Pengaruh Variasi Waktu Dan Suhu Pencampuran Serta Suhupengeringan Pada Lembar Katoda LiFePO4 Terhadap Kapasitasbaterai Ion Lithium
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Energi tidak akan lepas dari kehidupan manusia. Penyimpanan energi telah dan
akan terus menjadi salah satu yang paling penting dalam teknologi karena konsumsi
energi terus meningkat. Salah satu alasan meningkatrnya konsumsi energi adalah
karena meningkatnya penggunaan perangkat elektronik portabel.Konsumsi energi
yang semakin meningkat menyebabkan sumber energi semakin menipis.Oleh
karena itu perlu adanya sumber energi alternatif. Salah satu upaya sumber energi
alternatif adalah dengan caramengembangkan baterai.
Baterai sebagai penyimpanan energi merupakan pendukung utama dalam
aplikasi energi baru dan terbarukan yang saat ini sedang dikembangkan di
Indonesia.Diantara banyak jenis baterai isi ulang, 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 lingkungan dan memiliki
lifecycle panjang (500-1000 siklus) (Armand, 2008), tidak ada memory effect
sehingga kapasitas baterai relatif konstan/tetap, kapasitas listrik dan tegangannya
besar, sehingga memiliki kebebasan yang lebih luas untuk pemilihan material yang
lebih ramah lingkungan sebagai material pembentuknya (Linden, 2002).
Baterai ion lithium terdiri dari empat komponen utama yaitu katoda, anoda,
seperator dan elektrolit.Pada proses pemakaian listrik (discharge) elektron dari
anoda mengalir ke katoda melalui luar sistem rangkaian sedangkan ion lithium
yang berada pada sistem (di dalam baterai) lepas dari anoda karena kekurangan
elektron dan berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Pada proses pengisian
(charge), elektron dari katoda mengalir menuju anoda sedangkan ion lithium dalam
sistem berpindah dari katoda menuju anoda melalui elektrolit dan separator yang
terletak di antara anoda dan katoda berfungsi untuk mencegah agar tidak terjadi
hubungan singkat dan kontak antara katoda dan anoda.
Universitas Sumatera Utara
Pada komponen katoda material aktif, material katoda yang pertama
digunakan pada baterai ion lithium adalah LiCoO 2 . Kemudian muncul materialmaterial katoda lain seperti LiNiO 2 , LiMnO 4 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , dan LiFePO 4 .
LiFePO 4 baru-baru ini secara ekstensif dipelajari sebagai material katoda untuk
baterai ion lithium karena kapasitas teoritis tinggi
(170 mAh/g), stabil,murah
karena bahan dasarnya (besi) melimpah di alam, tidak memiliki memory effect dan
ramah lingkungan. (Padhi dkk, 1997).Namun material ini memiliki kekurangan
yaitu konduktivitas elektronik dan koefisien difusi ion lithiumnya yang rendah dan
juga memiliki konduktivitas listrik yang rendah (10-9Scm-1) (Anies, 2011).
Material katoda harus memiliki kapasitas spesifik yang tinggi dan harus
bersifat ionik konduktif dan elektronik konduktif. Hal ini berkaitan dengan
peristiwa menerima dan melepas elektron pada proses elektrokimia, sehingga
diperlukan material katoda dengan konduktivitas listrik yang tinggi. Konduktivitas
listrik yang tinggi merupakan salah satu indikator bahwa material yang digunakan
memenuhi persyaratan sebagai bahan baterai (Triwibowo, 2011).
Untuk menghasilkan baterai dengan kapasitas tinggi, salah satu kriteria yang
harus dimiliki lembaran katoda yaitu laminate merekat sempurna pada lembaran
(tidak mudah rontok). Hal ini sangat berkaitan dengan suhu dan waktu
pencampuran pada pembuatan slurry katoda LiFePO 4 serta suhu pengeringan pada
lembaran katoda yang dihasilkan. Dimana suhu dan waktu pencampuran yang baik
akan menghasilkan slurry yang memiliki kehomogenitas tinggi sehingga lembaran
yang dihasilkan akan optimal. Dan dengan suhu pengeringan yang baik maka
lembaran akan merekat sempurna dan tidak mudah terlepas dari alumunium foil nya
sehingga kapasitas yang akan dihasilkan tinggi.
Penelitian ini membuat baterai coincell dengan bahan LiFePO 4 : Super P :
PVDF dengan komposisi 85 : 10 : 5 dan ketebalancoating 150 μm dengan variasi
suhu dan waktu pencampuran pada saat pembuatan slurry serta variasi suhu
pengeringan untuk melihat morfologi dari lembar katoda LiFePO 4 dan pengaruh
kapasitas discharge pada baterai ion lithium.Untuk itu penelitian ini diberi judul
“Pengaruh Variasi Waktu dan Suhu Pencampuran serta Suhu Pengeringan
pada Lembar Katoda LiFePO 4 terhadap Kapasitas Baterai Ion Lithium.”
Universitas Sumatera Utara
1.2 Rumusan Masalah
Untuk menghasilkan baterai coin cell yang memiliki kapasitas discharge tinggi,
maka perumusan masalah pada penelitian ini adalah :
1. Bagaimana morfologi dari lembaran katoda LiFePO 4 yang dihasilkan
terhadap kapasitas discharge baterai ion lithium ?
2. Bagaimana
pengaruh
variasi
waktu
dan
suhu
pencampuran
saat
pembuatanslurry pada lembaran katoda LiFePO 4 terhadap kapasitas
discharge baterai ion lithium ?
3. Bagaimana pengaruh variasi suhu pengeringan pada lembaran katoda
LiFePO 4 terhadapkapasitas discharge baterai ion lithium ?
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Pembuatan material katoda merupakan campuran dari LiFePO 4 sebagai
material aktif, Super P sebagai zat aditif, PVDF sebagai matriks dan DMAC
sebagai pelarut. Perbandingan komposisi antara LiFePO 4 : Super P : PVDF
yaitu 85 : 10 : 5 dengan DMAC 20 mL pada saat pembuatan slurry.
2. Membuat slurry dengan variasi waktu pencampuran 3 jam, 5 jam dan 7 jam
pada suhu ruangan (29˚C) dan variasi suhu pencampuran 29˚C, 50˚C dan
60˚C dengan waktu pencampuran selama 5 jam dan dikeringkan dengan
suhu 120˚C selama 3 jam.
3. Membuat lembaran katoda LiFePO 4 dengan variasi suhu pengeringan 80˚C,
100˚C dan 120˚C selama 3 jam.
4. Membuat baterai coin cell dengan bahan katoda LiFePO 4 dan lithium metal
sebagai anoda serta LiPF6 sebagai elektrolit.
5. Pengujian karakteristik serbuk LiFePO 4 dengan XRD dan lembaran katoda
LiFePO 4 dengan mikroskop optik dan SEM-EDX serta pengujian kapasitas
discharge baterai dengan charge/discharge.
Universitas Sumatera Utara
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Untuk menghasilkan lembaran katoda LiFePO 4 yang akan dimanfaatkan
sebagai bahan dalam pembuatan baterai ion lithium.
2. Untuk mengetahui pengaruh variasi suhu dan waktupencampuran pada
pembuatanslurry katoda LiFePO 4 terhadap kapasitas discharge baterai ion
lithium .
3. Untuk mengetahui pengaruh variasi suhu pengeringan pada lembaran katoda
LiFePO 4 terhadap kapasitas discharge baterai ion lithium.
1.5 Manfaat Penelitian.
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi yang positif terhadap:
1.
Memberikan informasi ilmiah mengenai cara pembuatan lembaran katoda
dengan material aktif LiFePO 4 , zat aditif adalah Super P dan PVDF sebagai
matriks.
2.
Menghasilkan lembaran katoda LiFePO 4 yang akan dimanfaatkan sebagai
bahan dalam pembuatan baterai ion lithium.
Universitas Sumatera Utara
1.6 Sistematika Penulisan
Laporan tugas akhir ini disusun dengan sistematika sebagai berikut:
Bab 1 Pendahuluan
Bab ini berisi tentang latar belakang penelitian, perumusan masalah, tujuan
penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dan sistematika penulisan.
Bab 2 TinjauanPustaka
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk proses
pengembilan data, analisa data serta pembahasan.
Bab 3 MetodologiPenelitian
Bab ini membahas tentang rancangan penelitian, tempat dan waktu
penelitian, peralatan dan bahan penelitian, prosedur penelitian serta diagram
alir penelitian.
Bab 4 Hasil dan PembahasanPenelitian
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa data yang
diperoleh dari penelitian.
Bab 5 Kesimpulan dan Saran
Bab ini menyajikan kesimpulan dari seluruh kegiatan dan hasil penelitian
dan berisi saran-saran yang diperlukan untuk pengembangan dan penelitian
lebih lanjut.
Daftar Pustaka
Berisi tentang literatur yang digunakan sebagai referensi dalam penulisan
tugas akhir ini.
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Energi tidak akan lepas dari kehidupan manusia. Penyimpanan energi telah dan
akan terus menjadi salah satu yang paling penting dalam teknologi karena konsumsi
energi terus meningkat. Salah satu alasan meningkatrnya konsumsi energi adalah
karena meningkatnya penggunaan perangkat elektronik portabel.Konsumsi energi
yang semakin meningkat menyebabkan sumber energi semakin menipis.Oleh
karena itu perlu adanya sumber energi alternatif. Salah satu upaya sumber energi
alternatif adalah dengan caramengembangkan baterai.
Baterai sebagai penyimpanan energi merupakan pendukung utama dalam
aplikasi energi baru dan terbarukan yang saat ini sedang dikembangkan di
Indonesia.Diantara banyak jenis baterai isi ulang, 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 lingkungan dan memiliki
lifecycle panjang (500-1000 siklus) (Armand, 2008), tidak ada memory effect
sehingga kapasitas baterai relatif konstan/tetap, kapasitas listrik dan tegangannya
besar, sehingga memiliki kebebasan yang lebih luas untuk pemilihan material yang
lebih ramah lingkungan sebagai material pembentuknya (Linden, 2002).
Baterai ion lithium terdiri dari empat komponen utama yaitu katoda, anoda,
seperator dan elektrolit.Pada proses pemakaian listrik (discharge) elektron dari
anoda mengalir ke katoda melalui luar sistem rangkaian sedangkan ion lithium
yang berada pada sistem (di dalam baterai) lepas dari anoda karena kekurangan
elektron dan berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Pada proses pengisian
(charge), elektron dari katoda mengalir menuju anoda sedangkan ion lithium dalam
sistem berpindah dari katoda menuju anoda melalui elektrolit dan separator yang
terletak di antara anoda dan katoda berfungsi untuk mencegah agar tidak terjadi
hubungan singkat dan kontak antara katoda dan anoda.
Universitas Sumatera Utara
Pada komponen katoda material aktif, material katoda yang pertama
digunakan pada baterai ion lithium adalah LiCoO 2 . Kemudian muncul materialmaterial katoda lain seperti LiNiO 2 , LiMnO 4 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , dan LiFePO 4 .
LiFePO 4 baru-baru ini secara ekstensif dipelajari sebagai material katoda untuk
baterai ion lithium karena kapasitas teoritis tinggi
(170 mAh/g), stabil,murah
karena bahan dasarnya (besi) melimpah di alam, tidak memiliki memory effect dan
ramah lingkungan. (Padhi dkk, 1997).Namun material ini memiliki kekurangan
yaitu konduktivitas elektronik dan koefisien difusi ion lithiumnya yang rendah dan
juga memiliki konduktivitas listrik yang rendah (10-9Scm-1) (Anies, 2011).
Material katoda harus memiliki kapasitas spesifik yang tinggi dan harus
bersifat ionik konduktif dan elektronik konduktif. Hal ini berkaitan dengan
peristiwa menerima dan melepas elektron pada proses elektrokimia, sehingga
diperlukan material katoda dengan konduktivitas listrik yang tinggi. Konduktivitas
listrik yang tinggi merupakan salah satu indikator bahwa material yang digunakan
memenuhi persyaratan sebagai bahan baterai (Triwibowo, 2011).
Untuk menghasilkan baterai dengan kapasitas tinggi, salah satu kriteria yang
harus dimiliki lembaran katoda yaitu laminate merekat sempurna pada lembaran
(tidak mudah rontok). Hal ini sangat berkaitan dengan suhu dan waktu
pencampuran pada pembuatan slurry katoda LiFePO 4 serta suhu pengeringan pada
lembaran katoda yang dihasilkan. Dimana suhu dan waktu pencampuran yang baik
akan menghasilkan slurry yang memiliki kehomogenitas tinggi sehingga lembaran
yang dihasilkan akan optimal. Dan dengan suhu pengeringan yang baik maka
lembaran akan merekat sempurna dan tidak mudah terlepas dari alumunium foil nya
sehingga kapasitas yang akan dihasilkan tinggi.
Penelitian ini membuat baterai coincell dengan bahan LiFePO 4 : Super P :
PVDF dengan komposisi 85 : 10 : 5 dan ketebalancoating 150 μm dengan variasi
suhu dan waktu pencampuran pada saat pembuatan slurry serta variasi suhu
pengeringan untuk melihat morfologi dari lembar katoda LiFePO 4 dan pengaruh
kapasitas discharge pada baterai ion lithium.Untuk itu penelitian ini diberi judul
“Pengaruh Variasi Waktu dan Suhu Pencampuran serta Suhu Pengeringan
pada Lembar Katoda LiFePO 4 terhadap Kapasitas Baterai Ion Lithium.”
Universitas Sumatera Utara
1.2 Rumusan Masalah
Untuk menghasilkan baterai coin cell yang memiliki kapasitas discharge tinggi,
maka perumusan masalah pada penelitian ini adalah :
1. Bagaimana morfologi dari lembaran katoda LiFePO 4 yang dihasilkan
terhadap kapasitas discharge baterai ion lithium ?
2. Bagaimana
pengaruh
variasi
waktu
dan
suhu
pencampuran
saat
pembuatanslurry pada lembaran katoda LiFePO 4 terhadap kapasitas
discharge baterai ion lithium ?
3. Bagaimana pengaruh variasi suhu pengeringan pada lembaran katoda
LiFePO 4 terhadapkapasitas discharge baterai ion lithium ?
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Pembuatan material katoda merupakan campuran dari LiFePO 4 sebagai
material aktif, Super P sebagai zat aditif, PVDF sebagai matriks dan DMAC
sebagai pelarut. Perbandingan komposisi antara LiFePO 4 : Super P : PVDF
yaitu 85 : 10 : 5 dengan DMAC 20 mL pada saat pembuatan slurry.
2. Membuat slurry dengan variasi waktu pencampuran 3 jam, 5 jam dan 7 jam
pada suhu ruangan (29˚C) dan variasi suhu pencampuran 29˚C, 50˚C dan
60˚C dengan waktu pencampuran selama 5 jam dan dikeringkan dengan
suhu 120˚C selama 3 jam.
3. Membuat lembaran katoda LiFePO 4 dengan variasi suhu pengeringan 80˚C,
100˚C dan 120˚C selama 3 jam.
4. Membuat baterai coin cell dengan bahan katoda LiFePO 4 dan lithium metal
sebagai anoda serta LiPF6 sebagai elektrolit.
5. Pengujian karakteristik serbuk LiFePO 4 dengan XRD dan lembaran katoda
LiFePO 4 dengan mikroskop optik dan SEM-EDX serta pengujian kapasitas
discharge baterai dengan charge/discharge.
Universitas Sumatera Utara
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Untuk menghasilkan lembaran katoda LiFePO 4 yang akan dimanfaatkan
sebagai bahan dalam pembuatan baterai ion lithium.
2. Untuk mengetahui pengaruh variasi suhu dan waktupencampuran pada
pembuatanslurry katoda LiFePO 4 terhadap kapasitas discharge baterai ion
lithium .
3. Untuk mengetahui pengaruh variasi suhu pengeringan pada lembaran katoda
LiFePO 4 terhadap kapasitas discharge baterai ion lithium.
1.5 Manfaat Penelitian.
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi yang positif terhadap:
1.
Memberikan informasi ilmiah mengenai cara pembuatan lembaran katoda
dengan material aktif LiFePO 4 , zat aditif adalah Super P dan PVDF sebagai
matriks.
2.
Menghasilkan lembaran katoda LiFePO 4 yang akan dimanfaatkan sebagai
bahan dalam pembuatan baterai ion lithium.
Universitas Sumatera Utara
1.6 Sistematika Penulisan
Laporan tugas akhir ini disusun dengan sistematika sebagai berikut:
Bab 1 Pendahuluan
Bab ini berisi tentang latar belakang penelitian, perumusan masalah, tujuan
penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dan sistematika penulisan.
Bab 2 TinjauanPustaka
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk proses
pengembilan data, analisa data serta pembahasan.
Bab 3 MetodologiPenelitian
Bab ini membahas tentang rancangan penelitian, tempat dan waktu
penelitian, peralatan dan bahan penelitian, prosedur penelitian serta diagram
alir penelitian.
Bab 4 Hasil dan PembahasanPenelitian
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa data yang
diperoleh dari penelitian.
Bab 5 Kesimpulan dan Saran
Bab ini menyajikan kesimpulan dari seluruh kegiatan dan hasil penelitian
dan berisi saran-saran yang diperlukan untuk pengembangan dan penelitian
lebih lanjut.
Daftar Pustaka
Berisi tentang literatur yang digunakan sebagai referensi dalam penulisan
tugas akhir ini.
Universitas Sumatera Utara