MATERIAL ANODA BATERAI ION-Li BERBASIS GRAFIT BEKAS BATERAI PRIMER DAN BERBASIS TiO2

Transkripsi

1 MATERIAL ANODA BATERAI ION-Li BERBASIS GRAFIT BEKAS BATERAI PRIMER DAN BERBASIS TiO2 Disusun Oleh ; NOSAFARMA MUDA PRAKARSA M SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains dalam bidang ilmu kimia FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Februari, 2015

2 HALAMAN PENGESAHAN Skripsi MATERIAL ANODA BATERAI ION-Li BERBASIS GRAFIT BEKAS BATERAI PRIMER DAN BERBASIS TiO2 NOSAFARMA MUDA PRAKARSA M Skripsi ini dibimbing oleh : Pembimbing I Pembimbing II Dr. rer. nat. Fajar Rakhman Wibowo., M.Si Dr. Fitria Rahmawati, M.Si NIP NIP Anggota Tim Penguji : Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada : Hari : Kamis Tanggal : 5 Februari Dr. Sayekti Wahyuningsih., M.Si 1. NIP Dr. rer. Nat Witri Wahyu Lestari., M.Sc 2. NIP Disahkan Oleh : Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta Ketua Jurusan Kimia, Dr. Eddy Heraldy, M.Si NIP ii

3 PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul MATERIAL ANODA BATERAI ION-Li BERBASIS GRAFIT BEKAS BATERAI PRIMER DAN BERBASIS TiO2 belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Surakarta, 3 Januari 2015 Nosafarma Muda Prakarsa iii

4 MATERIAL ANODA BATERAI ION Li BERBASIS GRAFIT BEKAS BATERAI PRIMER DAN BERBASIS TiO2 NOSAFARMA MUDA PRAKARSA Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret ABSTRAK Telah dilakukan penelitian tentang material anoda berbasis grafit bekas baterai primer dan TiO2. Litium titanat disintesis menggunakan metode solution synthetic. Sedangkan grafit bekas merupakan katoda dari baterai zink-karbon bekas. Material hasil sintesis dikarakterisasi menggunakan difraksi sinar-x untuk menentukan struktur kristal, analisa morfologi menggunakan scanning electron microscope (SEM), sedangkan kapasitas spesifik diperoleh melalui uji elektrokimia baterai. Data hasil analisis XRD digunakan pada analisis komputasi dengan metode density functional theory (DFT) dengan fungsi B3LYP yang selanjutnya dianalisis ikatannya dengan menggunakan natural bonding orbital (NBO). Pola difraksi XRD dari Li-TiO2 menunjukkan adanya kandungan TiO2 anatase dengan struktur kristal tetragonal. Selain itu juga terdapat kandungan senyawaan nonstoikiometrik Li0,026TiO2, Li0,54Ti2O6 dan Li0,74Ti3O6. Sedangkan pada grafit bekas menunjukkan adanya kandungan grafit, SO3 dan SiO2. Hasil uji kapasitas baterai dengan menggunakan Li-TiO2 sebagai anoda tidak didapatkan nilai discharge. Analisis komputasi mendapatkan bahwa pada Li0,026TiO2 ion Li sulit untuk berpindah pada saat proses charge-discharge karena banyak terdapat interaksi antar ikatan Li-Ti dan Li-O. Baterai ion litium dengan grafit bekas sebagai anoda memiliki kapasitas spesifik pada kisaran 158 hingga 128 Ah/g pada siklus pertama charge-discharge. Analisis komputasi pada interaksi Li-grafit menunjukkan bahwa ion-ion Li dapat bergerak atau bersifat mobile pada proses charge-discharge. Kata kunci : Li-TiO2, grafit bekas, material anoda, baterai ion Li iv

5 ANODE MATERIAL FOR Li-ION BATTERIES FROM WASTE GRAPHITE OF PRIMARY BATTERIES AND TiO2 NOSAFARMA MUDA PRAKARSA Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Natural Science Sebelas Maret University ABSTRACT The research of anode material from graphite waste of primary batteries and TiO2 has been done. Lithium titanate has been synthesized by solution synthetic method. Meanwhile, the anode graphite was taken from cathode of waste zinc-carbon primary batteries. The materials were characterized by X-Ray Diffraction (XRD) to determine its crystal structure. The morphological analysis was conducted by Scanning Electron Microscope (SEM). The specific capacity was tested through electrochemical battery analysis. The diffraction data was used for computation analysis with density functional theory (DFT) with B3LYP functional and analysis of atomic interaction by natural bonding orbital (NBO). The diffraction pattern of Li-TiO2 shows the presence of TiO2 anatase with tetragonal structure. In addition, the presence of nonstoichiometric phases of have Li0.026TiO2, Li0.54Ti2O6, Li0.74Ti3O6 are also found. Meanwhile, the diffraction pattern of waste graphite contain of graphite, SO3, and SiO2 peaks. Battery performance on Li-ion battery with Li-TiO2 as anode, did not result discharge values. Computational analysis confirms that in Li0,026TiO2 consist of many bounding between Li-Ti and Li-O and it caused Li ions could not migrate easily during charge-discharge process. Li ion graphite with waste graphite as anode shows specific capacity at around Ah/g at first charge-discharge cycle. Computational analysis on Li-graphite interaction shows that Li ions would have ability to be mobile during charge-discharge process. Keywords : Li-TiO2, waste graphite, anode material, Li-ion battery v

6 MOTTO Sesungguhnya sesudah kesulitan ada kemudahan. Maka apabila kamu telah selesai (urusan dunia), bersungguh-sungguhlah (dalam beribadah), dan hanya kepada Tuhanmulah kamu berharap (Q.S Al Insyirah: 6-8) Anda tidak bisa mengubah orang lain, Anda harus menjadi perubahan yang Anda harapkan dari orang lain (Mahatma Gandhi) Jadikanlah sabar dan sholat sebagai penolongmu. Sungguh, Allah bersama orang orang yang sabar (Q.S Al-Baqarah: 153) vi

7 PERSEMBAHAN Teriring syukur dalam sujudku kepada-mu atas terselesaikannya skripsi ini. Kupersembahkan skripsi ini kepada : Kedua orang tuaku yang selalu memberikan support dan doanya, Adikku paling nakal, Novandra Muda Syawalla, atas keceriaan dalam hari-hariku, Special one, Ilma Fadlilah, atas keceriaan, semangat, nasihat dan doa yang selalu menemani hari-hariku Para sahabat-sahabatku, yang selalu menemaniku... Keluarga RCM 2010 atas dukungan selama ini vii

8 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan ridho, rahmat serta hidayah-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul Material Anoda Baterai Ion Li Berbasis Grafit Bekas Baterai Primer Dan Berbasis TiO2 dapat diselesaikan berkat bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terimakasih kepada: 1. Prof. Ir. Ari Hamdono Ramelan, M.Sc. (Hons)., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret. 2. Dr. Eddy Heraldy, M.Si., selaku ketua jurusan KIMIA FMIPA UNS 3. Dr. rer. nat. Fajar Rakhman Wibowo., M.Si., selaku pembimbing I yang telah banyak memberikan waktu, masukan, dan ilmunya. 4. Dr. Fitria Rahmawati, M.Si., selaku pembimbing II yang telah banyak memberikan waktu, masukan, dan ilmunya. 5. Dr. Khoirina Dwi, M.Si., selaku pembimbing akademik yang telah memberikan banyak masukan dan nasihatnya. 6. Seluruh Dosen Kimia FMIPA UNS, atas ilmu serta ajaran hidup yang telah diberikan. 7. Seluruh Laboran Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret. 8. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, yang turut memberikan sumbangan baik moral maupun spiritual demi terselesaikannya skripsi ini. viii

9 Penulis menyadari bahwa skripsi ini tidak seluruhnya sempurna,untuk itu penulis dengan senang hati menerima kritik dan saran demi kesempurnaan karya ini.semoga skripsi ini dapat memberi manfaatbagi perkembangan ilmu pengetahuan. Akhir kata, penulis mohon maaf apabila ada kesalahan. Surakarta, Januari 2015 Penulis ix

10 DAFTAR ISI JUDUL... i HALAMAN PENGESAHAN... ii HALAMAN PERNYATAAN... iii HALAMAN ABSTRAK... iv HALAMAN ABSTRACT... v HALAMAN MOTTO... vi HALAMAN PERSEMBAHAN... vii KATA PENGANTAR... viii DAFTAR ISI... x DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR LAMPIRAN... xvi BAB I PENDAHULUAN... 1 A. Latar Belakang Masalah... 1 B. Perumusan Masalah Identifikasi Masalah Batasan Masalah Rumusan Masalah... 5 C. Tujuan Penelitian... 5 D. Manfaat Penelitian... 5 BAB II LANDASAN TEORI... 6 A. Tinjauan Pustaka Titanium dioksida (TiO2) Grafit Baterai ion litium Fenomena Interkalasi Doping Instrumen Analisis a. Difraksi Sinar X b. Metode Le Bail pada program rietica x

11 c. Uji Elektrokimia Density Functional Theory (DFT) Natural Bond Orbital (NBO) B. Kerangka Pemikiran C. Hipotesis BAB III METODOLOGI PENELITIAN A. Metode Penelitian B. Waktu dan Tempat Penelitian C. Alat dan Bahan Penelitian Alat Bahan D. Prosedur Penelitian Preparasi Grafit Preparasi Litium Titanat Fabrikasi Baterai Ion-Li Uji Elektrokimia Uji Analisa Komputasi a. Optimasi Lix-TiyOz, dan grafit bekas b. Analisa Interaksi Li-TiO2 dan Li-Grafit Karakterisasi E. Teknik Pengumpulan dan Analisa Data Pengumpulan Data Analisa Data BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. Preparasi Litium Titanat B. Fabrikasi Baterai Ion-Li C. Hasil Analisis Komputasi BAB V KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan B. Saran DAFTAR PUSTAKA xi

12 LAMPIRAN xii

13 DAFTAR TABEL Tabel 1. Data parameter sel dan struktur kristal dari serbuk TiO Tabel 2. Data parameter sel dan struktur kristal dari Li-TiO Tabel 3. Data parameter sel dan struktur kristal dari grafit bekas Tabel 4. Data hasil analisis NBO pada Li0,026TiO Tabel 5. Data hasil analisis NBO pada Li0,74Ti3O Tabel 6. Data hasil analisis NBO pada Li0,54Ti2O Tabel 7. Data parameter sel dan struktur kristal dari Li-grafit Tabel 8. Data hasil analisis NBO pada Li2C2 ICSD# Tabel 9. Data hasil analisis NBO pada Li2C2 ICSD# xiii

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Struktur kristal anatase dan rutil titanium dioksida... 7 Gambar 2. Struktur grafit... 8 Gambar 3. Pola difraksi grafit bekas baterai primer zinc-karbon... 8 Gambar 4. Proses interkalasi dalam baterai litium Gambar 5.Tiga model host dari bahan katoda dan anoda Gambar 6. Struktur kristal dari Li4Ti5O Gambar 7. Skema proses interkalasi litium kedalam grafit Gambar 8. Pola difraksi sinar X TiO2 dengan berbagai perlakuan Gambar 9. Kurva charge-discharge dari Li4Ti5O12 dengan tegangan 1-2,5V Gambar 10. Foto hasil interkalasi litium kedalam TiO Gambar 11. Perbandingan pola difraksi sinar X dari campuran prekursor Li dan TiO2 dengan pola difraksi serbuk TiO2 anatase, standar TiO2 anatase dan TiO2 rutil Gambar 12. Hasil refinement data difraksi sinar X dari serbuk TiO2 dengan memasukkan 1 fasa yaitu fasa TiO2 anatase Gambar 13. Struktur kristal anatase (tetragonal) Gambar 14. Hasil refinement data difraksi sinar X dari hasil sintesis Li-TiO2 dengan memasukkan 4 fasa yaitu fasa TiO2 anatase, Li0,026TiO2, Li0,54Ti2O6 dan Li0,74Ti3O Gambar 15. Struktur Kristal Li0,026TiO2 (a), Li0,54Ti2O6 (b) dan Li0,74Ti3O6 (c) Gambar 16. Perbandingan pola difraksi sinar X dari grafit bekas dengan pola difraksi grafit #ICSD (Rahmawati et al., 2014) Gambar 17. Hasil refinement data difraksi sinar X dari hasil grafit bekas dengan memasukkan 5 fasa yaitu fasa grafit ICSD # , SiO2 #ICSD ,77463, dan SO3 #ICSD Gambar 18. Struktur kristal grafit (a), SO3 #ICSD (b), SiO2 #ICSD (c), SiO2 #ICSD (d), dan SiO2 #ICSD (e) Gambar 19. Morfologi sampel (a) Li-TiO2 dan (b) TiO2 anatase dengan perbesaran kali xiv

15 Gambar 20. Morfologi sampel grafit bekas dengan perbesaran kali Gambar 21. Foto proses doctor blade dengan ketebalan 100 μm Gambar 22. Foto hasil pemotongan sampel dengan diameter 2 cm menggunakan alat disc cutting Gambar 23. Desain rangkaian split flat cell Gambar 24. Grafik charge-discharge baterai ion-li dengan grafit bekas sebagai Anoda (Rahmawati et al., 2014) Gambar 25. Grafik charge-discharge baterai ion-li dengan TiO2 anatase sebagai anoda Gambar 26. Grafik charge-discharge baterai ion-li dengan Li-TiO2 sebagai anoda Gambar 27. Struktur senyawa Li0,026TiO2(a), Li0,74Ti3O6(b) dan Li0,54Ti2O6 (c) hasil analisa NBO Gambar 28. Perbandingan pola difraksi sinar X dari Li-grafit dengan pola difraksi grafit, Li2C2 #ICSD 89535, Li2C2 #ICSD dan SiO2 #ICSD Gambar 29. Hasil refinement data difraksi sinar X dari hasil Li-grafit dengan memasukkan 4 fasa yaitu fasa grafit, Li2C2 #ICSD 89535,89536 dan SiO2 #ICSD Gambar 30. Struktur senyawa Li2C2 ICSD# (a) dan Li2C2 ICSD# (b) hasil analisa NBO xv

16 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Bagan Prosedur Kerja Lampiran 2. Grafik Pola Difraksi Sinar-X TiO2 anatase, litium titanat dan grafit Bekas Lampiran 3. Grafik Pola Difraksi Standar ICSD xvi