Pengaruh Pelapisan Karbon pada Bahan Aktif Anoda Na2Li2Ti6O14
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Baterai
2.1.1. Pengertian Baterai
Baterai adalah unit mandiri yang menyimpan energi kimia dan pada proses
charging, mengubahnya langsung menjadi energi listrik untuk daya berbagai
aplikasi. Baterai dibagi menjadi tiga kelas umum: baterai primer yang dipakai
sekali dan langsung dibuang; sekunder, baterai isi ulang yang bisa di charge dan
kemudian dikembalikan ke kondisi semula dengan membalikkan aliran arus
melalui sel; dan baterai khusus yang dirancang untuk memenuhi tujuan tertentu
(Winter, 2004; Ralph,2004). Ada dua jenis baterai, yaitu baterai primer dan
baterai sekunder atau disebut juga non-isi ulang dan isi ulang (Armand,2008).
Baterai primer adalah sel, atau sekelompok sel, untuk pembangkitan energi listrik
yang dimaksudkan untuk penggunaan sampai habis dan kemudian dibuang.
Baterai primer dirakit untuk melepaskan beban yang banyak hal tersebut adalah
proses primer selama operasi. Baterai sekunder adalah kelompok sel dari sel untuk
pembangkit energi listrik dimana sel, setelah keluar, dapat dikembalikan ke posisi
semula disebabkan oleh arus listrik mengalir dalam arah berlawanan dengan aliran
arus ketika arus itu dikembalikan ke semula. Istilah lain untuk baterai isi ulang
atau akumulator. Baterai sekunder biasanya dirakit di suatu tempat penghabisan,
lalu harus diisi terlebih dahulu sebelum dapat menjalani pengembalian dalam
proses sekunder (Winter, 2004).
Produksi untuk baterai berbeda, tergantung pada aplikasi. Sementara
susunan sel hibrida baterai membutuhkan daya yang tinggi untuk memanfaatkan
energi, mobil listik membutuhkan energi untuk 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 lebih baik untuk setiap situasi. Sebaliknya,
Universitas Sumatera Utara
untuk masa mendatang mungkin akan banyak baterai kimia yang berbeda dan
disesuaikan dengan aplikasi bidang tertentu (Nordh, 2013)
Sebuah baterai khusus adalah baterai primer yang diperoduksi secara
terbatas untuk penggunaan tertentu. Dalam hal ini baterai khusus tidak akan
dibahas pertama. Anoda adalah elektroda negatif dari sel yang terkait dengan
reaksi kimia oksidatif yang melepaskan elektron ke dalam sirkuit eksternal.
Katoda adalah elektroda positif dari sel yang terkait dengan reaksi kimia reduksi
yang memperoleh elektron dari sirkuit eksternal. Massa aktif adalah bahan yang
menghasilakan listrik saat ini dengan cara reaksi kimia dalam baterai.
Elektrolit adalah bahan yang menyediakan ionic murni konduktifitas
antara elektroda positif dan negatif dari sel. Sebuah pemisah adalah penghalang
fisik antara elektroda positif dan negatif dimasukkan ke dalam desain paling sel
untuk mencegah korslet listrik. Itu pemisah bisa menjadi elektrolit gel atau mikro
yang film plastik atau bahan inert berpori lainnya diisi dengan elektrolit. Pemisah
harus permeabel untuk ion dan ionik dalam lingkungan baterai. Sebuah sel bahan
bakar adalah perangkat konversi elektrokimia yang memiliki kelangsungan
penyediaan bahan bakar seperti hidrogen, gas alam, atau metanol dan oksidan
seperti oksigen, udara, atau hidrogen peroksida.
Hal ini dapat memiliki bagian tambahan untuk memberi makan perangkat
dengan reaktan sebagai serta baterai untuk memasok energi untuk pemulaan.
Discharge adalah operasi di mana baterai memberikan energi listrik ke beban
eksternal. Charge adalah operasi di mana baterai dikembalikan ke kondisi terisi
aslinya oleh pembalikan dari aliran arus (Nordh, 2013)
2.1.2. Pengoprasian Baterai
Dalam reaksi redoks, salah satu material aktif teroksidasi dengan memberikan
elektron sehingga bilangan oksidasi naik dan material aktif lain tereduksi 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
Universitas Sumatera Utara
baterai adalah untuk mengkonversi energi kimia yang tersimpan menjadi energi
listrik. Setiap reaksi redoks memiliki tegangan tertentu yang terkait dengan itu.
Ada nilai absolut praktis untuk potensi ini, sehingga sistem pengukuran relatif
digunakan sebagai gantinya.
Dalam sel baterai, site reduksi selalu disebut katoda dan site oksidasi
disebut anoda. Yang elektroda yang bertindak sebagai anoda dan yang bertindak
sebagai katoda ditentukan oleh seberapa potensial reduksi standar mereka
berhubungan satu sama lain, dan dengan demikian yang mereka lebih mudah
teroksidasi. Elektroda dengan potensial standar yang lebih tinggi akan bertindak
sebagai katoda, dan potensi yang lebih rendah sebagai anoda (Winter, 2004).
Skema dasar baterai (menggunakan elektrolit Li-ion) ditunjukkan pada
Gambar (2.1) dua elektroda dipisahkan oleh elektronik isolasi dan ionically
melakukan elektrolit, saat sedang terhubung dengan sebuah sirkuit eksternal yang
mengalir elektron. elektrolit biasanya larutan garam. Jika elektrolit tidak
elektronik isolasi, elektron akan diangkut melalui elektrolit bukan melalui sirkuit
eksternal, dan baterai akan hubung pendek, sehingga menimbulkan kerugian
kapasitas. Namun demikian, banyak elektrolit memiliki beberapa konduksi
elektronik dan meskipun itu rendah, masih ada. Sementara konduksi ini tidak
cukup untuk baterai sirkuit pendek dan rate yang cepat, hal itu akan menyebabkan
lambat self-discharge dari waktu ke waktu, sehingga dalam waktu penyimpanan
yang terbatas dari baterai (Winter, 2004).
Gambar 2.1. Skema baterai Lithium ion yang sederhana
Gambar (2.1) menampilkan skema yang sangat sederhana dari baterai. Namun,
ada beberapa komponen yang lebih diperlukan untuk sebagian besar baterai agar
berfungsi praktis. Skema dari baterai bekerja lebih sering terlihat seperti pada
Gambar (2.2) elektroda harus dipisahkan secara mekanis, jika baterai akan pendek
sirkuit dan bisa hancur. elektrolit cair lebih disukai karena konduktivitas ionik
Universitas Sumatera Utara
yang tinggi, tetapi cairan elektrolit memiliki stabilitas mekanik yang kurang untuk
mencegah kontak antara elektroda. Solusi untuk ini telah menjadi pemisah, sering
kali polimer atau gelas berpori serat direndam dengan cairan elektrolit untuk
mengabungkan pemisahan fisik dan konduktifitas ionik. Bahan aktif itu sendiri
sering disebut dengan konduktor elektronik rendah, dan oleh karena itu elektroda
dibuat
sebagai
komposit
dengan
bahan
aditif
untuk
meningkatkan
konduktivitasnya. Saat current collector memberikan kontak yang baik antara
elektroda dan sirkuit eksternal (Winter, 2004).
Gambar 2.2. Skema lengkap baterai Lithium ion
Menunjukan bahwa baterai yang mengandung air hanya memiliki jendela
potensial yang stabil antara -0.83V dan 1.229 V tanpa menghasilkan gas hidrogen
atau oksigen. Kebanyakan baterai Li-ion komersial memiliki potensial bekerjanya
dibawah -0.83 V, dan oleh karena itu yang terpenting untuk memastikan agar
menghilangkan semua air saat pembuatan baterai Li-ion jika ada semburan gas
beracun itu harus dihindari.
Ada beberapa cara untuk menentukan kinerja baterai. Empat konsep
umum yang terpenting untuk energi dan listrik. Energi dapat dinyatakan dalam
energi spesifik yang diukur dengan Wh/kg dan kepadatan energi diukur dengan
Wh/L. kepadatan energi juga dapat diukur dengan gravimetrik dan velumetri,
masing-masing daya listrik yang spesifik dinyatakan dalam (W/kg) dan kerapatan
daya (W/L) (Nordh, 2013).
Kerapatan daya/ power spesifik dan kepadan energi/ energi spesifik dari baterai
dapat diubah oleh desain sel. Ketebalan lapisan bahan elektroda memberikan
energi yang tinggi akibatnya peningkatan jumlah pada bahan aktif, tetapi ini juga
meningkatkan panjang difusi ion dalam materi ion yang ada,yang pada dasarnya
Universitas Sumatera Utara
menurunkan daya. Sebaliknya, lapisan tipis elektroda memberikan jalur difusi
singkat dan power lebih tinggi. Tetapi mereka berisi materi aktif kurang banyak
dan akibatnya densitas energi tersebut menurun. Dengan demikian, perbaikan satu
sifat (ketebalan coating) sering dapat mengurangi biaya produksi (Nordh, 2013).
2.1.3. Komponen dalam Lembaran Elektroda
Lembaran elektroda dalam baterai sering digabungkan dari beberapa bahan; tiga
komponen utama komponen yang yaitu bahan aktif, konduktor elektronik dan
pengikat. Bahan aktif adalah bahan yang mengambil bagian dalam reaksi redoks
yang menghasilkan arus dalam baterai. Bahan aktif memiliki konduksi elektronik
yang rendah, dan karena itu konduktor elektronik perlu ditambahkan. Karena
bahan aktif dan ditambah konduktif dan dicampur dalam bentuk bubuk,
pengikatnya ditambahkan untuk membuat pegangan elektroda bersama-sama.
Campuran elektroda ini dilapiskan ke kolektor dalam proses manufaktur dan
karena itu tidak dapat dipisahkan lagi (Nordh, 2013).
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.
(Whitingham,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,
Universitas Sumatera Utara
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, baterai lithium
jauh lebih kecil dan lebih ringan dibandingkan dengan semua teknologi lainnya.
Seperti yang diketahui bahwa baterai lithium adalah baterai yang memiliki aliran
paling besar di antara semua teknologi penyimpanan energi. (Whittingham, 1976)
2.2.1. Spesifikasi Kimia Baterai Ion Lithium
Sejak dikomersialisasi baterai Lithium-ion yang dapat diisi ulang awal 1990-an,
lithium yang berbasis kimia telah memiliki pangsa yang semakin meningkat dari
pasar global. Hal ini karena lithium memiliki beberapa bahan sifat kimia dan fisik
yang jauh dari yang diinginkan. Pertama, lithium adalah unsur yang paling
elektronegatif dalam NPT reduksi standar potensi seri dengan potensial elektroda
negatif -3.05 V. Hal ini memungkinkan untuk memproduksi baterai dengan
tegangan sel 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, yaitu, baterai
memiliki energi spesifik yang lebih tinggi dari sel setara dengan tegangan yang
lebih rendah. Kedua, lithium adalah salah satu unsur paling ringan dan terkecil
dalam tabel periodik. Hal ini membuat lebih mudah untuk membuat desain baterai
lebih ringan dan lebih kecil, dan akibatnya lithium memiliki kepadatan energi
gravimetri dan volumetrik lebih tinggi dari sel setara dengan elemen yang lebih
Universitas Sumatera Utara
berat. Jari-jari ionik juga membuat baterai relatif mudah untuk menemukan bahan
interkalasi yang baik (Nordh, 2013).
Lithium logam murni akan menghasilkan energi volumetrik dan gravimetrik
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 baterai, lithium memiliki
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, terjadi pembentukan dendrit.
Setelah berulang kali dendrit ini mencoba tumbuh ke sisi positif dari baterai dan
dengan demikian terjadi arus pendek pada seluruh baterai, dengan kemungkinan
dalam scenario kasus terburuk terjadi ledakan. Masalah keamanan ini terlalu besar
untuk diabaikan , dan karena itu alternatif sumber lithium perlu digunakan. Ketika
memecahkan masalah dendrit yang berhubungan dengan litium logam, banyak
jalan alternatif yang dieksplorasi dan hasil yang paling menjanjikan berasal dari
senyawa interkalasi. Suatu senyawa interkalasi bekerja sebagai matrik dimana
lithium ion disimpan. Struktur host materi secara keseluruhan tidak berubah
ketika dimasukan lithium dalam senyawa interkalasi; lithium sebaliknya
menemukan lubang dalam struktur dimana 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 deer waals. Atom lithium kemudian dapat bergerak
antara lapisan tersebut dan disimpan (gambar 2.3). Di tengah lapisan terdapat
cicin karbon yang memungkinkan satu atom lithium dapat disimpan dalam enam
karbon dan membentuk LiC6. Masalah keamanan yang dapat diatasi karena bahan
interkalasi yang umumnya tidak mengalami pembentukan dendrit, namun
berpengaruh pada energi dan daya spesifik (Nordh 2013). Dapat dilihat pada
Gambar 2.3 bahan elektroda menggunakan logam lithium oksida katoda dan
anoda grafit. Lithium diselingi antara lapisan grafit saat baterai terisi dan dalam
struktur host oksida ketika habis
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3. Skematik bahan elektroda dalam baterai Lithium-ion
2.2.2. Katoda (elektroda positif)
Katoda adalah elektroda positif dari sel yang terkait dengan reaksi kimia reduksi
yang memperoleh elektron dari sirkuit eksternal. Katoda disusun dari campuran
bahan elektroda (90%), aditif konduktif (6%), bahan pengikat (4%), dan dilukis
pada arus kolektor. Li-TMs dengan konduktivitas elektron yang rendah umumnya
digunakan sebagai bahan elektroda, penurunan konduktivitas elektroda. Maka,
beberapa karbon konduktif seperti grafit, Acethylene Black (AB), Ketjen Black
(KB) kembali ditambahkan untuk meningkatkan sifat konduktif dari elektroda.
Polimer fluorocarbon seperti Polytetra Fluoroethylene (PTFE), Polyvinylidenedifluoride (PVdF), dan Polyvinyl-fluoride (PVF) biasanya digunakan sebagai
pengikat untuk menghubungkan setiap partikel dari bahan elektroda. Foil biasanya
digunakan sebagai arus kolektor, karena harus bertahan dengan kondisi oksidasi
yang tinggi (~4V vs Li+/Li).
2.2.3. Elektrolit
Elektrolit adalah bahan yang menyediakan ionic murni konduktifitas antara
elektroda positif dan negatif dari sel. Elektrolit dalam sel komersial memilki
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
Universitas Sumatera Utara
garam lithium, dimana LiPF6 adalah garam yang paling umum digunakan (Ronci,
2002).
2.2.4. Anoda
Anoda adalah elektroda negatif dari sel yang terkait dengan reaksi kimia oksidatif
yang melepaskan elektron ke dalam sirkuit eksternal. Anoda tersusun oleh karbon
(seperti grafit dan karbon berat) sebagai bahan dasar (90%) dan bahan pengikat
(10%). Untuk mencegah paduan Li pada kondisi reduksi rendah, terdapat Cu-foil
yang digunakan sebagai pengganti arus kolektor dari Al-foil.
2.3. Grafit sebagai Anoda
Baterai yang paling umum, lithium-ion memiliki grafit sebagai anoda, bekerja
pada -2.5 V vs elektroda hidrogen standar. Dan bahkan interkalasi lain, umumnya
oksida logam transisi, sebagai katoda bekerja sekitar 1.0 V. Memiliki satu
elektroda yang bekerja pada -2.5V dan yang lainnya di 1.0 V, sehingga total
potensial dimana baterai beroperasi adalah 3.5 V. Potensial ini 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).
2.4. Li2Ti5O12 sebagai Anoda
Potensi elektrokimia yang rendah terkait dengan interkalasi lithium dalam grafit
menimbulkan resiko dalam keadaan tertentu; masalah dengan dendrit lithium
tidak sepenuhnya dihindari, dan dalam kondisi dingin atau kepadatan arus tinggi,
lithium plating dan pembentukan dendrit dapat terjadi pada permukaan grafit.
Dalam hal ini, LTO disarankan sebagai pengganti grafit dalam aplikasi dayanya
tinggi karena potensi kerjanya 1.55 V mengurangi resiko pembentukan dendrit
dibandingkan dengan grafit. Selain itu, lithiated dan delithiated dari KPP memiliki
parameter sel yang sama, sehingga volume berubah menjadi nol selama cycling,
Universitas Sumatera Utara
sehingga membuat bahan nol menjadi sebuah
tegangan. Grafit mengalami
perubahan volume 10% selama cycling yang menyebabkan SEI retak dan
memungkinkan elektrolit dekomposisi ikut terlibat. Hal ini dianggap sebagai salah
satu mekanisme degradasi jangka panjang dalam baterai dengan anoda grafit (
Vetter, 2005; Verma, 2010). Perubahan volume yang akan diperpanjang untuk
proses cycling akan diperpanjang tanpa adanya kegagalan mekanis atau retak dari
SEI. Pemilihan KPP sebagai pengganti LIB anoda juga dianggap karena relatif
kelebihan elemen yang diperlukan, memungkinkan produksi pada skala besar
dengan biaya yang rendah. Namun, meskipun tegangan operasi tinggi, itu belum
sepenuhnya eksperimental yang diverifikasi bahwa LTO adalah bahan SEI bebas
(Kitta, 2012; Song, 2014) tidak konklusif, dan tori-teori dalam literatur mencakup
kemungkinan adanya sebuah SEI, (Jang, 1996).
2.5. SEI sebagai Anoda
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).
Dapat dilihat dari Gambar 2.4 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 menurun dengan lapisan SEI,
sehingga mengurangi daya maksimum yang dapat diekstraksi dari baterai.
Gambar 2.4. Sebuah kemungkinan yang ada pada komposisi lapisan SEI pada
anoda grafit dalam baterai Li-ion (Nordh, 2013)
Universitas Sumatera Utara
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 itu terjadi berulang-ulang, maka perlahan-lahan akan mengurangi
kapasitas dari baterai (Winter, 2004; Palacin, 2009).
2.6. Lithium Titanate
Lithium titanate bekerja sebagai material anoda dengan perpindahan dari
Li4Ti5O12 ke Li7Ti5O12
selama charge. Rumus reaksi berikut ini juga
menunjukkan perubahan struktur (Koshiba, 1994).
Pembentukan SEI mengarah pada hilangnya kapasitas ireversibel misalnya
karena komsumsi bahan aktif, ketebalan lapisan tipis pada umumnya negatif.
Jumlah SEI terbentuk tergantung pada luas permukaan aktif materi, yang pada
umumnya menghalangi penggunaan bahan berstruktur nano di elektroda, karena
ini akan memiliki kekurangan yang terlalu tinggi dari kapasitas sesuai
pembentukan SEI. Jika LTE adalah pasif bebas, akan membuka kemungkinan
untuk membuat berstruktur nano elektroda, yang yang akan meningkatkan
kekuatan dan operasi kemampuan khusus dari anoda karena jalur difusi lebih
sedikit daerah reaksi yang lebih besar.
Potensi tertinggi dari lithium titanat harus memungkinkan menggunakan
aluminium sebagai anoda kolektor yang mengandung tembaga, yang akan
mengurangi biaya produksi dan juga meningkatkan keamanan baterai. Sebuah
potensi kerja lebih dekat dengan lithium logam akan beresiko pada pembentukan
lithium logam pada permukaan anoda, dan dengan demikian
kemungkinan
pembentukan dendrit yang merupakan potensi yang berbahaya.
LTO memiliki potensi kerja sebesar 1.55 V vs lithium dan LMO yang
memiliki potensi kerja sekitar 4 V vs lithium. Oleh karena itu, sel dengan LTO vs
LMO akan menghasilkan tegangan tinggi sekitar 2.5 V. LTO menunjukkan
Universitas Sumatera Utara
kemampuan yang baik dengan beberapa ribu siklus perputaran dan masih
mempertahankan lebih dari 80% dari kapasitas awal (80% dari kapasitas awal
adalah pedoman komersial untuk benchmark, ketika baterai diturunkan dibawah
80% dari yang sebelumnya
maka kapasitas itu dianggap sebagai kelemahan
baterai tersebut).
Umur panjang dipandang sebagai faktor sebagai yang sangat penting
ketika memproduksi baterai. Ini dipandang sebagai salah satu keuntungan yang
kuat dari bahan LTO, rendering itu sangat cocok untuk kendaraan hybrid yang
siklus baterainya sangat banyak. Selanjutnya sifat yang menjadi bahan zeroregangan membuat LTO salah satu bahan anoda dengan kemampuan tingkat
tertinggi yang ada. Ini juga keuntungan besar di industri otomotif, dimana
kendaraan besar harus mempercepat dan memperlambat pada proses pengereman
regenerative , yaitu, dengan menggunakan tingkat tinggi (Wu, 2012; Pasquier,
2009).
2.7. Proses Pembuatan
2.7.1. Proses Metalurgi Serbuk
Metalurgi serbuk adalah suatu kegiatan yang mencakup pembuatan bahan
komersil dari serbuk logam melalui penekanan. Proses ini dapat disertai milling,
penekanan dan pemanasan. Selama proses penekanan atau sesudahnya disebut
sinter, menghasilkan pengikat partikel halus. Dengan demikian kekuatan dan sifat
fisis lainnya meningkat. Produk hasil metalurgi serbuk dapat terdiri dari produk
campuran serbuk berbagai logam atau dapat berupa bahan bukan logam untuk
meningkatkan ikatan partikel dan mutu benda secara keseluruhan.
Ukuran serbuk, partikel, bentuk dan distribusi logam mempengaruhi
karakteristik dan sifat fisis dari benda yang dimamfaatkan, serbuk dibuat menurut
spesifikasi antara lain bentuk, kehalusan, distribusi ukuran, mampu alir, berat
jenis dan sifat sinter (Amstead, 1995).
Universitas Sumatera Utara
2.7.2. Proses Pirolisa
Pirolisis adalah dekomposisi kimia bahan organik memalui proses pemanasan
tanpa atau sedikit oksigen atau reagen lainnya, dimana material mentah akan
mengalami pemecahan struktur kimia mejadi fase gas. Pirrolisis adalah kasus
khusus termolisis. Pirolisis ekstrim, yang hanya meninggalkan karbon sebagai
residu, disebut karbonisasi. Pirolisis adalah kasus khusus dari termolisis yang
terkait dengan proses kimia charring, dan yang paling sering digunakan untuk
organik bahan. Hal ini terjadi secara spontan pada temperatur tinggi ( misalnya d
atas 300oC untuk kayu, itu berbeda untuk bahan lainnya), misalnya dalam
kebakaran atau ketika vegetasi datang kedalam kontak dengan lava dalam letusan
gunung barapi. Secara umum, gas dan cairan menghasilkan produk dan
meninggalkan residu pada kaya kandungan karbon. Ekstrime pirolisis, yang daun
karbon sebagai residu, disebut karbonisasi. Hal itu melibatkan reaksi dengan
oksigen atau reagen lainnya, tetapi dapat terjadi dalam kehadiran mereka.
Pirolisis yang banyak digunkaan dalam industry kimia, misalnya, untuk
menghasilkan arang, karbon aktif, methanol dan bahan kimia lainnya dari kayu,
untuk mengubah ethylene dichloride ke yinil kloride untuk membuat PVC, untuk
memproduksi kokas dari batu bara, untuk mengubah biomassa menjadi gas
sintesis, untuk mengubah limbah menjadi bahan sekali pakai dengan aman, dan
untuk retak-menengah-berat hidrokarbon dari minyak untuk memproduksi lebih
ringan yang seperti bensin.(https://arumaarifu.wordpress.com/2010/02/05/apa-itupirolisis/)
2.7.3. Kalsinasi
Kalsinasi merupakan proses penghilangan kandungan air kristal atau inherent
moisture pada suatu bubuk. Temperatur yang digunakan dalam proses ini harus
lebih tinggi dari proses pengeringan (drying), tapi tidak melebihi temperatur
lelehnya, dan juga tanpa adanya penambahan reagen (binder aditif). Proses
kalsinasi ini sering disebut juga proses dekomposisi termal. Artinya pemanasan
Universitas Sumatera Utara
pada suhu tinggi yang akan menyebabkan terurainya suatu senyawa dan akan
membentuk senyawa baru yang lebih kompleks.
Proses kalsinasi terdiri dari 3 tujuan utama.
1. Tujuan pertama adalah untuk menghilangkan air yang diserap sebagai air
Kristal atau air konstitusi.
2. Tujuan kedua adalah untuk menghilangkan CO2, SO2 dan zat volatile lainnya.
3. Tujuan ketiga adalah oksidasi zat sepenuhnya atau sebagian.
Kalsinasi juga dilakukan dalam proses pembakaran, di bawah titik didih zat.
Aplikasi yang paling umum, di mana proses kalsinasi dilakukan, adalah
dekomposisi CaCO3 ke CaO dan CO2 untuk menghasilkan semen. (Anonim,
2014)
2.7.4. Sintering
Sintering adalah teknik pengolahan yang digunakan untuk memproduksi
kerapatan atau densitas yang dikendalikan bahan dan komponen dari logam atau
bubuk keramik dengan menerapkan energi panas. Oleh karena itu, sintering
dikategorikan dalam elemen sintesis/pengolahan antara empat elemen dasar ilmu
dan teknik material. Dalam pengembangan ilmu bahan, sintesis material dan
pengolahan telah menjadi penting dalam beberapa tahun terakhir, pentingnya
sintering meningkat sebagai teknologi pengolahan material. Sintering adalah salah
satu teknologi manusia tertua, yang berasal dari era prasejarah dengan
penembakan tembikar. Produksi alat dari besi spons juga dibuat mungkin dengan
sintering. Namun demikian, itu hanya setelah tahun 1940-an sintering yang
dipelajari fundamental dan ilmiah. (Kang Suk-Joong L, 2005).
Universitas Sumatera Utara
2.8. Karakterisasi
Karakterisasi yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi :
2.8.1. Karaterisasi X-Ray Diffraction
XRD merupakan alat yang digunakan untuk mengkarakterisasi struktur Kristal,
ukuran Kristal dari suatu bahan padat. Semua bahan yang mengandung Kristal
tertentu ketika dianalisa menggunakan XRD akan dimunculkan puncak-puncak
yang spesifik. Sehingga kelemahan alat ini tidak dapat untuk mengkarakterisasi
bahan yang bersifat amorf.
Metode difraksi umumnya digunakan untuk mengindentifikasi senyawa
yang belum diketahui yang terkandung dalam suatu padatan dengan cara
membandingkan dengan data difraksi
database
yang dilekuarkan oleh
International Centre for Diffarction Data berupa PDF Powder Diffraction File
(PDF).
Hasil sintering prekursor dan telah menjadi bahan aktif kemudian
dikarakterisasi melalui rangkaian pengujian XRD untuk melihat struktur Kristal
dan ukuran kristalit dari bahan aktif Na2Li2Ti6O14. Pada proses pengujian XRD,
sejumlah sampel serbuk bahan aktif yang telah disinterring, dimasukan kedalam
container kecil untuk ditembaki dengan gelombang yang berasal dari K-Cu α
dengan kecepatan sudut penembakan sekitar 5o/menit, untuk menghasilkan data
indentifikasi bidang Kristal yang minim akan noise. Pengujian XRD ditujukan
untuk mengidentifikasi bidang Kristal Na 2Li2Ti6O14 dengan membandingan data
difraksi bidang Kristal Li4Ti5O12.
2.8.2. Karakterisasi Electrochemical Impedance Spectroscopy
Spektroskopi impedasi elektrokimia merupakan metode untuk mengetahui proses
yang terjadi pada elektroda dengan mengukur perubahan impedansi dan memplot
fungsi tersebut kedalam bentuk kompleks. Spektroskopi impedansi elektrokimia
dapat mengukur nilai arus dan mengetahui respon lain yang terjadi ketika
diterapkan potensial tertentu. Respon elektrik akan memberikan perubahan
Universitas Sumatera Utara
impedansi pada permukaan antara elektrolit dan elektroda. Ketika elektroda
(permukaan logam) dimasukkan ke dalam elektrolit, muatan listrik pada elektroda
menarik ion muatan yang berlawanan dari elektrolit sehingga terjadi penyerahan
(polarisasi) muatan. Terjadi polarisasi menyebabkan adanya lapisan antara
elektroda dan elektrolit disebut electrical double layer (Leiden, D. 2002).
Fenomena ini menujukkan bahwa pada sel baterai memiki sifat kapasitansi.
Pengukuran menggukan spektroskopi impedansi dilakukan menggunakan sinyal
AC dengan frekuensi tertentu. Spectrum frekuensi yang dibandingkan akan
mengindefikasi perubahan impedansi (Z) yang terkait dengan reaksi elektrokimia
pada sel baterai. Baik material katoda ataupun anoda yang berupa komposit
memungkinkan untuk memiliki sifat kapasitansi dari dari proses sintesis yang
terjadi. Impedansi merupakan perluasan konsep hambatan (R) pada rangkaian AC
sehingga disebut impedansi AC.
2.8.3. Karakterisasi Cyclic Voltammetry
Teknik analisis elektrokimia modern didasarkan pada beberapa jenis teknik
analisis seperti teknik sweep, teknik step dan teknik pulsa. Teknik sweep
diantaranya yaitu Linear sweep Voltammetry (LSV), Cyclic Voltammetry (CV)
dan Palaografi. Linear sweep voltammetry merupakann metode yang paling dasar
dalam metode potensial sweep. LSV merupakan teknik satu kali sweep. Dalam
LSV, elektroda diberikan potensial mulai dari potensial awal (E f) sampai potensial
akhir (Ei), selama pemberian potensial perubahan nilai diukur melalui pergerakan
kurva. Proses yang terjadi dalam sel pada keadaan awal atau tidak ada potensial
(open circuit). Kation dan anion berada pada keadaan diam ditengah antara
elektroda kerja/working electrode (WE) dan elektroda pembanding/ counter
electrode (CE).
Ketika potensial diberikan pada sel elktrolisis mulai terjadi pergerakan
kation dan anion. Penentuan secara voltammetry didasarkan pada respon analit
ketika diberi potensial dan memberikan perubahan arus yang membentuk sutau
gelombang. Besarnya arus puncak sebanding dengan konsentrasi analit dalam
Universitas Sumatera Utara
larutan. Cyclic Voltammetry merupakan teknik yang banyak digunakan untuk
mendapatkan informasi tentang reaksi elektrokimia. Cyclic Voltammetry diperoleh
dari scan potensial melawan densitas arus dengan berbagai kecepatan scan. Dari
CV didapatkan beberapa nilai parameter penting seperti potensial puncak anoda
(Epa), potensial puncak katoda (EPc), puncak arus anoda (ipa), puncak arus katoda
(ipc) dan potensial setengah gelombang (E1/2).
2.8.4. 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 memilki pola pengisian yang agak berbeda dengan baterai
lainnya. Dipergulungan charge dengan profil I-V yang memenuhi karakteristik
sebagai sumber arus dan sekaligus diakhir tahap pengisian berkarakteristik
sebagai sumber tegangan. Gambar 2.5 menunjukkan profil I-V pengisian baterai
lithium ion rechargeable. Terdiri dari 3 tahapan. tahap 1: baterai diisi dengan
sumber arus tetap, tahap 2: baterai diisi dengan sumber tegangan tetap. tahap 3:
baterai diisi dengan sumber tegangan tetap. (Achmad, 2011).
Gambar 2.5. Profil tegangan yang harus dipenuhi
selama mengisi ulang sebuah baterai lithium .
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Baterai
2.1.1. Pengertian Baterai
Baterai adalah unit mandiri yang menyimpan energi kimia dan pada proses
charging, mengubahnya langsung menjadi energi listrik untuk daya berbagai
aplikasi. Baterai dibagi menjadi tiga kelas umum: baterai primer yang dipakai
sekali dan langsung dibuang; sekunder, baterai isi ulang yang bisa di charge dan
kemudian dikembalikan ke kondisi semula dengan membalikkan aliran arus
melalui sel; dan baterai khusus yang dirancang untuk memenuhi tujuan tertentu
(Winter, 2004; Ralph,2004). Ada dua jenis baterai, yaitu baterai primer dan
baterai sekunder atau disebut juga non-isi ulang dan isi ulang (Armand,2008).
Baterai primer adalah sel, atau sekelompok sel, untuk pembangkitan energi listrik
yang dimaksudkan untuk penggunaan sampai habis dan kemudian dibuang.
Baterai primer dirakit untuk melepaskan beban yang banyak hal tersebut adalah
proses primer selama operasi. Baterai sekunder adalah kelompok sel dari sel untuk
pembangkit energi listrik dimana sel, setelah keluar, dapat dikembalikan ke posisi
semula disebabkan oleh arus listrik mengalir dalam arah berlawanan dengan aliran
arus ketika arus itu dikembalikan ke semula. Istilah lain untuk baterai isi ulang
atau akumulator. Baterai sekunder biasanya dirakit di suatu tempat penghabisan,
lalu harus diisi terlebih dahulu sebelum dapat menjalani pengembalian dalam
proses sekunder (Winter, 2004).
Produksi untuk baterai berbeda, tergantung pada aplikasi. Sementara
susunan sel hibrida baterai membutuhkan daya yang tinggi untuk memanfaatkan
energi, mobil listik membutuhkan energi untuk 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 lebih baik untuk setiap situasi. Sebaliknya,
Universitas Sumatera Utara
untuk masa mendatang mungkin akan banyak baterai kimia yang berbeda dan
disesuaikan dengan aplikasi bidang tertentu (Nordh, 2013)
Sebuah baterai khusus adalah baterai primer yang diperoduksi secara
terbatas untuk penggunaan tertentu. Dalam hal ini baterai khusus tidak akan
dibahas pertama. Anoda adalah elektroda negatif dari sel yang terkait dengan
reaksi kimia oksidatif yang melepaskan elektron ke dalam sirkuit eksternal.
Katoda adalah elektroda positif dari sel yang terkait dengan reaksi kimia reduksi
yang memperoleh elektron dari sirkuit eksternal. Massa aktif adalah bahan yang
menghasilakan listrik saat ini dengan cara reaksi kimia dalam baterai.
Elektrolit adalah bahan yang menyediakan ionic murni konduktifitas
antara elektroda positif dan negatif dari sel. Sebuah pemisah adalah penghalang
fisik antara elektroda positif dan negatif dimasukkan ke dalam desain paling sel
untuk mencegah korslet listrik. Itu pemisah bisa menjadi elektrolit gel atau mikro
yang film plastik atau bahan inert berpori lainnya diisi dengan elektrolit. Pemisah
harus permeabel untuk ion dan ionik dalam lingkungan baterai. Sebuah sel bahan
bakar adalah perangkat konversi elektrokimia yang memiliki kelangsungan
penyediaan bahan bakar seperti hidrogen, gas alam, atau metanol dan oksidan
seperti oksigen, udara, atau hidrogen peroksida.
Hal ini dapat memiliki bagian tambahan untuk memberi makan perangkat
dengan reaktan sebagai serta baterai untuk memasok energi untuk pemulaan.
Discharge adalah operasi di mana baterai memberikan energi listrik ke beban
eksternal. Charge adalah operasi di mana baterai dikembalikan ke kondisi terisi
aslinya oleh pembalikan dari aliran arus (Nordh, 2013)
2.1.2. Pengoprasian Baterai
Dalam reaksi redoks, salah satu material aktif teroksidasi dengan memberikan
elektron sehingga bilangan oksidasi naik dan material aktif lain tereduksi 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
Universitas Sumatera Utara
baterai adalah untuk mengkonversi energi kimia yang tersimpan menjadi energi
listrik. Setiap reaksi redoks memiliki tegangan tertentu yang terkait dengan itu.
Ada nilai absolut praktis untuk potensi ini, sehingga sistem pengukuran relatif
digunakan sebagai gantinya.
Dalam sel baterai, site reduksi selalu disebut katoda dan site oksidasi
disebut anoda. Yang elektroda yang bertindak sebagai anoda dan yang bertindak
sebagai katoda ditentukan oleh seberapa potensial reduksi standar mereka
berhubungan satu sama lain, dan dengan demikian yang mereka lebih mudah
teroksidasi. Elektroda dengan potensial standar yang lebih tinggi akan bertindak
sebagai katoda, dan potensi yang lebih rendah sebagai anoda (Winter, 2004).
Skema dasar baterai (menggunakan elektrolit Li-ion) ditunjukkan pada
Gambar (2.1) dua elektroda dipisahkan oleh elektronik isolasi dan ionically
melakukan elektrolit, saat sedang terhubung dengan sebuah sirkuit eksternal yang
mengalir elektron. elektrolit biasanya larutan garam. Jika elektrolit tidak
elektronik isolasi, elektron akan diangkut melalui elektrolit bukan melalui sirkuit
eksternal, dan baterai akan hubung pendek, sehingga menimbulkan kerugian
kapasitas. Namun demikian, banyak elektrolit memiliki beberapa konduksi
elektronik dan meskipun itu rendah, masih ada. Sementara konduksi ini tidak
cukup untuk baterai sirkuit pendek dan rate yang cepat, hal itu akan menyebabkan
lambat self-discharge dari waktu ke waktu, sehingga dalam waktu penyimpanan
yang terbatas dari baterai (Winter, 2004).
Gambar 2.1. Skema baterai Lithium ion yang sederhana
Gambar (2.1) menampilkan skema yang sangat sederhana dari baterai. Namun,
ada beberapa komponen yang lebih diperlukan untuk sebagian besar baterai agar
berfungsi praktis. Skema dari baterai bekerja lebih sering terlihat seperti pada
Gambar (2.2) elektroda harus dipisahkan secara mekanis, jika baterai akan pendek
sirkuit dan bisa hancur. elektrolit cair lebih disukai karena konduktivitas ionik
Universitas Sumatera Utara
yang tinggi, tetapi cairan elektrolit memiliki stabilitas mekanik yang kurang untuk
mencegah kontak antara elektroda. Solusi untuk ini telah menjadi pemisah, sering
kali polimer atau gelas berpori serat direndam dengan cairan elektrolit untuk
mengabungkan pemisahan fisik dan konduktifitas ionik. Bahan aktif itu sendiri
sering disebut dengan konduktor elektronik rendah, dan oleh karena itu elektroda
dibuat
sebagai
komposit
dengan
bahan
aditif
untuk
meningkatkan
konduktivitasnya. Saat current collector memberikan kontak yang baik antara
elektroda dan sirkuit eksternal (Winter, 2004).
Gambar 2.2. Skema lengkap baterai Lithium ion
Menunjukan bahwa baterai yang mengandung air hanya memiliki jendela
potensial yang stabil antara -0.83V dan 1.229 V tanpa menghasilkan gas hidrogen
atau oksigen. Kebanyakan baterai Li-ion komersial memiliki potensial bekerjanya
dibawah -0.83 V, dan oleh karena itu yang terpenting untuk memastikan agar
menghilangkan semua air saat pembuatan baterai Li-ion jika ada semburan gas
beracun itu harus dihindari.
Ada beberapa cara untuk menentukan kinerja baterai. Empat konsep
umum yang terpenting untuk energi dan listrik. Energi dapat dinyatakan dalam
energi spesifik yang diukur dengan Wh/kg dan kepadatan energi diukur dengan
Wh/L. kepadatan energi juga dapat diukur dengan gravimetrik dan velumetri,
masing-masing daya listrik yang spesifik dinyatakan dalam (W/kg) dan kerapatan
daya (W/L) (Nordh, 2013).
Kerapatan daya/ power spesifik dan kepadan energi/ energi spesifik dari baterai
dapat diubah oleh desain sel. Ketebalan lapisan bahan elektroda memberikan
energi yang tinggi akibatnya peningkatan jumlah pada bahan aktif, tetapi ini juga
meningkatkan panjang difusi ion dalam materi ion yang ada,yang pada dasarnya
Universitas Sumatera Utara
menurunkan daya. Sebaliknya, lapisan tipis elektroda memberikan jalur difusi
singkat dan power lebih tinggi. Tetapi mereka berisi materi aktif kurang banyak
dan akibatnya densitas energi tersebut menurun. Dengan demikian, perbaikan satu
sifat (ketebalan coating) sering dapat mengurangi biaya produksi (Nordh, 2013).
2.1.3. Komponen dalam Lembaran Elektroda
Lembaran elektroda dalam baterai sering digabungkan dari beberapa bahan; tiga
komponen utama komponen yang yaitu bahan aktif, konduktor elektronik dan
pengikat. Bahan aktif adalah bahan yang mengambil bagian dalam reaksi redoks
yang menghasilkan arus dalam baterai. Bahan aktif memiliki konduksi elektronik
yang rendah, dan karena itu konduktor elektronik perlu ditambahkan. Karena
bahan aktif dan ditambah konduktif dan dicampur dalam bentuk bubuk,
pengikatnya ditambahkan untuk membuat pegangan elektroda bersama-sama.
Campuran elektroda ini dilapiskan ke kolektor dalam proses manufaktur dan
karena itu tidak dapat dipisahkan lagi (Nordh, 2013).
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.
(Whitingham,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,
Universitas Sumatera Utara
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, baterai lithium
jauh lebih kecil dan lebih ringan dibandingkan dengan semua teknologi lainnya.
Seperti yang diketahui bahwa baterai lithium adalah baterai yang memiliki aliran
paling besar di antara semua teknologi penyimpanan energi. (Whittingham, 1976)
2.2.1. Spesifikasi Kimia Baterai Ion Lithium
Sejak dikomersialisasi baterai Lithium-ion yang dapat diisi ulang awal 1990-an,
lithium yang berbasis kimia telah memiliki pangsa yang semakin meningkat dari
pasar global. Hal ini karena lithium memiliki beberapa bahan sifat kimia dan fisik
yang jauh dari yang diinginkan. Pertama, lithium adalah unsur yang paling
elektronegatif dalam NPT reduksi standar potensi seri dengan potensial elektroda
negatif -3.05 V. Hal ini memungkinkan untuk memproduksi baterai dengan
tegangan sel 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, yaitu, baterai
memiliki energi spesifik yang lebih tinggi dari sel setara dengan tegangan yang
lebih rendah. Kedua, lithium adalah salah satu unsur paling ringan dan terkecil
dalam tabel periodik. Hal ini membuat lebih mudah untuk membuat desain baterai
lebih ringan dan lebih kecil, dan akibatnya lithium memiliki kepadatan energi
gravimetri dan volumetrik lebih tinggi dari sel setara dengan elemen yang lebih
Universitas Sumatera Utara
berat. Jari-jari ionik juga membuat baterai relatif mudah untuk menemukan bahan
interkalasi yang baik (Nordh, 2013).
Lithium logam murni akan menghasilkan energi volumetrik dan gravimetrik
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 baterai, lithium memiliki
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, terjadi pembentukan dendrit.
Setelah berulang kali dendrit ini mencoba tumbuh ke sisi positif dari baterai dan
dengan demikian terjadi arus pendek pada seluruh baterai, dengan kemungkinan
dalam scenario kasus terburuk terjadi ledakan. Masalah keamanan ini terlalu besar
untuk diabaikan , dan karena itu alternatif sumber lithium perlu digunakan. Ketika
memecahkan masalah dendrit yang berhubungan dengan litium logam, banyak
jalan alternatif yang dieksplorasi dan hasil yang paling menjanjikan berasal dari
senyawa interkalasi. Suatu senyawa interkalasi bekerja sebagai matrik dimana
lithium ion disimpan. Struktur host materi secara keseluruhan tidak berubah
ketika dimasukan lithium dalam senyawa interkalasi; lithium sebaliknya
menemukan lubang dalam struktur dimana 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 deer waals. Atom lithium kemudian dapat bergerak
antara lapisan tersebut dan disimpan (gambar 2.3). Di tengah lapisan terdapat
cicin karbon yang memungkinkan satu atom lithium dapat disimpan dalam enam
karbon dan membentuk LiC6. Masalah keamanan yang dapat diatasi karena bahan
interkalasi yang umumnya tidak mengalami pembentukan dendrit, namun
berpengaruh pada energi dan daya spesifik (Nordh 2013). Dapat dilihat pada
Gambar 2.3 bahan elektroda menggunakan logam lithium oksida katoda dan
anoda grafit. Lithium diselingi antara lapisan grafit saat baterai terisi dan dalam
struktur host oksida ketika habis
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3. Skematik bahan elektroda dalam baterai Lithium-ion
2.2.2. Katoda (elektroda positif)
Katoda adalah elektroda positif dari sel yang terkait dengan reaksi kimia reduksi
yang memperoleh elektron dari sirkuit eksternal. Katoda disusun dari campuran
bahan elektroda (90%), aditif konduktif (6%), bahan pengikat (4%), dan dilukis
pada arus kolektor. Li-TMs dengan konduktivitas elektron yang rendah umumnya
digunakan sebagai bahan elektroda, penurunan konduktivitas elektroda. Maka,
beberapa karbon konduktif seperti grafit, Acethylene Black (AB), Ketjen Black
(KB) kembali ditambahkan untuk meningkatkan sifat konduktif dari elektroda.
Polimer fluorocarbon seperti Polytetra Fluoroethylene (PTFE), Polyvinylidenedifluoride (PVdF), dan Polyvinyl-fluoride (PVF) biasanya digunakan sebagai
pengikat untuk menghubungkan setiap partikel dari bahan elektroda. Foil biasanya
digunakan sebagai arus kolektor, karena harus bertahan dengan kondisi oksidasi
yang tinggi (~4V vs Li+/Li).
2.2.3. Elektrolit
Elektrolit adalah bahan yang menyediakan ionic murni konduktifitas antara
elektroda positif dan negatif dari sel. Elektrolit dalam sel komersial memilki
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
Universitas Sumatera Utara
garam lithium, dimana LiPF6 adalah garam yang paling umum digunakan (Ronci,
2002).
2.2.4. Anoda
Anoda adalah elektroda negatif dari sel yang terkait dengan reaksi kimia oksidatif
yang melepaskan elektron ke dalam sirkuit eksternal. Anoda tersusun oleh karbon
(seperti grafit dan karbon berat) sebagai bahan dasar (90%) dan bahan pengikat
(10%). Untuk mencegah paduan Li pada kondisi reduksi rendah, terdapat Cu-foil
yang digunakan sebagai pengganti arus kolektor dari Al-foil.
2.3. Grafit sebagai Anoda
Baterai yang paling umum, lithium-ion memiliki grafit sebagai anoda, bekerja
pada -2.5 V vs elektroda hidrogen standar. Dan bahkan interkalasi lain, umumnya
oksida logam transisi, sebagai katoda bekerja sekitar 1.0 V. Memiliki satu
elektroda yang bekerja pada -2.5V dan yang lainnya di 1.0 V, sehingga total
potensial dimana baterai beroperasi adalah 3.5 V. Potensial ini 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).
2.4. Li2Ti5O12 sebagai Anoda
Potensi elektrokimia yang rendah terkait dengan interkalasi lithium dalam grafit
menimbulkan resiko dalam keadaan tertentu; masalah dengan dendrit lithium
tidak sepenuhnya dihindari, dan dalam kondisi dingin atau kepadatan arus tinggi,
lithium plating dan pembentukan dendrit dapat terjadi pada permukaan grafit.
Dalam hal ini, LTO disarankan sebagai pengganti grafit dalam aplikasi dayanya
tinggi karena potensi kerjanya 1.55 V mengurangi resiko pembentukan dendrit
dibandingkan dengan grafit. Selain itu, lithiated dan delithiated dari KPP memiliki
parameter sel yang sama, sehingga volume berubah menjadi nol selama cycling,
Universitas Sumatera Utara
sehingga membuat bahan nol menjadi sebuah
tegangan. Grafit mengalami
perubahan volume 10% selama cycling yang menyebabkan SEI retak dan
memungkinkan elektrolit dekomposisi ikut terlibat. Hal ini dianggap sebagai salah
satu mekanisme degradasi jangka panjang dalam baterai dengan anoda grafit (
Vetter, 2005; Verma, 2010). Perubahan volume yang akan diperpanjang untuk
proses cycling akan diperpanjang tanpa adanya kegagalan mekanis atau retak dari
SEI. Pemilihan KPP sebagai pengganti LIB anoda juga dianggap karena relatif
kelebihan elemen yang diperlukan, memungkinkan produksi pada skala besar
dengan biaya yang rendah. Namun, meskipun tegangan operasi tinggi, itu belum
sepenuhnya eksperimental yang diverifikasi bahwa LTO adalah bahan SEI bebas
(Kitta, 2012; Song, 2014) tidak konklusif, dan tori-teori dalam literatur mencakup
kemungkinan adanya sebuah SEI, (Jang, 1996).
2.5. SEI sebagai Anoda
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).
Dapat dilihat dari Gambar 2.4 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 menurun dengan lapisan SEI,
sehingga mengurangi daya maksimum yang dapat diekstraksi dari baterai.
Gambar 2.4. Sebuah kemungkinan yang ada pada komposisi lapisan SEI pada
anoda grafit dalam baterai Li-ion (Nordh, 2013)
Universitas Sumatera Utara
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 itu terjadi berulang-ulang, maka perlahan-lahan akan mengurangi
kapasitas dari baterai (Winter, 2004; Palacin, 2009).
2.6. Lithium Titanate
Lithium titanate bekerja sebagai material anoda dengan perpindahan dari
Li4Ti5O12 ke Li7Ti5O12
selama charge. Rumus reaksi berikut ini juga
menunjukkan perubahan struktur (Koshiba, 1994).
Pembentukan SEI mengarah pada hilangnya kapasitas ireversibel misalnya
karena komsumsi bahan aktif, ketebalan lapisan tipis pada umumnya negatif.
Jumlah SEI terbentuk tergantung pada luas permukaan aktif materi, yang pada
umumnya menghalangi penggunaan bahan berstruktur nano di elektroda, karena
ini akan memiliki kekurangan yang terlalu tinggi dari kapasitas sesuai
pembentukan SEI. Jika LTE adalah pasif bebas, akan membuka kemungkinan
untuk membuat berstruktur nano elektroda, yang yang akan meningkatkan
kekuatan dan operasi kemampuan khusus dari anoda karena jalur difusi lebih
sedikit daerah reaksi yang lebih besar.
Potensi tertinggi dari lithium titanat harus memungkinkan menggunakan
aluminium sebagai anoda kolektor yang mengandung tembaga, yang akan
mengurangi biaya produksi dan juga meningkatkan keamanan baterai. Sebuah
potensi kerja lebih dekat dengan lithium logam akan beresiko pada pembentukan
lithium logam pada permukaan anoda, dan dengan demikian
kemungkinan
pembentukan dendrit yang merupakan potensi yang berbahaya.
LTO memiliki potensi kerja sebesar 1.55 V vs lithium dan LMO yang
memiliki potensi kerja sekitar 4 V vs lithium. Oleh karena itu, sel dengan LTO vs
LMO akan menghasilkan tegangan tinggi sekitar 2.5 V. LTO menunjukkan
Universitas Sumatera Utara
kemampuan yang baik dengan beberapa ribu siklus perputaran dan masih
mempertahankan lebih dari 80% dari kapasitas awal (80% dari kapasitas awal
adalah pedoman komersial untuk benchmark, ketika baterai diturunkan dibawah
80% dari yang sebelumnya
maka kapasitas itu dianggap sebagai kelemahan
baterai tersebut).
Umur panjang dipandang sebagai faktor sebagai yang sangat penting
ketika memproduksi baterai. Ini dipandang sebagai salah satu keuntungan yang
kuat dari bahan LTO, rendering itu sangat cocok untuk kendaraan hybrid yang
siklus baterainya sangat banyak. Selanjutnya sifat yang menjadi bahan zeroregangan membuat LTO salah satu bahan anoda dengan kemampuan tingkat
tertinggi yang ada. Ini juga keuntungan besar di industri otomotif, dimana
kendaraan besar harus mempercepat dan memperlambat pada proses pengereman
regenerative , yaitu, dengan menggunakan tingkat tinggi (Wu, 2012; Pasquier,
2009).
2.7. Proses Pembuatan
2.7.1. Proses Metalurgi Serbuk
Metalurgi serbuk adalah suatu kegiatan yang mencakup pembuatan bahan
komersil dari serbuk logam melalui penekanan. Proses ini dapat disertai milling,
penekanan dan pemanasan. Selama proses penekanan atau sesudahnya disebut
sinter, menghasilkan pengikat partikel halus. Dengan demikian kekuatan dan sifat
fisis lainnya meningkat. Produk hasil metalurgi serbuk dapat terdiri dari produk
campuran serbuk berbagai logam atau dapat berupa bahan bukan logam untuk
meningkatkan ikatan partikel dan mutu benda secara keseluruhan.
Ukuran serbuk, partikel, bentuk dan distribusi logam mempengaruhi
karakteristik dan sifat fisis dari benda yang dimamfaatkan, serbuk dibuat menurut
spesifikasi antara lain bentuk, kehalusan, distribusi ukuran, mampu alir, berat
jenis dan sifat sinter (Amstead, 1995).
Universitas Sumatera Utara
2.7.2. Proses Pirolisa
Pirolisis adalah dekomposisi kimia bahan organik memalui proses pemanasan
tanpa atau sedikit oksigen atau reagen lainnya, dimana material mentah akan
mengalami pemecahan struktur kimia mejadi fase gas. Pirrolisis adalah kasus
khusus termolisis. Pirolisis ekstrim, yang hanya meninggalkan karbon sebagai
residu, disebut karbonisasi. Pirolisis adalah kasus khusus dari termolisis yang
terkait dengan proses kimia charring, dan yang paling sering digunakan untuk
organik bahan. Hal ini terjadi secara spontan pada temperatur tinggi ( misalnya d
atas 300oC untuk kayu, itu berbeda untuk bahan lainnya), misalnya dalam
kebakaran atau ketika vegetasi datang kedalam kontak dengan lava dalam letusan
gunung barapi. Secara umum, gas dan cairan menghasilkan produk dan
meninggalkan residu pada kaya kandungan karbon. Ekstrime pirolisis, yang daun
karbon sebagai residu, disebut karbonisasi. Hal itu melibatkan reaksi dengan
oksigen atau reagen lainnya, tetapi dapat terjadi dalam kehadiran mereka.
Pirolisis yang banyak digunkaan dalam industry kimia, misalnya, untuk
menghasilkan arang, karbon aktif, methanol dan bahan kimia lainnya dari kayu,
untuk mengubah ethylene dichloride ke yinil kloride untuk membuat PVC, untuk
memproduksi kokas dari batu bara, untuk mengubah biomassa menjadi gas
sintesis, untuk mengubah limbah menjadi bahan sekali pakai dengan aman, dan
untuk retak-menengah-berat hidrokarbon dari minyak untuk memproduksi lebih
ringan yang seperti bensin.(https://arumaarifu.wordpress.com/2010/02/05/apa-itupirolisis/)
2.7.3. Kalsinasi
Kalsinasi merupakan proses penghilangan kandungan air kristal atau inherent
moisture pada suatu bubuk. Temperatur yang digunakan dalam proses ini harus
lebih tinggi dari proses pengeringan (drying), tapi tidak melebihi temperatur
lelehnya, dan juga tanpa adanya penambahan reagen (binder aditif). Proses
kalsinasi ini sering disebut juga proses dekomposisi termal. Artinya pemanasan
Universitas Sumatera Utara
pada suhu tinggi yang akan menyebabkan terurainya suatu senyawa dan akan
membentuk senyawa baru yang lebih kompleks.
Proses kalsinasi terdiri dari 3 tujuan utama.
1. Tujuan pertama adalah untuk menghilangkan air yang diserap sebagai air
Kristal atau air konstitusi.
2. Tujuan kedua adalah untuk menghilangkan CO2, SO2 dan zat volatile lainnya.
3. Tujuan ketiga adalah oksidasi zat sepenuhnya atau sebagian.
Kalsinasi juga dilakukan dalam proses pembakaran, di bawah titik didih zat.
Aplikasi yang paling umum, di mana proses kalsinasi dilakukan, adalah
dekomposisi CaCO3 ke CaO dan CO2 untuk menghasilkan semen. (Anonim,
2014)
2.7.4. Sintering
Sintering adalah teknik pengolahan yang digunakan untuk memproduksi
kerapatan atau densitas yang dikendalikan bahan dan komponen dari logam atau
bubuk keramik dengan menerapkan energi panas. Oleh karena itu, sintering
dikategorikan dalam elemen sintesis/pengolahan antara empat elemen dasar ilmu
dan teknik material. Dalam pengembangan ilmu bahan, sintesis material dan
pengolahan telah menjadi penting dalam beberapa tahun terakhir, pentingnya
sintering meningkat sebagai teknologi pengolahan material. Sintering adalah salah
satu teknologi manusia tertua, yang berasal dari era prasejarah dengan
penembakan tembikar. Produksi alat dari besi spons juga dibuat mungkin dengan
sintering. Namun demikian, itu hanya setelah tahun 1940-an sintering yang
dipelajari fundamental dan ilmiah. (Kang Suk-Joong L, 2005).
Universitas Sumatera Utara
2.8. Karakterisasi
Karakterisasi yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi :
2.8.1. Karaterisasi X-Ray Diffraction
XRD merupakan alat yang digunakan untuk mengkarakterisasi struktur Kristal,
ukuran Kristal dari suatu bahan padat. Semua bahan yang mengandung Kristal
tertentu ketika dianalisa menggunakan XRD akan dimunculkan puncak-puncak
yang spesifik. Sehingga kelemahan alat ini tidak dapat untuk mengkarakterisasi
bahan yang bersifat amorf.
Metode difraksi umumnya digunakan untuk mengindentifikasi senyawa
yang belum diketahui yang terkandung dalam suatu padatan dengan cara
membandingkan dengan data difraksi
database
yang dilekuarkan oleh
International Centre for Diffarction Data berupa PDF Powder Diffraction File
(PDF).
Hasil sintering prekursor dan telah menjadi bahan aktif kemudian
dikarakterisasi melalui rangkaian pengujian XRD untuk melihat struktur Kristal
dan ukuran kristalit dari bahan aktif Na2Li2Ti6O14. Pada proses pengujian XRD,
sejumlah sampel serbuk bahan aktif yang telah disinterring, dimasukan kedalam
container kecil untuk ditembaki dengan gelombang yang berasal dari K-Cu α
dengan kecepatan sudut penembakan sekitar 5o/menit, untuk menghasilkan data
indentifikasi bidang Kristal yang minim akan noise. Pengujian XRD ditujukan
untuk mengidentifikasi bidang Kristal Na 2Li2Ti6O14 dengan membandingan data
difraksi bidang Kristal Li4Ti5O12.
2.8.2. Karakterisasi Electrochemical Impedance Spectroscopy
Spektroskopi impedasi elektrokimia merupakan metode untuk mengetahui proses
yang terjadi pada elektroda dengan mengukur perubahan impedansi dan memplot
fungsi tersebut kedalam bentuk kompleks. Spektroskopi impedansi elektrokimia
dapat mengukur nilai arus dan mengetahui respon lain yang terjadi ketika
diterapkan potensial tertentu. Respon elektrik akan memberikan perubahan
Universitas Sumatera Utara
impedansi pada permukaan antara elektrolit dan elektroda. Ketika elektroda
(permukaan logam) dimasukkan ke dalam elektrolit, muatan listrik pada elektroda
menarik ion muatan yang berlawanan dari elektrolit sehingga terjadi penyerahan
(polarisasi) muatan. Terjadi polarisasi menyebabkan adanya lapisan antara
elektroda dan elektrolit disebut electrical double layer (Leiden, D. 2002).
Fenomena ini menujukkan bahwa pada sel baterai memiki sifat kapasitansi.
Pengukuran menggukan spektroskopi impedansi dilakukan menggunakan sinyal
AC dengan frekuensi tertentu. Spectrum frekuensi yang dibandingkan akan
mengindefikasi perubahan impedansi (Z) yang terkait dengan reaksi elektrokimia
pada sel baterai. Baik material katoda ataupun anoda yang berupa komposit
memungkinkan untuk memiliki sifat kapasitansi dari dari proses sintesis yang
terjadi. Impedansi merupakan perluasan konsep hambatan (R) pada rangkaian AC
sehingga disebut impedansi AC.
2.8.3. Karakterisasi Cyclic Voltammetry
Teknik analisis elektrokimia modern didasarkan pada beberapa jenis teknik
analisis seperti teknik sweep, teknik step dan teknik pulsa. Teknik sweep
diantaranya yaitu Linear sweep Voltammetry (LSV), Cyclic Voltammetry (CV)
dan Palaografi. Linear sweep voltammetry merupakann metode yang paling dasar
dalam metode potensial sweep. LSV merupakan teknik satu kali sweep. Dalam
LSV, elektroda diberikan potensial mulai dari potensial awal (E f) sampai potensial
akhir (Ei), selama pemberian potensial perubahan nilai diukur melalui pergerakan
kurva. Proses yang terjadi dalam sel pada keadaan awal atau tidak ada potensial
(open circuit). Kation dan anion berada pada keadaan diam ditengah antara
elektroda kerja/working electrode (WE) dan elektroda pembanding/ counter
electrode (CE).
Ketika potensial diberikan pada sel elktrolisis mulai terjadi pergerakan
kation dan anion. Penentuan secara voltammetry didasarkan pada respon analit
ketika diberi potensial dan memberikan perubahan arus yang membentuk sutau
gelombang. Besarnya arus puncak sebanding dengan konsentrasi analit dalam
Universitas Sumatera Utara
larutan. Cyclic Voltammetry merupakan teknik yang banyak digunakan untuk
mendapatkan informasi tentang reaksi elektrokimia. Cyclic Voltammetry diperoleh
dari scan potensial melawan densitas arus dengan berbagai kecepatan scan. Dari
CV didapatkan beberapa nilai parameter penting seperti potensial puncak anoda
(Epa), potensial puncak katoda (EPc), puncak arus anoda (ipa), puncak arus katoda
(ipc) dan potensial setengah gelombang (E1/2).
2.8.4. 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 memilki pola pengisian yang agak berbeda dengan baterai
lainnya. Dipergulungan charge dengan profil I-V yang memenuhi karakteristik
sebagai sumber arus dan sekaligus diakhir tahap pengisian berkarakteristik
sebagai sumber tegangan. Gambar 2.5 menunjukkan profil I-V pengisian baterai
lithium ion rechargeable. Terdiri dari 3 tahapan. tahap 1: baterai diisi dengan
sumber arus tetap, tahap 2: baterai diisi dengan sumber tegangan tetap. tahap 3:
baterai diisi dengan sumber tegangan tetap. (Achmad, 2011).
Gambar 2.5. Profil tegangan yang harus dipenuhi
selama mengisi ulang sebuah baterai lithium .
Universitas Sumatera Utara