SINTESIS MATERIAL AKTIF KATODA LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 DENGAN VARIASI PELAPISAN CARBON DARI TAPIOKA SKRIPSI SRI RAKHMAWATI

Transkripsi

1 SINTESIS MATERIAL AKTIF KATODA LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 DENGAN VARIASI PELAPISAN CARBON DARI TAPIOKA SKRIPSI SRI RAKHMAWATI DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015

2 SINTESIS MATERIAL AKTIF KATODA LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 DENGAN VARIASI PELAPISAN CARBON DARI TAPIOKA SKRIPSI Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains SRI RAKHMAWATI DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015

3 PERNYATAAN SINTESIS MATERIAL AKTIF KATODA LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 DENGAN VARIASI PELAPISAN CARBON DARI TAPIOKA SKRIPSI Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya. Medan, Juni 2015 Sri Rakhmawati

4 PENGHARGAAN Alhamdulillah, puji syukur hanyalah bagi Allah SWT, karena atas limpahan rahmat, taufik dan hidayah-nya penulis mampu menyelesaikan skripsi ini guna memperoleh gelar Sarjana Sains pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam yang berjudul Sintesis Material Aktif Katoda LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 dengan Variasi Pelapisan Carbon dari Tapioka. Salawat beriring salam teruntuk Nabi besar Muhammad SAW yang menjadi teladan dalam menjalani kehidupan. Penulisan skripsi ini dapat diselesaikan berkat bantuan tenaga, pikiran, sarana, dan dana dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati, penulis mengucapkan terimakasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada: 1. Dr. Marhaposan Situmorang selaku Ketua Departemen Fisika Universitas Sumatera Utara, Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc. selaku Sekertaris Departemen Fisika, dan seluruh staf pengajar beserta pegawai administrasi di Departemen Fisika yang telah memberikan fasilitas kepada penulis selama perkuliahan. 2. Drs. Aditia Warman, M.Si. selaku dosen pembimbing I, Dr. Ir. Bambang Prihandoko, M.T. selaku dosen pembimbing II, Dr. Anwar Dharma S., MS, Awan Maghfirah, S.Si. M.Si, dan Dr. Kerista Sebayang, MS selaku dosen penguji yang telah memberikan kritik, saran, dan arahan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 3. Kedua orangtua Bapak Maksum dan Ibu Murni, Bang Ipul, Bang Raja dan Adek Siti serta seluruh keluarga yang selalu memberikan dukungan moral, materi dan spiritual kepada penulis. 4. Para peneliti di GrupBaterai Lithium LIPI Pak Slamet, Pak Ibrahim, Pak Joko, Pak Madjid, Pak Fadli dan KakRheiza yang telah memberikan banyak bantuan kepada penulis.

5 5. Teman-teman seperjuangan Leni Daulay, Wiriya Sasmita, Elmariska Khairani, Khairani Nasution, Suci Purnama Sari, Meilia Krisanti, Yuni Aulia Umi, Kartika Sari, Shelly Maharani, Tri Mala Sari dan seluruh Fisika angkatan 2011 yang selalu memberikan support dan dukungan kepada penulis. 6. Asisten Lab. Fisika Inti Andrian Anshari, Sri Handika Pratiwi, Tri Mala Sari, dan Prahmadyana yang telah memberikan banyak masukan kepada penulis. 7. Adek kost 25 Jl. Pembangunan USU Khalizah, Nurul Hidayah, Wenny Flora Juliani, Leli Yani, Tiya Maulindrianti yang telah menyemangati penulis dalam menyelesaikan skripsi. Penulis berharap tulisan ini dapat member manfaat kepada pengembangan ilmu pengetahuan khususnya Baterai Lithium. Medan, Juli 2015 Penulis Sri Rakhmawati

6 SINTESIS MATERIAL AKTIF KATODA LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 DENGAN VARIASI PELAPISAN CARBON DARI TAPIOKA ABSTRAK Sintesis material aktif katoda LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 /C dengan metode metalurgi serbuk dan pirolisis telah dilakukan. Bahan dasar yang digunakan adalah serbuk LiOH.H 2 O sebagai sumber ion Li, Fe 2 O 3 sebagai sumber Fe, Ni sebagai sumber Ni, tapioka sebagai sumber karbon dan larutan H 3 PO 4 sebagai sumber PO 4. Pada penelitian ini digunakan variasi komposisi tapioka dengan material aktif yaitu 1:4, 1:5, dan 1:6. Karakterisasi dilakukan dengan menggunakan pengujian X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), dan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). Hasil analisa menunjukkan masing-masing komposisi memiliki konduktifitas sebesar 0,01x10-3 S/cm untuk komposisi 1:4, 4,44x10-3 S/cm untuk komposisi 1:5 dan 1,51x10-3 S/cm untuk komposisi 1:6. Komposisi optimum berada pada komposisi 1:5. Karena dengan karbon yang cukup komposisi tersebut memiliki bidang kristal yang teratur dan juga memiliki banyak pori-pori sehingga ion lithium akan dengan mudah berdifusi dan menghasilkan konduktifitas yang cukup tinggi. Kata kunci : katoda LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 /C, komposisi, tapioka, konduktifitas

7 SYNTHESIS ACTIVE MATERIAL CATHODE LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 THE VARIATION CARBON COATING OF TAPIOCA ABSTRACT Synthesis active material cathode LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 /C with solid state methode and pyrolysis has been done. The base materials used is powder LiOH.H 2 O as Li-ion source, Fe 2 O 3 as Fe source, Ni as Ni source, H 3 PO 4 solution as PO 4 source and tapioca powder as carbon source. In this observation used variation of tapioca composition with active materials 1:4, 1:5, and 1:6. Characterization using X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), dan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). This analysis result indicate each composition has a conductivity of 0,01x10-3 S/cm for composition 1:4, 4,44x10-3 S/cm for composition 1:5 and 1,51x10-3 S/cm for composition 1:6. The optimum composition is the composition of 1:5. Because with enough carbon composition has a regular crystal area, and also has many pores so that the lithium ions would easily diffuse and result high conductivity. Keyword : chatode LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 /C, composition, tapioca, conductivity

8 DAFTAR ISI Pengesahan Pernyataan Penghargaan Abstrak Abstract Daftar Isi Daftar Tabel Daftar Gambar Daftar Grafik Daftar Lampiran Halaman i ii iii v vi vii ix x xi xii BAB 1. Pendahuluan Latar Belakang Rumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan 4 BAB 2. Tinjauan Pustaka Baterai Jenis-Jenis Baterai Baterai Ion Lithium Material Katoda Lithium Ferro Phosphate (LiFePO 4 ) Lithium Nickel Phosphate (LiNiPO4) Pelapisan Carbon dengan Tapioka Metode Pembuatan Metalurgi Serbuk Metode Pirolisis Karakterisasi Sampel X-Ray Diffraction(XRD) Scanning Electron Microscopy (SEM) Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) 13 BAB 3. Metodologi Penelitian Waktu dan Tempat Penelitian Peralatan dan Bahan Peralatan dan Fungsi 15

9 3.2.2 Bahan dan Fungsi Diagram Alir Penelitian Sintesis Serbuk LiFe 0.9 Ni 0.1 PO Pelapisan Carbon dengan Tapioka Prosedur Penelitian Sintesis Serbuk LiFe 0.9 Ni 0.1 PO Pelapisan Carbon dengan Tapioka BAB 4. Hasil dan Pembahasan Analisa Fasa dan Struktur dengan XRD Sampel LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 /C (1:4) Sampel LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:5) Sampel LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:6) Analisa Morfologi dengan SEM Sampel LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 /C (1:4) Sampel LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:5) Sampel LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:6) Analisa Konduktivitas dengan EIS Sampel LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 /C (1:4) Sampel LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:5) Sampel LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:6) 34 BAB 5. Kesimpulan dan Saran Kesimpulan Saran 38 Dafar Pustaka 39

10 DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman Tabel Tabel 3.1 Komposisi Bahan Baku 19 Tabel 3.2 Perbandingan Komposisi Bahan 21 Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Konduktivitas Sampel 1 33 Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Konduktivitas Sampel 2 34 Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Konduktivitas Sampel 3 35 Tabel 4.4 Nilai Konduktivitas dan Perbandingan Komposisi Tiap Sampel 36

11 DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman Gambar Gambar 2.1 Proses Interkalasi pada Baterai Ion Lithium saat Charge dan 6 Discharge Gambar 2.2 Tiga Model Host dari Bahan Katoda dan Anoda 7 Gambar 2.3 Struktur Host Olivin dari Material Katoda LiFePO 4 8 Gambar 2.4 Sinyal-Sinyal dalam SEM 12 Gambar 3.1 Diagram Alir Sintesis Serbuk LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 17 Gambar 3.2 Diagram Alir Pelapisan Carbon dengan Tapioka 18 Gambar 4.1 Struktur Mikro dari Permukaan Serbuk LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 /C (1:4) 27 Gambar 4.2 Hasil Mapping LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:4) 27 Gambar 4.3 Hasil SEM Serbuk LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:4) dengan Perbesaran X Gambar 4.4 Struktur Mikro dari Permukaan Serbuk LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 /C (1:5) 29 Gambar 4.5 Hasil Mapping LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:5) 29 Gambar 4.6 Hasil SEM Serbuk LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:5) dengan Perbesaran X Gambar 4.7 Struktur Mikro dari Permukaan Serbuk LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 /C (1:6) 31 Gambar 4.8 Hasil Mapping LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:6) 31 Gambar 4.9 Hasil SEM Serbuk LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:6) dengan Perbesaran X

12 DAFTAR GRAFIK Nomor Judul Halaman Grafik Grafik 2.1 Hasil Pengukuran Impedansi Komponen Sel 13 Grafik 4.1 Hasil XRD Sampel LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 /C (1:4) 22 Grafik 4.2 Hasil XRD Sampel LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:5) 23 Grafik 4.3 Hasil XRD Sampel LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:6) 24 Grafik 4.4 Hasil XRD a. LiFePO4, b. 1:4, c. 1:5, d. 1:6 25 Grafik 4.5 Hasil XRD yang Telah Diplot Pada Puncak Tertinggi 26 Grafik 4.6 Hasil Uji Konduktivitas Sampel LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 /C (1:4) 33 Grafik 4.7 Hasil Uji Konduktivitas Sampel LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:5) 34 Grafik 4.8 Hasil Uji Konduktivitas Sampel LiFe0.9Ni 0.1 PO 4 /C (1:6) 35 Grafik 4.9 Konduktivitas vs Perbandingan Komposisi 36

13 DAFTAR LAMPIRAN Nomor Lampiran Judul Halaman LAMPIRAN A Bahan-bahan Penelitian 41 LAMPIRAN B Alat-alat Proses Penelitian 42 LAMPIRAN C Alat-alat Karakterisasi Penelitian 44 LAMPIRAN D Proses Pembuatan Sampel 45 LAMPIRAN E Perhitungan Stoikiometri LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 50 LAMPIRAN F Perhitungan Konduktivitas Tiap Sampel 52 LAMPIRAN G Hasil Uji XRD 55