Sintesis Lithium Mangan Oksida (LiMn2O4) untuk Katoda Baterai Lithium Ion
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Baterai kini telah menjadi bagian dari kehidupan sehari-hari, untuk
kehidupan modern saat ini baterai sudah menjadi sebuah kebutuhan yang melekat
pada setiap aktivitas manusia terutama yang berhubungan dengan piranti elektronika.
Baterai digunakan dalam hampir setiap aspek kehidupan modern. Barang rumah
tangga sehari-hari seperti senter, remote televisi, dan bor listrik memerlukan baterai.
Bahkan ketika berpergian bergantung pada baterai untuk daya MP3 players, ponsel,
dan laptop. Dengan meningkatnya ketergantungan terhadap bahan bakar fosil dan
memberi dampak yang buruk terhadap lingkungan maka energi alternatif menjadi
sangat penting. Sistem energi alternatif seperti surya, angin dan air sering
membutuhkan baterai untuk menyimpan energi. Kendaraan hibrida atau listrik-murni
juga membutuhkan baterai dengan kinerja yang tinggi untuk bersaing dengan mobil
berbahan bakar gas. Peralatan-peralatan ini mendorong perbaikan teknologi baterai
yang digunakan dalam hampir setiap aspek kehidupan modern (Lange, 2012).
Baterai adalah perangkat yang mengkonversi energi kimia menjadi energi
listrik. Meskipun baterai primer (non-rechargeable) memiliki kegunaan, baterai
sekunder (isi ulang) tampak lebih populer. Baterai sekunder memungkinkan reaksi
elektrokimia reversibel, dimana energi listrik dapat mengkonversi kembali ke energi
kimia. Di antara jenis baterai sekunder, baterai lithium ion telah mendapatkan
perhatian khusus karena memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi, kapasitas
tinggi, tingkat self-discharge lambat, berat rendah, tegangan sel tinggi, memiliki
energi spesifik yang tinggi dan tidak ada memori efek (Lange, 2012).
Baterai memiliki banyak keuntungan sebagai sumber alternatif pada
mekanisme penyimpanan energi. Sekarang teknologi baterai konvensional, seperti
lead-acid dan nikel kadmium, secara perlahan digantikan oleh baterai lithium-ion
(Li-ion), teknologi fuel cell dan baterai nikel metal hidrida. Teknologi baterai Li-ion
berdiri sebagai pelopor dan market leader bila dibandingkan dengan sistem energi
yang lain. Alasan utama untuk menggunakan teknologi baterai ion Li ini adalah
lithium merupakan logam paling ringan dan logam yang paling elektropositif,
sehingga memberikan densitas energi yang tinggi. Baterai Li-ion menunjukkan siklus
Universitas Sumatera Utara
hidup yang stabil (lebih dari 500 siklus), dapat dibuat dalam berbagai ukuran dan
juga membutuhkan sedikit perawatan jika dibandingkan dengan baterai lainnya
(Paravasthu R, 2013).
Baterai lithium terdiri dari empat komponen, yaitu: Elektroda positif
(katoda), Elektroda negatif (anoda), Elektrolit dan Separator. Separator merupakan
membran berpori yang berfungsi untuk mencegah terjadinya kontak antara elektroda.
Fungsi utama dari elektrolit adalah untuk memfasilitasi aliran elektron agar teratur
dan stabil (Philippe B, 2016). Elektrolit yang digunakan dalam baterai adalah
campuran garam litium dan pelarut organik. Anoda terbuat dari bahan yang disisipan
pada tembaga foil. Katoda terbuat dari bahan yang dilapiskan pada aluminium foil.
Pasta katoda mengandung bahan katoda, termasuk oksida logam lithium, pengikat
Polyvinylidene Fluoride (PVDF), bahan karbon (karbon black, bubuk grafit, serat
karbon, dll) serta pelarut. Pasta dilapiskan pada aluminium foil, kemudian ditekan
dengan ketebalan yang sesuai dan dikeringkan. (METI, 2009).
Beberapa material katoda pada baterai ion litium yang telah disintesis yaitu
Lithium Mangan Oksida (LiMn2O4), Lithium Cobalt Oksida (LiCoO2), Lithium
Nikel Oksida (LiNiO2) dan Lithium Fero Phospate (LFP) (Julien, 2014). LiMn2O4
banyak digunakan sebagai bahan katoda untuk baterai lithium rechargeable.
LiMn2O4 memiliki keunggulan dibandingkan Co dan Ni karena ketersediaannya
yang melimpah, murah, ramah lingkungan dan memiliki stabilitas termal yang lebih
besar (Wang, 2000) selain itu LiMn2O4 memiliki kapasitas spesifik teori sebesar 148
mAh/g, dengan konduktivitas listrik yakni sekitar 10 -6 S/cm, dan memiliki tegangan
yang besar yaitu sekitar 3,9 Volt (Kasvayee, 2011). LiMn2O4 juga memiliki stabilitas
struktural yang baik selama proses charge-discharge dan cukup stabil selama
interkalasi (Julien, 2014). Oleh karena itu dalam penelitian ini akan dilakukan
pembuatan LiMn2O4 sebagai katoda baterai ion lithium. LiMn2O4 dapat disintesis
dengan mudah melalui metode solid state reaction. Proses sintesis dilakukan dengan
bahan baku sumber Lithium yang berbeda yaitu LiOH.H2O dengan MnO2 dan
Li2CO3 dengan MnO2. Pembuatan serbuk LiMn2O4 dengan variasi sumber lithium
ini dinilai dapat mengoptimalkan dan mengefisiensikan proses sintesis. Penelitian ini
dilakukan untuk membandingkan pengaruh sumber bahan baku Litium pada hasil
sintesis dan performa sel baterainya.
Universitas Sumatera Utara
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Bagaimana pengaruh variasi bahan baku sumber lithium terhadap
karakteristik fisik LiMn2O4?
2. Bagaimana pengaruh bahan baku terhadap performa elektrokimia sel baterai?
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Penelitian ini difokuskan pada sintesis dan karakterisasi LiMn2O4.
2. Pembuatan LiMn2O4 dengan bahan baku Li2CO3, LiOH.H2O, dan MnO2
melalui metode solid state reaction.
3. Sintering dilakukan pada temperature 800 0C.
4. Komposisi
lembaran
katoda
terdiri
dari
serbuk
LiMn2O4,
binder
Polyvinylidene Fluoride (PVDF) dan Acetylene Black (AB) dengan
perbandingan komposisi masing-masing 85% : 10% : 5%, dengan
menggunakan pelarut N,N- Dimethylacetamide (DMAC).
5. Pengujian karakterisasi serbuk dilakukan dengan alat X-Ray Diffraction
(XRD), Fourier Transform Infra Red (FTIR) sedangkan pengujian performa
sel baterai dilakukan dengan alat Cyclic Voltametry (CV) dan ChargeDischarge (CD).
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Untuk melakukan sintesis LiMn2O4 sebagai material katoda dengan bahan
baku Li2CO3 dan LiOH.H2O.
2. Untuk mengetahui pengaruh bahan baku sumber Lithium terhadap
karakteristik fisik LiMn2O4.
3. Untuk mengetahui pengaruh bahan baku terhadap performa elektrokimia sel
bat
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi positif terhadap proses
sintesis serbuk LiMn2O4 dengan menggunakan sumber lithium yang berbeda.
Universitas Sumatera Utara
1.6 Sistematika Penulisan
Adapun sistematika dalam penulisan skripsi ini mencakup beberapa bab dan subbab
seperti yang dijelaskan di bawah ini:
BAB 1
PENDAHULUAN
Bab ini mencakup latar belakang penelitian, rumusan masalah,
batasan masalah, tujuan penelitian dan manfaat penelitian serta
sistematika penulisan.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan
untuk proses pengambilan data, analisa serta pembahasan.
BAB III
METODE PENELITIAN
Bab ini membahas tentang peralatan dan bahan penelitian,
diagram alir penelitian, prosedur penelitian dan pengujian
sampel.
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini mencakup pembahasan tentang data hasil penelitian dan
analisa data yang diperoleh dari penelitian.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dan
memberikan saran untuk penelitian selanjutnya.
Universitas Sumatera Utara
1.1 Latar Belakang
Baterai kini telah menjadi bagian dari kehidupan sehari-hari, untuk
kehidupan modern saat ini baterai sudah menjadi sebuah kebutuhan yang melekat
pada setiap aktivitas manusia terutama yang berhubungan dengan piranti elektronika.
Baterai digunakan dalam hampir setiap aspek kehidupan modern. Barang rumah
tangga sehari-hari seperti senter, remote televisi, dan bor listrik memerlukan baterai.
Bahkan ketika berpergian bergantung pada baterai untuk daya MP3 players, ponsel,
dan laptop. Dengan meningkatnya ketergantungan terhadap bahan bakar fosil dan
memberi dampak yang buruk terhadap lingkungan maka energi alternatif menjadi
sangat penting. Sistem energi alternatif seperti surya, angin dan air sering
membutuhkan baterai untuk menyimpan energi. Kendaraan hibrida atau listrik-murni
juga membutuhkan baterai dengan kinerja yang tinggi untuk bersaing dengan mobil
berbahan bakar gas. Peralatan-peralatan ini mendorong perbaikan teknologi baterai
yang digunakan dalam hampir setiap aspek kehidupan modern (Lange, 2012).
Baterai adalah perangkat yang mengkonversi energi kimia menjadi energi
listrik. Meskipun baterai primer (non-rechargeable) memiliki kegunaan, baterai
sekunder (isi ulang) tampak lebih populer. Baterai sekunder memungkinkan reaksi
elektrokimia reversibel, dimana energi listrik dapat mengkonversi kembali ke energi
kimia. Di antara jenis baterai sekunder, baterai lithium ion telah mendapatkan
perhatian khusus karena memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi, kapasitas
tinggi, tingkat self-discharge lambat, berat rendah, tegangan sel tinggi, memiliki
energi spesifik yang tinggi dan tidak ada memori efek (Lange, 2012).
Baterai memiliki banyak keuntungan sebagai sumber alternatif pada
mekanisme penyimpanan energi. Sekarang teknologi baterai konvensional, seperti
lead-acid dan nikel kadmium, secara perlahan digantikan oleh baterai lithium-ion
(Li-ion), teknologi fuel cell dan baterai nikel metal hidrida. Teknologi baterai Li-ion
berdiri sebagai pelopor dan market leader bila dibandingkan dengan sistem energi
yang lain. Alasan utama untuk menggunakan teknologi baterai ion Li ini adalah
lithium merupakan logam paling ringan dan logam yang paling elektropositif,
sehingga memberikan densitas energi yang tinggi. Baterai Li-ion menunjukkan siklus
Universitas Sumatera Utara
hidup yang stabil (lebih dari 500 siklus), dapat dibuat dalam berbagai ukuran dan
juga membutuhkan sedikit perawatan jika dibandingkan dengan baterai lainnya
(Paravasthu R, 2013).
Baterai lithium terdiri dari empat komponen, yaitu: Elektroda positif
(katoda), Elektroda negatif (anoda), Elektrolit dan Separator. Separator merupakan
membran berpori yang berfungsi untuk mencegah terjadinya kontak antara elektroda.
Fungsi utama dari elektrolit adalah untuk memfasilitasi aliran elektron agar teratur
dan stabil (Philippe B, 2016). Elektrolit yang digunakan dalam baterai adalah
campuran garam litium dan pelarut organik. Anoda terbuat dari bahan yang disisipan
pada tembaga foil. Katoda terbuat dari bahan yang dilapiskan pada aluminium foil.
Pasta katoda mengandung bahan katoda, termasuk oksida logam lithium, pengikat
Polyvinylidene Fluoride (PVDF), bahan karbon (karbon black, bubuk grafit, serat
karbon, dll) serta pelarut. Pasta dilapiskan pada aluminium foil, kemudian ditekan
dengan ketebalan yang sesuai dan dikeringkan. (METI, 2009).
Beberapa material katoda pada baterai ion litium yang telah disintesis yaitu
Lithium Mangan Oksida (LiMn2O4), Lithium Cobalt Oksida (LiCoO2), Lithium
Nikel Oksida (LiNiO2) dan Lithium Fero Phospate (LFP) (Julien, 2014). LiMn2O4
banyak digunakan sebagai bahan katoda untuk baterai lithium rechargeable.
LiMn2O4 memiliki keunggulan dibandingkan Co dan Ni karena ketersediaannya
yang melimpah, murah, ramah lingkungan dan memiliki stabilitas termal yang lebih
besar (Wang, 2000) selain itu LiMn2O4 memiliki kapasitas spesifik teori sebesar 148
mAh/g, dengan konduktivitas listrik yakni sekitar 10 -6 S/cm, dan memiliki tegangan
yang besar yaitu sekitar 3,9 Volt (Kasvayee, 2011). LiMn2O4 juga memiliki stabilitas
struktural yang baik selama proses charge-discharge dan cukup stabil selama
interkalasi (Julien, 2014). Oleh karena itu dalam penelitian ini akan dilakukan
pembuatan LiMn2O4 sebagai katoda baterai ion lithium. LiMn2O4 dapat disintesis
dengan mudah melalui metode solid state reaction. Proses sintesis dilakukan dengan
bahan baku sumber Lithium yang berbeda yaitu LiOH.H2O dengan MnO2 dan
Li2CO3 dengan MnO2. Pembuatan serbuk LiMn2O4 dengan variasi sumber lithium
ini dinilai dapat mengoptimalkan dan mengefisiensikan proses sintesis. Penelitian ini
dilakukan untuk membandingkan pengaruh sumber bahan baku Litium pada hasil
sintesis dan performa sel baterainya.
Universitas Sumatera Utara
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Bagaimana pengaruh variasi bahan baku sumber lithium terhadap
karakteristik fisik LiMn2O4?
2. Bagaimana pengaruh bahan baku terhadap performa elektrokimia sel baterai?
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Penelitian ini difokuskan pada sintesis dan karakterisasi LiMn2O4.
2. Pembuatan LiMn2O4 dengan bahan baku Li2CO3, LiOH.H2O, dan MnO2
melalui metode solid state reaction.
3. Sintering dilakukan pada temperature 800 0C.
4. Komposisi
lembaran
katoda
terdiri
dari
serbuk
LiMn2O4,
binder
Polyvinylidene Fluoride (PVDF) dan Acetylene Black (AB) dengan
perbandingan komposisi masing-masing 85% : 10% : 5%, dengan
menggunakan pelarut N,N- Dimethylacetamide (DMAC).
5. Pengujian karakterisasi serbuk dilakukan dengan alat X-Ray Diffraction
(XRD), Fourier Transform Infra Red (FTIR) sedangkan pengujian performa
sel baterai dilakukan dengan alat Cyclic Voltametry (CV) dan ChargeDischarge (CD).
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Untuk melakukan sintesis LiMn2O4 sebagai material katoda dengan bahan
baku Li2CO3 dan LiOH.H2O.
2. Untuk mengetahui pengaruh bahan baku sumber Lithium terhadap
karakteristik fisik LiMn2O4.
3. Untuk mengetahui pengaruh bahan baku terhadap performa elektrokimia sel
bat
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi positif terhadap proses
sintesis serbuk LiMn2O4 dengan menggunakan sumber lithium yang berbeda.
Universitas Sumatera Utara
1.6 Sistematika Penulisan
Adapun sistematika dalam penulisan skripsi ini mencakup beberapa bab dan subbab
seperti yang dijelaskan di bawah ini:
BAB 1
PENDAHULUAN
Bab ini mencakup latar belakang penelitian, rumusan masalah,
batasan masalah, tujuan penelitian dan manfaat penelitian serta
sistematika penulisan.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan
untuk proses pengambilan data, analisa serta pembahasan.
BAB III
METODE PENELITIAN
Bab ini membahas tentang peralatan dan bahan penelitian,
diagram alir penelitian, prosedur penelitian dan pengujian
sampel.
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini mencakup pembahasan tentang data hasil penelitian dan
analisa data yang diperoleh dari penelitian.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dan
memberikan saran untuk penelitian selanjutnya.
Universitas Sumatera Utara