PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li 4 Ti 5 O 12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM

Transkripsi

1 PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li 4 Ti 5 O 12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM SKRIPSI MIA AULIA DHIKA DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016

2 PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li 4 Ti 5 O 12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM SKRIPSI Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains MIA AULIA DHIKA DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016

3 LEMBAR PENGESAHAN PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li 4 Ti 5 O 12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM OLEH: Mia Aulia Dhika NIM: Disetujui Oleh: Komisi Pembimbing Dr. Kerista Sebayang, M.S Slamet Priyono, S.Si, M.T NIP: NIP: DiketahuiOleh: Departemen Fisika FMIPA USU Ketua, Pusat Penelitian Fisika-LIPI Kepala, Dr. Marhaposan Situmoran Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng. NIP: NIP:

4 PERSETUJUAN Judul : Pembuatan Material Anoda Lithium Titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) dan Studi Pengaruh Ketebalan Elektroda Terhadap Performa Elektrokimia Baterai Ion Lithium Kategori : Skripsi Nama : Mia Aulia Dhika Nomor Induk Mahasiswa : Program Studi : Sarjana (S1) Fisika Departemen : Fisika Fakultas : Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Disetujui di: Medan, Mei 2016 Disetujui Oleh: Pembimbing 1, Pembimbing 2, Dr. Kerista Sebayang, M.S Slamet PriyonoS.Si, M.T. NIP: NIP: Departemen Fisika FMIPA USU Ketua Dr. Marhaposan Situmorang NIP:

5 PERNYATAAN PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li 4 Ti 5 O 12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM SKRIPSI Saya mengaku bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya. Medan, Juli 2016 MIA AULIA DHIKA

6 PENGHARGAAN Syukur alhamdulillah, puji syukur kepada Allah SWT, yang telah memberikan rahmat, dan karunia-nya dan Bimbingan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul Pembuatan Material Anoda Lithium Titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) dan Studi Pengaruh Ketebalan Elektroda Terhadap Performa Elektrokimia Baterai Ion Lithium. Tugas Akhir merupakan salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar sarjana pada Fakultas Mtarematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Penelitian ini dilaksanakan di Pusat Penelitian Fisika (P2F) Lembaga Ilmu Penelitian Indonesia (LIPI) Serpong, Tangerang Selatan, Banten. Penulis menyadari bahwa selama proses hingga akhir penyusunan skripsi ini banyak sekali bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Dengan segala kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan banyak terima kasih kepada : 1. Dr. Kerista Sebayang M.S sebagai Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,. 2. Dr. Marhaposan Situmorang sebagai Ketua Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara, Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc sebagai Sekretaris Departemen Fisika, dan seluruh Staf Pengajar serta Pegawai Administrasi di Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan pendidikan dan fasilitas selama perkuliahan. 3. Dr. Kerista Sebayang M.S sebagai sebagai Dosen Pembimbing di yang telah membimbing dan memberikan arahan kepada penulis. Kepada dosen-dosen penguji Dr. Diana Alemin Barus, M.Sc, Dra. Manis Sembiring, MS dan Drs. Fauzi, MS yang telah banyak memberikan saran dan masukan serta membimbing penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 4. Slamet Priyono, S.Si. M.T dan Achmad Subhan, M.T sebagai Dosen Pembimbing di Pusat Penelitian Fisika LIPI yang telah memberikan

7 pengetahuan dan semangat serta sabar membimbing dalam menyelesaikan skripsi ini, dan Dosen-Dosen Pembimbing lapangan dan Staf Pegawai di bagian baterai Pak Ibrahim, Pak Fadhil, Pak Majid dan Mas Edi yang banyak membantu dan memberikan saran dalam proses penelitian di P2F LIPI. 5. Kedua orang tua tercinta Bapak Budiono, S.E dan Ibu Dra. Erlina Sembiring, Kakak Mila Dhita, S.E, Abang Samudra Prasetya, Adik Dhandy Erlangga, dan orang spesial Arif Zulfadly Silaen, Amd yang senantiasa memberikan doa, nasehat, dukungan dan perhatiannya. 6. Sahabat terbaik saya Sri Hany yang senantiasa mendengar curhatan, memberikan nasehat dan perhatiannya selama menyelesaikan skripsi ini. 7. Teman-teman seperjuangan : Sulistra Simamora, Riris Julita Tambunan, Santa Simanjuntak, Marta M Nainggolan, Cut Hani Safira (bunda) dan Fitry Silaban. Terima kasih atas kebersamaan yang diberikan baik dalam suka maupun duka selama menjalani penelitian. 8. Teman-teman seperjuangan di bagian baterai selama di Pusat Penelitian Fisika LIPI yang telah membantu peneliti dalam menjalani penelitian : Giassanistya Fadillah Marpaung, Andi Mulya, Elisabeth Sinaga, dan Kana Cicik Mahmudah. 9. Sahabat-sahabat terbaik Fisika stambuk 2012 (Physics On Fire) dan keluarga besar Ikatan Mahasiswa Fisika (IMF). Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun untuk menyempurnakan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat memberi manfaat bagi orang yang membacanya. Medan, Juli 2016 Penulis

8 PEMBUATAN MATERIAL ANODA LITHIUM TITANATE (Li 4 Ti 5 O 12 ) DAN STUDI PENGARUH KETEBALAN ELEKTRODA TERHADAP PERFORMA ELEKTROKIMIA BATERAI ION LITHIUM ABSTRAK Telah dilakukan pembuatan serbuk Li 4 Ti 5 O 12 dan studi pengaruh ketebalan terhadap performa elektrokimia baterai ion lithium. Li 4 Ti 5 O 12 disintesis dari bahan baku LiOH.H 2 O dan TiO 2 dengan metode metalurgi serbuk. Lembaran elektroda dibuat dengan mencampurkan serbuk Li 4 Ti 5 O 12 dengan PVDF, AB serta pelarut N- N,DMAC hingga menjadi lumpur dan dilapiskan pada Cu foil dengan variasi ketebalan 50 μm, 80 μm, dan 120 μm. Dari lembaran tersebut dibuat baterai setengah sel dengan menggunakan elektroda referensi metalik lithium dan elektrolit LiPF 6. Karakterisasi yang dilakukan meliputi X-Ray Diffraction (XRD) untuk mengetahui struktur kristal dan fasa serbuk dan performa setangah sel baterai dilakukan dengan uji Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), Cyclic Voltammetry (CV) dan Charge/Discharge (CD). Dari hasil pengujian XRD menunjukkan ada dua fasa yang terbentuk, yaitu fasa Li 4 Ti 5 O 12 sebesar 77,3 % dengan struktur kristal cubic dan fasa TiO 2 rutile sebesar 22,7 % dengan struktur kristal tetragonal. Hasil konduktivitas yang tertinggi pada lembaran anoda dengan menggunakan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) adalah 3,66 x 10-5 S/cm pada ketebalan 50 μm. Hasil CV menunjukkan semakin tipis lembaran anoda maka semakin cepat interkalasi dan de-interkalasi. Sedangkan, hasil CD menunjukkan bahwa ketebalan lapisan mempengaruhi nilai kapasitas spesifik, semakin tebal lapisan semakin menurun nilai kapasitas spesifiknya. Kapasitas sel baterai yang baik diperoleh pada ketebalan lapisan 50 μm, dengan kapasitas charge sebesar 146,6 mah/g dan kapasitas discharge sebesar 146,09 mah/g. Kata Kunci : Anoda, Lithium titanate, Ketebalan elektroda, Performa elektrokimia

9 SYNTHESIS OF Li 4 Ti 5 O 12 ANODE AND STUDY OF ELECTRODE THICKNESS EFFECTON THE ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE OF LITHIUM ION BATTERY. ABSTRACT The synthesis of Li 4 Ti 5 O 12 and the study of electrode thickness effect on the electrochemical performance of lithium ion batteries has been carried out. Li 4 Ti 5 O 12 powders were synthesized from raw materials LiOH.H 2 O and TiO 2 via powder metallurgy method. Electrode sheet was made by mixed Li 4 Ti 5 O 12 powders with PVDF, AB and NN,DMAC solvents become sluury and coated into sheet on the Cu foil with variations in the thickness of 50μm, 80μm, and 120 μm. The electrode sheet was assembled into half-cell battery using a coin cell with metallic lithium as reference electrode and LiFP 6 as electrolyte. Characterization included X-Ray Diffraction (XRD) to know crystal structure and phases, while elctrochemical performances were conducted by Electrochemical Impedance Spectroscop (EIS), Cyclic Voltammetry (CV) and Charge/Discharge (CD). XRD test showed that there are two phases formed, namely Li 4 Ti 5 O 12 with cubic structure at 77.3% and rutile TiO 2 with tetragonal crystal structure at 22.7%. EIS test showed that the highest conductivity of anode sheet is 3.66 x 10-5 S/cm at a thickness of 50 μm. While, CV results showed that thicker electrode sheet will increase intercalation and de-intercalation. From CD test showed that the layer thickness affects the value of the specific capacity, the thicker of electrode layer will decreases the value of specific capacity. The best capacity of battery cells are obtained in a layer thickness of 50 μm, with a charge capacity of mah/g and the discharge capacity of mah/g. Keywords: Anode, Li 4 Ti 5 O 12, Electrode thichness, Electrochemical performance

10 DAFTAR ISI Lembar Pengesahan Persetujuan Pernyataan Penghargaan Abstrak Abstract Daftar Isi Daftar Tabel Daftar Gambar Daftar Lampiran Halaman i ii iii iv vi vii viii x xi xii BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Batasan Masalah Sistematika Penulisan 5 BAB2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Baterai Jenis-jenis Baterai Baterai Ion Lithium Material Anoda Elektrolit Separator Bahan Baku Pembuatan Lembaran Anoda LiOH.H 2 O TiO 2 (Titanium Dioksida) Komponen Tambahan Penyusun Anoda Baterai Polyvinylidene Fluoride (PVDF) Acetylene Black (AB) Pelarut N,N DMAC (N,NDimethyl-Acetamide ) Lithium Titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) Karakterisasi Sel Baterai X-ray Diffraction (XRD) Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) Cyclic Voltammetry (CV) Charge-Discharge (CD) 16

11 BAB3 METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat danwaktu Penelitian Bahan dan Peralatan Penelitian Bahan Penelitian Peralatan Penelitian Perhitungan Massa Bahan Tahapan Penelitian Proses Pembuatan Serbuk Li 4 Ti 5 O Pembuatan Lembaran Anoda Li 4 Ti 5 O Prosedur Penelitian Proses Pembuatan Serbuk Li 4 Ti 5 O Pembuatan Lembaran AnodaLi 4 Ti 5 O BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 X-ray Diffraction (XRD) terhadap Material Aktif Elektroda Sampel Serbuk Li 4 Ti 5 O Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) Hasil Pengukuran Konduktivitas listrik pada lembaran anoda Hasil Pengukuran Konduktivitas Sel Setengah Baterai Cyclic Voltammetry (CV) Charge/Discharge (CD) Perbandingan Hasil Pengujian Terkait Dengan Penelitian 36 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Saran 38 DAFTAR PUSTAKA 38

12 DAFTAR TABEL Nomor Tabel Judul Halaman 2.1 Perbandingan baterai ion lithium dengan baterai 8 sekunder lainnya 2.2 Jenis separator (pemisah) dalam berbagai jenis baterai 11 ion lithium 3.1 Perbandingan bahan baku pembuatan serbuk Li 4 Ti 5 O Perbandingan bahan baku pembuatan lembaran Li 4 Ti 5 O Parameter Kisi Serbuk Li 4 Ti 5 O 12 Hasil Pembacaan Software PDXL 4.2 Hasil Perhitungan Konduktivitas ionik pada lembaran Li 4 Ti 5 O Data kapasitas spesifik dan tegangan polarisasi pada lembaran Li 4 Ti 5 O 12 Data hasil analisis Charge/Discharge pada Li 4 Ti 5 O 12 Perbandingan beberapa pengujian mengenai sintesis Li 4 Ti 5 O

13 DAFTAR GAMBAR Nomor Gambar Judul Halaman 2.1 Proses interkalasi pada baterai ion lithium saat charge-discharge 2.2 Voltamogram siklik reaksi reduksi-oksidasi secara reversible 4.1 Hasil lembaran anoda Li 4 Ti 5 O 12 pada sampel M-1, M-2, M-3 dan M Grafik hasil Analisis XRD Serbuk Li 4 Ti 5 O 12 (a) Analisis fasa yang terbentuk (b) Analisis bidang kristal 4.3 Grafik hasil pengukuran konduktivitas listrik pada lembaran anoda Li 4 Ti 5 O 12 pada ketebalan M-1 (50 μm), M-2 (80 μm) dan M-4 (120 μm) 4.4 Grafik EIS dari serbuk Li 4 Ti 5 O 12 pada sampel M-1, M-2 dan M Grafik siklik voltametri Li 4 Ti 5 O 12 pada sampel M-1, M-2 dan M Grafik hasil charge/discharge pada sampel M-1, M-2 dan M Grafik pengaruh ketebalan lapisan terhadap energi density 4.8 Grafik pengaruh ketebalan lapisan terhadap power density

14 DAFTAR LAMPIRAN Nomor Lampiran Judul Halaman Perbandingan komposisi bahan Li 4 Ti 5 O 12 : PVDF : AB Perhitungan Massa Bahan Li 4 Ti 5 O 12 Menghitung Nilai Konduktivitas Sel Baterai Menghitung Energy Density Menghitung Power Density Gambar Bahan Gambar Peralatan Alat-alat Karakterisasi Analisis XRD Analisis EIS L1 L2 L3 L4 L5