FABRIKASI LITHIUM IRON PHOSPHATE CARBON SEBAGAI … · perpustakaan.uns.ac.id i FABRIKASI LITHIUM IRON PHOSPHATE CARBON SEBAGAI MATERIAL KATODA BATERAI LITHIUM ION TESIS Disusun untuk

i

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 I : Prof. Muhammad Nizam, S.T., M.T., Ph.D.

Dosen Pembimbing II : Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T.

Oleh:

EDY SURYONO

NIM. S951208004

MAGISTER TEKNIK MESIN

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

2015

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

ii

HALAMAN PENGESAHAN



TESIS

Disusun oleh:

EDY SURYONO

NIM. S951208004

Komisi

Pembimbing

Nama Tanda Tangan Tanggal

Pembimbing I Prof. Muhammad Nizam, S.T., M.T., Ph.D.

NIP. 197007201999031001

Pembimbing II

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


commit to user

iii



TESIS

Disusun oleh:

EDY SURYONO

NIM. S951208004

Tim Penguji

Jabatan Nama Tanda Tangan Tanggal

Ketua Inayati, ST., MT., Ph.D

NIP. 197108291999032001

Sekretaris 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

Prof. Dr. M. Furqon Hidayatullah, M.Pd

NIP 196007271987021001

Ketua Program Studi

Magister Teknik Mesin

Dr. Triyono, S.T., M.T.

NIP 197406251999031002


commit to user

iv

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 perundang-

undangan (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


commit to user

v

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 LiFePO4/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 FeSO4.7H2O dan (NH4)2HPO4 menggunakan metode

flame assisted spray pyrolysis dengan pelarut HNO3 1M. LiFePO4/C didapat

dengan metode solid state reaction menggunakan ratio perbandingan berat antara

FePOxH2O dan HLiO.H2O 1:1, ditambah glukosa sebesar 30 % sebagai sumber

karbon, yang diikuti dengan proses annealing pada suhu 7000C selama 16 jam.

Karakterisasi partikel LiFePO4 digunakan untuk mengetahui ukuran dari

partikel dan kristal LiFePO4/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 LiFePO4/C telah berhasil

diproduksi dimana pada rasio konsentrasi Fe dan P 1:1 diperoleh partikel LiFePO4

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,

LiFePO4/C, Katoda, Baterai lithium ion.


commit to user

vi

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 LiFePO4/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 FeSO4.7H2O materials and (NH4)2HPO4 using

assisted flame spray pyrolysis with 1M HNO3 solvent. LiFePO4 produce by the

solid state reaction methode with of the weight ratio between FePOxH2O and

HLiO.H2O 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 7000C.

Characterization of LiFePO4/C particles was used to determine the size of

the LiFePO4/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.

LiFePO4/C particles have been successfully produced with Fe and P

concentration ratio of 1:1. It was found the LiFePO4/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, LiFePO4 /

C, cathode, lithium ion batteries.


commit to user

vii

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


commit to user

viii

DAFTAR ISI

HALAMAN PENGESAHAN …………………………………………….…….. ii

PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS………………. iv

Abstrak …………………………………………………………………………... v

Abstract …………………………………………………………………………... vi

KATA PENGANTAR …………………………………………………………... vii

DAFTAR ISI …………………………………………………………………….. viii

DAFTAR TABEL ……………………………………………………………….. x

DAFTAR GAMBAR ……………………………………………………….......... 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 LiFePO4 ……………………………………….. 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 LiFePO4 …………………………………. 19

2.4.1. SEM (Scanning Electron Microscopy) dan EDS ………. 19

2.4.2. X-Ray Diffractometer (XRD) …………………….......... 19


commit to user

ix

BAB III METODE PENELITIAN ……………………………………………… 21

3.1. Tempat Penelitian ………………………………………………. 21

3.2. Alat dan Bahan Pembuatan partikel FePO4 ……………………... 21

3.3. Lokasi Analisa Hasil ……………………………………….......... 24

3.4. Proses Pembuatan partikel FePO4 ……………………………… 24

3.5. Pembuatan Katoda LiFePO4/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 FePO4 …………………………………… 31

4.2. Analisa partikel LiFePO4/C ……………………………….......... 31

4.2.1. Analisa SEM …………………………………………… 31

4.2.2. Analisa XRD …………………………………………… 33

4.2.3. Unsur-unsur Penyusun LiFePO4/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


commit to user

x

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 LiFePO4 (Zhang, 2012) ……………….. 18

Tabel 4.1. Data konsentrasi bahan pembuatan LiFePO4/C ……………………….. 31

Tabel 4.2. Data bahan dan parameter katoda ……………………………………... 36


commit to user

xi

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 LiFePO4 (Zhang, 2012) ………………………….. 11

Gambar 2.8. Model struktur grafit (Kucinnkis, et al, 2013) ……………………. 13

Gambar 2.9. Hasil XRD LiFePO4 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

LiFePO4/C …………………………………………………............

21

Gambar 3.2. Alur sintesis LiFePO4 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. FePO4 partikel dengan ratio Fe dan P 1:1 …………………............ 32

Gambar 4.2. LiFePO4/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 LiFePO4/C dengan ratio Fe dan P 1:1,


commit to user

xii

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 LiFePO4/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


commit to user

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Baterai merupakan salah satu kebutuhan bagi manusia dalam penyimpanan

energi. Pengembangan energi terbarukan baik sebagai pembangkit listrik maupun

dalam transportasi memerlukan energy storage dalam bentuk baterai. Berbagai

macam baterai telah beredar di dunia ini. Sedangkan perkembangan pasar baterai

setiap tahunnya makin bertambah. Seperti terlihat pada gambar 1.1.

Gambar 1.1. Market Profile dari baterai di dunia (Tarascon, 2006)

Baterai adalah alat listrik-kimiawi yang menyimpan energi dan mengeluarkan

tenaganya dalam bentuk listrik. Baterai yang biasa dijual (disposable/sekali pakai)

mempunyai tegangan listrik 1,5 volt. Baterai ada yang berbentuk tabung atau kotak.

Ada juga yang dinamakan rechargeable battery, yaitu baterai yang dapat diisi ulang,

seperti yang biasa terdapat pada telepon genggam. Baterai sekali pakai disebut juga

dengan baterai primer, sedangkan baterai isi ulang disebut dengan baterai sekunder.

Baik baterai primer maupun baterai sekunder, kedua-duanya bersifat

De

m

an

ds

(m

illi

on

s)

200

1400

1000

600

1994 2000 2005 2010


commit to user

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Listrik-kimiawi&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/wiki/Energi

http://id.wikipedia.org/wiki/Listrik

http://id.wikipedia.org/wiki/Volt

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Rechargeable_battery&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/wiki/Telepon_genggam

2

mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Baterai primer hanya bisa dipakai

sekali, karena menggunakan reaksi kimia yang bersifat tidak bisa dibalik (irreversible

reaction). Sedangkan baterai sekunder dapat diisi ulang karena reaksi kimianya

bersifat bisa dibalik (reversible reaction).

Metode sintesis dalam pembuatan katoda meliputi: Sintesis Kimia Padat

(Solid State Reaction), metode sol-gel, microwave processing, sintesis hidrotermal,

metode reduksi carbothermal, dan teknologi flame assisted spray pyrolysis.

Perkembangan metode pembuatan material katoda lebih banyak didasarkan pada

mencari material yang memiliki keuntungan dari segi biaya yang rendah, toksisitas

rendah (ramah lingkungan), keamanan tinggi, siklus berumur panjang, karakteristik

over-charge yang baik dan kapasitas spesifik. Salah satu material yang memiliki

kelebihan seperti diatas adalah lithium iron phosphate (LiFePO4). Namun LiFePO4

ini memiliki kekurangan yaitu memiliki daya konduktifitas elektronik yang rendah

dan koefisien difusi yang rendah. Oleh karena itu untuk mengoptimalkan metode

sintesis LiFePO4 diperlukan teknologi modifikasi seperti coating, doping, optimasi

ukuran partikel, pengendalian morfologi dan kombinasi dari dua atau lebih.

1.2. Rumusan Masalah

Beberapa permasalahan yang akan diteliti adalah:

1. Bagaimana membuat material katoda LiFePO4/C menggunakan metode

Flame Spray Pyrolisis dan Solid state reaction?

2. Bagaimana pengaruh konsentrasi Fe dan P pada morfologi dan kekristalan

LiFePO4/C?

3. Bagaimana pengaruh konsentrasi Fe dan P pada performa baterai litium ion?

1.3. Tujuan Penelitian

Penelitian ini dilakukan dengan tujuan:

1. Menghasilkan metode fabrikasi dan sintesis LiFePO4/C.

2. Mendapatkan informasi tentang pengaruh konsentrasi Fe dan P pada

morfologi dan kekristalan LiFePO4/C.


commit to user

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Reversible_reaction&action=edit&redlink=1

3

3. Memperoleh konsentrasi Fe dan P yang optimum untuk baterai litium ion

berbasis katoda LiFePO4/C.

1.4. Manfaat Penelitian

Dari penelitian yang dilakukan dapat memberikan manfaat sebagai berikut:

1. Mendapatkan pengetahun tentang proses sinstesis LiFePO4/C sebagai katoda

pada baterai litium ion.

2. Mendapatkan penjelasan baru tentang mekanisme peningkatan kapasitas

baterai berbasis katoda LiFePO4/C dengan FePO4 yang diproduksi

menggunakan metode flame spray pyrolisis.

3. Mendapatkan formula ratio Fe dan P yang memiliki kapasitas baterai

optimum.

1.5. Batasan Masalah

Batasan masalah dalam penelitian ini adalah:

1. Material dasar katoda LiFePO4/C yang digunakan dalam penelitian ini adalah

HLiO.H2O, FeSO4.7H2O, dan (NH4)2.HPO4.

2. Pembuatan FePO4.xH2O nanopowder menggunakan metode flame spray

pirolisis.

3. Pembuatan LiFePO4/C menggunakan metode Solid State Reaction dengan

penambahan glukosa sebanyak 30% berat sebagai sumber karbon.

4. Cairan elektrolit yang digunakan adalah garam LiPF6.

5. Bahan anoda yang digunakan adalah grafit.

6. Pengujian bahan katoda dilakukan dengan XRD, SEM, dan EDS serta

pengukuran kapasitas baterai dengan BST8 SERIES battery analyzer.


commit to user

4

1.6. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan tesis ini adalah sebagai berikut:

BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, tujuan dan

manfaat penelitian, perumusan masalah, batasan masalah dan sistematika

penulisan.

BAB II : Kajian Pustaka, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan sejarah

perkembangan, proses produksi baterai litium ion, dasar teori katoda, anoda,

metode pembuatan material katoda dan karakterisasi partikel.

BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan, tempat

dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan dan pengambilan

data.

BAB IV : Data dan analisa, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data hasil

pengujian dan analisa hasil dari perhitungan.

BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN


commit to user

5

BAB II

KAJIAN PUSTAKA

2.1. Tinjauan Pustaka

2.1.1. Perkembangan Baterai Litium Ion

Sebuah baterai lithium ion pada dasarnya terdiri dari lima komponen yaitu

katoda, anoda, separator, collector dan elektrolit. Katoda secara umum dikategorikan

menjadi tiga jenis, yaitu (1) litium berbasis oksida logam (Wang, 2006), seperti

LiCoO2, (2) transisi logam fosfat, seperti Li3V2(PO4)3 dan LiFePO4 dan (3) spinel

seperti LiMn2O4. Perkembangan baterai litium memiliki pangsa pasar yang sangat

baik, hal ini bisa dilihat pada Gambar 2.1, dimana setiap tahunnya permintaan akan

kebutuhan terhadap baterai litium terus mengalami peningkatan.

Gambar 2.1. Peluang pangsa pasar HEV (Scrosati dan Garche, 2010)

Baterai litium sudah beredar di pasar untuk memenuhi kebutuhan baterai di

industri komputer, alat komunikasi militer, telepon genggam, alat penerangan,

kamera, handycam dan mobil. Perkembangan mobil yang terjadi sampai sekarang

membuat mobil dapat dibedakan menjadi tiga, yaitu mobil konvensional (biasa),

mobil hybride (Hybride Electric Vehicle) dan mobil listrik. Mobil konvensional

menggunakan baterai lead acid atau accu. Accu dapat digunakan secara optimal


commit to user

6

hanya 40% dari keseluruhan daya yang dimiliki agar tidak cepat rusak serta cairan

baterai dan bahan lead bersifat sangat merusak lingkungan. Sedangkan mobil hybride

biasanya menggunakan baterai metal hydride. Baterai ini mempunyai “memory

effect”, sehingga baterai ini cenderung mudah rusak. Mobil listrik yang sudah

diproduksi oleh beberapa produsen mobil menggunakan baterai lithium. Baterai

lithium mempunyai optimasi pemakaian sampai 80% dari kemampuannya, ringan,

tidak ada memory effect dan tahan lama.

Perkembangan baterai dari masa ke masa meliputi baterai lead acid, baterai

NiCd, baterai NiMH, baterai litium ion, baterai litium ion polymer dan baterai litium

metal. Baterai litium ion merupakan salah satu baterai yang terus dikembangkan

terutama dari sisi material. Selain itu baterai litium memiliki gravimetric energy

density yang cukup baik yaitu diantara 100 Wh/kg-225 Wh/kg, seperti terlihat pada

Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Plot perbandingan kepadatan energi volumetrik terhadap

kepadatan energi gravimetri untuk baterai (Väyrynen, 2012)

Baterai litium ion memiliki bentuk dan ukuran yang berbeda-beda, tetapi

semuanya memiliki kesamaan pada bagian dalamnya. Elemen-elemen yang ada pada

baterai litium ion adalah:


commit to user

7

1. Sel litium ion yang bisa berbentuk silinder seperti baterai AA biasa, atau

prismatik berbentuk kotak.

2. Satu atau beberapa sensor suhu untuk memonitor suhu baterai.

3. Penyesuai tegangan (voltage converter) dan sirkuit pengatur (regulator

circuit) untuk mempertahankan tingkat keamanan tegangan dan arus listrik.

4. Konektor yang menghubungkan baterai dengan notebook.

5. Penyadap tegangan yang memonitor kapasitas energi dari masing-masing

sel dalam baterai.

6. Monitor pengisian baterai, komputer kecil yang menangani semua proses

pengisian baterai untuk memastikan baterai diisi secepat dan sepenuh

mungkin.

Komponen baterai litium ion terdiri dari beberapa bagian seperti terlihat pada

gambar 2.3.

Gambar 2.3. Komponen utama baterai li-ion (Guifang, 2010)


commit to user

8

Gambar 2.4. Sel dan modul baterai litium ion (Väyrynen, 2012).

Sebuah modul baterai litium ion terdiri dari banyak sel baterai litium ion yang

disusun dan diatur menjadi sebuah modul baterai, seperti dapat dilihat pada Gambar

2.4. Modul baterai litium ion ini dilengkapi dengan baterai manajemen sistem dan

kontrol terhadap panas.

2.1.2. Proses Produksi Baterai Litium Ion

Prinsip-prinsip dasar desain sel dan manufaktur sudah dikenal, dimana

masing-masing produsen mempertahankan kerahasiaannya, khususnya rincian desain

sel, perakitan dan peralatan yang digunakan dalam fabrikasi sel. Meskipun demikian,

prinsip-prinsip secara keseluruhan dan proses yang terlibat dapat dilihat pada gambar

2.5.

Gambar 2.5. Skema komponen sel baterai (Yoshio, 2009).

Gambar 2.5. menunjukkan komponen-komponen yang membentuk baterai. Setiap

baris mewakili sebuah antarmuka antara komponen dan bidang dalam operasi sel


commit to user

9

baterai. Elektrolit mendominasi secara umum, dimana elektrolit mengalami kontak ke

semua komponen sel. Selain bahan dan reaksi yang menghasilkan arus dalam sel,

sebagian besar desain sel litium ion menggabungkan perangkat keselamatan seperti:

1. Pemutus aliran, jika baterai mengalami perubahan fase dengan menutup

pori-pori dan meningkatkan resistensi dari internal sel untuk mengurangi

atau menghentikan aliran, sehingga operasi sel berhenti.

2. Positive Temperature Coefficient (PTC), koefisien temperatur positif

dimana resistor beroperasi untuk meminimalkan arus ke terminal sel jika

aliran melebihi titik desain ataupun jika suhu internal melebihi titik yang

telah diatur.

3. Current Interrupt Device (CID), sebuah perangkat yang akan memutus

elektroda dari terminal sel untuk menghentikan aliran arus ketika tekanan

internal telah mencapai tekanan yang ditetapkan, sebagai akibat dari suhu

internal baterai yang tinggi.

Standar untuk sel baterai yang telah ditetapkan oleh International

Electrotechnical Commision (IEC) adalah ICR18650 dan IMP366509. ICR18650

mempunyai arti: I berarti teknologi lithium ion, C berarti cobalt cathode, dan R

berarti round cell (sel berbentuk bulat atau silinder), 18 berarti diameter 18 mm dan

650 berarti tinggi baterai 65,0 mm. Sedangkan IMP366509 mempunyai arti: I berarti

litium ion, M berarti Mangan, P untuk prismatic (berbentuk prisma atau segi empat),

lebar 36 mm, panjang 65,0 mm dan tebal 9 mm.

Alur fabrikasi pembuatan sel baterai berbentuk silinder ditunjukkan pada

Gambar 2.6. lembaran anoda, katoda dan separator digulung menggunakan mesin

winding, dimana sebelumnya telah diberi plat alumunium sebagai kolektor. Gulungan

dimasukkan ke casing, kemudian plat di las dengan casing dan ditambahkan penutup.

Elektrolit ditambahkan, selanjutnya ditutup menggunakan alat crimping.


commit to user

10

Gambar 2.6. Skema perakitan sel baterai berbentuk silinder (Yoshio, 2009)


commit to user

11

2.2. Dasar Teori

2.2.1. Katoda LiFePO4

LiFePO4 merupakan material katoda yang menjanjikan untuk baterai litium ion

(LIB) karena harganya murah, ramah lingkungan dan stabilitas tinggi. Olivin

(LiFePO4) telah mendapatkan perhatian lebih dan lebih sebagai

bahan katoda karena kelebihannya dibandingkan dengan bahan yang biasa

digunakan. Terutama keamanan lingkungan, keberlanjutan, ketersediaan dan biaya

produksi yang rendah. Kombinasi dengan kapasitas penyimpanan teoritis sebesar 170

mAh/g membuatnya menjadi bahan katoda yang sangat menarik (Hamid, 2012).

Di antara begitu banyak bahan katoda yang diteliti, LiFePO dengan struktur

olivin dianggap sebagai calon yang sangat baik untuk bahan material katoda baterai

litium ion karena memiliki kapasitas teoritis yang tinggi (170 mAh/g), stabilitas termal,

murah dan ramah lingkungan (Horose, 2007 dan Gao, 2013).

Gambar 2.7. Struktur kristal LiFePO4 (Zhang, 2012)

Struktur Kristal dari LiFePO4 dapat dilihat pada Gambar 2.7. Grup ruang berisi

empat unit rumus, dan parameter kisi a, b dan c masing-masing adalah 0,6008, 1,0334

dan 0,4693 nm (Padhi, 1997). Susunan kation LiFePO4 berbeda secara signifikan dari

yang di struktur berlapis dan spinel. Li dan Fe yang terletak di lokasi oktahedral dan P

terletak di lokasi tetrahedral dengan terdistorsi pada kerangka tertutup heksagonal

(Salah, 2006). Sebuah molekul FeO6 segi delapan dengan dua molekul LiO6 segi

delapan dan molekul PO4 berbagi di tepi, tidak ada jaringan terus menerus FeO6 dan


commit to user

12

PO4 tetrahedron di tengah oktahedral. Dalam struktur seperti itu, ada sebuah

terowongan satu dimensi yang dibentuk oleh tepi bersama Li oktahedra, di mana ion

Li+ bergerak di dalam terowongan ini.

Semenjak studi perintis pada lithium iron phosphat (LiFePO4) bahan diciptakan

oleh JB Goodenough dkk. (Zhang, 2012) adalah pilihan yang sangat menjanjikan

sebagai bahan katoda untuk menyalakan kendaraan listrik (electric vehicles), kendaraan

listrik hibrid (HEVs), sepeda listrik dan alat-alat listrik karena murah, tidak beracun,

ramah lingkungan dan litium menampilkan reaksi elektrokimia yang bisa dibalik

untuk penyisipan/ekstraksi pada ~3.5V (vs Li/Li+) dengan kapasitas teoritis 170 mAhg

-

1 (Tang, 2011). Selain itu, LiFePO4 juga memiliki stabilitas siklus yang baik dan

stabilitas termal yang unggul. Karena keunggulan ini, LiFePO4 telah menarik banyak

perhatian sebagai katoda baru bahan elektroda yang menjanjikan untuk baterai lithium-

ion. Namun, rendahnya konduktivitas elektronik intrinsik LiFePO4 dan koefisien difusi

yang rendah dari Li+ adalah kelemahan utama yang membatasi penerapannya dalam

industri. LiFePO4 dengan konduktivitas listrik sekitar 10-9

-10-11

S cm-1

, dan koefisien

difusi kimia yang ditemukan berada di kisaran 10-11

-10-13

cm2 s

-1 tergantung pada

konsentrasi Li+ dan metode karakterisasi yang digunakan (Wang, 2005 dan Li, 2009).

Tabel 2.1. Propertis beberapa material litium sebagai katoda (Salminen, 2008,

dan Väyrynen, 2011)

LiFePO4 terlihat memiliki masa siklus yang lebih banyak (>4) dibanding bahan

lain (Tabel 2.1). Hal ini mengakibatkan baterai dengan bahan katoda LiFePO4 akan

tahan lama. Walaupun dengan tegangan yang paling rendah yaitu sebesar 3.2 V.


commit to user

13

Tabel 2.2. Perbandingan propertis beberapa material litium sebagai katode

(Zhang, 2011)

Tabel 2.2 menunjukkan bahwa material katoda berbahan LiFePO4 memiliki

kapasitas teoritis sedang yaitu 170 mAh/g jika dibanding bahan lainnya. Namun

LiFePO4 membutuhkan biaya untuk bahan yang paling murah. Sehingga pendekatan

yang menjanjikan untuk meningkatkan konduktivitas listrik dan koefisien difusi Li-ion

adalah dengan menurunkan ukuran partikel menjadi ukuran nano dan melapisinya

dengan bahan yang bersifat penghantar listrik (Liu, 2012).

2.2.2. Anoda Grafit

Anoda yang digunakan adalah grafit, dengan struktur kristalnya berbentuk

hexagonal, seperti gambar 2.8. Grafit mempunyai sejumlah ruang dalam satu dimensi

dan mempunyai kemampuan konduktivitas elektrik yang cukup tinggi dalam perannya

sebagai anoda.

Gambar 2.8. Model struktur grafit (Kucinnkis, et al. 2013)


commit to user

14

2.3. Metode Pembuatan Material Katoda

2.3.1. Metode Sol Gel

Ada banyak minat baru di LiFePO4 yang dibuat dengan metode sol-gel

(Dominko, 2005 dan Gabrisch, 2006). Gaberscek (2005) mensintesis berbasis bahan

LiFePO4 komposit melalui metode sol-gel. 0,01 mol Li3PO4 dan 0,02 mol H3PO4

dilarutkan dalam 200 mL air dengan pengadukan pada suhu 70 ° C selama 1 jam secara

terpisah. Sedangkan 0,03 mol besi (III) sitrat dilarutkan dalam 300 mL air dengan

pengadukan pada suhu 60°C selama 1 jam. Kedua larutan tersebut kemudian dicampur

dan dikeringkan pada suhu 60 ° C selama 24 jam. Setelah itu digrinding sampai halus,

bahan yang diperoleh selanjutnya direduksi sebesar 5% dari H2 pada suhu 500-700°C

selama 15 menit-72 jam. Hasil LiFePO4/C terdiri dari partikel berukuran mikrometer

mengandung pori-pori dengan distribusi yang luas dari ukuran. Dinding pori-pori

ditutupi dengan lapisan karbon, yang berfungsi sebagai konduktor electron dan cukup

tipis (2-3 nm) untuk memungkinkan penetrasi ion Li. Data uji elektrokimia

menunjukkan bahwa LiFePO4/C disintesis melalui proses sol-gel pada tingkat yang

lebih rendah dapat memulihkan kapasitas nominal di bawah 50 siklus dengan operasi

yang cukup tinggi yaitu 3400 mA/g.

Choi, (2007) juga menjelaskan sintesis olivin-jenis LiFePO4 dengan metode sol

gel menggunakan asam laurat sebagai surfaktan sementara CH3CO2Li·2H2O, FeCl2

·4H2O dan P2O5 digunakan sebagai bahan awal. Setiap precursor dilarutkan secara

terpisah dalam etanol untuk menghasilkan 1 M. Fe dan P dicampur dalam rasio

stoikiometrik yang diinginkan dan diaduk selama 3 jam. Selanjutnya ditambahkan

larutan Li dalam jumlah stoikiometri. Rasio molar surfaktan asam laurat ditambahkan

ke dalam larutan setelah 3 jam pengadukan. Setelah 4 jam, reaksi dianggap lengkap dan

etanol telah menguap. Kemudian dilanjutkan dengan perlakuan-panas di bawah H2/Ar

= 10% / 90% pada suhu 500° C selama 5 jam untuk mencegah kemungkinan

pembentukan kotoran Fe3+

. LiFePO4 disintesis dengan surfaktan asam laurat melalui

proses sol-gel di atas dapat memberikan kapasitas spesifik 125 dan 157 mAh g-1

pada

pengisian rata-rata 10 dan 1C dengan penurunan kurang dari 0,08% per siklus.

Keuntungan utama dari metode sol-gel adalah pembentukan struktur jaringan berpori


commit to user

15

dengan ukuran partikel yang seragam dengan memanfaatkan surfaktan asam

karboksilat, yang bertindak sebagai agen capping (mencegah dan meminimalkan

aglomerasi partikel fosfat).

2.3.2. Solid State Sintesis

Sintesis solid state adalah teknik yang digunakan untuk memproduksi struktur

kimia dengan reaksi yang dilakukan pada kondisi ekstrim, seperti suhu tinggi dan

tekanan, tanpa pelarut. Metode ini umumnya digunakan untuk produksi massal,

struktur lanjut, seperti keramik khusus, kilap kristal, dan piezoelectrics.

Proses sintesis menggunakan metode solid state diawali dengan persiapan

bahan, kemudian mencampur bahan menggunakan ball mill. Hamid (2011) mensintesis

LiFePO4/C menggunakan metode solid state dari campuran FePO4, Li2CO3 dan

glukosa sebagai sumber karbon. Setelah pemanasan awal, bubuk campuran dikalsinasi

selama 16 jam pada suhu 6000C dengan dialiri gas mulia. Hasilnya sebuah produk

berwarna hitam dengan kepadatan 1,42 g cm2.

2.3.3. Metode Flame Assisted Spray Pyrolisis

Flame assisted spray pyrolysis merupakan metode pembuatan nanopartikel

yang memanfaatkan atomisasi atau penyemprotan larutan berupa droplet ke dalam api

dan akan menghasilkan partikel serbuk (Bobie, 2012). Menurut Nuryadin (2008) faktor

utama pembentuk partikel sangat dipengaruhi proses spray (pembentukan droplet) dan

proses pemanasan. Terdapat banyak metode untuk mendapatkan droplet dengan ukuran

mikrometer, salah satunya adalah menggunakan ultrasonic nebulizer (Nuryadin, 2008).

Metode ini sangat efektif untuk menghasilkan partikel keramik halus dengan

fase kristal murni yang sangat baik dalam waktu singkat. Dibandingkan dengan partikel

yang dihasilkan dengan metode solid-state konvensional, distribusi ukuran partikel

lebih sempit dan dikontrol dari mikrometer ke kisaran submikrometer, kemurnian

produk yang tinggi, dan proses sintesis dari bubuk mudah untuk dikontrol (Zhang,

2012).

Peningkatan bahan bakar menyebabkan penurunan ukuran partikel dan


commit to user

16

meningkatkan pembentukan kristal, hal ini disebabkan naiknya temperatur api.

Meskipun, semua partikel yang dihasilkan berada pada fase amorphous (Gambar 2.9).

Proses annealing berhasil meningkatkan fase partikel menjadi kristal (Halim, 2013).

Gambar 2.9. Hasil XRD LiFePO4 dengan perbedaan laju bahan bakar (Halim, 2014)

Metode flame assisted spray pyrolysis dapat dilihat pada Gambar 2.10. Untuk

mencegah masuknya udara, nyala api pada reaktor tertutup oleh pipa gelas kuarsa

dengan diameter luar 5.2 cm dan tebal dinding 0.25 cm. Oleh karena itu lingkungan

pembakaran dapat lebih terkontrol (Heine dan Pratsinis, 2005). Pada 40 dan 50 cm di

atas pembakaran, gas C2H2 dan N2, masing-masing diinjeksi ke dalam aliran gas yang

dibagi menjadi 3 area dari reaktor yaitu :

1. Kaya O2, sebagai area inti pembentukan partikel,

2. Sedikit O2, area pelapisan karbon dan pyrolysis C2H2,

3. Area quenching dan pendinginan.


commit to user

17

Gambar 2.10. Skema metode flame assisted spray pyrolysis (Waser, 2011)

Gambar 2.11. Skema Flame assisted spray pyrolysis (Hamid, 2012)

Proses yang terjadi pada flame assisted spray pyrolysis (Gambar 2.11) adalah

larutan precursor diatomisasi menjadi droplet dengan alat ultrasonic nebulizer,

kemudian droplet dialirkan ke burner dengan gas pembawa yaitu udara dari

kompresor. Dalam api, droplet mengalami beberapa proses yaitu penguapan


commit to user

18

(pembakaran), nukleasi, kondensasi, koagulasi dan sintering sebagaimana dapat

dilihat pada Gambar 2.12.

Gambar 2.12. Skema proses pembuatan nanopartikel yang terjadi di reaktor

flame (Phanichphant, Liewhiran, Wetchakun, 2011)

Hamid (2012) menggunakan bahan iron (III) acetylacetonate dan tri

butylphosphate sebagai bahan precursor cair dengan pelarut. Perbandingan

konsentrasi iron, phosphate dan toluene adalah 0,0125., 0,05 dan 0,2 mol/l. Parameter

pada flame assisted spray pyrolysis meliputi: laju aliran precursor sebesar 3 ml/min,

laju aliran O2 sebesar 5 l/min, laju aliran bahan bakar methane dan O2 sebesar 1,13

l/min dan 2,4 l/min dan laju aliran O2 pendukung sebesar 5 l/min. Langkah

selanjutnya Hamid adalah membuat LiFePO4/C dengan metode solid state reaction

menggunakan bahan FePO4, Li2CO3 dan glukosa sebagai sumber karbon. Kalsinasi

campuran bahan dilakukan dengan pengaturan suhu sebesar 6000C selama 16 jam.

Tabel 2.3. Perbandingan metode sintesis LiFePO4 (Zhang, 2012).

Solid state Sol gel Spray pyrolisis

Kemurnian rendah tinggi tinggi

Ukuran partikel besar 50-150 nm 40-200 nm

Penggumpalan ya tidak tidak

Tingkat kompleksitas alat sederhana sederhana komplek

Waktu reaksi lama lama pendek

Konsumsi energi tinggi rendah rendah

Kontrol reaksi mudah mudah sulit

Industri mudah sulit sulit

Kinerja rendah baik sedang


commit to user

19

Metode flame assisted spray pyrolysis dari Table 2.3. menghasilkan material

dengan kemurnian yang tinggi, ukuran partikel 40-200 nm, tidak mengalami

penggumpalan, konsumsi energi yang rendah dan dengan performa yang cukup baik.

Meskipun harus menggunakan peralatan yang lebih rumit dan kontrol reaksi yang sulit.

2.4. Karakterisasi partikel LiFePO4

2.4.1. SEM (Scanning Electron Microscopy) dan EDS

SEM digunakan untuk menganalisa struktur morfologi dari sampel LiFePO4.

Uji EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) digunakan untuk mengetahui unsur-unsur

yang ada pada material.

2.4.2. X-Ray Diffractometer (XRD)

Struktur kristal dari LiFePO4 dianalisa dengan X-Ray Diffractometer

menggunakan Bruker AXS D8 Advance X-Ray pada rentang sudut 2θ sebesar 20°-

70°. Persamaan Scherrer (Tani, Madler dan Pratsinis, 2002) digunakan untuk

menghitung ukuran kristal dari LiFePO4:

…………………………………………...……...(2.1)

dengan D adalah ukuran kristal, K adalah konstanta yang bernilai 0,9., λ adalah

panjang gelombang Bragg, β adalah nilai FWHM (Full-Width Half Maximum), dan θ

adalah sudut Bragg.

2.4.3. Uji Kapasitas Baterai

BST8 SERIES battery analyzer digunakan untuk menguji kapasitas charge

(pengisian) dan discharge (pengosongan), efisiensi dan stabilitas baterai lithium ion.

Pengujian dengan mengatur arus tetap pada saat pengisian maupun pengosongan.

Sehingga akan didapatkan data charge, discharge dan efisiensi tiap siklus. Sedangkan

efisiensi dihitung berdasarkan nilai kapasitas discharge terhadap kapasitas charge.


commit to user

20

Gambar 2.13. Proses pengisian (A) dan Proses Pengosongan (B) (Toprakci, 2010)

Gambar 2.13 menunjukkan proses pengisian dan pengosongan baterai litium

ion. Selama pengisian (charging), pada bagian dalam baterai, terjadi proses pelepasan

ion litium pada katoda, untuk kemudian ion tersebut berpindah menuju anoda melalui

elektrolit. Sedangkan di luar sirkuit elektron mengalir dari katoda menuju anoda,

bersamaan dengan dengan itu listrik pun mengalir. Pada proses ini, ion litium mengalir

melalui elektrolit dan melewati separator. Selama proses pemakaian, ion litium

bergerak kembali ke katoda dari anoda.


commit to user

21

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Tempat Penelitian

Penelitian ini merupakan penelitian eksperimental pembuatan nano partikel

LiFePO4/C, yang dilakukan di Labolatorium Dasar Teknik Kimia Universitas Sebelas

Maret Surakarta.

3.2. Alat dan Bahan Pembuatan partikel FePO4

3.2.1. Alat flame assisted spray pyrolysis

Alat flame assisted spray pyrolysis ditunjukkan pada Gambar 3.1. Spesifikasi

alat ini yaitu: kecepatan blower 2820 r/min, bahan bakar LPG, bahan reaktor dari

kaca, bahan rangka adalah plat besi, bag filter berukuran 10 µm dan kompresor

bertekanan 6 bar. Sedangkan pada penelitian ini kecepatan alir precursor adalah 80

ml/jam, kecepatan alir LPG sebesar 1,75 l/min, dan kecepatan alir udara dari

kompresor sebesar 4 l/min. Rata-rata kapasitas produksi dari alat flame assisted spray

pyrolysis adalah sebesar 2,611 g/jam.

Gambar 3.1. Alat flame spray pirolisis pada pembuatan nanopartikel LiFePO4/C


commit to user

22

Keterangan alat:

1. Tabung penampung partikel

2. Bag filter

3. Blower

4. Tabung reaktor flame spray pirolisis

5. Burner (rangkaian untuk aliran gas LPG dan airbrush)

6. Rangka

7. Gas LPG

8. Kompresor

9. Flowmeter udara

10.Flowmeter gas

11.Syringe pump

3.2.2. Bahan dan alat pembuatan LiFePO4/C

Bahan pembuatan nanopartikel LiFePO4/C:

1. HLiO.H2O (Merck Ltd., Germany)

2. FeSO4.7H2O (Sigma Aldrich, USA)

3. (NH4)2HPO4 (Sigma Aldrich, USA)

4. HNO3 dari toko kimia KMA, Ngoresan, Jebres, Surakarta

5. Aquadest dari laboratorium Proses Teknik Kimia

6. Glukosa

Alat yang digunakan untuk sintesis LiFePO4/C adalah :

Serangkaian alat flame assited spray pyrolysis

1. Gelas beaker 250 ml

2. Gelas beaker 500 ml

3. Magnetic Stirrer

4. Gelas ukur 50 ml

5. Pipet volume

6. Cawan porselin


commit to user

23

7. Sendok

8. Furnace

3.2.3. Peralatan untuk membuat baterai silinder

Peralatan yang digunakan untuk membuat baterai litium ion berbentuk silinder

tipe 18650 adalah:

1. Vibrating Ball mill (Model MSK-SFM-3), digunakan untuk mencampur

bahan, sehingga bahan tercampur homogen.

2. Vaccum mixer (Model SFM-7), berfungsi untuk mencampur bahan menjadi

adonan (slurry).

3. Furnace, berfungsi untuk mengeringkan bahan.

4. Doctor blade, berfungsi untuk pelapisan bahan pada alumunium.

5. Heating roller machine (Model EQ-GY-150), berfungsi untuk mengepres

lembaran katoda.

6. Alat pemotong (Slitting machine model MSK-CSE-300), berfungsi untuk

memotong lembaran katoda sesuai ukuran (40 cm x 5 cm).

7. Winding machine (model MSK-112A), berfungsi untuk menggulung

lembaran katoda, anoda dan separator.

8. Spot welding (model MSK-330A), berfungsi untuk merekatkan plat nikel

dengan casing baterai.

9. Grooving machine (model MSK-500), berfungsi untuk membentuk

cekungan penahan gulungan baterai.

10. Automatic gas drying system (Glovebox model VGB-3), berfungsi untuk

mengisi elektrolit.

3.2.4. Bahan produksi sel baterai

Bahan pembuat sel baterai adalah:

1. Katoda (LiFePO4/C)

2. Anoda (grafit)

3. Acetyline black (AB)


commit to user

24

4. NMP (N-methyl-2-pyrollidone) berfungsi sebagai pelarut.

5. PVDF (Polyvinylidene fluoride) berfungsi sebagai binder (pengikat).

6. Casing baterai

7. Elektrolit

8. Separator

9. Nikel dan kuningan

3.3. Lokasi Analisa Hasil

Material katoda bahan baterai yang dihasilkan di uji XRD di Labolatorium

MIPA Terpadu Univeritas Sebelas Maret Surakarta dan uji SEM serta EDS di

Universitas Gajah Mada. Sedangkan baterai sel yang diproduksi diuji kapasitasnya di

laboratorium Kimia Dasar Univeritas Sebelas Maret Surakarta .

3.4. Proses Pembuatan partikel FePO4

Persiapan awal pada proses sintesis partikel LiFePO4 adalah dengan terlebih

dahulu menyiapkan bahan FeSO4.7H2O dan (NH4)2HPO4. Perbandingan kedua bahan

adalah 1:1, 1:1,1.,1:1,2 dan 1:1,3, kemudian dilarutkan dalam 40 ml HNO3 1 M.

Perhitungan untuk menghasilkan HNO3 1M adalah:

Diketahui HNO3:

- N = 1 grek/L

- V = 100 ml

- BM= 63 g/mol

- n = 1 grek/mol

- k = 69%

- ρ = 1,3 g/ml

Maka volume HNO3 pekat yang diambil adalah:

V= N x V x BM

n x k x ρ


commit to user

25

= (1 grek/L) x 0,1 L x (63 g/mol)

(1 grek/mol) x 0,69 x (1,3 g/ml)

= 7 ml

Magnetic stirrer digunakan untuk melarutkan kedua bahan. Selanjutnya larutan

di letakkan pada syringe pump. Laju kecepatan precursor sebesar 80 ml/jam. Pada

eksperimen sebelumnya digunakan laju kecepatan precursor 60 ml/jam, 80 ml/jam,

100 ml/jam, 120 ml/jam, hasil yang didapat berupa serbuk sebanyak 0,479 g, 1,007 g,

1,005 g dan 0,949 g, dengan laju alir udara 3 l/mnt dan laju alir LPG 1 l/mnt. Sehingga

dengan asumsi hasil yang paling banyak maka kecepatan aliran precursor diatur pada

kecepatan 80 ml/jam. Sedangkan laju alir udara diatur dengan kecepatan 4 l/mnt dan

laju alir LPG 1,75 l/mnt.

Pembentukan partikel FePO4.xH2O menggunakan metode flame assisted spray

pyrolysis (gambar 3.1) dengan prosedur sebagai berikut: larutan campuran Fe dan P

dimasukkan ke dalam 60 ml sheath syringe pump. Hidupkan syringe pump dan diatur

kecepatan alir sebesar 80 ml/jam. Terlebih dahulu nyalakan blower. Kemudian

nyalakan burner dengan membuka katup supporting flame sampai pada nyala stabil.

Selanjutnya buka katup main flame, atur laju aliran LPG sebesar 1,75 l/mnt. Buka

katup udara dengan mengatur laju alir sebesar 4 l/mnt. Kemudian tekan tombol start

pada syringe pump, sehingga precursor akan terdorong menuju air brush.

Air brush menggunakan nozzle berdiameter 0,2 mm, dengan adanya tekanan

dari udara membuat larutan menyembur dalam bentuk droplet. Proses selanjutnya

adalah penguapan (pembakaran), nukleasi, kondensasi, koagulasi dan sintering

sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 2.12. Serbuk FePO4.xH2O akan tertampung

di dalam bag filter.

Hasil flame assisted flame pyrolysis dicampur dengan HLiO.H2O sebagai

sumber Li sebesar 1:1 (persen berat) ditambah dengan glukosa sebanyak 30 %.

pencampuran menggunakan ball mill selama 15 menit agar bahan tercampur homogen.

Kemudian campuran dipanaskan di furnace pada suhu 700oC selama 16 jam.


commit to user

26

3.5. Pembuatan Katoda LiFePO4/C

Proses pembuatan katoda LiFePO4/C meliputi:

1. Menyiapkan bahan:

a. Menyiapkan serbuk LiFePO4 hasil furnace setelah di ball mill.

b. Menyiapkan AB 10% berat LiFePO4, bahan LiFePO4 dan AB dicampur

sampai homogen dengan ball mill selama 15 menit.

c. Menyiapkan campuran PVDF dan NMP (1:10).

2. Membuat lembaran katoda LiFePO4

a. Campuran LiFePO4 dan AB dicampur dengan campuran PVDF dan

NMP sebanyak 208.814 % berat LiFePO4.

b. Selanjunya pencampuran menggunakan vaccum mixer selama 60 menit.

c. Menyiapkan lembaran alumunium foil dengan ukuran 40 mm x 12 mm,

kemudian diletakkan pada alat doctor blade. Pasta yang sudah homogen

kemudian dilapiskan pada alumunium foil menggunakan doctor blade

dengan ketebalan 250 µm dan kecepatan pelapisan sebesar 6,55 mm/dt.

d. Keringkan di furnace dengan suhu 120oC selama 20 menit, kemudian

lapisi kembali sisi sebaliknya dari alumunium foil dan keringkan.

e. Lembaran katoda kemudian dipotong dengan ukuran lebar 5 mm, lalu

dipress menggunakan mesin hot press dengan pengaturan suhu 130oC

dan kecepatan 32,26 mm/dt (feeding 10).

f. Kemudian lembaran katoda diberi plat alumunium dengan dilas

menggunakan ultrasonic welding equipment.

3.6. Proses Perakitan baterai

Langkah-langkah dalam perakitan baterai yaitu:

1. Lembaran katoda, anoda dan separator digulung menggunakan mesin

Winding dan diisolasi bagian luarnya.

2. Masukkan gulungan ke dalam selongsong baterai, lalu plat anoda dilas.

3. Selanjutnya dibuat alur dengan mesin grooving.

4. Kemudian beri isolator dan tutup baterai dengan menyatukan plat


commit to user

27

alumunium katoda dengan tutup baterai menggunakan las.

5. Selanjutnya masukan sampel baterai ke dalam glove box dan diberi

elektrolit LiPF6 sebanyak 3 ml.

6. Kemudian dipress bagian tutup baterai.

3.7. Proses Pengujian Baterai

Pengujian baterai dilakukan menggunakan battery analyzer (MTI) dengan

langkahnya adalah sebagai berikut:

1. Letakkan sampel baterai di terminal pada battery analyzer (terdapat 8

channel).

2. Buka software aplikasi BST8 (Battery system test 8), pastikan perangkat

lunak telah terhubung dengan Battery analyzer.

3. Selanjutnya mengatur parameter baterai dengan klik kanan dan pilih pada

startup.

4. Parameter yang diatur meliputi:

a. Constant current discharge, kondisi batas arus pengosongan.

b. Constant current charge, kondisi batas arus pengisian.

c. Constant voltage charge, kondisi batas pengisian tegangan.

d. Cycle, banyaknya siklus.

e. Rest, waktu istirahat.

5. Selanjutnya tekan Ok, proses analisa baterai berjalan sampai selesai sesuai

berapa siklus yang diatur.

3.8. Diagram Alir Penelitian

Secara garis besar penelitian ini dibagi menjadi 4 tahap. Tahap pertama

adalah membuat nanopartikel FePO4.xH2O menggunakan metode flame assisted

spray pyrolysis. Tahap kedua membuat nanopartikel LiFePO4 menggunakan metode

solid state reaction (Gambar 3.2). Tahap ketiga adalah proses pembuatan lembaran

katoda (Gambar 3.3) dan tahap keempat adalah proses perakitan baterai berbentuk

silinder dan pengujian baterai dengan battery analyzer (Gambar 3.4).


commit to user

28

Gambar 3.2. Alur sintesis LiFePO4 dengan metode FASP dan Solid state reaction.

Glukosa

Vibrating ball mill

Partikel LiFePO4/C

Aquades 100 ml

+

HNO3 69%, 7 ml

FeSO4.7H2O, (NH4)2HPO4

Rasio Fe:P, 1:1., 1:1,1., 1:1,2.,

dan 1:1,3

Pengadukan

Magnet stirrer

Proses sintesis FePO4

Flame assisted spray

pyrolysis

Partikel FePO4 HLiO.H2O, ratio 1:1

Pencampuran

Vibrating ball mill

Furnace suhu 7000C

selama 16 jam


commit to user

29

Gambar 3.3. Alur proses pembuatan lembaran katoda

Pengepresan

Produk

lembaran katoda

LiFePO4/C Vibrating ball mill

AB 10% berat

Vaccum mixer,

60 menit

Pelapisan,

ketebalan 250 µm

NMP dan PVDF

Pengeringan, suhu 120oC

selama 20 menit

Pemotongan ukuran

40 cm x 5 cm

Pelapisan sisi

sebaliknya, ketebalan

250 µm

Pengeringan, suhu 120oC

selama 20 menit


commit to user

30

Gambar 3.4. Alur proses perakitan baterai silinder

Pengelasan konektor negatif

Anoda Separator Katoda

Pengerolan

(winding machine)

Roll dimasukkan

casing

Pengelasan konektor positif

Sub rakitan tutup:

konektor, ventilasi,

isolator, gasket

Grooving

Isolator Pengelasan konektor

negatif ke casing

Pengelasan konektor

positif ke tutup casing

Gas Argon

Pengujian baterai

Sel baterai

Elektrolit

Pengepresan tutup baterai


commit to user

31

BAB IV

HASIL DAN ANALISIS

4.1. Hasil Sintesis partikel FePO4

LiFePO4/C dibuat melalui dua tahapan yaitu pembuatan partikel FePO dan

partikel LiFePO4/C itu sendiri. Hasil dari flame assisted spray pyrolysis dapat dilihat

pada Tabel 4.1.

Tabel 4.1. Data konsentrasi bahan pembuatan LiFePO4/C

NO

SAMPEL

FASP Solid State FURNACE

KONSENTRASI HASIL FASP

(g/jam)

KONSENTRASI

Fe P FePO Li GLUKOSA 16 JAM

1 A 1 1 2,077 1 1 30% 700ºC

2 B1 1 1.1 2,307 1 1 30% 700ºC

3 B2 1 1.2 3,438 1 1 30% 700ºC

4 B3 1 1.3 2,905 1 1 30% 700ºC

Proses pembuatan partikel FePO menggunakan metode flame assisted spray

pyrolysis menghasilkan partikel terbanyak dengan konsentrasi Fe banding P 1:1,2

(sampel B2) sebesar 3,438 g/jam. Rata-rata partikel FePO yang dihasilkan dari proses

FASP adalah sebanyak 2,611 g/jam.

4.2. Analisa partikel LiFePO4/C

4.2.1. Analisa SEM

Gambar 4.1 merupakan partikel FePO4 yang dihasilkan dengan proses flame

assisted spray pyrolysis dengan ratio Fe dan P sebesar 1:1. Partikel yang dihasilkan

masih berukuran mikro. Gambar 4.1 menunjukkan ada sebagian partikel yang

memiliki lubang (hollow). Partikel yang berbentuk cekung dan berlubang diduga

akibat uap perkursor yang masih tertinggal di dalam cangkang kemudian dengan

tekanan yang kuat dapat menembus (melubangi) kulit cangkang selama proses

evaporasi (Bobie, 2012).


commit to user

32

Gambar 4.1. FePO4 partikel dengan ratio Fe dan P 1:1

Gambar 4.2. LiFePO4/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)

Pembentukan partikel LiFePO4 yang dihasilkan masih berukuran mikron

dengan batas butir yang cukup jelas. Gambar 4.2 terlihat partikel LiFePO4/C rata-rata

b

c

a

d


commit to user

33

berukuran 83 nm - 455 nm. Pengukuran ini menggunakan software image raster.

Pengambilan ukuran dilakukan pada partikel yang memiliki batas partikel yang jelas.

Beberapa partikel mengalami penggumpalan (Gambar 4.2.a), hal ini terjadi karena

partikel yang terbentuk mengalami pemanasan berlanjut setelah proses pembentukan

partikel di dalam flame. Peningkatan konsentrasi P mengakibatkan peningkatan

ukuran partikel, dengan rata-rata peningkatan ukuran partikel adalah sebesar 16,54

nm. Hal ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Xu (2008), yang

menyatakan hasil penelitiannya bahwa rata-rata ukuran partikel akan meningkat jika

konsentrasi reaktan meningkat.

4.2.2. Analisa XRD

Selain pengujian SEM, pengujian XRD dilakukan untuk mengetahui

kandungan material dan karakteristik kristalin partikel LiFePO4/C tersebut. Hasil

pengujian XRD dapat dilihat pada Gambar 4.3.

Gambar 4.3. Pola difraksi sinar-X pada LiFePO4/C dengan ratio Fe dan P

1:1, 1:1,1.,1:1,2., dan 1:1,3.


commit to user

34

Gambar 4.3 merupakan hasil uji XRD pada variasi perbandingan konsentrasi

antara Fe dan P masing-masing sebesar 1:1., 1:1,1., 1:1,2 dan 1:1,3. Pola XRD yang

dihasilkan memiliki beberapa kesamaan nilai puncak dengan data base di program

Match. Nilai puncak terbesar pada sudut 20,78o (101), 25,60

o (111), 29,75

o (020), dan

35,63o (311), sama pada semua variasi. Hal ini menandakan bahwa telah terdapat

struktur kristal pada material LiFePO4/C. Gambar pola XRD di atas diketahui bahwa

efek dari perbandingan konsentrasi Fe dan P terjadi puncak yang semakin panjang

terutama pada perbandingan konsentrasi 1:1,1. Hal ini memberitahukan bahwa nilai

kekristalan meningkat dan meningkatkan ukuran partikel pada peningkatan

konsentrasi P 1,1. Diameter partikel rata-rata LiFePO4/C pada nilai puncak

menggunakan metode Scherrer adalah sebesar 11,588 nm, 12,885 nm, 12,081 nm dan

13,778 nm. Gambar pola XRD di atas juga memperlihatkan adanya unsur pengotor

yang terbentuk yaitu Fe2O3 (iron oxide), yaitu pada sudut 30,5o., 34,46

o., 44,33 dan

62,01o. Penelitian Hong, et al. (2013) memperlihatkan hasil bahwa semakin

meningkat perbandingan konsentrasinya maka semakin meningkat terbentuknya

Fe2O3. menginformasikan bahwa ketika konsentrasinya ditambah, rasio puncak dari

Fe2O3 juga meningkat. Hal ini mengindikasikan bahwa telah terbentuk pengotor Fe3+

pada konsentrasi yang semakin tinggi.

4.2.3. Unsur-unsur Penyusun LiFePO4/C

Uji EDS dilakukan untuk mengetahui unsur-unsur yang ada pada material

yang dihasilkan. Alat uji EDS yang dilakukan di LPPT UGM hanya mampu untuk

mendeteksi unsur yang memiliki nomor atom lebih dari 5 (Ding. et al, 2014).

Sehingga untuk unsur Li tidak dapat dideteksi karena memiliki nomor atom 3.

Gambar 4.4 terlihat bahwa unsur Fe persentase massanya sebesar 12,09%

(sampel A), 17,57% (sampel B1), 13,41% (sampel B2) dan 12,92% (sampel B3).

Unsur P memiliki persentase sebesar 7,73%, 11,34%, 8,8% dan 8,69%. Unsur O

memiiki persentase sebesar 54,03%, 51,53%, 50,76%, dan 51,66%. Sedangkan unsur

C persentasenya sebesar 19,19%, 13,59%, 20,45% dan 19,9%.


commit to user

35

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 1 2 3 4 5

Per

sent

ase

mas

sa (

x100

%)

Sampel

Fe

P

O

C

Lain-lain

B1 B2A B3

Gambar 4.4. Unsur-unsur penyusun LiFePO4/C (persentase massa tiap unsur)

Hasil dari data persentase massa didapat perbandingan mol antara Fe:P:O

untuk sampel A sebesar 1:1,15:3,39., sampel B1 sebesar 1:1,16:2,56., sampel B2

sebessar 1:1,18:3,30., dan sampel B3 sebesar 1:1,21:3,49. Hal ini menunjukkan

bahwa perbandingan molar dari hasil penelitian ini telah mendekati perbandingan

molar secara teoritis dari LiFePO4 yaitu 1:1:4 (Ding. et al, 2012).

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

0 1 2 3 4 5

Ras

io a

tom

Sampel

Fe

Data atom P hasil

uji EDS

Gambar 4.5. Rasio atom Fe dan P penyusun LiFePO4/C

Perbandingan komposisi Fe dan P dari komponen LiFePO4/C hasil uji EDS

seperti terlihat pada Gambar 4.5 memiliki kecenderungan yang sama, yaitu semakin

meningkat komposisi Fe dan P maka komposisi Fe dan P pada LiFePO4/C juga akan

meningkat. Seo dan Yun (2008), mensintesis LiFePO4/C dengan komposisi

perbandingan atom Fe dan P sebesar 1,09:1 dan 1,13:1 menghasilkan nilai komposisi


commit to user

36

rasio Fe dan P yang mendekati sama dengan data hasil uji EDS.

4.3. Analisa Performa Baterai Litium Ion

Parameter utama proses pembuatan baterai pada penelitian ini meliputi: massa

bahan katoda, tebal pelapisan dan massa katoda yang terlapiskan, dengan data-data

seperti pada Tabel 4.2.

Tabel 4.2. Data bahan dan parameter katoda

NO SAMPEL

MASSA BAHAN TEBAL

COATING

(µm)

LUAS

KATODA

(cm²)

MASSA

KATODA

(gram) LiFePO4 AB NMP+PVDF

1 A 11,790 1,179 24,620 250 171,6 3,604

2 B1 20,000 2,000 41,763 250 197,5 4,403

3 B2 12,400 1,240 25,893 250 176,0 4,224

4 B3 15,020 1,502 31,364 250 197,5 4,730

Tebal pelapisan katoda pada alumunium sebesar 250 µm, dengan rata-rata

luas katoda yang dihasilkan adalah 185,65 cm2 dan rata-rata massa katoda tiap lembar

sebesar 4,24025 gram.

4.3.1. Kapasitas Baterai

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20

Ka

pa

sita

s B

ate

rai (m

Ah

/g)

Siklus

A

B1

B2

B3

Gambar 4.6. Kapasitas baterai tiap siklus


commit to user

37

Kapasitas rata-rata baterai pada sampel A sebesar 39,75 mAh/g, sampel B1

sebesar 65,95 mAh/g, sampel B2 sebesar 82,09 mAh/g, dan sampel B3 sebesar 37,67

mAh/g. Nilai ini masih sangat rendah jika dibandingkan kapasitas teoritis baterai

berbahan LiFePO4/C (170 mAh/g). Gambar 4.6 menunjukkan nilai kapasitas yang

paling besar terjadi pada sampel B2 dengan kapasitas sebesar 95,37 mAh/g pada

siklus ke-4 dan kapasitasnya turun menjadi 73,203 mAh/g pada siklus ke-20. Hal ini

sebanding dengan persentase unsur C pada Gambar 4.4, dimana sampel B2

mempunyai unsur C yang paling banyak sebesar 21,98%. Sedangkan kapasitas

terendah terjadi pada sampel B3 sebesar 25,509 mAh/g pada siklus ke-18. Seo dan

Yun (2008) telah mensintesis partikel LiFePO4/C dengan penambahan carbon black

menggunakan metode spray pyrolysis. Kapasitas yang dihasilkan adalah 120 mAh/g

untuk penambahan karbon sebesar 5%, dan kapasitas meningkat pada penambahan

karbon sebanyak 10% yaitu sebesar 136 mAh/g.

4.3.2. Efisiensi baterai

Efisiensi baterai didapat dari data hasil uji kapasitas selama charge dan

discharge. Perbandingan kapasitas discharge terhadap kapasitas charge, sehingga

didapat nilai efisiensi baterai.

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 5 10 15 20

Efis

ien

si B

ate

rai

Siklus

A

B1

B2

B3

Gambar 4.7. Efisiensi baterai yang dihasilkan


commit to user

38

Efisiensi rata-rata baterai pada sampel A sebesar 96,53%, sampel B1 sebesar

68,74%, sampel B2 sebesar 97,20%, dan sampel B3 sebesar 93,37% pada 20 siklus.

Sehingga sampel baterai A, B2, dan B3 cenderung memiliki waktu pemakaian yang

lebih lama dibanding sampel baterai B1, dimana dalam pemakaian sampel baterai B1

akan lebih cepat habis.

4.3.3. Stabilitas baterai

-12

-8

-4

0

4

8

12

16

0 5 10 15 20 25

Pe

nyu

suta

n n

ilai k

apas

itas

bat

era

i (m

Ah

/g)

Siklus

A

B1

B2

B3

Gambar 4.8. Penyusutan kapasitas tiap siklus pada sampel baterai

Sampel baterai A memiliki kecenderungan mengalami penyusutan kapasitas

yang rendah. Dimana pada siklus ke-15 mengalami penyusutan sebesar 5,716 mAh/g

dan mengalami kenaikan kapasitas pada siklus ke-16 sebesar 6,262 mAh/g.

Penyusutan rata-rata dalam 20 siklus adalah sebesar 0,254 mAh/g.

Penyusutan kapasitas pada sampel baterai B1 mempunyai karakter yang tidak

konvergen pada siklus ke-6 sampai siklus ke-10. Penyusutan maksimal terjadi pada

siklus ke-7 sebesar 8,35 mAh/g dan mengalami kenaikan pada siklus ke-8 sebesar

4,57 mAh/g. Penyusutan rata-rata dalam 20 siklus adalah sebesar 1,31 mAh/g.

Sampel baterai B2 cenderung memiliki nilai penyusutan yang konvergen. Hal ini

terlihat pada Gambar 4.6., dimana terjadi puncak tinggi hanya diawal siklus dan

cenderung mendekati nilai nol pada siklus berikutnya (konvergen). Penyusutan


commit to user

39

maksimal terjadi di awal siklus yaitu pada siklus ke-2 sebesar 10,23 mAh/g dan

mengalami kenaikan kapasitas pada siklus ke-3 sebesar 10,72 mAh/g. Penyusutan

rata-rata dalam 20 siklus adalah sebesar 1,49 mAh/g.

Karakteristik sampel baterai B3 pada gambar 4.6 memiliki penyusutan rata-rata

selama 20 siklus sebesar 2,42 mAh/g. Siklus ke-1 mengalami kenaikan kapasitas

sebesar 5,49 mAh/g dan menurun pada siklus ke-2 sebesar 14,69 mAh/g.


commit to user

40

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan

sebagai berikut:

1. Metode fabrikasi partikel LiFePO4/C dengan metode flame assisted spray

pyrolisis dan metode solid state reaction telah berhasil dilakukan.

2. Uji SEM menunjukkan bahwa partikel yang dihasilkan masih berukuran

mikron. Diameter rata-rata ukuran partikel LiFePO4/C berkisar antara 167

nm-390 nm.

3. Kapasitas baterai menunjukkan peningkatan rasio P akan menurunkan

kapasitas baterai. Rata-rata kapasitas optimal terjadi pada rasio Fe:P 1:1,2

sebesar 83,067 mAh/g. Efisiensi tertinggi juga terjadi pada rasio Fe:P 1:1,2

sebesar 97,20%.

4. Baterai dengan komposisi rasio Fe dan P sebesar 1:1,2 cenderung memiliki

kapasitas, efisiensi dan stabilitas yang lebih baik.

5.2. Saran

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan penulis menyarankan:

1. Dalam memproduksi nanopartikel dengan metode flame assisted spray

pyrolysis hendaknya memperhatikan parameter pada alat tersebut,

diantaranya temperatur api, konsentrasi larutan precursor, lama waktu

kontak dengan api, dan laju precursor.

2. Penelitian lebih lanjut fabrikasi LiFePO4/C dengan bahan iron (III)

acetylacetonate dan tri-butylphosphate.


commit to user

DAFTAR PUSTAKA

Choi, D.W., and Kumta, P.N., 2007, Surfactant based sol–gel approach to

nanostructured LiFePO4 for high rate Li-ion batteries, J. Power Sources,

163, pp. 1064.

Ding, K., Gu, H., Zheng, C., Liu, L., Liu, L., Yan, X., and Guo, Z. (2014). Octagonal

prism shaped lithium iron phosphate composite particles as positive electrode

materials for rechargeable lithium-ion battery. Electrochimica Acta,146, pp. 585-

590.

Ding, K., Li, W., Wang, Q., Wei, S., and Guo, Z. 2012. Modified solid-state reaction

synthesized cathode lithium iron phosphate (LiFePO4) from different phosphate

sources. Journal of Nanoscience and Nanotechnology,12(5), pp. 3812-3820.

Dominko, R., Goupil, JM., Bele, M., Gaberscek, M., Remskar, M., Hanzel, D.,

and Jamnik., 2005, Impact of LiFePO4 ∕ C composites porosity on their

electrochemical performance, J. Electrochem. Soc, 152, pp. A858.

Gaberscek, M., Dominko, R., Bele, M., Remskar, M., Hanzel, D., and Jamnik, J.,

2005, Mass and charge transport in hierarchically organized storage

materials. Example: Porous active materials with nanocoated walls of

pores, Solid State Ion, 176, pp. 1801.

Gabrisch, H., Wilcox, J.D., Doeff, M.M., Carbon Surface Layers on a High-Rate

LiFePO4 Electrochem. Solid-State Lett, 2006, 11, A25.

Guo, G., Long, B., Cheng, B., Zhou, S., Xu, P., & Cao, B. 2010. Three-

dimensional thermal finite element modeling of lithium-ion battery in

thermal abuse application. Journal of Power Sources, 195(8), pp. 2393-

2398.

Halim Abdul, Heru Setyawan, Siti Machmudah, Tantular Nurtono, and Sugeng

Winardi., 2014, Effect of fuel rate and annealing process of LiFePO 4

cathode material for Li-ion batteries synthesized by flame spray pyrolysis

method, 5th Nanoscience and Nanotechnology Symposium (NNS2013),

AIP Conference Proceedings 1586, pp. 173-178.

Halim Abdul, W. Widiyastuti, Heru Setyawan, Siti Machmudah, Tantular


commit to user

Nurtono, and Sugeng Winardi., 2013. Effect of fuel rate and annealing

process of lifepo4 cathode material for li-ion batteries synthesized by

flame spray pyrolysis method, Nanoscience and Nanotechnology

Symposium, pp. 173-178.

Hamid, N. A., Wennig, S., Hardt, S., Heinzel, A., Schulz, C., and Wiggers, H.

2012. High-capacity cathodes for lithium-ion batteries from

nanostructured LiFePO 4 synthesized by highly-flexible and scalable

flame spray pyrolysis. Journal of Power Sources, 216, pp. 76-83.

Heine, M.C., and Pratsinis, S.E., 2005, Droplet and particle dynamics during

flame spray synthesis of nanoparticles, Industrial & Engineering

Chemistry Research, 44, pp. 6222–6232.

Hong, S. A., Kim, S. J., Chung, K. Y., Lee, Y. W., Kim, J., and Sang, B. I. 2013.

Continuous synthesis of lithium iron phosphate nanoparticles in

supercritical water: Effect of process parameters. Chemical Engineering

Journal, 229, pp. 313-323.

Ju, S. H., and Kang, Y. C. 2008. LiFePO 4/C cathode powders prepared by spray

pyrolysis from the colloidal spray solution containing nano-sized carbon

black. Materials Chemistry and Physics, 107(2), pp. 328-333.

Kucinskis, G., Bajars, G., and Kleperis, J. 2013. Graphene in lithium ion battery

cathode materials: A review. Journal of Power Sources, 240, pp. 66-79.

Li, Z., Zhang, D., and Yang, F. 2009. Developments of lithium-ion batteries and

challenges of LiFePO4 as one promising cathode material. Journal of

materials science, 44(10), pp. 2435-2443.

Nuryadin, B. W. 2008, Rancang Bangun Reaktor Spray Drying Dan Spray

Pyrolysis Mengunakan Ultrasonic Nebulizer Dan Pemanas Bertingkat,

Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia.

Padhi, A.K., Nanjundaswamy, K.S., and Goodenough, J. B., 1997, Phospho-

olivines as Positive-Electrode Materials for Rechargeable Lithium

Batteries, Journal of Electrochemical Society, No.144, pp. 1188-1194.

Phanichphant, S., Liewhiran, C., Wetchakun, K., Wisitsoraat, A., and

Tuantranont, A. 2011. Flame-made Nb-doped TiO2 ethanol and acetone

sensors. Sensors, 11(1), pp. 472-484.


commit to user

Salah, A. A., Mauger, A., Julien, C. M., and Gendron, F. 2006. Nano-sized

impurity phases in relation to the mode of preparation of

LiFePO4. Materials Science and Engineering: B, 129(1), pp. 232-244.

Salminen. J., Steingart, D., and Kallio, T., 2008, Fuel cells and batteries, in: T.

Letcher et al. (Eds.), Future Energy – Improved Sustainable and Clean

Options for Our Planet, Elsevier-IUPAC, pp. 259–276.

Scrosati, B., and Garche, J. (2010). Lithium batteries: Status, prospects and

future. Journal of Power Sources, 195(9), pp. 2419-2430.

Suhendra, B. 2011. Studi performa dan manufaktur dye-sensitized solar sel (dssc)

berbasis zno nanopartikel dengan proses flame assisted spray pyrolysi,

tesis, UNS, Surakarta.

Tani, T., Mädler, L., & Pratsinis, S. E. 2002, Synthesis of zinc oxide/silica

composite nanoparticles by flame spray pyrolysis, Journal Of Material

Science 37, 4627-4632.

Tarascon J.M., 2006, Progress in Lithium Batteries, Global Climate and Energy

Project's Advanced Transportation Workshop, Stanford University, USA.

Toprakci, O., Toprakci, H. A., Ji, L., and Zhang, X. 2010. Fabrication and

electrochemical characteristics of LiFePO 4 powders for lithium-ion

batteries. KONA Powder and Particle Journal, 28(0), pp. 50-73.

Väyrynen, A., and Salminen, J. 2011. Modular li-ion battery systems for electric

and hybrid powertrains. In ICPC 2011, 6th AVL International

Commercial Powertrain Conference, Graz, Austria.

Väyrynen, A., and Salminen, J. 2012. Lithium ion battery production, The

Journal of Chemical Thermodynamics, 46, pp. 80-85.

Wang, G. X., Bewlay, S., Needham, S. A., Liu, H. K., Liu, R. S., Drozd, V. A.,

Lee, J.-F. and Chen, J. M., 2006, Synthesis and Characterization of

LiFePO4 and LiTi0.01Fe0.99PO4 Cathode Materials, Journal of The

Electrochemical Society, No.153(1), pp. A25-A31.

Wang, G. X., Yang, L., Chen, Y., Wang, J. Z., Bewlay, S., and Liu, H. K. 2005,

An investigation of polypyrrole-LiFePO4 composite cathode materials for

lithium-ion batteries. Electrochimica Acta, 50(24), pp. 4649-4654.

Waser, O., Büchel, R., Hintennach, A., Novák, P., and Pratsinis, S. E., 2011,


commit to user

Continuous flame aerosol synthesis of carbon-coated nano-LiFePO4 for

Li-ion batteries, Journal of Aerosol Science 42(10), pp. 657-667

Xu, C., Lee, J., and Teja, A. S. 2008. Continuous hydrothermal synthesis of

lithium iron phosphate particles in subcritical and supercritical

water. The Journal of Supercritical Fluids, 44(1), pp. 92-97.

Yoshio, M., Ralph J. B., and Akiya, K. 2009. Lithium-Ion Batteries Science and

Technologies. Springer Science Business Media, New York.

Zhang, W. J., 2011. Structure and performance of LiFePO 4 cathode materials: a

review. Journal of Power Sources, 196(6), pp. 2962-2970.

Zhang, Y., Huo, Q. Y., Du, P. P., Wang, L. Z., Zhang, A. Q., Song, Y. H., and

Li, G. Y. (2012). Advances in new cathode material LiFePO 4 for lithium-

ion batteries. Synthetic Metals, 162(13), pp. 1315-1326.


commit to user

Documents

FABRIKASI LITHIUM IRON PHOSPHATE CARBON SEBAGAI … · perpustakaan.uns.ac.id i FABRIKASI LITHIUM IRON PHOSPHATE CARBON SEBAGAI MATERIAL KATODA BATERAI LITHIUM ION TESIS Disusun untuk