BAB 1 PENDAHULUAN. Universitas Sumatera Utara

Transkripsi

1 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Penggunaan energi fosil seperti batu bara, bensin dan gas secara terusmenerus menyebabkan persediaan bahan bakar fosil menjadi menipis. Kecenderungan ini telah mendorong kenaikan harga jual bahan bakar dan telah menciptakan ketergantungan yang kuat pada bahan bakar ini. Kemudian, pembakaran bahan bakar fosil menyebabkan emisi gas rumah kaca seperti CO 2, Nitrogen Oksida (NO x ), Sulfur Oksida (SO 2 ) dan masalah partikulasi (Liu and Cao, 2010) yang dianggap mempercepat pemanasan global. Oleh karena itu, dibutuhkan pembaharuan sumber energi yang lebih baik. Dalam menghadapi emisi gas rumah kaca, beberapa penelitian melakukan sistem hemat energi. Salah satu sektor terbesar penghasil emisi adalah transportasi. Beberapa jenis kendaraan yang dapat mengurangi efek emisi dan menipisnya sumber daya bahan bakar fosil yaitu: Internal Combustion Engine (ICE), Hybrid Electic Vehicle (HEVs), dan Plug Hybrid Electric Vehicle (PHEVs) (Notter et al, 2010). Sumber energi utama dalam kendaraan listrik disimpan dalam sebuah perangkat sel elektrokimia yang disebut dengan baterai. Baterai yang digunakan adalah jenis baterai Ion Lithium. Baterai Ion Lithium komersil saat ini masih belum cukup untuk sepenuhnya memenuhi kebutuan masyarakat dengan baik. Tetapi dalam sektor otomotif, perangkat yang dioperasikan dengan baterai berubah drastis menjadi lebih canggih untuk pengembangan di masa mendatang. Oleh karena itu, dalam baterai Ion Litihium untuk transportasi diperlukan kepadatan energi yang lebih tinggi, kepadatan daya yang tinggi, dan stabilitas siklik yang baik. Suatu elektrokimia ditingkatkan dalam sistem ini, dengan mengembangkan bahan elektroda. Bahan elektroda maju berperan penting dalam konversi energi dan penyimpanan dalam sistem baterai ion lithium saat reaksi elektrokimia berlangsung (Notter et al, 2010). Baterai Ion Lithium merupakan jenis baterai isi ulang, dimana baterai ion lithium dinilai sebagai pilihan solusi terbaik untuk sumber energi alternatif karena baterai Ion Lithium memiliki kapasitas yang tinggi ( mah/g), ramah

2 lingkungan dan memiliki lifecycle panjang ( siklus), densitas energi tinggi dan kapasitas spesifik lebih tinggi dibandingkan dengan baterai sekunder yang lain (Chew, 2008). Sel Ion Lithium (Li-ion) dapat mengubah energi potensial kimia menjadi energi listrik melalui reaksi oksidasi dan reduksi. Sel Ion Lithium adalah dua sel elektrokimia elektroda yang terdiri dari kutub positif dan negatif yang dilapisi pada kolektor yang terhubung pada sirkuit eksternal. Anoda baterai Ion Lithium komersial berupa kristal karbon, Oksida Logam (LiCoC 2 ) sebagai katoda, separator sebagai lapisan pemisah antar elektroda, serta elektrolit berupa larutan garam Lithium (LiPF 6, LiBF 4 atau LiClO 4 ) (Herstedt, 2003). Secara umum, baterai Ion Lithium terdiri dari tiga komponen utama yaitu Elektrolit, Anoda dan Katoda. Material elektrolit yang digunakan antara lain adalah Lithium Hexafluorophosphat (LiPF 6 ). Material elektrolit tersebut berfungsi sebagai media transfer ion. Sementara itu, material anodanya adalah metalik litium dengan kapasitas spesifik hingga 3860 mah/g. Saat ini, semua siklus hidup baterai didasarkan pada baterai Lithium Ion dengan anoda berbasis grafit. Namun, siklus hidup baterai lithium ion dengan anoda grafit terbatas karena terbentuknya lapisan pasif Solid Electrolyte Interphasa (SEI) dan penebalan pada anoda grafit, terjadi lithium plating saat pengisian di bawah suhu rendah, dan terjadi reaksi samping lainnya. Anoda Lithium Titanium Oksida (Li 4 Ti 5 O 12 ) dianggap sebagai pilihan yang lebih baik daripada anoda grafit konvensional (Scrosati, 2010). Hal ini dikarenakan Li 4 Ti 5 O 12 memiliki tegangan operasi yang yang stabil, yaitu sebesar 1,55 V vs. Li+/Li yang tidak menyebabkkan adanya dendrit ion lithium pada anoda selama interkalasi, memiliki kapasitas yang tinggi 175 mah/g, laju charging-discharging yang tinggi dan juga termasuk kedalam material Zero- Strain yang memiliki struktrur spinel yang kuat, hal ini mengakibatkan struktur atau volume kisi dari material Li 4 Ti 5 O 12 sulit untuk berubah pada saat proses interkalasi atau proses insersi atau ekstraksi lithium selama siklus baterai (Wen, 2012 & Nordh, 2013). Dalam fabrikasi sel baterai dengan material aktif Li 4 Ti 5 O 12 sebagai anoda, material aktif berupa serbuk dan harus dibuat dalam bentuk lembaran anoda

3 dengan cara dilapiskan pada Cu Foil. Ada beberapa yang harus diperhatikan dalam proses membuat lembaran anoda seperti komposisi bahan, lama pencampuran, suhu pemanasan, kecepatan pencampuran, viskositas slurry, ketebalan coating, kecepatan coating, suhu dan lama pengeringan (Suci, 2015). Parameter ini yang mempengaruhi karakteristik lembaran elektroda baterai yang pada akhirnya mempengaruhi performa sel baterai. Ketepatan dalam mencampurkan bahan pada komposisi yang pas sangat perlu diperhatikan dalam hal ini, karena komposisi bahan akan menentukan morfologi lembaran anoda dan efeknya berpengaruh terhadap kinerja elektroda. Densitas daya (Power Density) dan kepadatan energi (Energy Density) pada performa sel baterai baterai sangat bergantung pada ketebalan lapisan material aktif. Lapisan material aktif yang banyak menyebabkan energy density menurun karena jumlah pada bahan material aktif yang besar sehingga meningkatkan jarak difusi ion lithium panjang. Sebaliknya, lapisan material aktif yang tipis menyebabkan jarak difusi ion lithium singkat sehingga menyebabkan Power Density meningkat (Nordh, 2013). 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah dijelaskan diatas, maka permasalahan dalam penelitian ini adalah mengoptimalkan variasi ketebalan material aktif Li 4 Ti 5 O 12 dalam pembuatan lembaran anoda pada baterai ion lithium sehingga nantinya dihasilkan lembaran anoda yang dapat meningkatkan performa dari elektrokimia sel baterai. Dengan ketebalan material aktif yang optimum diharapkan dapat memperoleh Kapasitas Spesifik, Energy Density dan Power Density yang optimum. 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Untuk melakukan sintesis Li 4 Ti 5 O 12 sebagai material anoda. 2. Untuk mengetahui pengaruh ketebalan dalam pembuatan lembaran anoda Li 4 Ti 5 O 12 pada konduktivitas listrik dan konduktivitas sel baterai. 3. Untuk mengetahui performa elektrokimia sel baterai pada anoda Li 4 Ti 5 O 12 dari kurva cyclic-voltammetry dan charge-discharge.

4 1.4 Manfaat Penelitian Dari penelitian ini diharapkan dapat mengetahui nilai optimalisasi performa Li 4 Ti 5 O 12 sebagai material anoda pada sel baterai ion lithium. 1.5 Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini adalah: 1. Penelitian ini difokuskan pada sintesis dan pembuatan lembaran anoda Li 4 Ti 5 O Bahan baku yang digunakan adalah serbuk LiOH.H 2 O, dan TiO Komposisi lembaran anoda terdiri dari serbuk Li 4 Ti 5 O 12, PVDF dan AB dengan perbandingan 85:10:5, dengan pelarut N,N-Dimethylacetamide. 4. Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini meliputi karakterisasi material anoda Li 4 Ti 5 O 12 (uji XRD) dan karakterisasi lembaran dalam sel setengah baterai (Electrochemical Impedance Spectroscopy, Cyclic Voltammetry dan Charge/Discharge). 1.6 Sistematika Penulisan Adapun sistematika dalam penulisan Skripsi ini mencakup beberapa bab dan subbab seperti dijelaskan di bawah ini: BAB 1 : Pendahuluan Bab ini terdiri atas latar belakang penelitian, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dalam penelitian, serta sistematika penulisan laporan penelitian. BAB 2 : Tinjauan Pustaka Bab ini berisi dasar-dasar teori yang terkait kajian dan analisa dalam penelitian, yakni teori baterai secara umum, baterai Ion Lithium, baterai Lithium Titanate, karakteristik dari masingmasing bahan baku dan variasi ketebalan dalam pembuatan lembaran anoda Li 4 Ti 5 O 12.

5 BAB 3 : Metodologi Penelitian Bab ini berisi tempat dan waktu penelitian, metode yang digunakan dalam penelitian meliputi bahan dan peralatan yang digunakan serta diagram alir penelitian. BAB 4 : Hasil dan Pembahasan Bab ini mencakup pembahasan dari hasil penelitian berupa hasil XRD (X-ray Diffraction), EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy), Cyclic Voltammetry dan Charge/Discharge. BAB 5 : Kesimpulan dan Saran Bab ini berisi kesimpulan yang diperoleh dari bab sebelumnya yaitu hasil dan pembahasan terkait tujuan dari penelitian. Dan juga saran yang diberikan untuk kajian lebih lanjut dari skripsi.