Pembuatan Material Anoda Lithium Titanate (Li4Ti5O12) dan Studi Pengaruh Ketebalan Elektroda Terhadap Performa Elektrokimia Baterai Ion Lithium
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Penggunaan energi fosil seperti batu bara, bensin dan gas secara terusmenerus menyebabkan persediaan bahan bakar fosil menjadi menipis.
Kecenderungan ini telah mendorong kenaikan harga jual bahan bakar dan telah
menciptakan ketergantungan yang kuat pada bahan bakar ini. Kemudian,
pembakaran bahan bakar fosil menyebabkan emisi gas rumah kaca seperti CO2,
Nitrogen Oksida (NOx), Sulfur Oksida (SO2) dan masalah partikulasi (Liu and
Cao, 2010) yang dianggap mempercepat pemanasan global. Oleh karena itu,
dibutuhkan pembaharuan sumber energi yang lebih baik. Dalam menghadapi
emisi gas rumah kaca, beberapa penelitian melakukan sistem hemat energi. Salah
satu sektor terbesar penghasil emisi adalah transportasi. Beberapa jenis kendaraan
yang dapat mengurangi efek emisi dan menipisnya sumber daya bahan bakar fosil
yaitu: Internal Combustion Engine (ICE), Hybrid Electic Vehicle (HEVs), dan
Plug Hybrid Electric Vehicle (PHEVs) (Notter et al, 2010).
Sumber energi utama dalam kendaraan listrik disimpan dalam sebuah
perangkat sel elektrokimia yang disebut dengan baterai. Baterai yang digunakan
adalah jenis baterai Ion Lithium. Baterai Ion Lithium komersil saat ini masih
belum cukup untuk sepenuhnya memenuhi kebutuan masyarakat dengan baik.
Tetapi dalam sektor otomotif, perangkat yang dioperasikan dengan baterai
berubah drastis menjadi lebih canggih untuk pengembangan di masa mendatang.
Oleh karena itu, dalam baterai Ion Litihium untuk transportasi diperlukan
kepadatan energi yang lebih tinggi, kepadatan daya yang tinggi, dan stabilitas
siklik yang baik. Suatu elektrokimia ditingkatkan dalam sistem ini, dengan
mengembangkan bahan elektroda. Bahan elektroda maju berperan penting dalam
konversi energi dan penyimpanan dalam sistem baterai ion lithium saat reaksi
elektrokimia berlangsung (Notter et al, 2010).
Baterai Ion Lithium merupakan jenis baterai isi ulang, dimana baterai ion
lithium dinilai sebagai pilihan solusi terbaik untuk sumber energi alternatif karena
baterai Ion Lithium memiliki kapasitas yang tinggi (150 – 275 mAh/g), ramah
Universitas Sumatera Utara
lingkungan dan memiliki lifecycle panjang (500-1000 siklus), densitas energi
tinggi dan kapasitas spesifik lebih tinggi dibandingkan dengan baterai sekunder
yang lain (Chew, 2008).
Sel Ion Lithium (Li-ion) dapat mengubah energi potensial kimia menjadi
energi listrik melalui reaksi oksidasi dan reduksi. Sel Ion Lithium adalah dua sel
elektrokimia elektroda yang terdiri dari kutub positif dan negatif yang dilapisi
pada kolektor yang terhubung pada sirkuit eksternal. Anoda baterai Ion Lithium
komersial berupa kristal karbon, Oksida Logam (LiCoC2) sebagai katoda,
separator sebagai lapisan pemisah antar elektroda, serta elektrolit berupa larutan
garam Lithium (LiPF6, LiBF4 atau LiClO4) (Herstedt, 2003). Secara umum,
baterai Ion Lithium terdiri dari tiga komponen utama yaitu Elektrolit, Anoda dan
Katoda. Material elektrolit yang digunakan antara lain adalah Lithium
Hexafluorophosphat (LiPF6). Material elektrolit tersebut berfungsi sebagai media
transfer ion. Sementara itu, material anodanya adalah metalik litium dengan
kapasitas spesifik hingga 3860 mAh/g.
Saat ini, semua 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.
Anoda Lithium Titanium Oksida (Li4Ti5O12) dianggap sebagai pilihan yang
lebih baik daripada anoda grafit konvensional (Scrosati, 2010). Hal ini
dikarenakan Li4Ti5O12 memiliki tegangan operasi yang yang stabil, yaitu
sebesar 1,55 V vs. Li+/Li yang tidak menyebabkkan adanya dendrit ion lithium
pada anoda selama interkalasi, memiliki kapasitas yang tinggi 175 mAh/g, laju
charging-discharging yang tinggi dan juga termasuk kedalam material ZeroStrain yang memiliki struktrur spinel yang kuat, hal ini mengakibatkan struktur
atau volume kisi dari material Li4Ti5O12 sulit untuk berubah pada saat proses
interkalasi atau proses insersi atau ekstraksi lithium selama siklus baterai (Wen,
2012 & Nordh, 2013).
Dalam fabrikasi sel baterai dengan material aktif Li4Ti5O12 sebagai anoda,
material aktif berupa serbuk dan harus dibuat dalam bentuk lembaran anoda
Universitas Sumatera Utara
dengan cara dilapiskan pada Cu Foil. Ada beberapa yang harus diperhatikan
dalam proses membuat lembaran anoda seperti komposisi bahan, lama
pencampuran, suhu pemanasan, kecepatan
pencampuran, viskositas slurry,
ketebalan coating, kecepatan coating, suhu dan lama pengeringan (Suci, 2015).
Parameter ini yang mempengaruhi karakteristik lembaran elektroda baterai yang
pada
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.
Densitas daya (Power Density) dan kepadatan energi (Energy Density)
pada performa sel baterai baterai sangat bergantung pada ketebalan lapisan
material aktif. Lapisan material aktif yang banyak menyebabkan energy density
menurun karena jumlah pada bahan material aktif yang besar sehingga
meningkatkan jarak difusi ion lithium panjang. Sebaliknya, lapisan material aktif
yang tipis menyebabkan jarak difusi ion lithium singkat sehingga menyebabkan
Power Density meningkat (Nordh, 2013).
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah dijelaskan diatas, maka permasalahan
dalam penelitian ini adalah mengoptimalkan variasi ketebalan material aktif
Li4Ti5O12 dalam
pembuatan
lembaran
anoda
pada
baterai
ion lithium
sehingga nantinya dihasilkan lembaran anoda yang dapat meningkatkan
performa dari elektrokimia sel baterai. Dengan ketebalan material aktif yang
optimum diharapkan dapat memperoleh Kapasitas Spesifik, Energy Density dan
Power Density yang optimum.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Untuk melakukan sintesis Li4Ti5O12 sebagai material anoda.
2. Untuk mengetahui pengaruh ketebalan dalam pembuatan lembaran anoda
Li4Ti5O12 pada konduktivitas listrik dan konduktivitas sel baterai.
3. Untuk mengetahui performa elektrokimia sel baterai pada anoda Li4Ti5O12
dari kurva cyclic-voltammetry dan charge-discharge.
Universitas Sumatera Utara
1.4 Manfaat Penelitian
Dari penelitian ini diharapkan dapat mengetahui nilai optimalisasi performa
Li4Ti5O12 sebagai material anoda pada sel baterai ion lithium.
1.5 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Penelitian ini difokuskan pada sintesis dan pembuatan lembaran anoda
Li4Ti5O12.
2. Bahan baku yang digunakan adalah serbuk LiOH.H2O, dan TiO2 .
3. Komposisi lembaran anoda terdiri dari serbuk Li4Ti5O12, PVDF dan AB
dengan perbandingan 85:10:5, dengan pelarut N,N-Dimethylacetamide.
4. Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini meliputi karakterisasi
material anoda Li4Ti5O12 (uji XRD) dan karakterisasi lembaran dalam sel
setengah baterai (Electrochemical Impedance Spectroscopy, Cyclic
Voltammetry dan Charge/Discharge).
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, baterai Lithium Titanate, karakteristik dari masingmasing
bahan
baku dan variasi ketebalan dalam pembuatan
lembaran anoda Li4Ti5O12.
Universitas Sumatera Utara
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.
BAB 4 : Hasil dan Pembahasan
Bab ini mencakup pembahasan dari hasil penelitian berupa
hasil XRD (X-ray Diffraction) , EIS (Electrochemical Impedance
Spectroscopy) , 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.
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Penggunaan energi fosil seperti batu bara, bensin dan gas secara terusmenerus menyebabkan persediaan bahan bakar fosil menjadi menipis.
Kecenderungan ini telah mendorong kenaikan harga jual bahan bakar dan telah
menciptakan ketergantungan yang kuat pada bahan bakar ini. Kemudian,
pembakaran bahan bakar fosil menyebabkan emisi gas rumah kaca seperti CO2,
Nitrogen Oksida (NOx), Sulfur Oksida (SO2) dan masalah partikulasi (Liu and
Cao, 2010) yang dianggap mempercepat pemanasan global. Oleh karena itu,
dibutuhkan pembaharuan sumber energi yang lebih baik. Dalam menghadapi
emisi gas rumah kaca, beberapa penelitian melakukan sistem hemat energi. Salah
satu sektor terbesar penghasil emisi adalah transportasi. Beberapa jenis kendaraan
yang dapat mengurangi efek emisi dan menipisnya sumber daya bahan bakar fosil
yaitu: Internal Combustion Engine (ICE), Hybrid Electic Vehicle (HEVs), dan
Plug Hybrid Electric Vehicle (PHEVs) (Notter et al, 2010).
Sumber energi utama dalam kendaraan listrik disimpan dalam sebuah
perangkat sel elektrokimia yang disebut dengan baterai. Baterai yang digunakan
adalah jenis baterai Ion Lithium. Baterai Ion Lithium komersil saat ini masih
belum cukup untuk sepenuhnya memenuhi kebutuan masyarakat dengan baik.
Tetapi dalam sektor otomotif, perangkat yang dioperasikan dengan baterai
berubah drastis menjadi lebih canggih untuk pengembangan di masa mendatang.
Oleh karena itu, dalam baterai Ion Litihium untuk transportasi diperlukan
kepadatan energi yang lebih tinggi, kepadatan daya yang tinggi, dan stabilitas
siklik yang baik. Suatu elektrokimia ditingkatkan dalam sistem ini, dengan
mengembangkan bahan elektroda. Bahan elektroda maju berperan penting dalam
konversi energi dan penyimpanan dalam sistem baterai ion lithium saat reaksi
elektrokimia berlangsung (Notter et al, 2010).
Baterai Ion Lithium merupakan jenis baterai isi ulang, dimana baterai ion
lithium dinilai sebagai pilihan solusi terbaik untuk sumber energi alternatif karena
baterai Ion Lithium memiliki kapasitas yang tinggi (150 – 275 mAh/g), ramah
Universitas Sumatera Utara
lingkungan dan memiliki lifecycle panjang (500-1000 siklus), densitas energi
tinggi dan kapasitas spesifik lebih tinggi dibandingkan dengan baterai sekunder
yang lain (Chew, 2008).
Sel Ion Lithium (Li-ion) dapat mengubah energi potensial kimia menjadi
energi listrik melalui reaksi oksidasi dan reduksi. Sel Ion Lithium adalah dua sel
elektrokimia elektroda yang terdiri dari kutub positif dan negatif yang dilapisi
pada kolektor yang terhubung pada sirkuit eksternal. Anoda baterai Ion Lithium
komersial berupa kristal karbon, Oksida Logam (LiCoC2) sebagai katoda,
separator sebagai lapisan pemisah antar elektroda, serta elektrolit berupa larutan
garam Lithium (LiPF6, LiBF4 atau LiClO4) (Herstedt, 2003). Secara umum,
baterai Ion Lithium terdiri dari tiga komponen utama yaitu Elektrolit, Anoda dan
Katoda. Material elektrolit yang digunakan antara lain adalah Lithium
Hexafluorophosphat (LiPF6). Material elektrolit tersebut berfungsi sebagai media
transfer ion. Sementara itu, material anodanya adalah metalik litium dengan
kapasitas spesifik hingga 3860 mAh/g.
Saat ini, semua 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.
Anoda Lithium Titanium Oksida (Li4Ti5O12) dianggap sebagai pilihan yang
lebih baik daripada anoda grafit konvensional (Scrosati, 2010). Hal ini
dikarenakan Li4Ti5O12 memiliki tegangan operasi yang yang stabil, yaitu
sebesar 1,55 V vs. Li+/Li yang tidak menyebabkkan adanya dendrit ion lithium
pada anoda selama interkalasi, memiliki kapasitas yang tinggi 175 mAh/g, laju
charging-discharging yang tinggi dan juga termasuk kedalam material ZeroStrain yang memiliki struktrur spinel yang kuat, hal ini mengakibatkan struktur
atau volume kisi dari material Li4Ti5O12 sulit untuk berubah pada saat proses
interkalasi atau proses insersi atau ekstraksi lithium selama siklus baterai (Wen,
2012 & Nordh, 2013).
Dalam fabrikasi sel baterai dengan material aktif Li4Ti5O12 sebagai anoda,
material aktif berupa serbuk dan harus dibuat dalam bentuk lembaran anoda
Universitas Sumatera Utara
dengan cara dilapiskan pada Cu Foil. Ada beberapa yang harus diperhatikan
dalam proses membuat lembaran anoda seperti komposisi bahan, lama
pencampuran, suhu pemanasan, kecepatan
pencampuran, viskositas slurry,
ketebalan coating, kecepatan coating, suhu dan lama pengeringan (Suci, 2015).
Parameter ini yang mempengaruhi karakteristik lembaran elektroda baterai yang
pada
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.
Densitas daya (Power Density) dan kepadatan energi (Energy Density)
pada performa sel baterai baterai sangat bergantung pada ketebalan lapisan
material aktif. Lapisan material aktif yang banyak menyebabkan energy density
menurun karena jumlah pada bahan material aktif yang besar sehingga
meningkatkan jarak difusi ion lithium panjang. Sebaliknya, lapisan material aktif
yang tipis menyebabkan jarak difusi ion lithium singkat sehingga menyebabkan
Power Density meningkat (Nordh, 2013).
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah dijelaskan diatas, maka permasalahan
dalam penelitian ini adalah mengoptimalkan variasi ketebalan material aktif
Li4Ti5O12 dalam
pembuatan
lembaran
anoda
pada
baterai
ion lithium
sehingga nantinya dihasilkan lembaran anoda yang dapat meningkatkan
performa dari elektrokimia sel baterai. Dengan ketebalan material aktif yang
optimum diharapkan dapat memperoleh Kapasitas Spesifik, Energy Density dan
Power Density yang optimum.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Untuk melakukan sintesis Li4Ti5O12 sebagai material anoda.
2. Untuk mengetahui pengaruh ketebalan dalam pembuatan lembaran anoda
Li4Ti5O12 pada konduktivitas listrik dan konduktivitas sel baterai.
3. Untuk mengetahui performa elektrokimia sel baterai pada anoda Li4Ti5O12
dari kurva cyclic-voltammetry dan charge-discharge.
Universitas Sumatera Utara
1.4 Manfaat Penelitian
Dari penelitian ini diharapkan dapat mengetahui nilai optimalisasi performa
Li4Ti5O12 sebagai material anoda pada sel baterai ion lithium.
1.5 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Penelitian ini difokuskan pada sintesis dan pembuatan lembaran anoda
Li4Ti5O12.
2. Bahan baku yang digunakan adalah serbuk LiOH.H2O, dan TiO2 .
3. Komposisi lembaran anoda terdiri dari serbuk Li4Ti5O12, PVDF dan AB
dengan perbandingan 85:10:5, dengan pelarut N,N-Dimethylacetamide.
4. Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini meliputi karakterisasi
material anoda Li4Ti5O12 (uji XRD) dan karakterisasi lembaran dalam sel
setengah baterai (Electrochemical Impedance Spectroscopy, Cyclic
Voltammetry dan Charge/Discharge).
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, baterai Lithium Titanate, karakteristik dari masingmasing
bahan
baku dan variasi ketebalan dalam pembuatan
lembaran anoda Li4Ti5O12.
Universitas Sumatera Utara
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.
BAB 4 : Hasil dan Pembahasan
Bab ini mencakup pembahasan dari hasil penelitian berupa
hasil XRD (X-ray Diffraction) , EIS (Electrochemical Impedance
Spectroscopy) , 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.
Universitas Sumatera Utara