BAB 1 PENDAHULUAN. Universitas Sumatera Utara

Transkripsi

1 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Energi adalah sumber kehidupan masyarakat modern. Pemanasan global, persediaan bahan bakar fosil dan polusi kota mendorong untuk menggunakan energi terbarukan (Tarascon,2010). Teknologi baterai canggih menjadi teknologi terbaik dengan upaya mengatasi dampak lingkungan yang berkelanjutan dan energi terbarukan di berbagai aplikasi dari perangkat portabel elektronik konsumen (misalnya, ponsel, komputer laptop) untuk kendaraan listrik dan penyimpanan listrik skala besar (Linden,2002). Ada kebutuhan mendesak untuk merancang sistem penyimpanan untuk menyeimbangkan pasokan dengan permintaan sebagai sumber terbarukan yang intermiten, dan untuk daya mendatang plug-in kendaraan hybrid listrik atau kendaraan listrik. Baterai dimanfaatkan untuk membuat sebuah proses kimia ireversibel yang berguna untuk satu kali penggunaan disebut baterai primer. Baterai ion sekunder dibangun pada proses reversibel agar setelah pengisian dapat digunakan kembali. Kereta listrik pertama, perahu listrik pertama dan lokomotif listrik pertama semua didukung oleh baterai. Antara 1832 dan 1839, kereta listrik pertama dibuat oleh Robert Anderson dari Skotlandia yang didukung oleh sel baterai. Perahu listrik pertama telah didemonstrasikan pada tahun 1839 oleh seorang insinyur Moritz von Jacobi di St. Petersburg, Rusia. Pada tahun 1842, Robert Davidson, seorang penemu Skotlandia, menggunakan baterai zinc-asam untuk mendorong lokomotif listrik pertama, Galvani, pada jalur rel Edinburgh-Glasgow. Mobil listrik pertama kali muncul pada tahun Satu-satunya peralatan listrik di atas kapal yang pertama yaitu kendaraan mesin pembakaran internal yang bertenaga sel primer kering atau 'dinamo starter' untuk kendaraan mesin. Penyimpanan baterai hanya digunakan untuk penerangan pada mobil-mobil mewah (R. H. Schallenberg, 1980). Pada tahun 1960, tegangan baterai dua kali lipat sampai 12 V (E. Meissner, 2001).

2 Baterai lithium pertama kali diusulkan pada tahun 1976 dan telah banyak diadopsi untuk elektronik portabel sejak awal 1990-an (Whittiangham,1976). Banyak kelompok penelitian telah dipelajari secara ekstensif untuk meningkatkan kinerja baterai sekunder lithium karena mereka akan menjadi sumber kekuatan utama dalam waktu dekat (G. G. Amatucci, 2001). Teknologi Li-ion adalah yang terbaik karena kepadatan energi yang tinggi (210 WhKg-1; 650Whl -1 ), melebihi teknologi apapun yang bersaing saat ini. Baterai ion lithium memiliki komponen yaitu material katoda, material anoda, elektrolit dan beberapa komponen (Y.I. Jang, 2002). Baterai ion lithium sekunder adalah energi alternatif baru yang diciptakan oleh Sony Energy Tek. sejak di impor pada tahun Baterai ion lithium sekunder memiliki energi yang tinggi, kepadatan daya, rentang temperatur yang lebar, siklus yang panjang dan dicsharge yang rendah. Baterai ion lithium sekunder dianggap sebagai yang paling potensial untuk menggantikan energi tradisional. Katoda berfungsi menerima ion lithium yang dihasilkan dari anoda dan diangkut melalui elektrolit selama discharge. Bahan katoda harus stabil, tapi tidak seperti baterai primer yang proses penerimaan lithiumnya bersifat irreversibel (Nordh.T, 2015 ). Karakteristik elektrolit mempengaruhi kinerja elektrokimia dan keselamatan untuk baterai ion lithium. Pemilihan elektrolit penting bagi desain baterai ion lithium. Sistem elektrolit cair yang utama digunakan dalam baterai lithium ion dan komponen adalah bahwa garam lithium ditambahkan dalam pelarut organik. Propilena karbonat (PC), etilen karbonat (EC), dietil karbonat (DEC), dimetil karbonat (DMC) dan tetrahidrofuran (THF) yang umum digunakan pelarut organik. (K. Xu, 2004). Anoda graphite terdiri dari lapisan karbon yang berfungsi sebagai konduktor listrik. Kapasitas teorinya adalah 372 mah/g. Grafit memiliki dua jenis yaitu grafit buatan dan grafit alam. Kapasitas tinggi pada grafit buatan dan grafit alam yaitu 310~320 mah/g dan 340~360 mah/g (Hsu, Lin, 2012). Namun, pada bahan anoda grafit hampir tidak dapat memenuhi persyaratan untuk aplikasi yang berkapasitas tinggi dan ada masalah keamanan karakterisitik (Tarascon, 2001). Graphite juga memiliki kekurangan saat digunakan pada charge/discharge tinggi

3 karena perubahan volumenya kecil pada saat proses tersebut. Dengan menggunakan metode solid elektronik integrasi maka akan timbul dendrit lithium sehingga dibuat Li 4 Ti 5 O 12 dan NaLiTi 3 O 7 sebagai pengganti grafit. Bahan Li 4 Ti 5 O 12 memiliki kapasitas (175 mah/g) dan kemampuan chargedischarge yang tinggi dan bebas dari dendrit lithium tapi memiliki kelemahan yang cukup besar, seperti rendah konduktivitas dan koefisien difusi. (Linden, 2002). Bahan NaLiTi 3 O 7 disintesis dengan metode solid state reaction dan digunakan sebagai bahan anoda pada baterai ion lithium. Suhu yang disintesis dapat diperoleh dengan membandingkan hasil elektrokimia yang diperoleh dari sampel yang berbeda. NaLiTi 3 O 7 mempunyai potensi sekitar 1,25 V dengan kapasitas teoritis sebesar 281 mah/g. NaLiTi 3 O 7 memiliki konduktifitas elektronik rendah ( S/cm). Tegangan kerja yang tinggi dapat diatasi dengan mengganti Li 4 Ti 5 O 12 dengan material sejenis yang memiliki potensial lebih rendah. Untuk mendapatkan material ini diperlukan berbandingan beberapa material baru yang masih tergolong pada golongan titanate (Wang, dkk, 2015). Pada pembuatan Li 4 Ti 5 O 12 menggunakan bahan baku LiOH.H 2 O dan TiO 2. Dan pembuatan NaLiTi 3 O 7 menggunakan bahan baku LiOH.H 2 O, TiO 2 dan Na 2 CO 3. TiO 2 china adalah bahan baku teknis. Oleh karena itu, pada penelitian ini akan dilakukan studi TiO 2 sebagai bahan pembentukan elektroda anoda berbasis titanate dalam aplikasi pada baterai ion lithium. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan uraian yang di atas dapat dirumuskan masalah dalam penelitian ini adalah apakah dengan bahan TiO 2 dapat digunakan sebagai bahan pembentukan elektroda anoda Li 4 Ti 5 O 12 dan NaLiTi 3 O 7 dalam aplikasi pada baterai ion lithium. 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Mempelajari proses pembentukan fasa Li 4 Ti 5 O 12 dan NaLiTi 3 O 7 dari bahan TiO 2 china. 2. Untuk mengetahui morfologi material aktif Li 4 Ti 5 O 12 dan NaLiTi 3 O 7 yang disintesis dengan bahan baku TiO 2.

4 3. Untuk mengetahui performa elektrokimia sel setengah baterai ion lithium dari kurva cyclic-voltammetry, charge-discharge, Electrochemical Impedance Spectroscopy. 1.4 Manfaat Penelitian Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan pemahaman bahwa bahan TiO 2 dapat diaplikasikan pada baterai ion litihum sebagai elektroda anoda. 1.5 Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini adalah : 1. Penelitian ini difokuskan pada pembuatan lembaran TiO 2, titanate : Li 4 Ti 5 O 12 dan NaLiTi 3 O Bahan baku yang digunakan adalah serbuk LiOH.H 2 O, TiO 2 dan NaCO Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini meliputi fasa, reaksi kimia karakterisasi morfologi, gugus fungisonal, kapasitas sel baterai dengan material anoda TiO 2, dan titanate (Li 4 Ti 5 O 12, NaLiTi 3 O 7 ). 1.6 Sistematika Penulisan Sistematika pada penulisan Skripsi ini mencakup beberapa bab dan subab seperti dijelskan dibawah ini: BAB 1 : Pendahuluan Bab ini terdiri atas latar belakang penelitian, rumusan masalah, tujuan masalah, manfaat penelitian, batasan masalah dalam penelitian, serta sistematika laporan penelitian. BAB 2 : Tinjauan Pustaka Bab ini berisi dasar-dasar teori yang terkait kajian dan analisa dalam penelitian, yakni teori baterai secara umum, baterai ion lithium, prinsip kerja, perkembangan katoda, perkembangan anoda seperti Li 4 Ti 5 O 12, NaLiTi 3 O 7, TiO 2

5 BAB 3 : Metodologi Penelitian Bab ini berisi tempat dan waktu penelitian, metode yang digunakan dalam penelitian meliputi bahan dan peralatan yang digunakan serta diagram alir penelitian. BAB 4 : Hasil dan pembahasan Bab ini mencakup pembahasan dari hasil penelitian berupa hasil fasa, karakteristik morfologi,cyclic voltammetry, charge/discharge dan Electrochemical Impedance Spectroscopy. BAB 5 : Kesimpulan dan saran Bab ini berisi kesimpulan yang diperoleh dari bab sebelumnya yaitu hasil dan pembahasan terkait tujuan dari penelitian. Dan juga saran yang diberikan untuk kajian lebih lanjut dari skripsi ini.