FABRIKASI LITHIUM IRON PHOSPHATE CARBON SEBAGAI MATERIAL KATODA BATERAI LITHIUM ION TESIS Disusun untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Magister Program Studi Teknik Mesin Dosen Pembimbing Dosen Pembimbing I : Prof. Muhammad Nizam, S.T., M.T., Ph.D. II : Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T. Oleh: EDY SURYONO NIM. S951208004 MAGISTER TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS SEBELAS MARET 2015
HALAMAN PENGESAHAN FABRIKASI LITHIUM IRON PHOSPHATE CARBON SEBAGAI MATERIAL KATODA BATERAI LITHIUM ION TESIS Disusun oleh: EDY SURYONO NIM. S951208004 Komisi Pembimbing Pembimbing I Pembimbing II Nama Tanda Tangan Tanggal Prof. Muhammad Nizam, S.T., M.T., Ph.D. NIP. 197007201999031001 Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T. NIP. 197504111999031001 Telah dinyatakan memenuhi syarat pada tanggal 2015 Ketua Program Studi Magister Teknik Mesin Program Pascasarjana UNS Dr. Triyono, S.T., M.T. NIP 197406251999031002
FABRIKASI LITHIUM IRON PHOSPHATE CARBON SEBAGAI MATERIAL KATODA BATERAI LITHIUM ION TESIS Disusun oleh: EDY SURYONO NIM. S951208004 Tim Penguji Jabatan Nama Tanda Tangan Tanggal Ketua Sekretaris Inayati, ST., MT., Ph.D NIP. 197108291999032001 Dr. Miftahul Anwar, S.Si., M.Eng. NIP. 1983032420130201 Anggota Penguji Prof. Muhammad Nizam, Ph. D. NIP. 197007201999031001 Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T. NIP. 197504111999031001 Telah dipertahankan di depan penguji dan dinyatakan telah memenuhi syarat pada tanggal 2015 Direktur Program Pascasarjana UNS Ketua Program Studi Magister Teknik Mesin Prof. Dr. M. Furqon Hidayatullah, M.Pd NIP 196007271987021001 Dr. Triyono, S.T., M.T. NIP 197406251999031002
PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS Saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa : 1. Tesis yang berjudul : FABRIKASI LITHIUM IRON PHOSPHATE CARBON SEBAGAI MATERIAL KATODA BATERAI LITHIUM ION ini adalah karya penelitian saya sendiri dan bebas plagiat, serta tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk rnernperoleh gelar akademik serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain kecuali secara tertulis digunakan sebagai acuan dalam naskah ini dan disebutkan dalam sumber acuan serta daftar pustaka. Apabila di kemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai ketentuan peraturan perundangundangan (Permendiknas No 17, tahun 2010) 2. Publikasi sebagian atau keseluruhan isi tesis pada jurnal atau forum ilmiah lain harus seijin dan menyertakan tim pembimbing sebagai authors dan PPs UNS sebagai institusinya. Apabila dalam waktu sekurang-kurangnya satu semester (enam bulan sejak pengesahan tesis) saya tidak melakukan publikasi dari sebagian atau keseluruhan tesis ini, maka Prodi Magister Teknik Mesin UNS berhak mempublikasikannya pada jurnal ilmiah yang diterbitkan oleh Prodi Magister Teknik Mesin UNS. Apabila saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang berlaku. Surakarta, Juni 2015 Mahasiswa, Edy Suryono S951208004
Edy Suryono, NIM: S951208004, 2015. FABRIKASI LITHIUM IRON PHOSPHATE CARBON SEBAGAI MATERIAL KATODA BATERAI LITHIUM ION. Komisi Pembimbing I: Prof. Muhammad Nizam, Ph. D. Pembimbing II: Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T. Tesis Program Studi Magister Teknik Mesin. Program Pasca Sarjana. Universitas Sebelas Maret Surakarta. Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk membuat partikel LiFePO 4 /C dengan rasio konsentrasi mol antara Fe dan P sebesar 1:1, 1:1,1., 1:1,2., dan 1:1,3. Sintesis partikel FePO dengan bahan FeSO 4.7H 2 O dan (NH 4 ) 2 HPO 4 menggunakan metode flame assisted spray pyrolysis dengan pelarut HNO 3 1M. LiFePO 4 /C didapat dengan metode solid state reaction menggunakan ratio perbandingan berat antara FePOxH 2 O dan HLiO.H 2 O 1:1, ditambah glukosa sebesar 30 % sebagai sumber karbon, yang diikuti dengan proses annealing pada suhu 700 0 C selama 16 jam. Karakterisasi partikel LiFePO 4 digunakan untuk mengetahui ukuran dari partikel dan kristal LiFePO 4 /C yaitu dengan scanning electron microscopy (SEM) dan X-Ray diffractometer (XRD). Fabrikasi baterai lithium ion berbentuk silinder terdiri dari katoda, anoda, separator, elektrolit, case dan bagian penutup. Pengujian performa baterai dilakukan dengan BST8 SERIES Battery Analyzer yaitu berupa kapasitas charge dan discharge serta efisiensi. Dari penelitian ini diperoleh hasil bahwa partikel LiFePO 4 /C telah berhasil diproduksi dimana pada rasio konsentrasi Fe dan P 1:1 diperoleh partikel LiFePO 4 dengan ukuran rata-rata sekitar 340 nm. Pada pengujian battery analyzer diperoleh hasil bahwa kapasitas baterai tertinggi terjadi pada perbandingan konsentrasi Fe dan P 1:1,2 yaitu sebesar 95,37 mah/g (siklus ke-4). Kapasitas terendah sebesar 22,17 mah/g (siklus ke -9) pada perbandingan konsentrasi Fe dan P sebesar 1:1,1. Efisiensi tertinggi terjadi pada perbandingan konsentrasi Fe dan P 1:1,2 yaitu sebesar 97,20% dengan rata-rata penyusutan kapasitas dalam 20 siklus sebesar 1,49 mah/g. Kata kunci: Flame assisted spray pyrolysis (FASP), solid state reaction, LiFePO 4 /C, Katoda, Baterai lithium ion.
Edy Suryono, NIM: S951208004, 2015. FABRICATION OF LITHIUM IRON PHOSPHATE CARBON AS CATHODE MATERIAL OF LITHIUM ION BATTERY. Supervisor I: Prof. Muhammad Nizam,Ph.D. Supervisor II: Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T. Thesis. Master on Mechanical Engineering. Graduate School. Sebelas Maret University, Surakarta. Abstract This research was aimed to produce LiFePO 4 /C particles with a mole ratio between the concentration of Fe and P of 1:1, 1:1.1, 1:1.2 and 1:1.3. Synthesis of FePO particles with FeSO 4.7H 2 O materials and (NH 4 ) 2 HPO 4 using assisted flame spray pyrolysis with 1M HNO 3 solvent. LiFePO 4 produce by the solid state reaction methode with of the weight ratio between FePOxH 2 O and HLiO.H 2 O the ratio of (w/w) of 1:1, and with addition of 30% glucose as the carbon source; followed by annealing process at a temperature of 700 0 C. Characterization of LiFePO 4 /C particles was used to determine the size of the LiFePO 4 /C particles and crystals with scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffractometer (XRD). Cylindrical lithium ion batteries composed of cathode, anode, separator, electrolyte, case and cover. Battery performances were tested with BST8 SERIES battery analyzer through charge and discharge capacity and efficiency. LiFePO 4 /C particles have been successfully produced with Fe and P concentration ratio of 1:1. It was found the LiFePO 4 /C particles had average size around 340 nm. Results showed that the highest battery capacity, i.e. 95.37 mah/g was achieved when the concentration ratio of Fe and P 1:1.2. The lowest capacity, i.e 22.17 mah/g was achieved when the concentration ratio of Fe and P 1:1.1. The highest efficiency, i.e. 97.20% was achieved when the concentration ratio of Fe and P 1: 1.2, with an average depreciation capacity, i.e. 1.49 mah/g in 20 cycles. Keywords: Flame assisted spray pyrolysis (FASP), solid state reaction, LiFePO 4 / C, cathode, lithium ion batteries.
KATA PENGANTAR Syukur alhamdulillah, segala puji hanya kepada Allah SWT. atas segala nikmat cahaya ilmu pengetahuan, kemudahan serta petunjuk yang telah diberikan sehingga dapat terselesaikan dengan baik penulisan tesis dengan judul FABRIKASI LITHIUM IRON PHOSPHATE CARBON SEBAGAI MATERIAL KATODA BATERAI LITHIUM ION. Tesis ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik di Program Studi Magister Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dengan terselesaikannya laporan ini, penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1. Bapak Prof. Muhammad Nizam, Ph. D., selaku Pembimbing I yang telah memberikan inspirasi dan bimbingan dalam menyelesaikan tesis ini. 2. Bapak Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T., selaku Pembimbing II yang telah memberikan inspirasi dan bimbingan dalam menyelesaikan tesis ini. 3. Seluruh dosen Magister Teknik Mesin yang telah memberikan ilmu, inspirasi dan motivasi selama menjalani proses perkuliahan. 4. Ibu, istri dan anakku tersayang yang dengan setia selalu mendampingi dengan nasehat dan doa. 5. Rekan-rekan di Lab. Kimia Dasar: Pak Arif, mbak Deni, Tim Produksi Baterai (Ilham, Irfan, Pungky, Aris dan Yuno), Wiwin, Leo, Erin, yang telah kompak berjuang saling membantu. Harapan penulis mudah-mudahan tesis ini menjadi sumber inspirasi bagi pembaca sebagai tambahan wacana ilmu pengetahuan dan teknologi. Penulis menyadari masih terdapat banyak kekurangan, oleh karena itu kritik dan saran sangat diharapkan untuk kesempurnaan penyusunan tesis ini. Semoga tesis ini dapat menjadi manfaat bagi kita semua. Surakarta, Penulis
DAFTAR ISI HALAMAN PENGESAHAN... PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS. Abstrak... Abstract... KATA PENGANTAR... ii iv v vi vii DAFTAR ISI.. viii DAFTAR TABEL.. DAFTAR GAMBAR... x xi BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Rumusan Masalah 2 1.3. Tujuan Penelitian... 2 1.4. Manfaat Penelitian 3 1.5. Batasan Masalah... 3 1.6. Sistematika Penulisan... 4 BAB II KAJIAN PUSTAKA. 5 2.1. Tinjauan Pustaka.. 5 2.1.1. Perkembangan Baterai Litium Ion... 5 2.1.2. Proses Produksi Baterai Litium Ion. 8 2.2. Dasar Teori 11 2.2.1. Katoda LiFePO 4.. 11 2.2.2. Anoda Grafit 13 2.3. Metode Pembuatan Material Katoda 14 2.3.1. Metode Sol Gel 14 2.3.2. Solid State Sintesis... 15 2.3.3. Metode Flame Assisted Spray Pyrolisis. 15 2.4. Karakterisasi partikel LiFePO 4. 19
2.4.1. SEM (Scanning Electron Microscopy) dan EDS. 19 2.4.2. X-Ray Diffractometer (XRD)... 19 BAB III METODE PENELITIAN 21 3.1. Tempat Penelitian. 21 3.2. Alat dan Bahan Pembuatan partikel FePO 4... 21 3.3. Lokasi Analisa Hasil... 24 3.4. Proses Pembuatan partikel FePO 4 24 3.5. Pembuatan Katoda LiFePO 4 /C. 26 3.6. Proses Perakitan baterai 26 3.7. Proses Pengujian Baterai... 27 3.8. Diagram Alir Penelitian 27 BAB IV HASIL DAN ANALISIS 31 4.1. Hasil Sintesis partikel FePO 4 31 4.2. Analisa partikel LiFePO 4 /C... 31 4.2.1. Analisa SEM 31 4.2.2. Analisa XRD 33 4.2.3. Unsur-unsur Penyusun LiFePO 4 /C.. 34 4.3. Analisa Performa Baterai Litium Ion 36 4.3.1. Kapasitas Baterai... 37 4.3.2. Efisiensi baterai 37 4.3.3. Stabilitas baterai... 38 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 39 5.1. Kesimpulan... 40 5.2. Saran. 40 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Propertis beberapa material litium sebagai katoda (Salminen, 2008, dan Väyrynen, 2011). 12 Tabel 2.2. Perbandingan propertis beberapa material litium sebagai Katoda (Zhang, 2011). 13 Tabel 2.3. Perbandingan metode sintesis LiFePO 4 (Zhang, 2012).. 18 Tabel 4.1. Data konsentrasi bahan pembuatan LiFePO 4 /C.. 31 Tabel 4.2. Data bahan dan parameter katoda... 36
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1. Market Profile dari baterai di dunia (J.M. Tarascon, 2006) 1 Gambar 2.1. Peluang pangsa pasar HEV (Scrosati dan Garche, 2010)... 5 Gambar 2.2. Plot perbandingan kepadatan energi volumetrik terhadap kepadatan energi gravimetri untuk baterai (Väyrynen, 2012).. 6 Gambar 2.3. Komponen utama baterai Li-ion (Guifang, 2010)... 7 Gambar 2.4. Sel dan modul baterai litium ion rechargeable (Väyrynen, 2012)... 7 Gambar 2.5. Skema komponen sel baterai (Yoshio, 2009).. 8 Gambar 2.6. Skema perakitan sel baterai berbentuk silinder (Yoshio, 2009)... 10 Gambar 2.7. Struktur kristal LiFePO 4 (Zhang, 2012).. 11 Gambar 2.8. Model struktur grafit (Kucinnkis, et al, 2013). 13 Gambar 2.9. Hasil XRD LiFePO 4 dengan perbedaan laju bahan bakar (Halim, 2014)... 16 Gambar 2.10. Skema metode flame assisted spray pyrolysis (Waser, 2011).. 17 Gambar 2.11. Skema Flame assisted spray pyrolysis (Hamid, 2012)... 17 Gambar 2.12. Skema proses pembuatan nanopartikel yang terjadi di reactor flame (Phanichphant, Liewhiran, Wetchakun, 2011). 18 Gambar 2.13. Proses pengisian (A) dan Proses Pengosongan (B) (Toprakci, 2010)... 20 Gambar 3.1. Alat flame spray pirolisis pada pembuatan nanopartikel LiFePO 4 /C... 21 Gambar 3.2. Alur sintesis LiFePO 4 dengan metode FASP dan Solid state reaction... 28 Gambar 3.3. Alur proses pembuatan lembaran katoda. 29 Gambar 3.4. Alur proses perakitan baterai silinder.. 30 Gambar 4.1. FePO 4 partikel dengan ratio Fe dan P 1:1... 32 Gambar 4.2. LiFePO 4 /C partikel setelah penambahan Li dan Glukosa dengan
ratio Fe dan P sebesar 1:1 (a),1:1,1 (b), 1:1,2 (c), dan 1:1,3 (d)... 32 Gambar 4.3. Pola difraksi sinar-x pada LiFePO 4 /C dengan ratio Fe dan P 1:1, 1:1,1.,1:1,2., dan 1:1,3.... 33 Gambar 4.4. Unsur-unsur penyusun LiFePO4/C (persentase massa tiap unsur)... 35 Gambar 4.5. Rasio atom Fe dan P penyusun LiFePO 4 /C... 35 Gambar 4.6. Kapasitas baterai tiap siklus. 37 Gambar 4.7. Efisiensi baterai yang dihasilkan. 38 Gambar 4.8. Penyusutan kapasitas tiap siklus pada sampel baterai... 38