Pengaruh Komposisi Lembaran Anoda LTO (Li4Ti5O12) Terhadap Performa Sel Baterai Ion Lithium
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
itu, separator memiliki fungsi keamanan yang disebut "shutdown". Jika sel
sengaja dipanaskan, maka separator mencair karena suhu tinggi dan mengisi poripori 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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
itu, separator memiliki fungsi keamanan yang disebut "shutdown". Jika sel
sengaja dipanaskan, maka separator mencair karena suhu tinggi dan mengisi poripori 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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara