Sintesis Anoda LTO dan Studi Pengaruh Pemanasan pada Proses Pembuatan Lembaran LTO dengan Binder PTFE Terhadap Performa Baterai
6
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Baterai
Baterai adalah komponen dari perangkat elektronik yang berperan sebagai
perangkat penyimpanan energi yang dapat mengkonversikan energi kimia menjadi
energi listrik. Baterai terdiri dari beberapa sel elektrokimia dan setiap sel mengandung
elektroda negatif (anoda), elektroda positif (katoda), dan elektrolit (Mahmoud & Xu,
2011). Secara garis besar baterai terdiri dari dua macam yaitu baterai primer dan
baterai sekunder.
2.1.1 Jenis-jenisBaterai
1. Baterai Primer
Baterai primer adalah baterai yang hanya bisa sekali pakai, dalam baterai primer ini
energi kimia yang tersimpan dalam sel disusun sedemikian rupa sehingga hanya dapat
digunakan sekali untuk menghasilkan energi listrik, dimana setelah kapasitasnya habis
maka tidak bisa digunakan lagi (Aifantis et al., 2010). Keuntungan umum baterai
primer adalah waktu hidup baik, densitas energi yang tinggi pada laju discharge
rendah, dan mudah digunakan (Linden, 2002).
2. Baterai Sekunder
Baterai sekunder adalah baterai isi ulang, karena baterai ini dapat diisi ulang maka
baterai ini dapat digunakan kembali. Dalam baterai ini terjadi reaksi redoks pada saat
potensial yang diberikan lebih tinggi daripada potensial sel. Selama charging, elektron
mengalir ke anoda melalui sirkuit eksternal dan difusi kation katoda melalui elektrolit
ke anoda (Aifantis et al., 2010). Baterai sekunder diaplikasikan dalam dua kategori,
yaitu: 1. Sebagai alat penyimpan energi. Umumnya baterai jenis ini tersambung
dengan jaringan listrik permanen dan tersambung dengan jaringan listrik primer saat
digunakan. 2. Sebagai sumber energi listrik pada portabel divais, pengganti baterai
primer (Linden, 2002).
Universitas Sumatera Utara
7
2.2 Baterai Ion Lithium
Lithium adalah logam paling ringan dan memiliki potensi elektrokimia yang
tinggi. Sifat ini memungkinkan logam lithium untuk mencapai densitas energi dan
densitas power yang tingi dan menjadi bahan yang menjanjikan di pasar produksi
baterai (Mahmoud & Xu, 2011). Baterai ion lithium adalah baterai yang digerakkan
oleh ion lithium. Baterai ion lithium pertama kali dikomersialisasikan pada tahun 1990
oleh Sony Corp untuk ponsel Kyocera. Sejak diperkenalkan, pasar ion lithium telah
berkembang menjadi sekitar $4 miliar pada tahun 2005 (Yoshio et al., 2009).
Baterai ion lithium memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan baterai
sekunder lainnya yaitu ringan, densitas energinya tinggi, tidak memiliki memori effect,
dapat diisi ulang (rechargeable), tahan lama, tegangannya tinggi (4V), ramah
lingkungan dan penurunan kapasitas baterai ion lithium rendah sekitar 5% per bulan.
Namun, baterai ion lithium masih memiliki kekurangan diantaranya sangat sensitif
terhadap suhu tinggi dan biayanya lebih tinggi dibandingkan dengan baterai yang
sudah ada (Oswal et al., 2010).
2.3 Karakteristik Baterai Ion Lithium
Lithium ion adalah salah satu jenis baterai yang paling populer dan dapat di
apikasikan dalam berbagai hal. Oleh sebab itu kita harus mengetahui karakteristik yang
ada pada baterai ion lithium, pada Tabel 1 menampilkan karakteristik dari baterai ion
lithium.
Tabel 1. Karakteristik Baterai Ion Lithium
Karakteristik Baterai ion lithium
Densitas Energi (aWh/L)
250-360
Energi Spesifik (Wh/kg)
110-175
Suhu pemakaian
-20ºC - 55ºC
Efisiensi
97%
Waktu penggantian (tahun)
5-7
Biaya pemeliharaan
Tidak ada
Harga Bateraai ($/KWh)
600 (19.200 Baht)
Sumber: Anuphappharadorn et al., 2014
Universitas Sumatera Utara
8
2.3.1 Energi Densitas
Densitas Energi adalah penyimpanan energi per satuan berat atau per satuan
volume dalam baterai. Perbandingan densitas energi dalam empat baterai ini populer
dapat diamati dengan jelas pada Gambar 2 (Mahmoud & Xu, 2011).
Baterai ion lithium juga memiliki sifat utama yaitu nilai spesifik energi secara
grafimetrik maupun volumetrik jauh lebih unggul dibandingkan dengan baterai
sekunder lain (Kawamoto, 2010).
Gambar 2. Perbandingan Baterai Ion Lithium dengan Baterai Sekunder Lainnya
Penjelasan pada Gambar 2 dapat dilihat perbandingan antara baterai ion
lithium dengan baterai sekunder lainnya pada Tabel 2 dibawah ini.
Tabel 2. Perbandingan Baterai Ion Lithium dengan Baterai Sekunder Lainnya
Katoda
Ion Li
Pb
– Ni – Cd Ni – MH
Acid
Waktu hidup (cycle)
500-1000
200-500
500
500
Tegangan kerja (V)
3,6
1,0
1,2
1,2
Energi Spesifik (Wh/Kg) 100
30
60
70
Energi Spesifik (Wh/L)
100
155
190
240
Sumber : Wu et al 2011
Universitas Sumatera Utara
9
2.3.2 Waktu Hidup
Definisi waktu hidup adalah jumlah lengkap dari proses charge-discharge
yang dilakukan oleh baterai. Saat kapasitas turun menjadi 80% dari nilai kapasitas
awal, kehidupan baterai ini berakhir. Biasanya, mekanisme penuaan (aging)
mengakibatkan hilangnya kapasitas setelah digunakan berulang-ulang, yang
mempengaruhi siklus hidup baterai. Siklus hidup dari berbagai baterai sekunder
ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 3. Siklus Waktu Hidup dari Berbagai Jenis Baterai
Jenis-jenis
Siklus Hidup
Lead-Acid
300-500
Nickel
Nickel metal Lithium-ion
Cadmium
hydride
500
500
1000-3000
Sumber: Mahmoud & Xu 2010
2.3.3 Harga
Menurut (Mahmoud & Xu, 2010) harga baterai lead-acid adalah yang
terendah, yang juga merupakan sampel yang digunakan di laboratorium. Namun,
kapasitas baterai Li-ion yang diperlukan. Walaupun biaya produksi baterai Li Ion
adalah sekitar 100 dolar, hal ini dapat diterima karena baterai Li-ion memliki energi
spesifik lebih tinggi dibandingkan baterai sekunder lainnya yaitu 90 Wh kg-1 yang
dapat meningkatkan waktu hidup dari sistem baterai seperti yang diharapkan.
2.4 Bahan Dalam Baterai Ion Lithium
Untuk penggunaan akhir, mungkin kadang-kadang tampak seperti hanya ada
satu jenis baterai baterai ion lithium, tetapi kenyataannya ada beberapa jenis sel kimia
yang berbeda dari sel ion lithium. Anoda standar di sebagian besar sel komersial saat
ini adalah grafit. Namun, bahan katoda dan elektrolit bervariasi secara substansial
dalam sel, bersama-sama dengan formulasi komposit elektroda, ukuran partikel bahan
aktif, dan lain-lain (Nordh,2013).
2.4.1 Material Anoda
Anoda atau negatif elektroda yang mereduksi elektroda dan memberikan
elektron ke sirkuit eksternal dan teroksidasi selama reaksi elektrokimia. Bahan anoda
Universitas Sumatera Utara
10
yang sering digunakan sebagai komponen sel baterai lithium rechargeable adalah
grafit/karbon dan logam lithium. Kedua material tersebut memenuhi syarat sebagai
suatu material untuk proses interkalasi. Adapun tiga syarat utama yang harus dimiliki
material anoda pada baterai ion lithium yaitu sebagai berikut : 1. Potensial penyisipan
dan pelepasan ion lithium pada anoda harus sekecil mungkin. 2. Banyaknya ion lithium
yang dapat dimuat oleh material anoda harus besar untuk mencapai kapasitas spesifik
yang besar. 3. Host pada anoda harus menahan penyisipan dan pelepasan ion lithium
yang berulang–ulang tanpa kerusakan strukturnya untuk memperoleh siklus hidup
yang panjang (Yao, 2003). Anoda dipilih dengan mempertimbangkan: efisiensi
sebagai reduktor, hasil keluaran coulomb tinggi (Ah/g), konduktivitas yang baik,
stabilitas baik, kemudahan fabrikasi, dan biaya yang murah. (Linden, 2002).
2.4.2 Material Katoda
Katoda atau elektroda positif sebagai pengoksidasi elektroda yang menerima
elektron dari sirkuit eksternal dan reduksi selama reaksi elektrokimia. katoda harus
menjadi oksidator yang baik, stabil ketika berhubungan dengan elektrolit, dan
memiliki tegangan kerja yang dapat digunakan dengan baik (Linden, 2002).
2.4.3 Elektrolit
Elektrolit adalah bahan yang memberikan konduktivitas ionik murni antara
elektroda positif dan negatif dari sel (Winter & Brodd, 2004). Penambahan bahan ion
biasanya dalam bentuk larutan air, cair, atau padat (Aifantis et al., 2010). Elektrolit
aqueous tidak dapat digunakan dalam baterai ion lithium, jadi garam anorganik terlarut
dalam pelarut organik yang dapat digunakan sebagai elektrolit. Bahan elektrolit yang
sempurna harus memiliki konduktivitas ionik yang tinggi, stabilitas yang baik dan
keamanan yang sangat baik. LiPF6 adalah elektrolit yang paling umum di pasar saat
ini (Mahmoud & Xu, 2011).
2.4.4 Separator
Separator adalah penghalang fisik antara elektroda positif dan negatif yang
dimasukkan ke dalam desain baterai untuk mencegah korslet listrik. Separator dapat
berupa gel elektrolit atau film plastik mikro atau bahan inert berpori lainnya yang
Universitas Sumatera Utara
11
nantinya diisi dengan elektrolit. Separator harus berpori antara ion dan inert dalam
lingkungan baterai (Winter & Brodd, 2004).
2.5 Pengoperasian Baterai
Bahan dengan potensi reduksi standar positif yang lebih rendah disebut
elektroda negatif atau anoda pada discharge (karena memberikan elektron), sedangkan
bahan dengan pengurangan standar positif yang lebih tinggi disebut elektroda positif
atau katoda pada discharge (karena menerima elektron) (Aifantis et al., 2010). Prinsip
baterai Li-ion ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium
Pada umumnya anoda baterai ion lithium adalah karbon (grafit), sedangkan
katoda dibuat dari kobalt dioksida lithium (LiCoO2) dan elektrolit adalah non-aqueous
pelarut organik termasuk garam lithium (LiPF6).
Reaksi setengah sel pada elektroda positif adalah:
discharge
xLi + xe + Li1-x CoO2
LiCoO2
+
-
(1)
charge
Reaksi di elektroda negatif adalah sebagai berikut:
discharge
LixC
xLi+ xe- + C
(2)
charge
Universitas Sumatera Utara
12
Reaksi totalnya adalah:
discharge
Li1-xCoO2 + LixC
LiCoO2 + C
charge
(3)
Baterai Ion Lithium bergantung pada proses interkalasi. Ion lithium
dimasukkan kedalam kisi dari elektroda tanpa mengubah struktur kristal (Mahmoud &
Xu, 2011). Selama proses charge baterai, terjadi pergerakan ion lithium dari elektroda
positif (katoda) melalui seperator dan elektrolit ke elektroda negatif (anoda). Elektron
cenderung mengalir ke arah yang berlawanan di sekitar sirkuit luar. Ketika semua ion
berhenti mengalir, baterai seharusnya terisi penuh dan siap untuk digunakan. Baterai
menyimpan energi selama proses ini (Oswal et al., 2010).
Selama discharge, ion lithium bergerak dari elektroda negatif (anoda) ke
elektroda positif (katoda) melalui seperator dan elektrolit, menghasilkan densitas daya
pada baterai. Elektron cenderung mengalir sebaliknya melalui sirkuit luar (Oswal et
al., 2010). Ion lithium dipisahkan bermigrasi melewati elektrolit dan masuk ke dalam
struktur karbon. Pada saat yang sama elektron mengalir ke sirkuit luar sebagai
kompensasinya. Karena reaksi ini adalah reveversibel, ion lithium lolos kembali dan
balik antara elektroda saat pengisian dan pemakaian. Baterai Li-Ion juga mengalami
mekanisme penuaan (aging), yang meningkatkan resistansi internal, menyebabkan
kerugian kapasitas dan memperpendek siklus hidup (Mahmoud &Xu, 2011).
Dalam sel baterai, site reduksi disebut katoda dan site oksidasi disebut anoda.
Elektroda yang bertindak sebagai anoda dan yang bertindak sebagai katoda ditentukan
oleh bagaimana potensial reduksi standar berhubungan satu sama lain, dan dengan
demikian yang lainnya lebih mudah teroksidasi. Elektroda dengan potensial standar
yang lebih tinggi akan bertindak sebagai katoda, dan potensial rendah sebagai anoda
(Nordh, 2013).
2.6 Komponen dalam Lembaran Elektroda
Lembaran elektroda dalam baterai sering digabungkan dari beberapa bahan.
Tiga komponen utama komponen yaitu bahan aktif, konduktor elektronik dan
pengikat. Bahan aktif adalah bahan yang berperan dalam reaksi redoks yang
Universitas Sumatera Utara
13
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 elektoda ini dilapiskan
ke current colector dalam proses manufaktur dan karena itu tidak dapat dipisahkan
lagi (Nordh,2013).
2.6.1 Material Aktif (LTO)
(a)
(b)
Gambar 4. (a) Struktur LTO (Li4Ti5O12), (b) Charge-Discharge pada Kondisi Low
Rates
Li4Ti5O12 atau LTO merupakan material anoda yang dapat digunakan sebagai
pengganti grafit dalam baterai ion lithium sekunder (Sibiryakov, 2013). Pada Gambar
4 (a) memperlihatkan struktur kristal dari LTO. LTO telah berhasil dikomersialkan
karena memungkinkan kombinasi stabilitas termal yang superior, high rate, kapasitas
volumetrik yang relatif tinggi, dan siklus hidup yang panjang. Meskipun biaya yang
lebih mahal dari Ti, tegangan sel berkurang dan kapasitas yang lebih rendah. LTO
dianggap
“zero
strain”
karena
perubahan
fasa
yang
disebabkan
oleh
lithiation/delithiation hanya menghasilkan sedikit perubahan volume (0,2 %). Secara
elektrokimia, pada saat tegangan kecil tegangan hysteresis ditunjukkan dalam kondisi
charge-discharge (Gambar 4 (b)). High Equilibrium potential (1,55 V vs Li/Li+)
memungkinkan LTO untuk dioperasikan pada potensial diatas 1 V, sebagian besar
dapat menghindari pembentukan dan pertumbuhan anoda SEI (solid Electrolite
Interface), yang dapat memperlambat penyisipan Li. Bahkan ketika sebuah SEI
Universitas Sumatera Utara
14
terbentuk, kurangnya perubahan volume meningkatkan stabilitas SEI karena
impedanssi SEI tidak menjadi masalah, nano partikel LTO dapat digunakan, yang
mirip dengan interkalasi bahan katoda, dan mengakibatkan kinerja lebih tinggi pada
penurunan volumetrik dengan kapasitas yang lebih rendah (Nitta et al., 2014). Namun,
LTO juga memiliki kelemahan yang cukup besar, seperti koefisien konduktivitas dan
lithium difusi spesifik yang rendah. kelemahan ini dapat dihilangkan dengan cara yang
berbeda, misalnya, dengan penciptaan struktur cacat, pengurangan ukuran partikel,
lapisan permukaan partikel dengan karbon, dan doping dengan logam (tembaga, timah,
perak). Reduksi ukuran partikel dapat memperpendek jarak difusi ion lithium dalam
fase padat dan meningkatkan permukaan kontak dengan elektrolit (Sibiryakov et al.,
2013).
2.6.2 Konduktor Elektronik (AB)
Karbon hitam telah banyak digunakan sebagai filler dalam industri polimer
karena sifat yang sangat baik seperti panas, kimiawi dan tahan cuaca, sangat ringan,
electroconductivity, dan suhu ekspansi rendah. Khususnya, elektrik komposit
konduktif disiapkan melalui penggabungan konduktif acetylene black (AB). AB
memiliki diameter partikel rata-rata adalah 36 nm dan luas permukaan adalah 65 m2
/g. Meskipun AB pada dasarnya sama dengan karbon hitam lainnya, tapi jauh berbeda
bahwa partikel didalamnya berbentuk rantai, dan memiliki grafitisasi yang sangat
canggih (Lee et al., 2010).
2.6.3 Binder PTFE (Polytetrafluoroethylene)
Binder atau pengikat dapat digunakan untuk mempertahankan integritas
struktural dari partikel aktif dan membantu bahan elektroda ke arus kolektor (Zhong
et al., 2016). PTFE (Polytetrafluoroethylene) berwarna putih dan memiliki partikel
yang berukuran kecil. Karena struktur kristal dan atom fluorin padat, PTFE adalah
bahan polimer terberat dengan densitas energi 2,1 g/cm3. Struktur rantai polimer yang
kaku juga menyebabkan suhu lebur tinggi (~320°C) dan viskositas cair yang tinggi
PTFE dapat diolah menjadi semua macam bentuk untuk hampir setiap bidang aplikasi.
PTFE tersedia dalam butiran, bubuk halus dan bentuk dispersi berbasis air. Bubuk
PTFE halus dapat diolah menjadi bagian tipis dengan pasta ekstrusi atau digunakan
Universitas Sumatera Utara
15
sebagai aditif untuk meningkatkan ketahanan aus atau properti gesekan dari bahan lain
(Teng, 2012). PTFE memiliki ketahanan kimia yang luar biasa, ketahanan panas dan
dingin yang tinggi, bersifat isolasi, tahan terhadap sinar UV (ultra violet), ketahanan
cuaca yang baik, koefisien gesek yang rendah, anti-patah, lentur, ketahanan tinggi
terhadap api dan penyerapan air yang sangat rendah (Biron, 2007). PTFE sangat
dikenal dengan manfaat seperti ketahanan kimia yang sangat baik, anti-perekat
permukaan yang baik, resistansi UV dan dapat digunakan lebih dari satu jarak
temperatur yang luas (Bruemmer & Schnabel, 1999).
PTFE adalah hydrophobic dan secara kimia tahan terhadap semua pelarut,
asam, dan basa. Hindari suhu di atas 300 ° C karena bahan dapat mencair. Hindari
dekomposisi yang berbahaya, seperti: karbon monoksida, karbon dioksida, styrene,
akrilonitril, hidrokarbon, sianida. Dari informasi toksikologi, tidak ada data yang
tersedia (MSDS-PTFE, 2008). Berikut ini perbandingan sifat bahan pengikat antara
PTFE dan PVDF ditunjukkan dalam Tabel 4 yang menunjukkan perbedaan yang
mendasar.
Tabel 4. Perbandingan Sifat Bahan PTFE dan PVDF
Sifat Bahan
PTFE
PVDF
Densitas
2,1-2,3 g/cm3
1,8 g/cm3
Electrical resistivity order of magnitude
2-19 10x Ω-m
12 10x Ω-m
75-300%
200%
90%
49%
330-340ºC
170ºC
0,24-0,65 W/m-K
0,12 W/m-K
0,093-0,050%
0%
Elongation at break
Limiting oxygen indeks
Melting onset
Konduktivitas termal
Penyerapan air setelah 24 jam
Sumber: Disclaimer 2016
2.7 Karakterisasi Material
2.7.1 FTIR
Spektrometer FTIR (Fourier Transform Infra-Red) adalah alat analisis yang
digunakan untuk mempelajari materi dalam bentuk gas, cair atau padat dan telah
menjadi salah satu alat yang paling penting bagi karakterisasi kualitatif dan kuantitatif
Universitas Sumatera Utara
16
dari bahan organik, khususnya polimer. Spektroskopi FTIR didasarkan pada interaksi
cahaya inframerah dengan molekul. Energi absorbsi dari ikatan kimia menciptakan
spektrum FTlR. Energi dari cahaya berbanding lurus dengan bilangan gelombang:
E = hcW
(4)
Dimana E dan W mewakili energi dan bilangan gelombang, masing-masing. Dan lain
keduanya konstan: h adalah konstanta Planck (6,63x10-34 J/s) dan C adalah kecepatan
cahaya. spektrometer FTIR terdiri dari sumber cahaya inframerah, detektor, sumber
sinar laser, cermin geser dan cermin tetap. Bagian-bagian spektrometer FTIR
ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Bagian-Bagian Spektrometer FTIR
2.7.2 XRD
X-Ray Diffraction (XRD) adalah suatu metode analisis dalam kristalografi.
Pada umumnya, itu dimulai sebagai cara untuk menentukan struktur atom dari kristal,
tapi sekarang dapat digunakan untuk menentukan informasi lebih banyak, misalnya:
sebagai parameter sel, distorsi, ketegangan dan ukuran kristal sekarang informasi
dapat diperoleh (Nordh, 2013). Untuk menghitung parameter kisi dengan strutur
kristal kubik, maka kita dapat menggunakan Persamaan 5.
a=
λ
2 sin θ
(h2+ k2+ l2)1/2
(5)
Dimana a adalah parameter kisi (A0), λ adalah panjang gelombang radiasi
dari Cu Kα = 1,54 A0, θ (theta) adalah sudut yang terbentuk dan h,k,l adalah bidang
kristal dari suatu material. Kisi Bravais dapat diidentifikasi dengan mencatat
keberadaan sistematis (atau ketiadaan) refleksi dalam pola difraksi. Nilai h2+ k2+ l2
Universitas Sumatera Utara
17
untuk kisi kubik yang berbeda mengikuti urutan sesuai yang ditunjukkan pada Tabel
5.
Tabel 5. Nilai h2+ k2+ l2 untuk Kisi Kubik
Primitive
1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,131,14....
Body-centered
2,4,6,8,10,12,14,16.....
Face-centered
3,4,8,11,12,16,19,20,24,27,32....
Untuk menghitung jarak bidang kristal kubik maka dapat digunakan Persamaan 6.
d=
a
(h2+ k2+ l2)1/2
(6)
Dimana d adalah jarak bidang kristal, a adalah parameter kisi dan h,k,l adalah
bidang kristal suatu material. Ketika sinar X dikirim ke dalam sampel, sinar akan
dihamburkan oleh atom nya dan menyebar ke segala arah. Sinar yang tersebar dari
atom yang berbeda tetapi dalam arah yang sama akan membuat jarak yang berbeda
dan karena itu akan keluar dari fase satu sama lain ketika mencapai titik yang
ditetapkan, misalnya detektor. Prinsip kerja XRD ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6. Prinsip kerja alat X-ray diffraction
Universitas Sumatera Utara
18
Gambar 6 memperlihatkan hukum Bragg terpenuhi ketika D sama dengan
seluruh jumlah panjang gelombang, maka semua sinar terdifraksi akan memiliki fase
satu sama lain (Nordh, 2013).
2.7.3 CV
CV (Cyclic Voltammetry) adalah jenis pengukuran elektrokimia potensio
dinamik,dan merupakan salah satu metode elektrokimia yang paling sering digunakan
karena relatif sederhana dan isi informasi yang tinggi. Selama pengujian CV, pada
Gambar 7 (a) potensi linear pemindaian siklik (yaitu, elektroda potensial landai linear
terhadap waktu) dikenakan ke elektroda dan arus yang dihasilkan dicatat.
Gambar 7. Tipikal Cyclic Voltammogram untuk Proses Redoks Reversibel
Gambar 7 (b) dikenal sebagai scan rate (V/s). Kurva arus-tegangan (untuk
voltamogram siklik) menunjukkan respon arus sebagai fungsi dari tegangan daripada
waktu, yang dapat memberikan informasi tentang kinetika dan termodinamika reaksi
elektroda. Sistem yang paling sederhana melibatkan reaksi redoks reversibel dengan
transfer elektron tunggal dalam media solusi di mana tingkat maju dan mundur reaksi
yang dekat dengan keseimbangan. CV sering digunakan untuk menampakkan proses
difusi pengontrol di mana spesies electroactive masukkan ke elektroda. Koefisien
difusi kimia lithium ion di elektroda dihitung dari data CV. Singkatnya, CV adalah
alat yang nyaman untuk memperoleh informasi kualitatif tentang proses transfer
elektron, serta metode cepat untuk memperoleh perkiraan yang baik dari potensi
reduksi dan konstanta pembentukan (Sun, 2015). Dari data polarisasi yang diperoleh
dapat menggunakan rumus koefisien difusi dapat menggunakan Persamaan 7 sebagai
berikut:
Universitas Sumatera Utara
19
� ²
=
(2,69)2 .1010
�
4/3 2 2
(7)
Dimana, n merupakan bilangan elektron, A luas permukaan elektroda (cm2),C
merupakan konsentrasi ion lithium di dalam padatan (4,37 x 10-3 mol/cm-3 ), v
merupakan kecepatan scan rate (0,1 mV/sec). Untuk mencari daya makan dapat
menggunakan rumus sebagai berikut:
�(
)=
�������
��
(8)
Dimana, Voksidasi merupakan tegangan maksimum dari puncak sampel dan Ip
merupakan arus polarisasi (mA).
2.7.4 CD
CD (Charge-discharge) adalah teknik elektrokimia yang paling umum
digunakan untuk karakterisasi perangkat penyimpanan energi. Dalam pengujian ini
sebuah sel diisi dan dikosongkan dengan menggunakan arus konstan di antara
tegangan atas dan tegangan bawah
(Li, 2012). Karakterisasi ini dibuat untuk
mengevaluasi kerusakan baterai. Pada Gambar 8 dijelaskan bahwa ketika charging,
tegangan meningkat, sedangkan bila discharging dimulai, tegangan menurun.
Gambar 8. Grafik Charging dan Discharging pada Baterai
Universitas Sumatera Utara
20
2.7.5 DTA/TGA
Thermal analysis merupakan teknik untuk mengkarakterisasi sifat material
yang dipelajari berdasarkan respon material tersebut terhadap temperatur. Untuk
menentukan sifat termo-fisiknya metode yang biasa digunakan salah satunya adalah
differential thermal analysis (DTA). Dalam bidang metalurgi dan ilmu material
kegunaan dari DTA ini adalah untuk mempelajari transisi fasa yang terjadi dibawah
pengaruh atmosfer, temperatur, laju pemanasan atau pendinginan. DTA adalah analisis
termal yang menggunakan referensi sebagai acuan perbandingan hasilnya, material
referensi ini biasanya material inert. Sampel dan material referensi dipanaskan secara
bersamaan dalam satu tempat. Perbedaan temperatur sampel dengan temperatur
material referensi dicatat selama siklus pemanasan dan pendinginan (Klancnik et al.,
2009).
Termografimetri (TG) atau Analisis Termogravimetri (TGA) adalah metode
Analisis Termal terbukti baik. TGA digunakan dalam penelitian dan pengembangan
berbagai zat dan bahan rekayasa cair/padat atau untuk mendapatkan pengetahuan
tentang stabilitas termal dan komposisi. Sebuah thermobalance digunakan untuk
mengukur perubahan massa sampel sebagai fungsi dari suhu atau waktu, di bawah
lingkungan yang didefinisikan dan dikendalikan sehubungan dengan tingkat
pemanasan, atmosfer gas, flow rate, wadah cruisible, dll (Netzch, 2009).
Universitas Sumatera Utara
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Baterai
Baterai adalah komponen dari perangkat elektronik yang berperan sebagai
perangkat penyimpanan energi yang dapat mengkonversikan energi kimia menjadi
energi listrik. Baterai terdiri dari beberapa sel elektrokimia dan setiap sel mengandung
elektroda negatif (anoda), elektroda positif (katoda), dan elektrolit (Mahmoud & Xu,
2011). Secara garis besar baterai terdiri dari dua macam yaitu baterai primer dan
baterai sekunder.
2.1.1 Jenis-jenisBaterai
1. Baterai Primer
Baterai primer adalah baterai yang hanya bisa sekali pakai, dalam baterai primer ini
energi kimia yang tersimpan dalam sel disusun sedemikian rupa sehingga hanya dapat
digunakan sekali untuk menghasilkan energi listrik, dimana setelah kapasitasnya habis
maka tidak bisa digunakan lagi (Aifantis et al., 2010). Keuntungan umum baterai
primer adalah waktu hidup baik, densitas energi yang tinggi pada laju discharge
rendah, dan mudah digunakan (Linden, 2002).
2. Baterai Sekunder
Baterai sekunder adalah baterai isi ulang, karena baterai ini dapat diisi ulang maka
baterai ini dapat digunakan kembali. Dalam baterai ini terjadi reaksi redoks pada saat
potensial yang diberikan lebih tinggi daripada potensial sel. Selama charging, elektron
mengalir ke anoda melalui sirkuit eksternal dan difusi kation katoda melalui elektrolit
ke anoda (Aifantis et al., 2010). Baterai sekunder diaplikasikan dalam dua kategori,
yaitu: 1. Sebagai alat penyimpan energi. Umumnya baterai jenis ini tersambung
dengan jaringan listrik permanen dan tersambung dengan jaringan listrik primer saat
digunakan. 2. Sebagai sumber energi listrik pada portabel divais, pengganti baterai
primer (Linden, 2002).
Universitas Sumatera Utara
7
2.2 Baterai Ion Lithium
Lithium adalah logam paling ringan dan memiliki potensi elektrokimia yang
tinggi. Sifat ini memungkinkan logam lithium untuk mencapai densitas energi dan
densitas power yang tingi dan menjadi bahan yang menjanjikan di pasar produksi
baterai (Mahmoud & Xu, 2011). Baterai ion lithium adalah baterai yang digerakkan
oleh ion lithium. Baterai ion lithium pertama kali dikomersialisasikan pada tahun 1990
oleh Sony Corp untuk ponsel Kyocera. Sejak diperkenalkan, pasar ion lithium telah
berkembang menjadi sekitar $4 miliar pada tahun 2005 (Yoshio et al., 2009).
Baterai ion lithium memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan baterai
sekunder lainnya yaitu ringan, densitas energinya tinggi, tidak memiliki memori effect,
dapat diisi ulang (rechargeable), tahan lama, tegangannya tinggi (4V), ramah
lingkungan dan penurunan kapasitas baterai ion lithium rendah sekitar 5% per bulan.
Namun, baterai ion lithium masih memiliki kekurangan diantaranya sangat sensitif
terhadap suhu tinggi dan biayanya lebih tinggi dibandingkan dengan baterai yang
sudah ada (Oswal et al., 2010).
2.3 Karakteristik Baterai Ion Lithium
Lithium ion adalah salah satu jenis baterai yang paling populer dan dapat di
apikasikan dalam berbagai hal. Oleh sebab itu kita harus mengetahui karakteristik yang
ada pada baterai ion lithium, pada Tabel 1 menampilkan karakteristik dari baterai ion
lithium.
Tabel 1. Karakteristik Baterai Ion Lithium
Karakteristik Baterai ion lithium
Densitas Energi (aWh/L)
250-360
Energi Spesifik (Wh/kg)
110-175
Suhu pemakaian
-20ºC - 55ºC
Efisiensi
97%
Waktu penggantian (tahun)
5-7
Biaya pemeliharaan
Tidak ada
Harga Bateraai ($/KWh)
600 (19.200 Baht)
Sumber: Anuphappharadorn et al., 2014
Universitas Sumatera Utara
8
2.3.1 Energi Densitas
Densitas Energi adalah penyimpanan energi per satuan berat atau per satuan
volume dalam baterai. Perbandingan densitas energi dalam empat baterai ini populer
dapat diamati dengan jelas pada Gambar 2 (Mahmoud & Xu, 2011).
Baterai ion lithium juga memiliki sifat utama yaitu nilai spesifik energi secara
grafimetrik maupun volumetrik jauh lebih unggul dibandingkan dengan baterai
sekunder lain (Kawamoto, 2010).
Gambar 2. Perbandingan Baterai Ion Lithium dengan Baterai Sekunder Lainnya
Penjelasan pada Gambar 2 dapat dilihat perbandingan antara baterai ion
lithium dengan baterai sekunder lainnya pada Tabel 2 dibawah ini.
Tabel 2. Perbandingan Baterai Ion Lithium dengan Baterai Sekunder Lainnya
Katoda
Ion Li
Pb
– Ni – Cd Ni – MH
Acid
Waktu hidup (cycle)
500-1000
200-500
500
500
Tegangan kerja (V)
3,6
1,0
1,2
1,2
Energi Spesifik (Wh/Kg) 100
30
60
70
Energi Spesifik (Wh/L)
100
155
190
240
Sumber : Wu et al 2011
Universitas Sumatera Utara
9
2.3.2 Waktu Hidup
Definisi waktu hidup adalah jumlah lengkap dari proses charge-discharge
yang dilakukan oleh baterai. Saat kapasitas turun menjadi 80% dari nilai kapasitas
awal, kehidupan baterai ini berakhir. Biasanya, mekanisme penuaan (aging)
mengakibatkan hilangnya kapasitas setelah digunakan berulang-ulang, yang
mempengaruhi siklus hidup baterai. Siklus hidup dari berbagai baterai sekunder
ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 3. Siklus Waktu Hidup dari Berbagai Jenis Baterai
Jenis-jenis
Siklus Hidup
Lead-Acid
300-500
Nickel
Nickel metal Lithium-ion
Cadmium
hydride
500
500
1000-3000
Sumber: Mahmoud & Xu 2010
2.3.3 Harga
Menurut (Mahmoud & Xu, 2010) harga baterai lead-acid adalah yang
terendah, yang juga merupakan sampel yang digunakan di laboratorium. Namun,
kapasitas baterai Li-ion yang diperlukan. Walaupun biaya produksi baterai Li Ion
adalah sekitar 100 dolar, hal ini dapat diterima karena baterai Li-ion memliki energi
spesifik lebih tinggi dibandingkan baterai sekunder lainnya yaitu 90 Wh kg-1 yang
dapat meningkatkan waktu hidup dari sistem baterai seperti yang diharapkan.
2.4 Bahan Dalam Baterai Ion Lithium
Untuk penggunaan akhir, mungkin kadang-kadang tampak seperti hanya ada
satu jenis baterai baterai ion lithium, tetapi kenyataannya ada beberapa jenis sel kimia
yang berbeda dari sel ion lithium. Anoda standar di sebagian besar sel komersial saat
ini adalah grafit. Namun, bahan katoda dan elektrolit bervariasi secara substansial
dalam sel, bersama-sama dengan formulasi komposit elektroda, ukuran partikel bahan
aktif, dan lain-lain (Nordh,2013).
2.4.1 Material Anoda
Anoda atau negatif elektroda yang mereduksi elektroda dan memberikan
elektron ke sirkuit eksternal dan teroksidasi selama reaksi elektrokimia. Bahan anoda
Universitas Sumatera Utara
10
yang sering digunakan sebagai komponen sel baterai lithium rechargeable adalah
grafit/karbon dan logam lithium. Kedua material tersebut memenuhi syarat sebagai
suatu material untuk proses interkalasi. Adapun tiga syarat utama yang harus dimiliki
material anoda pada baterai ion lithium yaitu sebagai berikut : 1. Potensial penyisipan
dan pelepasan ion lithium pada anoda harus sekecil mungkin. 2. Banyaknya ion lithium
yang dapat dimuat oleh material anoda harus besar untuk mencapai kapasitas spesifik
yang besar. 3. Host pada anoda harus menahan penyisipan dan pelepasan ion lithium
yang berulang–ulang tanpa kerusakan strukturnya untuk memperoleh siklus hidup
yang panjang (Yao, 2003). Anoda dipilih dengan mempertimbangkan: efisiensi
sebagai reduktor, hasil keluaran coulomb tinggi (Ah/g), konduktivitas yang baik,
stabilitas baik, kemudahan fabrikasi, dan biaya yang murah. (Linden, 2002).
2.4.2 Material Katoda
Katoda atau elektroda positif sebagai pengoksidasi elektroda yang menerima
elektron dari sirkuit eksternal dan reduksi selama reaksi elektrokimia. katoda harus
menjadi oksidator yang baik, stabil ketika berhubungan dengan elektrolit, dan
memiliki tegangan kerja yang dapat digunakan dengan baik (Linden, 2002).
2.4.3 Elektrolit
Elektrolit adalah bahan yang memberikan konduktivitas ionik murni antara
elektroda positif dan negatif dari sel (Winter & Brodd, 2004). Penambahan bahan ion
biasanya dalam bentuk larutan air, cair, atau padat (Aifantis et al., 2010). Elektrolit
aqueous tidak dapat digunakan dalam baterai ion lithium, jadi garam anorganik terlarut
dalam pelarut organik yang dapat digunakan sebagai elektrolit. Bahan elektrolit yang
sempurna harus memiliki konduktivitas ionik yang tinggi, stabilitas yang baik dan
keamanan yang sangat baik. LiPF6 adalah elektrolit yang paling umum di pasar saat
ini (Mahmoud & Xu, 2011).
2.4.4 Separator
Separator adalah penghalang fisik antara elektroda positif dan negatif yang
dimasukkan ke dalam desain baterai untuk mencegah korslet listrik. Separator dapat
berupa gel elektrolit atau film plastik mikro atau bahan inert berpori lainnya yang
Universitas Sumatera Utara
11
nantinya diisi dengan elektrolit. Separator harus berpori antara ion dan inert dalam
lingkungan baterai (Winter & Brodd, 2004).
2.5 Pengoperasian Baterai
Bahan dengan potensi reduksi standar positif yang lebih rendah disebut
elektroda negatif atau anoda pada discharge (karena memberikan elektron), sedangkan
bahan dengan pengurangan standar positif yang lebih tinggi disebut elektroda positif
atau katoda pada discharge (karena menerima elektron) (Aifantis et al., 2010). Prinsip
baterai Li-ion ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium
Pada umumnya anoda baterai ion lithium adalah karbon (grafit), sedangkan
katoda dibuat dari kobalt dioksida lithium (LiCoO2) dan elektrolit adalah non-aqueous
pelarut organik termasuk garam lithium (LiPF6).
Reaksi setengah sel pada elektroda positif adalah:
discharge
xLi + xe + Li1-x CoO2
LiCoO2
+
-
(1)
charge
Reaksi di elektroda negatif adalah sebagai berikut:
discharge
LixC
xLi+ xe- + C
(2)
charge
Universitas Sumatera Utara
12
Reaksi totalnya adalah:
discharge
Li1-xCoO2 + LixC
LiCoO2 + C
charge
(3)
Baterai Ion Lithium bergantung pada proses interkalasi. Ion lithium
dimasukkan kedalam kisi dari elektroda tanpa mengubah struktur kristal (Mahmoud &
Xu, 2011). Selama proses charge baterai, terjadi pergerakan ion lithium dari elektroda
positif (katoda) melalui seperator dan elektrolit ke elektroda negatif (anoda). Elektron
cenderung mengalir ke arah yang berlawanan di sekitar sirkuit luar. Ketika semua ion
berhenti mengalir, baterai seharusnya terisi penuh dan siap untuk digunakan. Baterai
menyimpan energi selama proses ini (Oswal et al., 2010).
Selama discharge, ion lithium bergerak dari elektroda negatif (anoda) ke
elektroda positif (katoda) melalui seperator dan elektrolit, menghasilkan densitas daya
pada baterai. Elektron cenderung mengalir sebaliknya melalui sirkuit luar (Oswal et
al., 2010). Ion lithium dipisahkan bermigrasi melewati elektrolit dan masuk ke dalam
struktur karbon. Pada saat yang sama elektron mengalir ke sirkuit luar sebagai
kompensasinya. Karena reaksi ini adalah reveversibel, ion lithium lolos kembali dan
balik antara elektroda saat pengisian dan pemakaian. Baterai Li-Ion juga mengalami
mekanisme penuaan (aging), yang meningkatkan resistansi internal, menyebabkan
kerugian kapasitas dan memperpendek siklus hidup (Mahmoud &Xu, 2011).
Dalam sel baterai, site reduksi disebut katoda dan site oksidasi disebut anoda.
Elektroda yang bertindak sebagai anoda dan yang bertindak sebagai katoda ditentukan
oleh bagaimana potensial reduksi standar berhubungan satu sama lain, dan dengan
demikian yang lainnya lebih mudah teroksidasi. Elektroda dengan potensial standar
yang lebih tinggi akan bertindak sebagai katoda, dan potensial rendah sebagai anoda
(Nordh, 2013).
2.6 Komponen dalam Lembaran Elektroda
Lembaran elektroda dalam baterai sering digabungkan dari beberapa bahan.
Tiga komponen utama komponen yaitu bahan aktif, konduktor elektronik dan
pengikat. Bahan aktif adalah bahan yang berperan dalam reaksi redoks yang
Universitas Sumatera Utara
13
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 elektoda ini dilapiskan
ke current colector dalam proses manufaktur dan karena itu tidak dapat dipisahkan
lagi (Nordh,2013).
2.6.1 Material Aktif (LTO)
(a)
(b)
Gambar 4. (a) Struktur LTO (Li4Ti5O12), (b) Charge-Discharge pada Kondisi Low
Rates
Li4Ti5O12 atau LTO merupakan material anoda yang dapat digunakan sebagai
pengganti grafit dalam baterai ion lithium sekunder (Sibiryakov, 2013). Pada Gambar
4 (a) memperlihatkan struktur kristal dari LTO. LTO telah berhasil dikomersialkan
karena memungkinkan kombinasi stabilitas termal yang superior, high rate, kapasitas
volumetrik yang relatif tinggi, dan siklus hidup yang panjang. Meskipun biaya yang
lebih mahal dari Ti, tegangan sel berkurang dan kapasitas yang lebih rendah. LTO
dianggap
“zero
strain”
karena
perubahan
fasa
yang
disebabkan
oleh
lithiation/delithiation hanya menghasilkan sedikit perubahan volume (0,2 %). Secara
elektrokimia, pada saat tegangan kecil tegangan hysteresis ditunjukkan dalam kondisi
charge-discharge (Gambar 4 (b)). High Equilibrium potential (1,55 V vs Li/Li+)
memungkinkan LTO untuk dioperasikan pada potensial diatas 1 V, sebagian besar
dapat menghindari pembentukan dan pertumbuhan anoda SEI (solid Electrolite
Interface), yang dapat memperlambat penyisipan Li. Bahkan ketika sebuah SEI
Universitas Sumatera Utara
14
terbentuk, kurangnya perubahan volume meningkatkan stabilitas SEI karena
impedanssi SEI tidak menjadi masalah, nano partikel LTO dapat digunakan, yang
mirip dengan interkalasi bahan katoda, dan mengakibatkan kinerja lebih tinggi pada
penurunan volumetrik dengan kapasitas yang lebih rendah (Nitta et al., 2014). Namun,
LTO juga memiliki kelemahan yang cukup besar, seperti koefisien konduktivitas dan
lithium difusi spesifik yang rendah. kelemahan ini dapat dihilangkan dengan cara yang
berbeda, misalnya, dengan penciptaan struktur cacat, pengurangan ukuran partikel,
lapisan permukaan partikel dengan karbon, dan doping dengan logam (tembaga, timah,
perak). Reduksi ukuran partikel dapat memperpendek jarak difusi ion lithium dalam
fase padat dan meningkatkan permukaan kontak dengan elektrolit (Sibiryakov et al.,
2013).
2.6.2 Konduktor Elektronik (AB)
Karbon hitam telah banyak digunakan sebagai filler dalam industri polimer
karena sifat yang sangat baik seperti panas, kimiawi dan tahan cuaca, sangat ringan,
electroconductivity, dan suhu ekspansi rendah. Khususnya, elektrik komposit
konduktif disiapkan melalui penggabungan konduktif acetylene black (AB). AB
memiliki diameter partikel rata-rata adalah 36 nm dan luas permukaan adalah 65 m2
/g. Meskipun AB pada dasarnya sama dengan karbon hitam lainnya, tapi jauh berbeda
bahwa partikel didalamnya berbentuk rantai, dan memiliki grafitisasi yang sangat
canggih (Lee et al., 2010).
2.6.3 Binder PTFE (Polytetrafluoroethylene)
Binder atau pengikat dapat digunakan untuk mempertahankan integritas
struktural dari partikel aktif dan membantu bahan elektroda ke arus kolektor (Zhong
et al., 2016). PTFE (Polytetrafluoroethylene) berwarna putih dan memiliki partikel
yang berukuran kecil. Karena struktur kristal dan atom fluorin padat, PTFE adalah
bahan polimer terberat dengan densitas energi 2,1 g/cm3. Struktur rantai polimer yang
kaku juga menyebabkan suhu lebur tinggi (~320°C) dan viskositas cair yang tinggi
PTFE dapat diolah menjadi semua macam bentuk untuk hampir setiap bidang aplikasi.
PTFE tersedia dalam butiran, bubuk halus dan bentuk dispersi berbasis air. Bubuk
PTFE halus dapat diolah menjadi bagian tipis dengan pasta ekstrusi atau digunakan
Universitas Sumatera Utara
15
sebagai aditif untuk meningkatkan ketahanan aus atau properti gesekan dari bahan lain
(Teng, 2012). PTFE memiliki ketahanan kimia yang luar biasa, ketahanan panas dan
dingin yang tinggi, bersifat isolasi, tahan terhadap sinar UV (ultra violet), ketahanan
cuaca yang baik, koefisien gesek yang rendah, anti-patah, lentur, ketahanan tinggi
terhadap api dan penyerapan air yang sangat rendah (Biron, 2007). PTFE sangat
dikenal dengan manfaat seperti ketahanan kimia yang sangat baik, anti-perekat
permukaan yang baik, resistansi UV dan dapat digunakan lebih dari satu jarak
temperatur yang luas (Bruemmer & Schnabel, 1999).
PTFE adalah hydrophobic dan secara kimia tahan terhadap semua pelarut,
asam, dan basa. Hindari suhu di atas 300 ° C karena bahan dapat mencair. Hindari
dekomposisi yang berbahaya, seperti: karbon monoksida, karbon dioksida, styrene,
akrilonitril, hidrokarbon, sianida. Dari informasi toksikologi, tidak ada data yang
tersedia (MSDS-PTFE, 2008). Berikut ini perbandingan sifat bahan pengikat antara
PTFE dan PVDF ditunjukkan dalam Tabel 4 yang menunjukkan perbedaan yang
mendasar.
Tabel 4. Perbandingan Sifat Bahan PTFE dan PVDF
Sifat Bahan
PTFE
PVDF
Densitas
2,1-2,3 g/cm3
1,8 g/cm3
Electrical resistivity order of magnitude
2-19 10x Ω-m
12 10x Ω-m
75-300%
200%
90%
49%
330-340ºC
170ºC
0,24-0,65 W/m-K
0,12 W/m-K
0,093-0,050%
0%
Elongation at break
Limiting oxygen indeks
Melting onset
Konduktivitas termal
Penyerapan air setelah 24 jam
Sumber: Disclaimer 2016
2.7 Karakterisasi Material
2.7.1 FTIR
Spektrometer FTIR (Fourier Transform Infra-Red) adalah alat analisis yang
digunakan untuk mempelajari materi dalam bentuk gas, cair atau padat dan telah
menjadi salah satu alat yang paling penting bagi karakterisasi kualitatif dan kuantitatif
Universitas Sumatera Utara
16
dari bahan organik, khususnya polimer. Spektroskopi FTIR didasarkan pada interaksi
cahaya inframerah dengan molekul. Energi absorbsi dari ikatan kimia menciptakan
spektrum FTlR. Energi dari cahaya berbanding lurus dengan bilangan gelombang:
E = hcW
(4)
Dimana E dan W mewakili energi dan bilangan gelombang, masing-masing. Dan lain
keduanya konstan: h adalah konstanta Planck (6,63x10-34 J/s) dan C adalah kecepatan
cahaya. spektrometer FTIR terdiri dari sumber cahaya inframerah, detektor, sumber
sinar laser, cermin geser dan cermin tetap. Bagian-bagian spektrometer FTIR
ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Bagian-Bagian Spektrometer FTIR
2.7.2 XRD
X-Ray Diffraction (XRD) adalah suatu metode analisis dalam kristalografi.
Pada umumnya, itu dimulai sebagai cara untuk menentukan struktur atom dari kristal,
tapi sekarang dapat digunakan untuk menentukan informasi lebih banyak, misalnya:
sebagai parameter sel, distorsi, ketegangan dan ukuran kristal sekarang informasi
dapat diperoleh (Nordh, 2013). Untuk menghitung parameter kisi dengan strutur
kristal kubik, maka kita dapat menggunakan Persamaan 5.
a=
λ
2 sin θ
(h2+ k2+ l2)1/2
(5)
Dimana a adalah parameter kisi (A0), λ adalah panjang gelombang radiasi
dari Cu Kα = 1,54 A0, θ (theta) adalah sudut yang terbentuk dan h,k,l adalah bidang
kristal dari suatu material. Kisi Bravais dapat diidentifikasi dengan mencatat
keberadaan sistematis (atau ketiadaan) refleksi dalam pola difraksi. Nilai h2+ k2+ l2
Universitas Sumatera Utara
17
untuk kisi kubik yang berbeda mengikuti urutan sesuai yang ditunjukkan pada Tabel
5.
Tabel 5. Nilai h2+ k2+ l2 untuk Kisi Kubik
Primitive
1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,131,14....
Body-centered
2,4,6,8,10,12,14,16.....
Face-centered
3,4,8,11,12,16,19,20,24,27,32....
Untuk menghitung jarak bidang kristal kubik maka dapat digunakan Persamaan 6.
d=
a
(h2+ k2+ l2)1/2
(6)
Dimana d adalah jarak bidang kristal, a adalah parameter kisi dan h,k,l adalah
bidang kristal suatu material. Ketika sinar X dikirim ke dalam sampel, sinar akan
dihamburkan oleh atom nya dan menyebar ke segala arah. Sinar yang tersebar dari
atom yang berbeda tetapi dalam arah yang sama akan membuat jarak yang berbeda
dan karena itu akan keluar dari fase satu sama lain ketika mencapai titik yang
ditetapkan, misalnya detektor. Prinsip kerja XRD ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6. Prinsip kerja alat X-ray diffraction
Universitas Sumatera Utara
18
Gambar 6 memperlihatkan hukum Bragg terpenuhi ketika D sama dengan
seluruh jumlah panjang gelombang, maka semua sinar terdifraksi akan memiliki fase
satu sama lain (Nordh, 2013).
2.7.3 CV
CV (Cyclic Voltammetry) adalah jenis pengukuran elektrokimia potensio
dinamik,dan merupakan salah satu metode elektrokimia yang paling sering digunakan
karena relatif sederhana dan isi informasi yang tinggi. Selama pengujian CV, pada
Gambar 7 (a) potensi linear pemindaian siklik (yaitu, elektroda potensial landai linear
terhadap waktu) dikenakan ke elektroda dan arus yang dihasilkan dicatat.
Gambar 7. Tipikal Cyclic Voltammogram untuk Proses Redoks Reversibel
Gambar 7 (b) dikenal sebagai scan rate (V/s). Kurva arus-tegangan (untuk
voltamogram siklik) menunjukkan respon arus sebagai fungsi dari tegangan daripada
waktu, yang dapat memberikan informasi tentang kinetika dan termodinamika reaksi
elektroda. Sistem yang paling sederhana melibatkan reaksi redoks reversibel dengan
transfer elektron tunggal dalam media solusi di mana tingkat maju dan mundur reaksi
yang dekat dengan keseimbangan. CV sering digunakan untuk menampakkan proses
difusi pengontrol di mana spesies electroactive masukkan ke elektroda. Koefisien
difusi kimia lithium ion di elektroda dihitung dari data CV. Singkatnya, CV adalah
alat yang nyaman untuk memperoleh informasi kualitatif tentang proses transfer
elektron, serta metode cepat untuk memperoleh perkiraan yang baik dari potensi
reduksi dan konstanta pembentukan (Sun, 2015). Dari data polarisasi yang diperoleh
dapat menggunakan rumus koefisien difusi dapat menggunakan Persamaan 7 sebagai
berikut:
Universitas Sumatera Utara
19
� ²
=
(2,69)2 .1010
�
4/3 2 2
(7)
Dimana, n merupakan bilangan elektron, A luas permukaan elektroda (cm2),C
merupakan konsentrasi ion lithium di dalam padatan (4,37 x 10-3 mol/cm-3 ), v
merupakan kecepatan scan rate (0,1 mV/sec). Untuk mencari daya makan dapat
menggunakan rumus sebagai berikut:
�(
)=
�������
��
(8)
Dimana, Voksidasi merupakan tegangan maksimum dari puncak sampel dan Ip
merupakan arus polarisasi (mA).
2.7.4 CD
CD (Charge-discharge) adalah teknik elektrokimia yang paling umum
digunakan untuk karakterisasi perangkat penyimpanan energi. Dalam pengujian ini
sebuah sel diisi dan dikosongkan dengan menggunakan arus konstan di antara
tegangan atas dan tegangan bawah
(Li, 2012). Karakterisasi ini dibuat untuk
mengevaluasi kerusakan baterai. Pada Gambar 8 dijelaskan bahwa ketika charging,
tegangan meningkat, sedangkan bila discharging dimulai, tegangan menurun.
Gambar 8. Grafik Charging dan Discharging pada Baterai
Universitas Sumatera Utara
20
2.7.5 DTA/TGA
Thermal analysis merupakan teknik untuk mengkarakterisasi sifat material
yang dipelajari berdasarkan respon material tersebut terhadap temperatur. Untuk
menentukan sifat termo-fisiknya metode yang biasa digunakan salah satunya adalah
differential thermal analysis (DTA). Dalam bidang metalurgi dan ilmu material
kegunaan dari DTA ini adalah untuk mempelajari transisi fasa yang terjadi dibawah
pengaruh atmosfer, temperatur, laju pemanasan atau pendinginan. DTA adalah analisis
termal yang menggunakan referensi sebagai acuan perbandingan hasilnya, material
referensi ini biasanya material inert. Sampel dan material referensi dipanaskan secara
bersamaan dalam satu tempat. Perbedaan temperatur sampel dengan temperatur
material referensi dicatat selama siklus pemanasan dan pendinginan (Klancnik et al.,
2009).
Termografimetri (TG) atau Analisis Termogravimetri (TGA) adalah metode
Analisis Termal terbukti baik. TGA digunakan dalam penelitian dan pengembangan
berbagai zat dan bahan rekayasa cair/padat atau untuk mendapatkan pengetahuan
tentang stabilitas termal dan komposisi. Sebuah thermobalance digunakan untuk
mengukur perubahan massa sampel sebagai fungsi dari suhu atau waktu, di bawah
lingkungan yang didefinisikan dan dikendalikan sehubungan dengan tingkat
pemanasan, atmosfer gas, flow rate, wadah cruisible, dll (Netzch, 2009).
Universitas Sumatera Utara