BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Baterai Baterai merupakan unit mandiri yang menyimpan energi kimia, dan mengubah langsung ke dalam energi listrik untuk daya berbagai aplikasi. Baterai diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok umum: baterai primer adalah baterai yang hanya dipakai sekali dan dibuang; Baterai sekunder adalah baterai isi ulang yang dapat di pakai dan dapat dikembalikan kekeadaan semula dengan membalikkan aliran arus melalui sel, skematik dari aplikasi penggunaan baterai isi ulang diilustrasikan pada (Gambar 2.1); Baterai khusus adalah baterai yang didesign untuk tujuan tertentu. Terutama pada militer dan medis yang tidak menemukan penggunaan baterai komersial yang luas dengan alasan biaya, masalah lingkungan, dan aplikasi pasar yang terbatas. Mereka umumnya tidak memerlukan waktu start-up. Pada saluran air yang rendah, sampai dengan 95% pada energi sangat mudah untuk dipakai bekerja (Martin and Ralph, 2004). Saat ini, teknologi baterai canggih menjadi teknologi posisi terbaik dengan upaya mengurangi dampak lingkungan yang berkelanjutan dan energi terbarukan di berbagai aplikasi dari perangkat portabel elektronik (misalnya, ponsel, komputer laptop) untuk kendaraan listrik dan penyimpanan listrik dalam skala besar di grid pintar atau cerdas (Cheng.F, 2011). Gambar 2.1 Representasi skematis dari aplikasi baterai isi ulang

2 Berikut beberapa keuntungan dan kerugian dari penggunaan baterai, yaitu: a. Keuntungan 1. Beroperasi pada rentang suhu yang luas. 2. Pilihan sistem kimia dan tegangan. 3. Operasi pada beberapa orientasi tidak membutuhkan pompa, penyaring. 4. Ukuran variabel dan ukuran sel sama diseluruh dunia. 5. Dapat mengirim arus pulsa tinggi. 6. Dapat memilih baterai terbaik untuk spesifik tertentu (portable, ponsel, dan aplikasi stasioner). b. Kerugian 1. Kandungan energi rendah dibandingkan dengan bensin dan bahan bakar yang lain. 2. Mahal dibandingkan dengan batu bara dan bensin. Berikut definisi yang sering digunakan pada setiap rangkaian pelajaran mengenai baterai, fuel cell, dan kapasitor elektrokimia. Baterai khusus adalah baterai primer yang diproduksi terbatas untuk penggunaan tertentu. Anoda adalah elektroda negatif pada sel yang dihubungkan dengan reaksi kimia oksidasi yang melepaskan elektron sampai pada circuit eksternal. Katoda adalah elektroda positif pada sel yang dihubungkan dengan reaksi kimia reduksi dimana gain elektron berasal dari circuit eksternal. Elektrolit adalah sebuah material yang memberikan konduktifitas ionic murni antara elektroda positif dan elektroda negatif pada sebuah sel. Separator adalah penghalang antara elektroda positif dan elektroda negatif tergabung ke dalam bentuk sel untuk mencegah korslet listrik. Separator dapat berupa gel elektrolit atau film plastic mikro atau bahan inert berpori lainnya yang diisi denga elektrolit. Separator harus dapat ditembus terhadap ion dan inert dalam lingkungan baterai. Discharge adalah suatu operasi dimana sebuah baterai memberikan energi listrik untuk beban eksternal.

3 Charge adalah suatu operasi dimana sebuah baterai dikembalikan ke kondisi semula dibebankan oleh pembalikan aliran arus. Resistansi dalam atau impedansi adalah resistansi atau impedansi dimana baterai atau sel memberikan aliran arus. Konstanta Faraday, F, adalah jumlah muatan transfer ketika reaksi massa aktif setara ,3 C/g-equiv, Ah/g-equiv (Martin and Ralph, 2004) Cara Kerja Baterai Banyak reaksi kimia yang melibatkan transfer elektron sehingga mengalami perubahan dalam keadaan oksidasi; disebut reaksi redoks (Ronci.F, 2002). Elektroda negatif adalah reduktor yang baik (transfer elektron) seperti lithium, zinc, atau timah. Elektroda positif adalah penerima electron seperti lithium cobalt oxide, mangan dioksida, atau timah oksida. Elektrolit adalah penghantar ion murni yang secara fisik memisahkan anoda dari katoda (Martin and Ralph, 2004). Dalam reaksi redoks, satu spesies teroksidasi dengan memberikan elektron sehingga oksidasi naik dan spesies yang lain berkurang dengan menerima elektron maka dengan demikian akan mengurangi tingkat oksidasinya (Ronci.F, 2002). Setiap reaksi redoks memiliki tegangan tertentu. Ada nilai praktis mutlak untuk potensi ini, sehingga sistem pengukuran relative digunakan sebagai gantinya. Dalam refrensi ini, potensi kesetimbangan dari reaksi antara proton dan gas hydrogen diatur ke nol: 2H e - H 2 (g) Secara umum, baterai dapat tersusun satu atau lebih sel elektrokimia yang dihubungkan secara seri atau parallel untuk memberikan tegangan dan kapasitas yang dibutuhkan (Tarascon.J, 2001). Setiap sel terdiri dari tiga komponen utama: elektroda positif (katoda), elektroda negatif (anoda) dan elektrolit, seperti yang ditunjukkan pada (Gambar 2.2).

4 Gambar 2.2 Skematik dari prinsip umum baterai Elektrolit dapat berair atau tidak berair, dalam bentuk cair, pasta atau bentuk padat (Linden.D, 2002; Song.J.Y, 1999). Elektrolit cair lebih disukai karena memiliki konduktifitas ionic yang tinggi, tetapi cairan elektronik memiliki kekurangan stabilitas mekanik untuk mencegah kontak antara elektroda (Winter.M, 2004). Dalam praktek, listrik berpori bahan isolasi yang mengandung elektrolit sering ditempatkan di antara anoda dan katoda untuk mencegah anoda dari kontak langsung dengan katoda. Jika anoda dan katoda bersentuhan fisik, baterai akan korsleting dan energi penuh pada baterai terlepas sebagai panas baterai (Martin and Ralph, 2004) Baterai Ion Lithium Sejak komersialisasi baterai ion lithium yang dapat diisi ulang di awal tahun 1990-an, bahan kimia berbasis lithium telah berkembang pesat di pasar baterai global. Hal ini dikarenakan lithium memiliki banyak sifat kimia dan fisika. Pertama, lithium adalah unsur yang paling elektronegatif pada standar tekanan dan suhu (STP) memiliki potensial reduksi dengan potensial elektroda negatif sebesar V. Hal ini memungkinkan pembuatan baterai dengan tegangan mencapai 6 V, meskipun V adalah rentang tegangan yang paling umum untuk baterai lithium (K.Xu, 2004). Baterai lithium sel primer non-isi dikembang lanjutkan dalam sel ion lithium sejak 1950an, sel Li/CF n. Li/MnO 2 dan Li/SOCl 2 menyajikan penggunaan

5 yang praktis. Untuk baterai skunder, sel isi ulang dikembangkan pada tahun 1970an. Penyisipan sel elektrokimia Li ke dalam sulfide berkontribusi pada pengembangan baterai sekunder (Rouxel, 1971). Dibandingkan dengan baterai sekunder lainnya, baterai isi ulang ion lithium menunjukkan kinerja elektrokimia yang sangat baik, yang mengarah pada posisi dominan dalam industri baterai. Hal ini juga menjelaskan mengapa baterai ion lithium mendapatkan perhatian yang besar pada kedua fundamental dan tingkat penerapannya. Karakteristik perbandingan kinera baterai sekunder ditunjukkan pada Tabel 2.1 (Patil.A;Patil.V, 2008). Tabel 2.1 Karakteristik perbandingan kinerja baterai sekunder Tipe Baterai Tegangan (V) Densitas Energi (Wh/kg) Densitas Energi (Wh/L) Ni-Cd Ag-Zn Ni-MH Li-ion Li-Polymer Secara umum, terdapat lima komponen yang termasuk dalam sel ion lithum. Komponen tersebut adalah dua elektroda, elektrolit, dan dua arus kolektor. Fungsi utama elektroda adalah mengurangi rentang potensial yang teroksidasi lebih yang diukur dalam volt (V). elektrolit berfungsi sebagai konduktor ionik antara elektroda dan isolasi ionik. Arus kolektor adalah bahan listrik, biasanya logam yang langsung bersentuhan dengan masing-masing elektroda. Arus kolektor ini akan melekat satu sama lain dengan sirkuit eksternal (Tarascon.J, 2001 ; Winter.M, 2004). Prinsip kerja umum pengisian / proses pemakaian baterai ion lithium yang dapat diisi ulang diilustrasikan pada Gambar 2.3 (Wakihara.M, 2001 ; Dunn.B, 2011).

6 Gambar 2.3 Prinsip kerja umum pengisian / proses pemakaian baterai ion lithium yang dapat diisi ulang (Wakihara.M, 2001 ; Dunn.B, 2011). 2.3 Bagian-bagian Baterai Terdapat beberapa bagian-bagian dari baterai yaitu: Elektroda Positif (Katoda) Katoda disusun dari campuran bahan elektroda (90%), aditif konduktif (6%), bahan pengikat (4%), dan dilukis pada arus kolektor. Li-TMs dengan konduktivitas elektron yang rendah umumnya digunakan sebagai bahan elektroda, penurunan konduktivitas elektroda. Maka, beberapa karbon konduktif seperti grafit, Acethylene Black (AB), Ketjen Black (KB) kembali ditambahkan untuk meningkatkan sifat konduktif dari elektroda. Polimer fluorocarbon seperti Polytetra Fluoroethylene (PTFE), Polyvinylidene-difluoride (PVdF), dan Polyvinyl-fluoride (PVF) biasanya digunakan sebagai pengikat untuk menghubungkan setiap partikel dari bahan elektroda. Foil biasanya digunakan sebagai arus kolektor, karena harus bertahan dengan kondisi oksidasi yang tinggi (~4V vs Li + /Li) Elektroda negatif (Anoda) Anoda tersusun oleh karbon (seperti grafit dan karbon berat) sebagai bahan dasar (90%) dan bahan pengikat (10%). Untuk mencegah paduan Li pada kondisi reduksi rendah, terdapat Cu-foil yang digunakan sebagai pengganti arus kolektor dari Al-foil.

7 2.3.3 Elektrolit Elektrolit memiliki lebar potensial yang tidak bereaksi di bawah potensial reduksi yang rendah seperti Li. Maka dari itu, elektrolit biasanya menggunakan solusi organic. Garam Li dilarutkan pada larutan karbonat dengan metode non-air. Karbonat ester dari konstanta dielektrik yang tinggi seperti elthylene carbonate (EC, m.p C) atau prophylene carbonate (PC,m.p C) yang dipakai sebagai larutan. Meskipun sifat-sifat unggul pada daerah suhu yang besar, larutan PC tidak dapat menerima elektroda grafit untuk reaksi pengelupasan (Dey 1970 ; Inaba 1997). Garam Li seperti Lithium hexafluorophosphate (Li PF 6 ) atau Lithium pherclorate (LiClO 4 ) biasanya digunakan sebagai zat terlarut pada elektrolit. Garam Li ini tidak stabil dalam air dan mudah terurai, serta menghasilkan jenis asam seperti HF atau HCL. Karena jenis asam ini membuat bahan elektroda dan arus kolektor berkarat, maka jumlah air pada sel baterai harus di bawah level ppm Anoda konvensional (Graphite) Salah satu elektroda negatif yang paling umum digunakan dalam baterai saat ini adalah grafit. Grafit sebagai anoda pada baterai ditunjukkan pada (Gambar 2.4). Karbon atom dalam grafit yang disusun dalam lapisan halus yang diterapkan bersama oleh ikatan van der Waals. atom lithium dapat bergerak di antara lapisan dan disimpan pada pusat cincin karbon, sehingga memungkinkan satu lithium disimpan pada setiap enam karbon; yaitu, membentuk LiC 6. Bahan interkalasi umumnya tidak mengalami pembentukan dendrite, tetapi energi dan spesifik daya diabaikan pada solusi ini. Baterai ion lithium yang umum memiliki grafit sebagai anoda, yang bekerja pada -2.5 V vs elektroda hydrogen standar, dan bahan interkalasi yang lain umumnya, logam transisi oksida sebagai katoda bekerja di sekitar 1.0 V.

8 Gambar 2.4 Skematik material elektroda pada baterai ion Li, menggunakan katoda litium metal oxide dan anoda grafit 2.4 Li 4 Ti 5 O 12 (LTO) Standar sintesis solid-state secara umum membutuhkan suhu C atau suhu yang lebih tinggi untuk mendapatkan produk yang murni. Suhu yang tinggi akan menyebabkan pertumbuhan partikel dan dengan demikian akan menurunkan tingkat kemampuan bahan aktif (Kataoka, 2008; Julien and Zaghib, 2004). Potensial elektrokimia yang relatif lebih tinggi dengan kapasitas teoritis lebih rendah (1,55 V vs Li + /Li dengan 175 mah g -1 ) dibanding dengan grafit (0,1-0,3 V vs Li + /Li dengan 372 mah g -1 ), densitas energi dari sel ion Li dengan Li 4 Ti 5 O 12 berdasarkan elektrodanya menurun dibandingkan pemakaian sel grafit. Di sisi lain, elektroda Li 4 Ti 5 O 12 memiliki banyak keuntungan. Beberapa keuntungan Li 4 Ti 5 O 12 adalah : 1. Stabilitas siklus hidup yang panjang Regangan nol menyebabkan stabilitas mekanik material elektroda. 2. Penggunaan kepadatan arus besar Potensial elektrokimia yang relatif tinggi menyebabkan tidak adanya deposisi logam Li atau pembentukan dendrit pada permukaan elektroda di bawah tingkat tinggi siklus charge-discharge. 3. Stabilitas kimia Tahan api dan reaktivitas kimia yang rendah pada penyisipan Li di bawah suhu tinggi memungkinkan kita untuk menggunakan pelarut PC dan arus

9 kolektor Al, dan dapat membantu untuk merancang biaya rendah, kinerja tinggi dan keselamatan aplikasi sel dengan daya tinggi. Dengan keuntungan ini elektroda baru yang didasarkan Li 4 Ti 5 O 12 adalah yang paling menjanjikan pada skala besar dan aplikasi daya tinggi untuk baterai ion litium. 2.5 Li 4 Ti 5 O 12 (LTO) doping Al Li 4 Ti 5 O 12 memiliki nilai konduktifitas ionik yang rendah sehingga membatasi tingkat kemampuan elektronik (Rho.Y.H, 2003 ; Amatucci 2001 ; Huang.S, 2006). Untuk meningkatkan nilai konduktifitas tersebut, beberapa cara yang efektif telah diusulkan, termasuk sintesis Li 4 Ti 5 O 12 (Guerfi.A, 2003 ; Nakahara.K, 2003) dengan doping ion logam aliovalent (V 5+, Mn 4+, Fe 3+, Al 3+, Ga 3+, Co3+,Cr 3+, Ni 2+, Mg 2+ dan F - ) pada Li, Ti atau situs O (Kubiak.P, 2003 ; Huang.S, 2007). Dengan penambahan Al 3+ terbentuklah Li 4 Ti 5 xalxo 12 yang dapat meningkatkan kapasitas reversibel dan stabilitas pada saat pengisian dan pemakaian doping pada Li 4 Ti 5 O 12 dengan tegangan berkisar 0,5-2,5 V (Huang,S. 2005). Doping Al dan Li 4 Ti 5 O 12 yang tidak didoping (Al 4 x Al x Ti 5 O 12, x=0, 0,05, 0,1 dan 0,2) tersusun oleh reaksi padatan konvensional. LiOH - H 2 O dan TiO 2, digunakan sebagai bahan baku (Hailei Zhao, 2008). Pada penelitian stuktur dan karakterisasi elektrokimia pada L1 4-x Al x Ti 5 O 12 sebagai material anoda baterai ion lithium oleh Hailei Zhao, dkk (2008) menunjukkan bahwa Li 4 Ti 5 O 12 doping Al dengan rumus kimia L1 4-x Al x Ti 5 O 12 (x=0, 0,05, 0,1 dan 0,2) disintesis dengan metode reaksi padatan. Doping Al tidak merubah komposisi fasa dan morfologi partikel, tapi mudah menghasilkan distorsi kisi sehingga kristalinitas buruk pada Li 4 Ti 5 O 12. Kelebihan Al menyebabkan polarisasi elektroda yang besar karena konduktivitas ion Li yang lebih rendah, sehingga menyebabkan kapasitas yang rendah pada densitas arus tinggi. J. Y. Lin dkk (2013) mensintesis lithium titanate doping Al dengan rumus kimia Li 4-x Ti 5-x Al x O 12 (x=0,05) melalui proses sol-gel. Hasil sintesa menunjukkan bahwa ada peningkatan kapasitas discharge dan laju kapabilitas yang signifikan. Peningkatan laju kapabilitas disebabkan difusivitas ion Li lebih tinggi dan hambatan transfer muatan yang rendah karena subtitusi Al 3+ pada Ti 4+.

10 Zhenhong Wang dkk (2011) mensintesis senyawa Li 4 TI 5-x Al x O 12 melalui reaksi padatan, dan menyelidiki sifat-sifat elektrokimia dengan metode konduksi elektronik, voltametri siklik, dan tes charge-discharge pada rentang tegangan discharge yang berbeda (0-2,5 V dan 1-2,5 V). Hasil penelitian menunjukkan bahwa doping Al 3+ tidak mempengaruhi struktur spinel tapi sangat meningkatkan kapasitas dan kinerja awal. Doping Al 3+ berguna bagi interkalasi reversible dan deinterkalasi dari Li +. Jung Soo Park dkk (2013) mensintesis Li 4 Ti 5 O 12 sebagai material anoda baterai ion litium, dengan metoda reaksi padatan (Li (4-x/3) Al x Ti (5-2x/3) O 12 ), menyatakan bahwa suhu kalsinasi optimum untuk Li 4 Ti 5 O 12 doping Al ditentukan menjadi C diantara tiga suhu yaitu, C, C, dan C, berdasarkan struktur dan karakterisasi elektrokimia. Siklus pengujian awal pada Li 4 Ti 5 O 12 tanpa doping dan doping Al 3+ menyatakan bahwa performa elektreokimia pada elektroda yang disiapkan pada suhu C lebih baik dari pada suhu C dan C. Rasio penyimpanan kapasitas pada Li (4-x/3) Al x Ti (5-2x/3) O 12 (x = 0.01, 0.05, 0.1) lebih dari 99,3% setelah 30 siklus. Material elektroda praktis biasanya dioptimalkan dengan unsur doping. Pada penelitian yang dilakukan oleh De Li dkk (2015) yaitu efek memori induksi doping pada Li 4 Ti 5 O 12 doping Al menunjukkan bahwa Li 4 Ti 5 O 12 terbebas dari efek memori, sementara efek memori yang berbeda dapat diinduksi oleh doping Al. Setelah dilakukan discharge pada potensial cutoff rendah, Li 4 Ti 5 O 12 doping Al menunjukkan kinetika elektrokimia yang buruk, memberikan kelebihan potensial yang besar pada saat proses charging. Ketergantungan atas kelebihan potensial pada discharging menyebabkan cutoff pada efek memori Li 4 Ti 5 O 12 doping Al.