BAB III TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 17 BAB III TINJAUAN PUSTAKA 3.1 Baterai Lithium Baterai Lithium telah dipertimbangkan sebagai sebuah sumber tenaga listrik yang digunakan untuk berbagai aplikasi seperti telepon seluler, laptop, kamera, kendaraan listrik hybrid karena energi densitas yang tinggi, potensial kerja yang tinggi, dan umur pemakaian yang panjang. Baterai Lithium biasanya dibuat seperti bentuk uang logam atau disebut juga dengan baterai koin. Bahan katoda baterai lithium yang ada pada saat ini antara lain Lithium Kobalt Oksida (Cao, dkk, 2007), Lithium Nikel Oksida (Xunhui, 2013), Lithium Mangan Oksida (Seung-Taek, 2002) dan Lithium Besi Fosfat (Chunwen, 2011). Baterai lithium terdiri lebih dari satu sel. Setiap sel terdiri dari empat komponen, yaitu: Elektroda positif (katoda), Elektroda negatif (anoda), Separator dan Elektrolit Katoda Katoda merupakan elektroda positif, dimana terjadi reaksi setengah sel yaitu reaksi reduksi yang menerima elektron dari sirkuit luar sehingga reaksi kimia reduksi terjadi pada elektroda ini (Subhan, 2011). Pada dasarnya katoda merupakan elektroda yang fungsinya sama seperti anoda yaitu berfungsi sebagai tempat pengumpulan ion lithium serta merupakan tempat bagi material aktif, dimana lembaran pada katoda biasanya adalah aluminium (Al foil). Beberapa karakteristik yang harus dipenuhi suatu material yang digunakan sebagai katoda antara lain material tersebut terdiri dari ion yang mudah melakukan reaksi reduksi dan oksidasi, memiliki konduktifitas yang tinggi seperti logam, memiliki

2 18 kapasitas energi yang tinggi, memiliki kestabilan yang tinggi (tidak mudah berubah strukturnya atau terdegradasi baik saat pemakaian maupun pengisian ulang), harganya murah dan ramah lingkungan. Tabel 3.1 menunjukkan beberapa jenis material yang dapat digunakan untuk katoda dengan besar kapasitas energinya yang dapat disimpan. Tabel 3.1 Beberapa jenis material yang digunakan untuk katoda. Material Beda potensial Kapasitas spesific Energi spesific rata-rata (V) (mah/g) (kwh/kg) LiCoO2 3, ,518 LiMn2O4 4, ,400 LiNiO2 3, ,360 LiFePO4 3, ,495 LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2 3, ,576 (Ni mah, 2016) Anoda Anoda merupakan elektroda negatif yang berkaitan dengan reaksi oksidasi setengah sel yang melepaskan elektron ke dalam sirkuit eksternal (Subhan, 2011). Anoda berfungsi sebagai tempat pengumpulan ion lithium serta merupakan tempat bagi material aktif. Material yang dapat dipakai sebagai anoda harus memiliki karakteristik antara lain memiliki kapasitas energi yang besar, memiliki profil kemampuan menyimpan dan melepas muatan/ion yang baik, memiliki tingkat siklus pemakaian yang lama, mudah untuk di proses, aman dalam pemakaian (tidak mengandung racun) dan harganya murah. Lithium metal merupakan bahan anoda ideal untuk baterai isi ulang karena kapasitas secara teoritis memiliki spesifik sangat tinggi 3.86 Ah/g, memiliki tegangan kerja rendah. Selain itu Keuntungan menggunakan logam lithium sebagai anoda adalah pereduksi yang baik, sangat elektropositif, stabilitas mekanik yang baik, dan mudah fabrikasi ( Wakihara.M, dkk, 1998).

3 19 Tabel 3.2 Beberapa material yang digunakan untuk anoda. Material Beda potensial Kapasitas Energi spesific rata-rata (V) spesific (mah/g) (kwh/kg) Grafit (LiC6) 0,1-0, ,0372-0,0744 Titanate (Li4Ti5O12) ,16-0,32 Si (Li4, 4Si) 0, ,106-4,212 Ge(Li4,4Ge) 0,7-1, ,137-1,949 (Ni mah, 2016) Separator Separator adalah material berpori yang terletak di antara anoda dan katoda dan diaplikasikan sebagai penjamin faktor keamanan baterai. Material ini berfungsi sebagai barrier antara elektroda untuk menjamin tidak terjadinya hubungan pendek yang bisa menyebabkan kegagalan dalam baterai. Separator dapat berupa elektrolit yang berbentuk gel, atau plastik film microporous (nanopori), atau material inert berpori yang diisi dengan elektrolit cair. Sifat listrik separator ini mampu dilewati oleh ion tetapi juga mampu memblokir elektron, jadi bersifat konduktif ionik sekaligus tidak konduktif elektron. (Subhan, 2011). Karakteristik yang penting untuk dijadikan separator pada baterai yaitu bersifat insulator, memiliki hambatan listrik yang kecil, kestabilan mekanik (tidak mudah rusak), memiliki sifat hambatan kimiawi untuk tidak mudah terdegradasi dengan elektrolit serta memiliki ketebalan lapisan yang seragam atau sama diseluruh permukaan. Persyaratan umum separator yang dapat digunakan untuk baterai ion lithium dapat di lihat pada Tabel 3.3.

4 20 Tabel 3.3 Persayaratan umum untuk separator baterai ion lithium Parameter pada separator Nilai parameter Standar Ketebalan <25µm ASTM D Hambatan listrik <2 Ωcm 2 US Ukuran pori <1 µm ASTM Porositas + 40% ASTM Wettabilitas Stabilitas kimia Basah keseluruhan pada elektrolit Stabil dalam baterai untuk penggunaan yang lama Penyusutan < 5% ASTM D1204 Titik leleh C Tegangan rusak >20 V (Jun, 2010) Elektrolit Elektrolit merupakan material yang bersifat penghantar ionik. Fungsi elektrolit ialah sebagai media untuk mentransfer ion lithium antara katoda dan anoda. Ada beragam jenis elektrolit seperti cair, padat, polimer dan komposit elektrolit. Elektrolit yang banyak digunakan pada baterai lithium adalah elektrolit cair yang terdiri dari garam lithium yang dilarutkan dalam pelarut berair. Hal yang paling penting dalam suatu elektrolit adalah interaksi antara elektrolit dan elektroda pada baterai. Hubungan dua bahan ini akan mempengaruhi kinerja baterai secara signifikan (Fadhel, 2009).

5 Material Katoda Dalam teknologi baterai lithium ion, tegangan sel dan kapasitasnya sangat ditentukan oleh bahan katoda yang juga merupakan faktor pembatas dalam laju migrasi lithium. Untuk setiap berat material katoda, jumlah ion lithium yang dilepaskan material katoda saat charge dan jumlah ion lithium yang kembali dalam waktu tertentu ke material katoda saat discharge menggambarkan densitas energi dan densitas power sel baterai (Triwibowo,2011). Semakin banyak ion Lithium dipindahkan dari katoda ke anoda maka semakin besar pula densitas energi sel baterai. Semakin banyak ion lithium yang kembali ke katoda dari anoda setiap detiknya, maka semakin besar densitas power-nya. Performa/rate capability sel baterai sangat bergantung pada kondisi transfer muatan/charge transfer. Mekanisme ini berkaitan erat dengan proses difusi dan konduktifitas elektronik dan ionik dari komponen pembentuk sel baterai. Berbeda dengan material elektrolit yang semata-mata hanya memfasilitasi ion lithium menyeberang dari katoda ke anoda dan sebaliknya, hingga harus bersifat konduktif ionik saja ( Triwibowo,2011). Material katoda tidak saja harus bersifat konduktif ionik, namun juga harus bersifat konduktif elektronik. Saat proses charge ion lithium akan dilepaskan dari kathoda ke anoda melalui elektrolit, dengan begitu katoda harus bersifat konduktif ionik. Bersamaan dengan itu elektron akan dilepaskan melewati rangkaian luar menuju anoda, ini berarti katoda juga harus bersifat konduktif elektronik. Proses ini diilustrasikan pada Gambar 2.3. Gambar 3.1 Fenomena Konduktifitas Ionik dan Elektronik pada Material Katoda (Park, 2010)

6 22 Material katoda yang sering digunakan pada baterai ion lithium yaitu LiCoO2, LiMnO4, LiFePO4. Ketiga material tersebut memiliki bentuk struktur host yang berbeda yang dapat dilihat pada Gambar 3.2. Gambar 3.2 Ilustrasi Skematis pada Struktur Host dari (a) LiCoO2 (Struktur Layered), (b) LiMn2O4 (Struktur Spinel), dan (c) LiFePO4 (Struktur Olivine) (Julien, 2014). Pada struktur host layered, ion lithium berinterkalasi dalam dua arah, pada struktur host spinel interkalasi ion lithium dalam tiga arah, sedangkan pada struktur host olivine interkalasi dalam satu arah. Masing-masing material memiliki karakteristik sendiri sebagai contoh, LiCoO2 yang mahal, beracun, dan sumber daya yang tidak lagi melimpah (Ritchie, 2001). LiMn2O4 memiliki kapasitas yang jauh lebih rendah dan stabilitas siklus rendah (Gao, dkk, 1996). Senyawa berbasis besi ini menjadi menarik karena Fe yang berlimpah, murah, dan kurang beracun daripada Co, Ni, Mn. LiFePO4 saat ini sedang dalam penelitian yang luas karena biaya rendah, toksitas rendah, stabilitas termal tinggi dan spesifik kapasitas 170 mah/g (Padhi, dkk, 1997). Beberapa karakteristik yang harus dipenuhi suatu material yang digunakan sebagai katoda antara lain: a. Material tersebut terdiri dari ion yang mudah melakukan reaksi reduksi dan oksidasi. b. Memiliki konduktifitas yang tinggi seperti logam.

7 23 c. Memiliki kerapatan dan kapasitas energi yang tinggi. d. Memiliki kestabilan yang tinggi (tidak mudah berubah strukturnya atau terdegradasi baik saat pemakaian maupun pengisian ulang), harganya murah dan ramah lingkungan ( Ohzuku.T,1994). Material katoda yang sedang banyak dilakukan penelitian salah satunya adalah senyawa phosphate (LiMPO4). Contoh dari senyawa ini adalah LiFePO4. senyawa ini memiliki kestabilan yang baik pada temperature tinggi, relatif lebih murah dibandingkan material katoda lainnya. Senyawa phosphate lainnya adalah LiMnPO4 dan LiNiPO4. Material ini dilaporkan mampu menghasilkan voltase yang tinggi, yaitu masing-masing 4.1 dan 5 V, lebih tinggi dibandingkan LiFePO4 (3.5 V), namun sayangnya memiliki kapasitas energi yg rendah (Padhi, dkk,1997). Berbagai cara dilakukan untuk meningkatkan konduktifitas sekaligus memperbaiki performa baterai, termasuk didalamnya untuk mencapai nilai teoritik kapasitas baterai. Cara yang umum dilakukan diantaranya adalah: 1. Memberikan lapisan karbon pada butir serbuk material katoda/carbon coating. Dengan cara ini konduktifitas elektronik akan meningkat. 2. Doping dengan elemen hingga terbentuk defects dalam struktur kristal dimana lithium ion dapat dengan mudah berinterkalasi dalam jumlah yang besar kedalam host material. 3. Pemilihan material matriks yang tepat sesuai dengan peruntukannya, apakah konduktif ionik atau elektronik (Padhi, dkk, 1997). 3.3 Bahan Pembentuk Lembaran Katoda Material komposit merupakan gabungan dari dua material yang memiliki fasa yang berbeda menjadi sebuah material yang baru dengan properties yang lebih baik dari keduanya (Gibson, 1994). Material komposit terdiri dari dua bagian utama yang saling menyatu menjadi satu kesatuan yaitu : 1. Matriks, dapat berasal dari logam, keramik, atau polimer. Matriks berfungsi sebagai pengikat dari penguat, melindungi penguat dari kerusakan permukaan,

8 24 dan juga memisahkan penguat yang satu dengan yang lainnya. Matriks polimer yang digunakan harus bersifat penghantar listrik, memiliki struktur dan senyawa yang stabil terhadap bahan elektroda dan elektrolit (Gibson, 1994). 2. Penguat/filler merupakan suatu fasa yang dapat menguatkan komposit yang terdapat dalam komposit. Dengan adanya penambahan penguat pada material komposit maka sifat mekanis dari material komposit tersebut akan meningkat (Gibson, 1994). Pada kerja praktik ini lembaran katoda terdiri dari serbuk LiFePO4 sebagai filler, CB sebagai zat aditif, PVdF sebagai matriks polimer, dan NMP sebagai pelarut. Gambar 3.3 Ikatan Partikel Komposit Baterai Ion Lithium (Whittingham, 2008) Lithium Iron Phosphate ( LiFePO 4 ) Bahan katoda yang sangat menjanjikan adalah LiFePO4 dengan struktur phospoolivine dengan kapasitas teoritis 170 mah/g, energi spesifik 0,59 Wh/g, dan densitas 3,60 g/cm3, voltage rata-rata 3,5 V, harga murah, tidak beracun, ramah terhadap lingkungan, dan memiliki stabilitas termal yang baik (Gunawan, 2007). Namun kelemahan dari material ini adalah konduktifitas listrik rendah yaitu berorde 10-9 S/cm dan difusi ion lithium yang lamban. Dua kelemahan tersebut membatasi aplikasi LiFePO4 sebagai material katoda. Difusi ion lithium yang rendah dapat diatasi dengan menurunkan dimensi partikel sampai skala nanometer. Untuk mengatasi konduktifitas listrik yang rendah

9 25 dapat diatasi juga dengan conductive agent seperti penambahan karbon dan polimer yang dapat meningkatkan performance LiFePO4 (Anies, dkk, 2011) Polyvinylidene Fluoride (PVDF) Polyvinylidene fluoride atau PVDF adalah termoplastik floropolimer murni dan sangat reaktif. Polimer ini berwarna putih atau tembus cahaya dalam bentuk padatanya. Selain itu PVDF tidak larut dalam air. PVDF banyak digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan kemurnian, kekuatan, dan ketahanan terhadap bahan pelarut, asam, basa, dan panas yang sangat baik. Adapun contoh produk dari PVDF antara lain pipa, lembaran, dan pelat. Beberapa jenis PVDF juga dapat digunakan sebagai pembuatan baterai ion lithium. PVDF sebagai pengikat memegang peranan penting dalam hal menjaga integritas elektroda dan sebagai perantara hubungan filler dan zat aditif. Sifat umum dari PVDF dapat dilihat pada Tabel 3.4. Tabel 3.4 Sifat Umum Polyvinylidene Fluoride (PVDF) Sifat Nilai Daya Serap Air 0,05% Kuat Tarik Modulus Elastisitas 60 Mpa 2200 Mpa Titik Leleh 175 C Temperatur Defleksi 105 C (Theplasticshop.co.uk, 2011) Carbon Black ( CB ) Elektroda pada baterai ion lithium terdiri dari material aktif, pengikat, dan zat aditif. Material aktif yang dipanaskan dengan pelarut dan dicampur dengan karbon yang

10 26 bersifat zat aditif konduktif untuk meningkatkan konduktifitas elektronik sehingga elektron dapat diangkut ke bahan aktif. Luas spesifik permukaan dari carbon black setidaknya sepuluh kali lebih besar dari bahan material aktif agar dapat mengumpulkan arus listrik pada konsentrasi yang lebih rendah dan membentuk jaringan karbon konduktif. Besar nilai konduktifitas pada carbon black adalah 5,7 x 10-4 (Shin, 2006). Penambahan Carbon Black pada material katoda dapat meningkatkan nilai konduktifitas listrik secara efisien dengan penambahan yang minimum, karena partikel tersebut memiliki struktur yang bulat berlubang dan bercabang, luas permukaan yang tinggi dan ukuran partikel yang kecil. Jumlah karbon biasanya digunakan adalah di bawah 10% berat dari total massa elektroda. Sifat umum dari Carbon Black dapat dilihat pada Tabel 3.5. Rumus Molekul Density (20 C) Bentuk Suhu Penguraian Kelarutan Dalam Air Hambatan Tabel 3.5 Sifat Umum Carbon Black C 1,7-1,9 g/ml Bubuk atau Pellet 300 C Tidak Larut 1,8 Ω.cm (Continentalcarbon, 2012) N-Methyl-2-pirolidon (NMP) N-Methyl-2-pirolidon (NMP) adalah senyawa organik yang terdiri dari laktam 5- beranggota. Ini adalah cairan tak berwarna, meskipun sampel tidak murni dapat terlihat berwarna kuning. N-Methyl-2-pirolidon larut dengan air dan dengan pelarut organik oleh karena itu NMP juga termasuk kelas pelarut aprotik dipolar seperti dimetilformamida dan dimetil sulfoksida. NMP digunakan dalam petrokimia dan industri sebagai pelarut, mengeksploitasi nonvolatility dan kemampuan untuk

11 27 melarutkan bahan yang beragam (Albert, 2011). NMP digunakan untuk memulihkan hidrokarbon tertentu yang dihasilkan dalam pengolahan petrokimia, seperti pemulihan 1,3-butadiena dan asetilena. Karena sifat solvabilitas yang baik NMP dapat digunakan untuk melarutkan berbagai polimer, termasuk digunakan sebagai pelarut untuk perawatan permukaan tekstil, resin, dan logam dilapisi plastik atau sebagai stripper cat. Hal ini dimanfaatkan sebagai pelarut dalam penyusunan komersial polifenilen sulfida. NMP juga digunakan dalam fabrikasi baterai lithium ion, sebagai pelarut untuk persiapan elektroda. 3.4 Karakterisasi dan Pengujian Lembaran Katoda Karakterisasi dilakukan dengan alat Scanning Electron Microscope (SEM) untuk pengamatan dan pengkajian struktur morfologi katoda. Lalu untuk mengetahui sifat elektrik dari katoda menggunakan alat Electrochemical Impedance Spectrometry (EIS) Scanning Electron Microscope (SEM) SEM (Scanning Electron Microscope) adalah salah satu jenis Mikroscop Elektron yang menggunakan berkas elektron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis dengan gambar tiga dimensi. SEM memiliki empat komponen pokok yaitu kolom elektron, ruang sampel, sistem pompa vakum, kontrol elektron dan sistem magnetik. Didalam kolom elektron terdapat penembak elektron yang terdiri dari katoda dan anoda. Elektron yang terlepas dari katoda bergerak ke arah anoda yang dalam perjalannya berkas elektron ini dipengaruhi oleh lensa magnetik hingga di dapatkan berkas elektron yang terfokus ke arah sampel. Prinsip kerja SEM adalah difraksi elektron, yaitu dengan cara menembakkan permukaan benda dengan berkas elektron berenergi tinggi pada permukaan sampel. Kemudian berkas elektron yang mengenai permukaan sampel akan menghasilkan pantulan berupa berkas elektron sekunder yang memancarkan kesegala arah. Berkas elektron sekunder yang memancar kesegala arah ini akan tertangkap oleh detektor. Kemudian informasi dari detektor dilanjutkan ke transducer yang berfungsi mengubah signal menjadi image. Image yang tergambar diperoleh dari berkas elektron sekunder

12 28 yang terpancar secara acak sehingga dapat memberikan informasi morfologi permukaan (Prihandoko, 2008). Gambar 3.4 Skema Scanning Elektron Microscope (SEM) (Triwibowo, 2011) Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS atau EDX atau EDAX) adalah salah satu teknik analisis untuk menentukan komposisi unsur sampel (Sudjadi, 2012). Karakterisasi ini bergantung pada penelitian dari interaksi beberapa eksitasi sinar X dengan spesimen. Kemampuan untuk mengkarakterisasi sejalan dengan sebagian besar prinsip dasar yang menyatakan bahwa setiap elemen memiliki struktur atom yang unik, dan merupakan ciri khas dari struktur atom suatu unsur, sehingga memungkinkan sinarx untuk mengidentifikasinya. Untuk merangsang emisi karakteristik sinar-x dari sebuah spesimen, sinar energi tinggi yang bermuatan partikel seperti elektron atau proton, atau berkas sinar X, difokuskan ke spesimen yang yang akan diteliti. Selanjutnya sebuah atom dalam spesimen yang mengandung elektron dasar di masingmasing tingkat energi atau kulit elektron terikat pada inti. Sinar yang dihasilkan dapat mengeksitasi elektron di kulit dalam dan mengeluarkannya dari kulit, sehingga terdapat lubang elektron di mana elektron itu berada sebelumnya. Sebuah elektron dari luar kulit yang berenergi lebih tinggi

13 29 kemudian mengisi lubang, dan perbedaan energi antara kulit yang berenergi lebih tinggi dengan kulit yang berenergi lebih rendah dapat dirilis dalam bentuk sinarx. Jumlah dan energi dari sinar-x yang dipancarkan dari spesimen dapat diukur oleh spektrometer energi-dispersif. Energi dari sinar X yang dihasilkan merupakan karakteristik dari perbedaan energi antara dua kulit, dan juga karakterisrtik struktur atom dari unsur yang terpancar, sehingga memungkinkan komposisi unsur dari spesimen dapat diukur Electrochemical Impedance Spectrometry (EIS) EIS (Electrochemical Impedance Spectrometry) adalah sebuah teknik analisis yang digunakan untuk mempelajari sifat elektrik dari sistem elektroda-elektrolit (Rochliadi,2002). EIS telah banyak digunakan secara luas dalam bidang elektrokimia seperti pelapisan material (coating), baterai, sel bahan bakar (fuel cell) dan lainnya. Impedansi adalah ukuran penolakan terhadap arus bolak balik, satuannya adalah ohm. Jumlah seluruh hambatan serta impedansi seluruh induktor dan kapasitor yang akan memberikan jumlah penolakan yang bervariasi terhadap arus tergantung pada perubahan arus. Impedansi di lambangkan dengan simbol Z dan memiliki satuan Ohm (Ω). Impedansi dapat mengukur impedansi rangkaian atau komponen elektrik apapun. Hasil pengukurannya akan memberi informasi seberapa besar rangkaian tersebut menghambat aliran elektron (arus). Ada dua variabel berbeda yang memperlambat laju arus, yaitu resistansi (R) atau hambatan adalah perlambatan arus yang disebabkan oleh bahan dan bentuk dari komponen. Variabel ini paling besar terdapat di resistor, meski seluruh komponen pasti memiliki setidaknya sedikit hambatan. Reaktansi (X) adalah perlambatan arus dikarenakan bidang elektrik dan magnetis yang menolak perubahan arus atau tegangan. Variabel reaktansi paling signifikan terhadap kapasitor dan induktor. Variabel resistansi dan reakstansi berkontribusi terhadap impedansi (Guntur, 2016). Perhitungan konduktifitas dilakukan dengan melakukan interpretasi dari ukuran busur. Dimana akan didapatkan nilai impedansi Rbahan dan Rion. Nilai Rbahan menunjukkan karakteristik dari bahan material yang bersifat ohmik, sementara Rion

14 30 menunjukkan karakteristik kualitatif dari transfer ion antar elektroda. Karakteristik Rbahan selalu nampak pada data berfrekuensi tinggi, sementara Rion teramati pada frekuensi rendah (Triwibowo, 2011). Untuk mendapatkan nilai Rtot, maka kita harus mendapatkan Z = 0 dengan cara melakukan ekstrapolasi membentuk setengah lingkaran seperti gambar diatas. Rtot merupakan penjumlahan dari Rbahan dan Rion. Dari nilai Z = Rtot ini, kita dapat menentukan konduktifitas bahan dengan menggunakan persamaan : R = ρ t A (3.1) dengan R = Resistivitas bahan (ohm) ρ = Hambatan jenis bahan (ohm.cm) t = Tebal bahan (cm) A = Luas penampang bahan (cm 2 ) G = Konduktansi Dikarenakan σ = 1/ ρ, maka rumus persamaan menjadi : σ = 1 = 1 AR = ρ t Atau σ = G t A t AR (3.2) (3.3) dengan : σ = Konduktifitas (Ω-1.cm-1) atau (S/cm).

15