SKRIPSI GIASSANISTYA FADILLAH MARPAUNG

Transkripsi

1 FABRIKASI LITHIUM TITANATE TERDOPING Al (Li 4 Ti 4,975 Al 0,025 O 12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN LEMBARAN ELEKTRODA PADA SEL SETENGAH BATERAI ION LITHIUM SKRIPSI GIASSANISTYA FADILLAH MARPAUNG DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016

2 FABRIKASI LITHIUM TITANATE TERDOPING Al (Li 4 Ti 4,975 Al 0,025 O 12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN LEMBARAN ELEKTRODA PADA SEL SETENGAH BATERAI ION LITHIUM SKRIPSI Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains GIASSANISTYA FADILLAH MARPAUNG DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016

3 LEMBAR PENGESAHAN FABRIKASI LITHIUM TITANATE TERDOPING Al (Li 4 Ti 4,975 Al 0,025 O 12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN LEMBARAN ELEKTRODA PADA SEL SETENGAH BATERAI ION LITHIUM OLEH: Giassanistya Fadillah Marpaung NIM: Disetujui Oleh: Komisi Pembimbing Tua Raja Simbolon, S.Si.,M.Si. Slamet Priyono S.Si, M.T NIP : NIP : Diketahui Oleh: Departemen Fisika FMIPA USU Ketua, Pusat Penelitian Fisika-LIPI Kepala, Dr. Marhaposan Situmorang Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng. NIP : NIP :

4 PERSETUJUAN Judul : Fabrikasi Lithium Titanate Terdoping Al (Li 4 Ti 4,975 Al 0,025 O 12 ) dan Studi Pengaruh Ketebalan Lembaran Elektroda pada Sel Setengah Baterai Ion Lithium Kategori : Skripsi Nama : Giassanistya Fadillah Marpaung Nomor Induk Mahasiswa : Program studi : Sarjana (S1) Fisika Departemen : Fisika Fakultas : Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Disetujui di: Medan, Juli 2016 Disetujui Oleh Pembimbing 1, Pembimbing 2, Tua Raja Simbolon, S.Si.,M.Si. Slamet Priyono S.Si, M.T NIP : NIP : Departemen Fisika FMIPA USU Ketua, Dr. Marhaposan Situmorang NIP :

5 PERNYATAAN FABRIKASI LITHIUM TITANATE TERDOPING Al (Li 4 Ti 4,975 Al 0,025 O 12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN LEMBARAN ELEKTRODA PADA SEL SETENGAH BATERAI ION LITHIUM SKRIPSI Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing- masing disebutkan sumbernya. Medan, Juli 2016 GIASSANISTYA FADILLAH MARPAUNG

6 PENGHARGAAN Alhamdulillah, puji syukur kepada Allah SWT, Tuhan semesta alam yang telah memberikan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan baik. Salawat beriring salam teruntuk nabi besar Muhammad SAW yang menjadi teladan dalam menjalani kehidupan. Tugas akhir merupakan salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar sarjana pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Medan. Untuk memenuhi persyaratan diatas penulis mengerjakan tugas akhir dengan judul : FABRIKASI LITHIUM TITANATE TERDOPING Al (Li 4 Ti 4,975 Al 0,025 O 12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN LEMBARAN ELEKTRODA PADA SEL SETENGAH BATERAI ION LITHIUM yang dilaksanakan di Laboratorium Baterai P2F Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Serpong, Tangerang Selatan, Banten. Penulis menyadari bahwa selama proses hingga akhir terselesaikannya penyusunan skripsi ini bayak sekali bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Dengan segala kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Dr. Kerista Sebayang, Ms selaku Dekan Fakultas Matematika dan ilmu Pengetahuan Alam Medan. 2. Bapak Dr. Marhaposan Situmorang selaku ketua Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Pengetahuan Alam, Bapak Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc selaku sekretaris Departemen Fisika FMIPA USU, beserta seluruh bapak/ibu staf pengajar dan para pegawai administrasi di Departemen Fisika yang telah memberikan fasilitas kepada penulis selama perkuliahan. 3. Bapak Tua Raja Simbolon,S.Si.,M.Si selaku komisi pembimbing di dan Bapak Slamet Priyono,S.Si.,M.T selaku komisi pembimbing di Pusat Penelitian Fisika LIPI yang telah bersedia meluangkan waktu untuk membimbing dan memberi arahan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi.

7 4. Bapak Drs. Syahrul Humaidi,M.Sc, Ibu Dra. Sudiati,M.Si dan Bapak Drs. Aditia Warman,M.Si selaku dosen penguji yang telah memberikan banyak saran sehingga skripsi ini menjadi lebih baik. 5. Bapak Dr. Bambang Widyatmoko, M.Eng, selaku Kepala Laboratorium Pusat Penelitian Fisika P2F-LIPI Serpong serta seluruh staf pegawai yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi. 6. Kedua orang tua tercinta: bapak saya Sahala Marpaung dan Ibu saya Wiyah Yanti Mala, yang tak pernah berhenti mendoakan, memberi nasihat, serta memberi dukungan moral dan finansial kepada penulis. Dan kepada adik semata wayang saya Suci Tasya Hasian Marpaung, terima kasih selalu menjadi pelangi dalam kehidupan ini. 7. Bapak Dr. Ir. Bambang Prihandoko, M.T selaku Ketua Tim Baterai di LP2F- LIPI. Bapak Nurhalis Majid, M.Sc, Bapak Achmad Subhan, M.T, Bapak Ibrahim Purwadi, M.Si dan seluruh staf Tim Baterai yang sudah sangat bersedia membantu penelitian ini sehingga dapat diselesaikan dengan baik. 8. Teman-teman Tim Baterai di LP2F-LIPI: Kana Cicik, Elisabeth, Mia yang bersedia meluangkan waktu untuk belajar bersama. 9. Asisten Laboratorium Fisika Dasar LIDA USU yang bersedia memberi masukan terbaik pada skripsi ini. 10. Teman-teman seperjuangan di kampus, terkhusus kepada Street Fighter: Eva, Devi, Andi, Fatimah, Balyan, Iqbal, Dina, Mona, Rahmat. Terima kasih untuk perjuangan bersama selama 4 tahun 11. Sahabat-sahabat terbaik dan terkasih, M. Zamzamy Afrijal, Vivi Feronica Syifa, Dessy Meylinda, Andi Hardiansyah, dan Sri Musfika yang tak pernah bosan mendengarkan keluh kesah selama ini. Dan kepada adik-adik: Nur Rahma, Aida Nisya, Ashar Bestari, Ahmad Husein yang tak henti memberi semangat dalam pengerjaan skripsi. 12. Seluruh teman teman angkatan 2012, Adik - adik angkatan 2013, 2014 dan 2015 Fisika USU yang tak dapat penulis sebutkan satu persatu. Medan, Juli 2016 Penulis

8 FABRIKASI LITHIUM TITANATE TERDOPING Al (Li 4 Ti 4,975 Al 0,025 O 12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN LEMBARAN ELEKTRODA PADA SEL SETENGAH BATERAI ION LITHIUM ABSTRAK Sintesis serbuk dan pembuatan lembaran anoda Li 4 Ti 5 O 12 doping Al (x=0,025) telah berhasil dilakukan. Sintesis serbuk LTO doping Al dilakukan dengan metode solid state sedangkan pembuatan lembaran anoda dilakukan dengan metode coating doctor blade. Pembuatan lembaran dilakukan dengan memvariasi ketebalan coating 100µm, 200µm, 300µm dan 400µm. untuk mengetahui pengaruh ketebalan coating terhadap performa sel baterai. Pengujian yang dilakukan meliputi analisa fasa dengan menggunakan EIS, CV dan CD. Hasil analisa XRD menunjukkan ada dua fasa yang tebentuk, yaitu fasa Lithium Titanium Oxide (Li Ti O 4 ) sebanyak 75,6 % dan fasa Rutile, syn (TiO 2 ) sebanyak 24,4%. Hasil EIS menunjukkan bahwa semakin tebal lapisan coating maka konduktifitas sampel semakin besar. Selanjutnya hasil CV menunjukkan bahwa sampel 100µm, 200µm dan 300µm memiliki puncak oksidasi/reduksi yang tajam sedangkan sampel 400µm memiliki puncak yang melebar. Sedangkan kapasitas sel baterai semakin menurun seiring dengan meningkatnya ketebalan coating, kapasitas sel terbaik yang diperoleh adalah kapasitas Charge sebesar 137,08 mah/g dan kapasitas discharge sebesar 134,3 mah/g. Kata Kunci: Baterai, Anoda, Li4Ti5O12, doping Al, Performa elektrokimia,

9 Al DOPED LITHIUM TITANATE FABRICATION (Li 4 Ti 4,975 Al 0,025 O 12 ) AND STUDY EFFECT OF COATING THICKNESS ELECTRODE SHEET ON THE HALF CELL LITHIUM ION BATTERY ABSTACT The effect of coating thickness of Al doped Li 4 Ti 5 O 12 (LTO) sheet on the electrochemical performance of battery cells have been investigated mol Al doped LTO powder was synthesized by solid state reaction method, while the manufacture of the anode sheet was made by Doctor Blade coating method. Manufacture of sheet was done by varying the thickness of the coating (100um, 200um, 300um and 400um) to determine the effect of coating thickness on the electrochemical performance of the battery cell. Testing was conducted on the analysis of phase with XRD and electrochemical performance was conducted by using EIS, CV and CD. XRD analysis showed that there are two phases that were formed i.e Lithium Titanium Oxide phase (Li Ti O 4 ) and rutile phase, syn (TiO 2 ) as much as 75.6% and 24.4% respectively. EIS results showed that the thicker the coating layer, the conductivity of the sample become greater. Furthermore, the results indicate that the sample CV 100 um, 200 um and 300um have a sharp oxidation/reduction peak while 400um has wide redox peaks. While the specific capacity and specific power of the half cell battery decreases with the increasing of coating thickness. The best cell capacity is obtained by sample with 100 um thickness with specific charge capacity of mah/g and specific discharge capacity of mah / g. Keywords: Battery, Anode, LTO, Al doped, electrochemical performance,

10 DAFTAR ISI Persetujuan Pernyataan Penghargaan Abstrak Abstract Daftar Isi Daftar Tabel Daftar Gambar Daftar Lampiran Halaman i ii iii v vi vii ix x xi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Baterai Cara Kerja Baterai Baterai Ion Lithium Bagan-Bagian Baterai Elektroda Positif (Katoda) Elektroda Negatif (Anoda) Elektrolit Anoda Konvensional (Graphite) Li 4 Ti 5 O 12 (LTO) 13

11 2.5 Li 4 Ti 5 O 12 (LTO) Doping Al 14 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian Bahan dan Peralatan Penelitian Bahan Peralatan Penelitian Perhitungan Massa Bahan Tahapan Penelitian Sintesis LTO Doping Al Pembuatan Lembaran LTO Doping Al Prosedur Penelitian Sintesis LTO Doping Al Pembuatan Lembaran LTO Doping Al Tahapan Pembuatan Slurry Tahapan Pelapisan (Pencetakan Lembaran) 21 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Lembaran Anoda LTO Doping Al Variasi Ketebalan Analisa Fasa dan Struktur dengan XRD (X-Ray Difraction) Analisa Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) Uji Konduktifitas Listrik Lembaran Anoda Hasil Pengukuran Konduktifitas Sele Setengah Baterai Analisa Cyclic Voltametry (CV) Analisa Charge-Discharge (CD) 29 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran 34 DAFTAR PUSTAKA 35

12 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Karakteristik Perbandingan Kinerja Baterai Sekunder 10 Tabel 3.1 Massa bahan baku LTO doping Al 18 Tabel 4.1 Hasil Analisis Struktur Kristal (Parameter Kisi) 24 Li 4 Ti 0,025 O 12 dengan Metode Rietveld Tabel 4.2 Hasil Analisa EIS pada LTO Doping Al 27 Tabel 4.3 Data Hasil Analisa CV pada LTO Doping Al 29 Tabel 4.4 Data Hasil Analisa Charge-Discharge pada 30 LTO Doping Al Variasi Ketebalan Tabel 4.5 Hasil perhitungan tegangan polarisasi sel baterai 31 dengan Anoda LTO doping Al variasi ketebalan

13 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1.1 Pengaruh Ketebalan Lapisan Terhadap Laju Elektron 3 Gambar 2.1 Representasi Skematis dari Aplikasi Baterai Isi Ulang 6 Gambar 2.2 Skematik dari Prinsip Umum Baterai 9 Gambar 2.3 Prinsip Kerja Umum Pengisian/Proses Pemakaian 11 Baterai Ion Lithium yang Dapat Diisi Ulang Gambar 2.4 Skematik Material Elektroda pada Baterai Ion Li, 13 Menggunakan Lithium Metal Oxide dan Anoda Grafit Gambar 3.1 Kurva Tahapan Peningkatan Suhu pada Proses Sintering 20 Gambar 4.1 Hasil Lembaran Anoda LTO Doping Al dengan Variasi 22 Ketebalan Lapisan pada Sampel G-1, G-2, G-3, dan G-4 Gambar 4.2 Analisis Kualitatif XRD serbuk LTO Doping Al 24 Gambar 4.3 Hasil Pengukuran Konduktifitas Listrik Lemabran LTO 25 Doping Al Variasi Ketebalan Gambar 4.4 Plot Impedansi Hasil Uji EIS pada Sampel G-1, G-2, G-3, 26 dan G-4 Gambar 4.5 Voltamogram Siklik LTO Doping Al pada sampel 28 G-1, G-2, G-3, dan G-4 Gambar 4.6 Kurva Analisa Charge-Discharge pada Sampel G-1, G-2, 29 G-3, dan G-4 Gambar 4.7 Hasil Pengukuran Energy Density pada Lembaran 31 Anoda LTO Doping Al Variasi Ketebalan Gambar 4.8 Hasil Pengukuran Energy Density pada Lembaran 32 Anoda LTO Doping Al Variasi Ketebalan

14 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Lampiran B Lampiran C Lampiran D Perhitungan Stoikiometri 1. Perhitungan massa bahan LTO doping Al 2. Perbandingan komposisi LTO : PVDF : AB 1. Perhitungan Luas Lembaran LTO doping Al 2. Menghitung Nilai Konduktivitas Sel 3. Menghitung Energy Density 4. Menghitung Power Density 5. Menghitung Efesiensi Baterai 1. Gambar Pelaratan 2. Gambar Bahan 1. Hasil Uji XRD Serbuk LTO Doping Al x=0, Hasil Uji EIS LTO Doping Al