Pembuatan Baterai Lithium Menggunakan Bahan Aktif Mesocarbon Microbead (MCMB) Sebagai Anoda Dengan Variasi Persentase Berat Pelarut N,N-Dimethyl Acetamide (DMAC)
1
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Merupakan suatu kenyataan bahwa kebutuhan akan energi, makin berkembang
menjadi bagian tak terpisahkan dari kebutuhan hidup masyarakat sehari-hari.
Apalagi, baterai menjadi kebutuhan utama yang akan berkembang pada masa
depan, salah satunya adalah baterai ion lithium. Baterai ion lithium telah menjadi
sektor penting pada baterai sekunder. Baterai ini telah banyak digunakan dalam
perangkat teknologi yang sifatnya mobile seperti ponsel, laptop, kamera,
handycam, alat-alat militer, bahkan kendaraan mobil hybrid. Hal ini dikarenakan
baterai ion lithium memiliki rapat energi yang tinggi (150-275 mAh/g), ramah
lingkungan (zero emission) dan memiliki lama pemakaian (life cycle) yang lama
(hingga 10-15 tahun). Selain itu, baterai ion lithium memiliki stabilitas termal
pada suhu (50-600C) (Ang Xiao, 2006), tidak ada memory effect sehingga
kapasitas baterai relatif konstan/tetap, kapasitas listrik dan tegangannya yang
besar, serta memiliki kebebasan yang lebih luas untuk pemilihan yang ramah
lingkungan sebagai material pembentuknya. Kebutuhan energi di Indonesia dapat
dilihat pada Gambar 1.1. Dengan adanya pengembangan baterai ion lithium di
Indonesia, diharapkan mampu memberi dampak positif untuk perkembangan
energi di Indonesia sendiri.
Gambar 1.1 Diagram kebutuhan energi di Indonesia (Prihandoko,2015)
Secara umum beberapa kriteria primer yang perlu dipertimbangkan dalam
pengembangan baterai ion lithium antara lain adalah energy, safety, cost, power,
Universitas Sumatera Utara
2
lifetime dan temperatur operasi. Dengan memperhatikan faktor-faktor ini dapat,
dipertimbangkan material-material yang cocok untuk komponen baterai ion
lithium agar memenuhi persyaratan. (Ying, 2012)
Komponen utama penyusun baterai ion lithium yaitu, anoda, katoda,
elektrolit dan separator. Di dalam sistem baterai akan terjadi reaksi oksidasi dan
reduksi pada elektrodanya. Katoda adalah elektroda positif. Pada saat discharging
katoda akan mengalami reaksi reduksi dan ion lithium akan bergerak kekatoda di
dalam sistem baterai. Anoda adalah elektroda negatif. Pada saat discharging
anoda akan mengalami reaksi oksidasi dan ion lithium berggerak meninggalkan
anoda. Sedangkan elektrolit adalah perantara bagi ion lithium untuk bergerak dari
anoda ke katoda dan sebaliknya dan separator adalah pemisah berpori antara
anoda dan katoda agar tidak terjadi short contact.
Dalam desain elektroda, ketebalan elektroda (muatan material aktif),
porositas elektroda dan komposisi kimia merupakan parameter penting yang
mempengaruhi energi dan kapabilitas daya pada sel. Untuk material aktif yang
diberikan, densitas energi elektroda dapat ditingkatkan dengan teknik pendekataan
termasuk meningkatkan ketebalan elektroda, mengurangi porositas elektroda dan
mengurangi isi bahan aktif (pengikat polimer dan karbon konduktif) (Zheng et all,
2012). Komposisi kimia elektroda juga jauh mempengaruhi kinerja elektrokimia
keseluruhan baterai ion lithium. (Liu et all, 2008)
Analisa kualitatif telah disajikan untuk menemukan hubungan antara
desain variabel dan kinerja elektrokimia untuk berbagai sistem baterai. Ketebalan
elektroda dikenal sebagai parameter desain penting yang mempengaruhi kinerja
elektrokimia sel, meskipun hasil eksperimen rinci dan kuantitatif yang berkaitan
dengan efek tebal elektroda tidak cukup, dan terkadang bahkan tidak tersedia.
Studi yang dilaporkan belum sepenuhnya menjelaskan efek difusi ion lithium
dalam elektroda karena kesulitan dan kompleksitas proses transportasi. Beberapa
masalah ilmiah mendasar yang berkaitan dengan efek ketebalan elektroda tetap
soal dugaan. Sebuah pemahaman yang komprehensif tentang efek tebal elektroda
adalah sangat penting untuk merancang kualitas tinggi elektroda untuk memenuhi
persyaratan mobil listrik. (Honghe, 2012)
Universitas Sumatera Utara
3
Anoda pada baterai biasanya digunakan adalah karbon berbasis grafit,
karena grafit memiliki densitas energi yang lebih tinggi dan keselarasan struktur
yang lebih baik dibanding dengan anoda yang tidak berbasis karbon seperti
Lithium Titanate Oxside (LTO), di mana LTO memiliki beda potensial yang
cukup besar yaitu 1,5 terhadap lithium metal. Anoda berbasis karbon yang
menarik perhatian luas yang sering digunakan yaitu Mesocarbon Microbead
(MCMB). MCMB memiliki struktur spiral yang unik dengan diameter 1-40 m
densitas yang tinggi, dan kompatibiliti elektrolit yang baik. MCMB memiliki luas
permukaan yang kecil sehingga pada saat charge-discharge reaksi pada
permukaan dapat di minimalisir. MCMB merupakan karbon black yang memiliki
struktur mikrokristalin mirip dengan grafit. (Chin-Wei Shen, 2014)
Pada penelitian ini, akan dibuat lembaran anoda dengan material aktif
yang menggunakan serbuk MCMB selain itu akan dilakukan variasi persentase
berat N,N – Dimethyl Acetamide (DMAC) yang digunakan sebagai pelarut untuk
membuat lembaran anoda. Penggunaan pelarut akan memberikan efek kekentalan
pada slurry, dan jika dikeringkan maka pelarut akan menguap sehingga secara
otomatis akan mempengaruhi ketebalan dari lembaran anoda tersebut.
Dari
variasi persentase berat pelarut dan ketebalan yang berbeda akan dilihat
perbandingan dari performa baterai ion lithium. Penelitian ini diharapkan dapat
membantu, untuk menentukan komposisi, khususnya komposisi dari pelarut pada
saat pembuatan slurry sehingga dapat membuat ketebalan yang pas sehingga
lembaran tersebut akan memiliki performa baterai yang bagus.
1.2 Perumusan Masalah
Untuk mendapatkan performa baterai yang bagus pada sel baterai ion lithium
dengan menggunkan anoda berbasis karbon yaitu MCMB, struktur awal dari
MCMB yang digunakan merupakan hal penting yang harus diketahui. Maka,
perumusan masalah pada penelitian ini adalah :
1.
Bagaimana karakteristik dari MCMB yang digunakan.
2.
Bagaimana pengaruh variasi persentase berat pelarut DMAC terhadap
ketebalan lembaran anoda MCMB.
Universitas Sumatera Utara
4
3.
Bagaimana pengaruh serbuk MCMB kalsinasi dan tanpa kalsinasi terhadap
performa baterai.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1.
Membuat lembaran anoda MCMB dengan persentase berat MCMB terhadap
pelarut DMAC sebagai berikut 42,86%, 33,33%, 27,27% .
2.
Menganalisis pengaruh variasi persentase berat pelarut DMAC terhadap
ketebalan lembaran anoda dari MCMB.
3.
Menganalisis pengaruh variasi persentase berat pelarut DMAC terhadap
performa anoda MCMB pada sel baterai lithium.
1.4 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan memberikan kontribusi yang positif terhadap
perkembangan baterai ion lithium di Indonesia diantaranya :
1.
Mendapatkan persentase berat pelarut DMAC yang terbaik untuk membuat
slurry pada anoda MCMB.
2.
Mendapatkan lembaran anoda MCMB yang terbaik pada performa sel baterai
ion lithium.
3.
Memberikan informasi sebagai pengembangan pengetahuan pada penelitian
lanjutan khususnya bidang material energi terbarukan.
1.5 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah :
1.
Pembuatan lembaran anoda menggunakan bahan baku sebagai berikut,
material aktif serbuk MCMB import, pelarut DMAC, binder Polyvinylidene
Fluoride (PVDF), dan zat aditif Acetylene Black (AB).
2.
Komposis pembuatan slurry dengan menggunakan perbandingan material
aktif, binder dan zat aditif berturut-turut sebagai berikut 85% : 10% : 5%.
Dan persentase berat pelarut DMAC yang digunakan sebesar 42,85%,
33,33%, 27,27%.
Universitas Sumatera Utara
5
3.
Membuat baterai prismatik dengan lembaran anoda MCMB dan LiCoO2
sebagai katoda, LiPF6 sebagai elektrolit dan separator Polyetylene (PE)
4.
Pengujian karakterisasi serbuk dilakukan dengan alat Scanning Electron
Microscopy (SEM), X-Ray Difraction (XRD). Sedangkan pengujian performa
baterai dilakukan dengan alat Cyclic Voltamettry (CV) dan Charge-Discharge
(CD).
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 membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk
proses pengembilan data, analisa data serta pembahasan.
Bab 3 Metodologi Penelitian
Bab ini membahas tentang rancangan penelitian, tempat dan waktu
penelitian, peralatan dan bahan penelitian, prosedur penelitian serta
diagram alir penelitian.
Bab 4 Hasil dan Pembahasan Penelitian
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa data yang
diperoleh dari penelitian.
Bab 5 Kesimpulan dan Saran
Bab ini menyajikan kesimpulan dari seluruh kegiatan dan hasil
penelitian
dan
berisi
saran-saran
yang
diperlukan
untuk
pengembangan dan penelitian lebih lanjut.
Daftar Pustaka
Universitas Sumatera Utara
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Merupakan suatu kenyataan bahwa kebutuhan akan energi, makin berkembang
menjadi bagian tak terpisahkan dari kebutuhan hidup masyarakat sehari-hari.
Apalagi, baterai menjadi kebutuhan utama yang akan berkembang pada masa
depan, salah satunya adalah baterai ion lithium. Baterai ion lithium telah menjadi
sektor penting pada baterai sekunder. Baterai ini telah banyak digunakan dalam
perangkat teknologi yang sifatnya mobile seperti ponsel, laptop, kamera,
handycam, alat-alat militer, bahkan kendaraan mobil hybrid. Hal ini dikarenakan
baterai ion lithium memiliki rapat energi yang tinggi (150-275 mAh/g), ramah
lingkungan (zero emission) dan memiliki lama pemakaian (life cycle) yang lama
(hingga 10-15 tahun). Selain itu, baterai ion lithium memiliki stabilitas termal
pada suhu (50-600C) (Ang Xiao, 2006), tidak ada memory effect sehingga
kapasitas baterai relatif konstan/tetap, kapasitas listrik dan tegangannya yang
besar, serta memiliki kebebasan yang lebih luas untuk pemilihan yang ramah
lingkungan sebagai material pembentuknya. Kebutuhan energi di Indonesia dapat
dilihat pada Gambar 1.1. Dengan adanya pengembangan baterai ion lithium di
Indonesia, diharapkan mampu memberi dampak positif untuk perkembangan
energi di Indonesia sendiri.
Gambar 1.1 Diagram kebutuhan energi di Indonesia (Prihandoko,2015)
Secara umum beberapa kriteria primer yang perlu dipertimbangkan dalam
pengembangan baterai ion lithium antara lain adalah energy, safety, cost, power,
Universitas Sumatera Utara
2
lifetime dan temperatur operasi. Dengan memperhatikan faktor-faktor ini dapat,
dipertimbangkan material-material yang cocok untuk komponen baterai ion
lithium agar memenuhi persyaratan. (Ying, 2012)
Komponen utama penyusun baterai ion lithium yaitu, anoda, katoda,
elektrolit dan separator. Di dalam sistem baterai akan terjadi reaksi oksidasi dan
reduksi pada elektrodanya. Katoda adalah elektroda positif. Pada saat discharging
katoda akan mengalami reaksi reduksi dan ion lithium akan bergerak kekatoda di
dalam sistem baterai. Anoda adalah elektroda negatif. Pada saat discharging
anoda akan mengalami reaksi oksidasi dan ion lithium berggerak meninggalkan
anoda. Sedangkan elektrolit adalah perantara bagi ion lithium untuk bergerak dari
anoda ke katoda dan sebaliknya dan separator adalah pemisah berpori antara
anoda dan katoda agar tidak terjadi short contact.
Dalam desain elektroda, ketebalan elektroda (muatan material aktif),
porositas elektroda dan komposisi kimia merupakan parameter penting yang
mempengaruhi energi dan kapabilitas daya pada sel. Untuk material aktif yang
diberikan, densitas energi elektroda dapat ditingkatkan dengan teknik pendekataan
termasuk meningkatkan ketebalan elektroda, mengurangi porositas elektroda dan
mengurangi isi bahan aktif (pengikat polimer dan karbon konduktif) (Zheng et all,
2012). Komposisi kimia elektroda juga jauh mempengaruhi kinerja elektrokimia
keseluruhan baterai ion lithium. (Liu et all, 2008)
Analisa kualitatif telah disajikan untuk menemukan hubungan antara
desain variabel dan kinerja elektrokimia untuk berbagai sistem baterai. Ketebalan
elektroda dikenal sebagai parameter desain penting yang mempengaruhi kinerja
elektrokimia sel, meskipun hasil eksperimen rinci dan kuantitatif yang berkaitan
dengan efek tebal elektroda tidak cukup, dan terkadang bahkan tidak tersedia.
Studi yang dilaporkan belum sepenuhnya menjelaskan efek difusi ion lithium
dalam elektroda karena kesulitan dan kompleksitas proses transportasi. Beberapa
masalah ilmiah mendasar yang berkaitan dengan efek ketebalan elektroda tetap
soal dugaan. Sebuah pemahaman yang komprehensif tentang efek tebal elektroda
adalah sangat penting untuk merancang kualitas tinggi elektroda untuk memenuhi
persyaratan mobil listrik. (Honghe, 2012)
Universitas Sumatera Utara
3
Anoda pada baterai biasanya digunakan adalah karbon berbasis grafit,
karena grafit memiliki densitas energi yang lebih tinggi dan keselarasan struktur
yang lebih baik dibanding dengan anoda yang tidak berbasis karbon seperti
Lithium Titanate Oxside (LTO), di mana LTO memiliki beda potensial yang
cukup besar yaitu 1,5 terhadap lithium metal. Anoda berbasis karbon yang
menarik perhatian luas yang sering digunakan yaitu Mesocarbon Microbead
(MCMB). MCMB memiliki struktur spiral yang unik dengan diameter 1-40 m
densitas yang tinggi, dan kompatibiliti elektrolit yang baik. MCMB memiliki luas
permukaan yang kecil sehingga pada saat charge-discharge reaksi pada
permukaan dapat di minimalisir. MCMB merupakan karbon black yang memiliki
struktur mikrokristalin mirip dengan grafit. (Chin-Wei Shen, 2014)
Pada penelitian ini, akan dibuat lembaran anoda dengan material aktif
yang menggunakan serbuk MCMB selain itu akan dilakukan variasi persentase
berat N,N – Dimethyl Acetamide (DMAC) yang digunakan sebagai pelarut untuk
membuat lembaran anoda. Penggunaan pelarut akan memberikan efek kekentalan
pada slurry, dan jika dikeringkan maka pelarut akan menguap sehingga secara
otomatis akan mempengaruhi ketebalan dari lembaran anoda tersebut.
Dari
variasi persentase berat pelarut dan ketebalan yang berbeda akan dilihat
perbandingan dari performa baterai ion lithium. Penelitian ini diharapkan dapat
membantu, untuk menentukan komposisi, khususnya komposisi dari pelarut pada
saat pembuatan slurry sehingga dapat membuat ketebalan yang pas sehingga
lembaran tersebut akan memiliki performa baterai yang bagus.
1.2 Perumusan Masalah
Untuk mendapatkan performa baterai yang bagus pada sel baterai ion lithium
dengan menggunkan anoda berbasis karbon yaitu MCMB, struktur awal dari
MCMB yang digunakan merupakan hal penting yang harus diketahui. Maka,
perumusan masalah pada penelitian ini adalah :
1.
Bagaimana karakteristik dari MCMB yang digunakan.
2.
Bagaimana pengaruh variasi persentase berat pelarut DMAC terhadap
ketebalan lembaran anoda MCMB.
Universitas Sumatera Utara
4
3.
Bagaimana pengaruh serbuk MCMB kalsinasi dan tanpa kalsinasi terhadap
performa baterai.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1.
Membuat lembaran anoda MCMB dengan persentase berat MCMB terhadap
pelarut DMAC sebagai berikut 42,86%, 33,33%, 27,27% .
2.
Menganalisis pengaruh variasi persentase berat pelarut DMAC terhadap
ketebalan lembaran anoda dari MCMB.
3.
Menganalisis pengaruh variasi persentase berat pelarut DMAC terhadap
performa anoda MCMB pada sel baterai lithium.
1.4 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan memberikan kontribusi yang positif terhadap
perkembangan baterai ion lithium di Indonesia diantaranya :
1.
Mendapatkan persentase berat pelarut DMAC yang terbaik untuk membuat
slurry pada anoda MCMB.
2.
Mendapatkan lembaran anoda MCMB yang terbaik pada performa sel baterai
ion lithium.
3.
Memberikan informasi sebagai pengembangan pengetahuan pada penelitian
lanjutan khususnya bidang material energi terbarukan.
1.5 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah :
1.
Pembuatan lembaran anoda menggunakan bahan baku sebagai berikut,
material aktif serbuk MCMB import, pelarut DMAC, binder Polyvinylidene
Fluoride (PVDF), dan zat aditif Acetylene Black (AB).
2.
Komposis pembuatan slurry dengan menggunakan perbandingan material
aktif, binder dan zat aditif berturut-turut sebagai berikut 85% : 10% : 5%.
Dan persentase berat pelarut DMAC yang digunakan sebesar 42,85%,
33,33%, 27,27%.
Universitas Sumatera Utara
5
3.
Membuat baterai prismatik dengan lembaran anoda MCMB dan LiCoO2
sebagai katoda, LiPF6 sebagai elektrolit dan separator Polyetylene (PE)
4.
Pengujian karakterisasi serbuk dilakukan dengan alat Scanning Electron
Microscopy (SEM), X-Ray Difraction (XRD). Sedangkan pengujian performa
baterai dilakukan dengan alat Cyclic Voltamettry (CV) dan Charge-Discharge
(CD).
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 membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk
proses pengembilan data, analisa data serta pembahasan.
Bab 3 Metodologi Penelitian
Bab ini membahas tentang rancangan penelitian, tempat dan waktu
penelitian, peralatan dan bahan penelitian, prosedur penelitian serta
diagram alir penelitian.
Bab 4 Hasil dan Pembahasan Penelitian
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa data yang
diperoleh dari penelitian.
Bab 5 Kesimpulan dan Saran
Bab ini menyajikan kesimpulan dari seluruh kegiatan dan hasil
penelitian
dan
berisi
saran-saran
yang
diperlukan
untuk
pengembangan dan penelitian lebih lanjut.
Daftar Pustaka
Universitas Sumatera Utara