD on Li4Ti5O12 and NaLiTi3O7 shaped anatase,
syn and zabuyelite, syn. Testing of SEM visible Li4Ti5O12 has many pores and
NaLiTi3O7 is like a coral that many pores, so that high energy stability. The
working voltage of cyclic voltammetry test for TiO2, Li4Ti5O12 and NaLiTi3O7 is
1.8995 volts, 1.865 volts, 1.82 volts. For specific capacity obtained for TiO2,
Li4Ti5O12 and NaLiTi3O7 is 128.1 mAh/g, 124.05 mAh/g 152.6 mAh/g.
Electrochemical Impedance Spectroscopy shows Rct barriers TiO2, Li4Ti5O12 and
NaLiTi3O7 is 210 Ω, 85.8 Ω and 134 Ω. Performance electrochemical is half a
good battery is Li4Ti5O12 and NaLiTi3O7 increased specific capacity, voltage
drop in employment, low polarization voltage and resistance compared to TiO2
before heat treatment.
Keywords : TiO2, solid state reaction, Li4Ti5O12 and NaLiTi3O7
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman
Lembar Pengesahan
i
Pernyataan
ii
Penghargaan
iii
Abstrak
v
Abstract
vi
Daftar Isi
vii
Daftar Tabel
x
Daftar Gambar
xi
Daftar Lampiran
xii
BAB 1. Pendahuluan
1.1 Latar Belakang
1
1.2 Rumusan Masalah
3
1.3 Tujuan Penelitian
3
1.4 Manfaat Penelitian
4
1.5 Batasan Masalah
4
1.6 Sistematika Penelitian
4
BAB 2. Tinjauan Pustaka
2.1 Baterai
6
2.2 Baterai Ion Lithium
6
2.3 Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium
7
2.4 Perubahan pada Anoda / Antarmuka Elektrolit
8
2.5 Pengembangan Bahan Katoda
10
2.6 Pengembangan Material Elektrolit
10
2.7 Pengembangan Material Anoda
11
2.7.1 Graphite
11
2.7.2 Li4Ti5O12
12
Universitas Sumatera Utara
2.7.3 NaLiTi3O7
13
2.8 Bahan Baku Pembuatan Lembaran Anoda
13
2.8.1 TiO2
13
2.9. Bahan Tambahan Pembuatan Lembaran Anoda
15
2.9.1 PVDF
15
2.9.2 Zat Aditif Acetylene Black (AB)
15
2.9.3 DMAC (Dimethylacetamide)
16
2.10 Karakterisasi Serbuk dan Elektrokimia
16
2.10.1 X-Ray Diffraction (XRD)
16
2.10.2 Scanning Electron Microscopy (SEM)
17
2.10.3 Cyclic Voltammetry (CV)
18
2.9.4 Charge Discharge (CD)
19
2.9.5 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)
19
BAB 3. Metodologi Penelitian
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
21
3.2 Bahan dan Peralatan Penelitian
21
3.2.1 Bahan Penelitian
21
3.2.2 Peralatan Penelitian
21
3.3 Perhitungan Massa Bahan
23
3.4 Tahapan Penelitian
23
3.4.1 Pembuatan Lembaran TiO2
23
3.4.2. Pembuatan Lembaran Li4Ti5O12
24
3.4.3 Pembuatan Lembaran NaLiTi3O7
26
3.5 Prosedur Percobaan
27
3.5.1 Pembuatan Lembaran TiO2
27
3.5.2 Pembuatan Lembaran Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7
28
BAB 4. Hasil Dan Pembahasan
4.1 Analisa Fasa dan Struktur dengan XRD
30
4.1.1 Sampel TiO2 (Na0)
30
4.1.2 Sampel Li4Ti5O12 (Na1)
31
4.1.3 Sampel NaLiTi3O7 (Na2)
32
4.2 Analisa Morfologi Scanning Electron Microscopy (SEM)
34
Universitas Sumatera Utara
4.3 Analisa pengukuran Kerapatan jenis
36
4.4 Analisa Uji Lembaran Elektroda
37
4.5 Analisa Uji Sel Setengah terhadap Lithium Metal
38
4.5.1 Analisa Cyclic Voltammetry (CV)
38
4.5.2 Analisa Charge Discharge (CD)
40
4.5.3 Analisa Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)
43
BAB 5. Kesimpulan dan Saran
5.1 Kesimpulan
46
5.2 Saran
47
Daftar Pustaka
48
Lampiran
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Nomor
Judul
Halaman
Tabel
2.1
Perbandingan karakteristik kinerja untuk baterai sekunder
7
2.2
Kinerja bahan katoda
10
2.3
Sistem kristal fase pada TiO2
14
2.4
Spesifikasi TiO2
15
3.1
Perbandingan massa bahan
23
4.1
Hasil analisis struktur kristal (Parameter kisi) TiO2 (Na0)
31
4.2
Hasil analisis struktur kristal (Parameter kisi) Li4Ti5O12 (Na1)
32
4.3
Hasil analisis struktur kristal (Parameter kisi) NaLiTi3O7 (Na2) 33
4.4
Kandungan fasa pada Na0,Na1,Na2
33
4.5
Kerapatan jenis Na0,Na1,Na2
36
4.6
Tegangan polarisasi dan spesifik capacity pada Na0,Na1,Na2
40
4.7
Hasil kapasitas charge discharge pada Na0,Na1,Na2
42
4.8
Resistansi Na0,Na1,Na2 hasil EIS
44
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Nomor
Judul
Halaman
Gambar
2.1.
Sketsa komponen sel dengan arus mengalir
6
selama discharge
2.2.
Prinsip kerja baterai Li-ion
8
2.3.
Perubahan permukaan anoda/elektrolit
9
2.4.
Struktur spinel Li4Ti5O12 menunjukkan sisi tetrahedral
12
dan sisi oktahedral
2.5.
Struktur kristal pada (a) fasa anatase dan (b) fasa rutil
14
2.6.
Difraksi sinar-x hukum Bragg
17
2.7.
Tipikal cyclic Voltammogram untuk proses
18
redoks reversibel
2.8.
Tipikal Nyquist plot pada sistem elektrokimia
20
4.1.
Grafik dan bidang hkl hasil XRD pada TiO2
30
4.2.
Grafik dan bidang hkl hasil XRD pada Li4Ti5O12
31
4.3.
Grafik dan bidang hkl hasil XRD pada NaLiTi3O7
32
4.4.
Grafik fasa yang terbentuk pada Na0, Na1, Na2
34
dari hasil XRD
4.5.
Hasil SEM pada (a) sampel Na0, (b) sampel Na1,
35
(c) sampel Na2 dengan perbesaran 10.000 kali
4.6.
Hasil SEM pada sampel serbuk (a) Na0, (b)Na1,
36
(c) Na2 dengan perbesaran 250000 kali
4.7.
Lembaran (a) Na0, (b) Na1, (c) Na2
37
4.8.
Konduktivitas lembaran Na0,Na1, dan Na2
38
4.9.
Hasil cyclic voltammetry (CV) (a) TiO2,
39
(b) Li4Ti5O12, (c) NaLiTi3O7
4.10.
Hasil pengujian charge discharge (a) TiO2 (Na0),
41
(b) Li4Ti5O12 (Na1), (c) NaLiTi3O7 (Na2)
Universitas Sumatera Utara
4.11.
Cole – cole plot hasil EIS
43
4.12.
Pergeseran sudut fasa dan Z total pada Na0,Na1,Na2
44
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran
Lampiran A
1. Perhitungan pencampuran bahan-bahan dasar
2. Menghitung Specific Capacity TiO2
3.Mengukur Ketebalan Sampel
Li4Ti5O12 Dan NaLiTi3O12
4. Menghitung Massa Jenis pada Sampel
Lampiran B
1. Peralatan Penelitian
2. Bahan Penelitian
Lampiran C
1. Hasil SEM
2. Hasil XRD
Universitas Sumatera Utara
BERBASIS TITANATE DALAM APLIKASI PADA BATERAI ION
LITHIUM
SKRIPSI
ELISABETH F SINAGA
120801048
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
STUDI TiO2 SEBAGAI BAHAN PEMBENTUKAN ELEKTRODA ANODA
BERBASIS TITANATE DALAM APLIKASI PADA BATERAI ION
LITHIUM
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar
Sarjana Sains
ELISABETH F SINAGA
120801048
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
LEMBAR PENGESAHAN
STUDI TiO2 SEBAGAI BAHAN PEMBENTUKAN ELEKTRODA ANODA
BERBASIS TITANATE DALAM APLIKASI PADA BATERAI ION
LITHIUM
OLEH:
ELISABETH FRANSISKA SINAGA
120801048
Disetujui Oleh:
Komisi Pembimbing
Drs. Herli Ginting
Achmad Subhan, M.T
Nip : 195505191986011001
NIP : 197011092000031001
Disetujui Oleh:
Departemen Fisika FMIPA USU
Pusat Penlitian Fisika-LIPI
Ketua,
Kepala,
Dr. Marhaposan Situmorang
Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng.
Nip : 195510301980031003
Nip : 196204301988031001
Universitas Sumatera Utara
PERSETUJUAN
Judul
: STUDI TiO2 SEBAGAI BAHAN PEMBENTUKAN
ELEKTRODA ANODA BERBASIS TITANATE
DALAM APLIKASI PADA BATERAI
ION LITHIUM
Kategori
: Baterai ion lithium
Nama
: Elisabeth F Sinaga
NIM
: 120801048
Program Studi
: Sarjana (S1) Fisika
Departemen
: Fisika
Fakultas
: Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas
Sumatera Utara
Disetujui,
Medan, Mei 2016
Pembimbing 1
Pembimbing 2
Drs. Herli Ginting
Achmad Subhan, M.T
NIP : 195505191986011001
NIP : 197011092000031001
Departemen Fisika FMIPA USU
Ketua,
Dr. Marhaposan Situmorang
NIP : 195510301980031003
Universitas Sumatera Utara
PERNYATAAN
STUDI TiO2 SEBAGAI BAHAN PEMBENTUKAN ELEKTRODA ANODA
BERBASIS TITANATE DALAM APLIKASI PADA BATERAI ION
LITHIUM
SKRIPSI
Saya menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri. Kecuali
beberapa kutipan dan ringkasan yang disebutkan sumbernya.
Medan, Juni 2016
ELISABETH FRANSISKA SINAGA
120801048
Universitas Sumatera Utara
PENGHARGAAN
Puji dan syukur kepada Tuhan yang Maha Esa atas anugerah dan pimpinan-nya
yang diberikan kepada penulis selama melaksanakan skripsi ini, sehingga penulis
dapat menyelesakan skripsi dengan baik. Pada proses penyusunan skripsi ini,
penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Dr. Kerista Sebayang, M.Sc, sebagai Dekan Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.
2. Dr. Marhaposan Situmorang sebagai ketua Departemen Fisika Universitas
Sumatera Utara, Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc, sebagai sekretaris
Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara, dan seluruh staf pengajar
serta pegawai Administrasi di Departemen Fisika Universitas Sumatera
Utara yang telah memberikan pendidikan dan fasilitas kepada penulis
selama perkuliahan.
3. Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng sebagai kepala Pusat Penelitian
Fisika-LIPI dan seluruh staf peneliti Pusat Penelitian Fisika-LIPI yang
telah membimbing dan memberikan pendidikan kepada penulis selama
penelitian.
4. Drs. Herli Ginting sebagai dosen pembimbing di Universitas Sumatera
Utara yang telah membimbing dan memberikan arahan pada penulis.
5. Achmad Subhan, MT sebagai dosen pembimbing yang telah memberikan
pengetahuan dan sabar membimbing penulis untuk menyelesaikan skripsi
ini, dan dosen-dosen di bagian baterai di Pusat Penellitian Fisika LIPI.
6. Keluarga tercinta : Bapak (T.Sinaga), Mama (R.Situmorang), Abang Julius
Sinaga, Kakak Marifa Siagian, Abang Ronal Leo Sinaga, Kakak Sari Julita
Sihotang, Abang Jekson Sinaga yang telah mendoakan, mencintai,
memberikan nasihat, semangat dan motivasi untuk menyelesaikan skripsi
ini kepada penulis. Penulis sangat menyayangi keluarga ini. Terima kasih.
7. Keluarga
besar Op. Julius Sinaga yang telah mendoakan dan
membimbing. Secara khusus untuk pak tua / maktua Yordi Sinaga, Clarita
Sinaga, Kakak Yordina Sinaga, Abang Arthur Siagian, Abang Jusran
Universitas Sumatera Utara
Sinaga. Dan Saudara-saudara yang telah memberikan semangat terkhusus
selama di tangerang.
8. Frits Tampubolon yang selalu mendoakan, memberikan semangat dan
mendukung, Hesti Monica Tarigan, Amenda Kristianti, Citra Pasaribu,
Eunike Febe Febriani, Nova Simamora yang telah memberikan semangat
kepada penulis. Terima kasih atas dukungannya dan hiburan.
9. Teman- teman seperjuangan yang melakukan penelitian di puspitek :
Melpa Simamora, Tania Christiyanti L.Tobing, Santa Simanjuntak, Marta
Masniary Nainggolan, Sulistra Simamora, Riris Julita Tambunan, Fitri
Silaban, Cut Hani Safira, Mia Aulia Dhika, Dewi Suryani Lubis, Yani
Permata Sari, Mareanus Mendrofa, Karyaman Zebua, Giassanistya
Marpaung, Andi Mulya, Indah Juriani, Risuliniko Saragih, Lyana Amirani,
Mona, Rahmat S, Devi, Taufik, Hanifah, Firman, Kana Cici Mahmuda.
Terima kasih atas segala kenangan saat suka ataupun duka kita dan
pengetahuan yang berhubungan dengan penelitian.
10. Keluarga fisika 2012 “ Physics on fire” yang memberikan semangat dan
dukungan dan terima kasih telah memberikan warna kehidupan ini.
Semoga tetap bersatu.
11. Keluarga besar Ikatan Mahasiswa Fisika (IMF): teman seperjuangan
angkatan 2012 , abang dan kakak alumni, adik-adik junior di Universitas
Sumatera Utara.
12. Keluarga Legio Maria yaitu ibu morina, kak agnes, ibu diana di binjai
yang telah mendoakan dan memberikan semangat.
13. Bimbingan Primagama Binjai yang telah memberikan izin penulis untuk
menyelesaikan skripsi dan semangat.
Penulis menyadari bahwa pada skripsi ini merupakan karya penyusunannya atas
keterbatasan penulis dalam memahami semua hal yang pernah dilalui selama
penelitian berlangsung. Jika ada saran dan kritikan selalu penulis harapkan untuk
pengembangan di masa depan.
Penulis
Universitas Sumatera Utara
STUDI TiO2 SEBAGAI BAHAN PEMBENTUKAN
ELEKTRODA ANODA BERBASIS TITANATE DALAM
APLIKASI PADA BATERAI ION LITHIUM
ABSTRAK
TiO2 digunakan sebagai bahan pembentukan elektroda anoda berbasis titanate
dalam aplikasi pada baterai ion lithium. TiO2 yang digunakan yaitu TiO2 china.
Li4Ti5O12 disintesis dengan proses kalsinasi dan sintering dengan bahan precursor
dari LiOH.H2O dan TiO2 china. NaLiTi3O7 disintesis dengan LiOH.H2O, TiO2 dan
Na2CO3. Kemudian dilakukan pembuatan lembaran dan coin cell setengah baterai.
Uji analisa serbuk untuk indentifikasi fasa dan morfologi dengan alat XRD dan
SEM. Analisa elektrokimia dengan alat cyclic voltammetry, charge discharge, dan
Electrocimical Impedance Spectroscopy. Pengujian XRD pada Li4Ti5O12 dan
NaLiTi3O7 terbentuk fasa anatase,syn dan zabuyelite,syn. Pengujian SEM terlihat
Li4Ti5O12 memiliki pori yang banyak dan pada NaLiTi3O7 seperti batu karang
yang banyak pori-pori sehingga stabilitas energi tinggi. Tegangan kerja dari uji
cyclic voltammetry untuk TiO2, Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7 yaitu 1,8995 volt, 1,865
volt, 1,82 volt. Kapasitas spesifik yg diperoleh utk TiO2, Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7
yaitu 128,1 mAh/g, 124,05 mAh/g 152,6 mAh/g. Electrochemical Impedance
Spectroscopy menunjukkan hambatan Rct TiO2, Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7 yaitu
210 Ω, 85,8 Ω dan 134 Ω. Performa elektrokimia sel setengah baterai yang baik
yaitu Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7 mengalami kenaikan kapasitas spesifik, penurunan
tegangan kerja,tegangan polarisasi dan resistansi yang rendah dibandingkan TiO2
sebelum perlakuan panas.
Kata kunci : TiO2, solid state reaction, Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7
Universitas Sumatera Utara
STUDY TiO2 AS MATERIAL FORMING ANODE
ELECTRODE TITANATE BASED IN APPLICATIONS OF
LITHIUM ION BATTERY
ABSTRACT
TiO2 is used as material forming anode electrode to titanate based in application
of lithium ion battery. TiO2 used is TiO2 china. Li4Ti5O12 is synthesized by
calcination process and sintering by precursor material from LiOH.H2O and TiO2
china. NaLiTi3O7 is synthesized by LiOH.H2O, TiO2 and Na2CO3. Then do
manufacture of sheet and coin cell half battery. Powder analysis test for fasa
identification and morphology is by XRD and SEM. Electrochemical analysis is
by cyclic voltammetry, charge discharge, and electrocimical impedance
spectroscopy tool. Testing of XRD on Li4Ti5O12 and NaLiTi3O7 shaped anatase,
syn and zabuyelite, syn. Testing of SEM visible Li4Ti5O12 has many pores and
NaLiTi3O7 is like a coral that many pores, so that high energy stability. The
working voltage of cyclic voltammetry test for TiO2, Li4Ti5O12 and NaLiTi3O7 is
1.8995 volts, 1.865 volts, 1.82 volts. For specific capacity obtained for TiO2,
Li4Ti5O12 and NaLiTi3O7 is 128.1 mAh/g, 124.05 mAh/g 152.6 mAh/g.
Electrochemical Impedance Spectroscopy shows Rct barriers TiO2, Li4Ti5O12 and
NaLiTi3O7 is 210 Ω, 85.8 Ω and 134 Ω. Performance electrochemical is half a
good battery is Li4Ti5O12 and NaLiTi3O7 increased specific capacity, voltage
drop in employment, low polarization voltage and resistance compared to TiO2
before heat treatment.
Keywords : TiO2, solid state reaction, Li4Ti5O12 and NaLiTi3O7
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman
Lembar Pengesahan
i
Pernyataan
ii
Penghargaan
iii
Abstrak
v
Abstract
vi
Daftar Isi
vii
Daftar Tabel
x
Daftar Gambar
xi
Daftar Lampiran
xii
BAB 1. Pendahuluan
1.1 Latar Belakang
1
1.2 Rumusan Masalah
3
1.3 Tujuan Penelitian
3
1.4 Manfaat Penelitian
4
1.5 Batasan Masalah
4
1.6 Sistematika Penelitian
4
BAB 2. Tinjauan Pustaka
2.1 Baterai
6
2.2 Baterai Ion Lithium
6
2.3 Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium
7
2.4 Perubahan pada Anoda / Antarmuka Elektrolit
8
2.5 Pengembangan Bahan Katoda
10
2.6 Pengembangan Material Elektrolit
10
2.7 Pengembangan Material Anoda
11
2.7.1 Graphite
11
2.7.2 Li4Ti5O12
12
Universitas Sumatera Utara
2.7.3 NaLiTi3O7
13
2.8 Bahan Baku Pembuatan Lembaran Anoda
13
2.8.1 TiO2
13
2.9. Bahan Tambahan Pembuatan Lembaran Anoda
15
2.9.1 PVDF
15
2.9.2 Zat Aditif Acetylene Black (AB)
15
2.9.3 DMAC (Dimethylacetamide)
16
2.10 Karakterisasi Serbuk dan Elektrokimia
16
2.10.1 X-Ray Diffraction (XRD)
16
2.10.2 Scanning Electron Microscopy (SEM)
17
2.10.3 Cyclic Voltammetry (CV)
18
2.9.4 Charge Discharge (CD)
19
2.9.5 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)
19
BAB 3. Metodologi Penelitian
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
21
3.2 Bahan dan Peralatan Penelitian
21
3.2.1 Bahan Penelitian
21
3.2.2 Peralatan Penelitian
21
3.3 Perhitungan Massa Bahan
23
3.4 Tahapan Penelitian
23
3.4.1 Pembuatan Lembaran TiO2
23
3.4.2. Pembuatan Lembaran Li4Ti5O12
24
3.4.3 Pembuatan Lembaran NaLiTi3O7
26
3.5 Prosedur Percobaan
27
3.5.1 Pembuatan Lembaran TiO2
27
3.5.2 Pembuatan Lembaran Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7
28
BAB 4. Hasil Dan Pembahasan
4.1 Analisa Fasa dan Struktur dengan XRD
30
4.1.1 Sampel TiO2 (Na0)
30
4.1.2 Sampel Li4Ti5O12 (Na1)
31
4.1.3 Sampel NaLiTi3O7 (Na2)
32
4.2 Analisa Morfologi Scanning Electron Microscopy (SEM)
34
Universitas Sumatera Utara
4.3 Analisa pengukuran Kerapatan jenis
36
4.4 Analisa Uji Lembaran Elektroda
37
4.5 Analisa Uji Sel Setengah terhadap Lithium Metal
38
4.5.1 Analisa Cyclic Voltammetry (CV)
38
4.5.2 Analisa Charge Discharge (CD)
40
4.5.3 Analisa Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)
43
BAB 5. Kesimpulan dan Saran
5.1 Kesimpulan
46
5.2 Saran
47
Daftar Pustaka
48
Lampiran
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Nomor
Judul
Halaman
Tabel
2.1
Perbandingan karakteristik kinerja untuk baterai sekunder
7
2.2
Kinerja bahan katoda
10
2.3
Sistem kristal fase pada TiO2
14
2.4
Spesifikasi TiO2
15
3.1
Perbandingan massa bahan
23
4.1
Hasil analisis struktur kristal (Parameter kisi) TiO2 (Na0)
31
4.2
Hasil analisis struktur kristal (Parameter kisi) Li4Ti5O12 (Na1)
32
4.3
Hasil analisis struktur kristal (Parameter kisi) NaLiTi3O7 (Na2) 33
4.4
Kandungan fasa pada Na0,Na1,Na2
33
4.5
Kerapatan jenis Na0,Na1,Na2
36
4.6
Tegangan polarisasi dan spesifik capacity pada Na0,Na1,Na2
40
4.7
Hasil kapasitas charge discharge pada Na0,Na1,Na2
42
4.8
Resistansi Na0,Na1,Na2 hasil EIS
44
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Nomor
Judul
Halaman
Gambar
2.1.
Sketsa komponen sel dengan arus mengalir
6
selama discharge
2.2.
Prinsip kerja baterai Li-ion
8
2.3.
Perubahan permukaan anoda/elektrolit
9
2.4.
Struktur spinel Li4Ti5O12 menunjukkan sisi tetrahedral
12
dan sisi oktahedral
2.5.
Struktur kristal pada (a) fasa anatase dan (b) fasa rutil
14
2.6.
Difraksi sinar-x hukum Bragg
17
2.7.
Tipikal cyclic Voltammogram untuk proses
18
redoks reversibel
2.8.
Tipikal Nyquist plot pada sistem elektrokimia
20
4.1.
Grafik dan bidang hkl hasil XRD pada TiO2
30
4.2.
Grafik dan bidang hkl hasil XRD pada Li4Ti5O12
31
4.3.
Grafik dan bidang hkl hasil XRD pada NaLiTi3O7
32
4.4.
Grafik fasa yang terbentuk pada Na0, Na1, Na2
34
dari hasil XRD
4.5.
Hasil SEM pada (a) sampel Na0, (b) sampel Na1,
35
(c) sampel Na2 dengan perbesaran 10.000 kali
4.6.
Hasil SEM pada sampel serbuk (a) Na0, (b)Na1,
36
(c) Na2 dengan perbesaran 250000 kali
4.7.
Lembaran (a) Na0, (b) Na1, (c) Na2
37
4.8.
Konduktivitas lembaran Na0,Na1, dan Na2
38
4.9.
Hasil cyclic voltammetry (CV) (a) TiO2,
39
(b) Li4Ti5O12, (c) NaLiTi3O7
4.10.
Hasil pengujian charge discharge (a) TiO2 (Na0),
41
(b) Li4Ti5O12 (Na1), (c) NaLiTi3O7 (Na2)
Universitas Sumatera Utara
4.11.
Cole – cole plot hasil EIS
43
4.12.
Pergeseran sudut fasa dan Z total pada Na0,Na1,Na2
44
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran
Lampiran A
1. Perhitungan pencampuran bahan-bahan dasar
2. Menghitung Specific Capacity TiO2
3.Mengukur Ketebalan Sampel
Li4Ti5O12 Dan NaLiTi3O12
4. Menghitung Massa Jenis pada Sampel
Lampiran B
1. Peralatan Penelitian
2. Bahan Penelitian
Lampiran C
1. Hasil SEM
2. Hasil XRD
Universitas Sumatera Utara