MAKALAH SEMINAR KIMIA

Analisis Impedansi Silikon Nanowire Dalam Anoda Baterai Litium Ion

Oleh :

Dina Permata Sari

Pendidikan Kimia

84229/2007

Dosen Pembimbing:

Drs. H. Rusydi Rusyid, M. A.

Miftahul Khair, S. Si., M. Sc.

JURUSAN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI PADANG

2010

1

ABSTRAK

Perilaku Impedansi elektroda silikon nanowire telah diteliti untuk memahami proses kinetika elektrokimia yang mempengaruhi kinerja ketika digunakan sebagai anoda kapasi tas tinggi dalam baterai ion lithium. Tanggapan ac diukur dengan menggunakan spektroskopi impedansi dalam kondisi kesetimbangan pada komposisi litium berbeda dan selama beberapa siklus charge dan discharge dalam setengah sel vs logam litium. Analisis Impedansi menunjukkan kontribusi baik resistensi permukaan dan difusi solid state melalui nanowires dalam jumlah besar. Proses permukaan didominasi oleh lapisan elektrolit padat (SEI) yang terdiri dari inner, bagian tak larut senyawa anorganik dan beberapa senyawa organik pada lapisan antarmuka terluar, seperti yang terlihat oleh analisis XPS. Permukaan resistivitas, yang tampaknya berkorelasi dengan efisiensi muatan elektroda, tumbuh pada kandung Litium yang sangat tinggi karena peningkatan ketebalan SEI senyawa anorganik. Kami memperkirakan koefisien difusi sekitar 2 × 10-10 cm2 / s untuk difusi lithium dalam silikon. Sebuah peningkatan besar dalam impedansi elektroda adalah diamati pada komposisi lithium sangat rendah. Mungkin diakibatkan karena mekanisme yang berbeda untuk difusi litium dalam kabel. Pembatasan tegangan hingga ke 0,7 V mencegah impedansi yang besar ini dan meningkatkan waktu hidup/ tahan elektroda. Edaran sel antara 0,07 dan 0,70 V vs logam litium pada kerapatan arus 0,84 A/g (C/5) menunjukkan efisiensi muatan yang baik (sekitar 99%) dan mempertahankan kapasitas sekitar 2000 mAh / g setelah 80 siklus.

Keywords : impedansi, nanowire, resistansi, XPS, difusi

i

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT karena atas limpahan

rahmat dan karunianya penulis telah dapat menyelesaikan makalah seminar kimia

yang berjudul ” Analisis Impedansi Silikon Nanowire Dalam Anoda Baterai

Litium Ion”

Pembuatan makalah ini tidak terlepas dari bantuan pihak lain, untuk itu

penulis menghaturkan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada,

1. Orang tua penulis yang telah memberikan bimbingan dan motivasi.

2. Bapak Drs. H. Rusydi Rusyid, M. A. dan Bapak Miftahul Khair, S.Si., M.Sc.

selaku dosen mata kuliah Seminar Kimia.

3. Seluruh rekan-rekan jurusan kimia UNP.

Penulis menyadari bahwa makalah ini jauh dari kesempurnaan. Untuk itu,

kritikan, saran, dan ide yang sifatnya membangun akan penulis terima demi

kesempurnaan makalah penulis dimasa yang akan datang. Semoga makalah ini

bermanfaat baik bagi penulis maupun bagi pembaca hendaknya.

Padang, Juni 2010

Penulis

ii

DAFTAR ISI

ABSTRAK.....................................................................................................................i

KATA PENGANTAR...................................................................................................ii

DAFTAR ISI................................................................................................................iii

DAFTAR GAMBAR.....................................................................................................v

DAFTAR TABEL........................................................................................................vi

BAB I PENDAHULUAN............................................................................................1

A. Latar Belakang................................................................................................1

B. Identifikasi Masalah........................................................................................2

C. Batasan Masalah..............................................................................................3

D. Rumusan Masalah...........................................................................................3

E. Tujuan Penelitian.............................................................................................3

F. Manfaat Penelitian..........................................................................................3

BAB II KAJIAN TEORI.............................................................................................5

A. Baterai litium ion............................................................................................5

B. Prinsip kerja dari baterai Litium ion................................................................8

C. Karakteristik Baterai Litium Ion.....................................................................9

D. Baterai dari Karbon Silikon Nanokomposit..................................................11

BAB III PROSEDUR PERCOBAAN........................................................................15

A. Alat dan Bahan..............................................................................................15

B. Prosedur Kerja...............................................................................................15

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN.....................................................................18

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN......................................................................41

A. Kesimpulan....................................................................................................41

iii

B. Saran.........................................................................................................................42

DAFTAR PUSTAKA..............................................................................................................43

iv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1 Struktur Baterai Litium-ion...................................................................................13

Gambar 2 Susunan struktur dari baterai litium ion.................................................................16

Gambar 3 Struktur Silikon Berpori........................................................................................20

Gambar 4 Elektroda silicon nanowire (a) elektroda silicon nanowire murni (b) elektroda

setelah dua kali siklus...........................................................................................26

Gambar 5 Komposisi Silikon nanowire.................................................................................27

Gambar 6 Profil tegangan/waktu di bawah arus konstan ( garis lurus) dan kondisi relaksasi

( garis putus-putus)...............................................................................................31

Gambar 7 Tegangan rantai terbuka (OCV) dan potensial Cuttof............................................32

Gambar 8 Sirkuit ekivalen untuk impedansi data..................................................................34

Gambar 9 Plot Nyquist...........................................................................................................34

Gambar 10 Daya Tahan Permukaan.......................................................................................39

Gambar 11 Kapasitas spesifik dari siklus charge dan discharge diukur pada IS dan GCPL...41

Gambar 12 Hasil siklus galvanostik dua electrode setengah sel antara poensial Cuttof yang

berbeda.................................................................................................................45

v

DAFTAR TABEL

Tabel 1 Impedansi frekuensi rendah pada DOD tinggi.........................................................38

Tabel 2 Koefisien Difusi........................................................................................................42

vi

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Dewasa ini baterai menjadi barang yang tidak bisa dilepaskan dalam

kehidupan sehari-hari kita. HP, digital kamera, laptop, bahkan Robot dan

belakangan ini mobil hybrid, kesemuanya memerlukan baterai sebagai sumber

penggerak. Diantara banyak jenis baterai, baterai litium ion lah yang mendapat

perhatian utama. Selain memiliki daya yang tinggi, baterai ini ringan, dan bisa

dipakai berkali-kali.

Baterai lithium ion pertama kali ditemukan oleh M.S. Whittingham pada

tahun 1970 yang menggunakan titanium(II)sulfide sebagai katoda dan logam

litium sebagai anoda. Dengan penelitian yang intensif selama lebih dari 20 tahun,

akhirnya pada tahun 1991, diproduksi secara komersial baterai litium ion pertama

kalinya. Sejak produksi komersial tahun 1991, produksi baterai litium ion

mengalami kenaikan yang sangat pesat karena telah membuat revolusi didunia

elektronik. Kenaikan produksi baterai litium ion pada tahun 2007 mencapai

22.4% di Jepang. Saat in negara Jepang merupakan produsen baterai terbesar.

Baterai litium ion juga merupakan pemimpin produk baterai yang menguasai

46% atau sekitar 4 milliar US dollar bangsa pasar pada tahun 2007.

1

Seiring dengan perkembangan teknologi komputer, hp, dan belakangan

ini mobil hybrid yang begitu cepat dan memerlukan daya yang tinggi, sehingga

diperlukan baterai litium yang mampu menghasilkan energi lebih tinggi.

Permintaan tehadap baterai ion litium yang memiliki energi spesifik yang

tinggi untuk aplikasi seperti kendaraan listrik, generasi berikutnya perangkat

elektronik, dan perangkat medis implan memotivasi penelitian terhadap bahan

elektroda dengan kapasitas muatan spesifik yang lebih besar. Di antara beberapa

senyawa yang diusulkan untuk mengganti grafit sebagai elektroda negatif, silikon

sangat menjanjikan karena memiliki kapasitas spesifik teoritis 4.200 mAh / g

dikarenakan penggabungan 4,4 atom lithium per satu atom silikon. Selain itu,

atom silikon ( silikon berpotensi sebagai bahan anoda yang mempunyai kapasitas

penampung lithium paling besar) adalah unsur kedua paling berlimpah di bumi

dan sudah memiliki infrastruktur industri dewasa, ini merupakan bahan menarik

ketika mempertimbangkan aplikasi komersial. Jadi ada dorongan yang besar

untuk menemukan cara untuk memanfaatkan silikon di dalam sistem baterai ion

litium.

Oleh karena itu, penulis ingin meneliti tentang analisis silikon dalam

baterai dalam penelitian yang berjudul ” Analisis Impedansi Silikon Nanowire

Dalam Anoda Baterai Litium Ion”

B. Identifikasi Masalah

2

Berdasarkan latar belakang masalah yang dikemukakan, maka

permasalahan dalam penelitian ini dapat diidentifikasi sebagai berikut:

1. Permintaan tehadap baterai litium ion yang memiliki energi spesifik yang

tinggi untuk aplikasi seperti kendaraan listrik, memotivasi penelitian terhadap

bahan elektroda dengan kapasitas muatan spesifik yang lebih besar.

2. Kapasitas penyimpanan anoda baterai litium ion yang rendah.

C. Batasan Masalah

Berdasarkan identifikasi masalah di atas, maka permasalahan dalam

penelitian ini dibatasi pada penggunaan silikon dalam baterai litium ion.

D. Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana

pengaruh silicon nanowire dalam anoda baterai litium ion.

E. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah untuk

mengetahui penggunaan silikon dalam anoda baterai litium ion dan untuk

mengetahui apakah dengan menggunakan silikon nanowire dalam anoda baterai

litium ion dapat meningkatkan kinerja baterai litium ion.

Manfaat Penelitian

Penelitian ini diharapkan bermanfaat untuk :

3

1. Memberikan gambaran pembuatan material baru yang dapat digunakan untuk

meningkatkan kapasitas daya tahan baterai litium ion.

2. Memberikan masukan dan kontribusi berupa data-data teknis untuk diterapkan

pada industri baterai serta dapat digunakan untuk penelitian lebih lanjut.

3. Memberikan info tentang manfaat silikon nanowire di dalam anoda baterai

litium ion

4

BAB II KAJIAN TEORI

A. Baterai litium ion

Baterai lithium merupakan baterai yang menggunakan logam litium

atau paduan litium sebagai elektroda negatif (anoda) dan material lain seperti

mangan dioksida (MnO2), tionil klorida (SOCl2), atau sulfur dioksida (SO2),

LiCoO2 sebagai elektroda positif. Litium merupakan logam yang paling ringan,

rasio elektron/ massa paling besar, dan potensial elektroda paling negatif

sehingga baterai litium memunyai densitas energi yang tinggi dan tegangan yang

tinggi. Umumnya baterai bekerja dengan mekanisme mentransfer ion litium di

antara dua elektroda (katoda dan anoda) melalui elektrolit cair

Sejak diproduksi tahun 1991, baterai litium ion tidak mengalami

perubahan signifikan pada sifat kerja baterai ini. Ada 4 elemen yang berperan

dalam proses discharge dan recharge yaitu: elektroda positif yang mengandung

LiCoO2, elektroda negatif yang terbuat dari karbon grafit (C6), separator yang

terbuat dari lapisan tipis plastik yang dapat dilalui oleh ion-ion, dan larutab

elektrolit. Pada proses discharge atau saat kita memakai baterai, Li+ ion bergerak

dari negatif ke positif melalui separator, sehingga elektron bergerak dengan arah

yang sama. Aliran elektron inilah yang menghasilkan energi listrik.

(Katoda) Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- ↔　 LiCoO2

(Anoda) LiC6 ↔ xLi+ + xe- + 6C

5

Gambar 1 Struktur Baterai Litium-ion

Sifat logam litium yang sangat reaktif terhadap air dan uap air

membuat aliran ion litium ini bereaksi spontan karena sifat logam litium yang

sangat oksidatif. Kelebihan sifat logam litium yang memberikan energi yang

besar pada baterai disebabkan oleh daya oksidatif yang tinggi dan massa atom

relatif yang kecil sehingga dengan berat yang lebih ringan, baterai ini dapat

menghasilkan energi yang besar. Sebagai perbandingan, baterai Ni/Cd hanya

memiliki energi sekitar 50 Watt.hour (Wh) dengan daya maksimum 1.2V

sedangkan baterai litium ion memiliki sekitar 150 Wh dengan daya 3.7V untuk

tiap 1 Kg-nya. Bahkan dari segi volume, tiap 1 dm3 baterai litium ion memiliki

500 Wh energi sedangkan Ni/Cd hanya sekitar 150 Wh. Dengan kelebihan ini,

alat elektronik menjadi semakin ringan dan kecil.

6

Sifat reaktif litium ini juga merupakan kendala dari pembuatan baterai

litium ion. Kendala utama yang mempersulit bahkan merugikan produsen baterai

dan konsumen adalah faktor keamanan. Dalam pembuatan baterai litium ion,

tahap akhir sebelum dipasarkan adalah awal pengisian baterai sekitar 40% dari

kapasitas. Tahap awal charging baterai merupakan tahap yang sangat rentan

kebakaran. Salah satu peristiwa yang terjadi adalah di Jepang pada tahun 2007

dimana pabrik baterai terbakar saat tahap pengisian baterai.. Hal ini ternyata

disebabkan oleh kontaminasi bubuk logam pada baterai.

Dari penelitian yang telah banyak dilakukan oleh produsen baterai,

penyebab terjadinya api pada baterai litium ion adalah kontak litium dengan

logam lain, overcharge, dan pemanasan. Sedikit saja litium ini kontak dengan

serbuk logam akan menyebabkan api, sehingga jangan pernah menusuk baterai

dengan paku atau benda lain. Pemakaian charger yang tidak sesuai dimana

mengisi baterai dengan tegangan diatas yang seharusnya dalam jangka waktu

lama dapat menyebakan kebakaran. Dan pemanasan diatas 60 derajat juga dapat

membahayakan pengguna. Namun, saat ini baterai telah dilengkapi dengan

termometer dan polimer separator yang dapat mencegah bahaya oleh temperatur

tinggi.

Salah satu kendala yang lain dari baterai litium ion ini selain keamanan

adalah sumber litium itu sendiri. Saat ini litium terbanyak dimiliki oleh negara

Chili yang menyimpan cadangan litium sekitar 3 juta ton atau sekitar 73.2%

cadangan dunia. Sedangkan di negara-negara lain adalah sisanya atau sekitar

7

26.8% yang setengahnya dimiliki oleh China. Sehingga, negara-negara produsen

litium ion baterai sangat tergantung dari kondisi politik negara Chili.

Dengan kelebihan dan kekurangan yang dimiliki oleh baterai litium

ion, sampai saat ini baterai ini tetap menjanjikan untuk energi listrik yang bebas

polusi. Dengan kombinasi sumber energi listrik dari tenaga matahari dan angin,

masa depan baterai litium ion yang akan digunakan tiap rumah dan kendaraan

sebagai penyimpan energi listrik sangat berperan untuk mengurangi penggunaan

listrik yang bersumber dari bahan fosil.

B. Prinsip kerja dari baterai Litium ion

Baterai litium menggunakan komposit berstruktur layer, Litium Cobalt

Oxide (LiCoO2), sebagai katoda, dan material karbon (dimana litium disisipkan

diantara lapisan karbon) sebagai anoda.

Susunan struktur dari baterai litium ion bisa dilihat di gambar 1.

Baterai litium ion sendiri terdiri atas anoda, separator, elektrolit, dan katoda.

Pada katoda dan anoda umumnya terdiri atas 2 bagian, yaitu bagian material aktif

(tempat masuk keluarnya ion litium) dan bagian pengumpul elektron (collector

current).

Proses penghasilan listrik pada baterai litium ion sebagai berikut: Jika

anoda dan katoda dihubungkan, maka elektron mengalir dari anoda menuju

katoda, bersamaan dengan itu listrik pun mengalir. Pada bagian dalam baterai,

terjadi proses pelepasan ion litium pada anoda, untuk kemudian ion tersebut

berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Dan di katoda, bilangan oksidasi

8

kobalt berubah dari 4 menjadi 3, karena masuknya elektron dan ion litium dari

anoda. Sedangkan proses recharging/pengisian ulang, berkebalikan dengan

proses ini.

Gambar 2 Susunan struktur dari baterai litium ion

Dari berbagai banyak jenis logam, logam litium merupakan logam

yang sangat menjanjikan untuk anoda karena memiliki potensial standar paling

negatif (-3.0 V), paling ringan (berat atom:6.94 g), sehingga bila dipakai untuk

anoda dapat menghasilkan kapasitas energi yang tinggi.

C. Karakteristik Baterai Litium Ion

Seperti yang sudah dijelaskan diawal, anoda terdiri dari 2 bagian yaitu

bagian pengumpul elektron dan material aktif. Untuk bagian pengumpul elektron

9

biasanya menggunakan lapisan film tembaga, selain stabil (tidak mudah larut),

harganya pun murah. Sedangkan pada bagian material aktif, tidak menggunakan

logam litium secara langsung, namun menggunakan material karbon (LiC6).

Hal ini dikarenakan, sulitnya mengkontrol reaksi litium pada

permukaan elektroda bila memakai logam litium secara langsung. Material LiC6

adalah grafit dimana disetiap layer/lapisan disisipkan logam litium. Kepadatan

energinya dari material ini berkisar 339~372 A h/kg.

Namun salah satu kelemahan utama pada material karbon ini, adalah

terjadi irreversible capacity. Yaitu, jika baterai dialiri listrik dari luar untuk

pertama kalinya dari keadaan kosong, maka ketika digunakan besar

kapasitas/energi yang dilepas tidak sama ketika proses pengisian. Hal ini

dikarenakan terbentuknya gas pada anoda, sehingga menghalangi pelepasan ion

litium. Namun hal ini dapat dicegah dengan menambahkan zat adiktif seperti

vinil karbonat ke dalam larutan elektrolit.

Selain material karbon, material berbahan dasar silikon dan Sn

merupakan kandidat besar untuk menjadi material anoda masa depan. Li4.4Si

dilaporkan memiliki kepadatan energy 4140 A h/kg, 8 kali lipat lebih tinggi

dibanding LiC6. Sedangkan Li4.4Sn memeliki kepadatan energy 992 A h/kg.

Walaupun memiliki kepadatan energy yang tinggi, material ini memiliki siklus

pemakaian yang sedikit (tidak bisa dipakai berulang-ulang) akibat dari perubahan

volume material yang signifikan dan terjadinya perubahan fase. Dengan

memadukan silikon-karbon, atau komposit silikon (campuran dengan Cu, Sn, Zn,

dan Ti) dilaporkan dapat meningkatkan siklus pemakaian anoda.

10

Kunci dari pengembangan anoda ini adalah tidak hanya pada

kepadatan energi yang tinggi namun juga siklus pemakaian (cyclability). Seperti

Li4Ti5O12/C, walaupun hanya memiliki kepadatan energy 145 Ah/kg pada suhu

5C, namun bisa dipakai 500 kali siklus dengan kepadatan energy 142 Ah/kg dan

menghasilkan potensial yang tinggi 1.5. Ditambah dengan keamanan material ini

yang tinggi, material ini bukan tidak mungkin dipakai sebagai anoda baterai

litium ion untuk mobil masa depan.

D. Baterai dari Karbon Silikon Nanokomposit

Sebuah anoda berbasis silikon baru bisa meningkatkan kapasitas

penyimpanan baterai-baterai litium ion dengan menambah waktu operasi peranti-

peranti seperti laptop dan telepon genggam hingga sampai tujuh kali lipat.

Baterai-baterai ion litium isi ulang merupakan sumber daya yang

umum untuk berbagai peranti elektronik, dan juga sedang diteliti untuk

digunakan pada mobil-mobil listrik hibrid − tetapi kapasitasnya perlu

ditingkatkan untuk memenuhi permintaan akan daya.

Baterai-baterai litium ion menghasilkan arus listrik dari pergerakan

ion-ion litium dari sebuah anoda grafit ke sebuah katoda berbasis logam. Ketika

baterai sedang diisi, ion-ion litium bergerak kembali ke anoda grafit, dimana

kemudian mereka terjebak. Akan tetapi grafit memiliki kapasitas penyimpanan

yang relatif rendah − sehingga mengganti dengan material yang bisa menyimpan

lebih banyak ion litium akan memungkinkan baterai tahan lebih lama.

11

Beberapa penelitian baru-baru ini telah berfokus pada penggunaan

silikon, yang membentuk aloi-aloi litium dan bisa menyimpan jauh lebih banyak

muatan dibanding grafit. Tetapi silikon mengembang hingga sampai 300 persen

ketika aloi terbentuk, dan selanjutnya menyusut kembali ketika ion-ion litium

dilepaskan. Setelah beberapa kali isi ulang, struktur silikon mulai rusak dan tidak

lagi menyimpan ion-ion tersebut secara efektif.

Baru-baru ini, Jaephil Cho dan rekan-rekannya di Hanyang University

di Korea Selatan menganggap bahwa mereka telah memecahkan masalah ini

dengan membuat sebuah material silikon berpori yang dapat mengakomodasi

ekspansi dan kontraksi ini. Material ini dibuat dengan memanaskan nanopartikel

silikon dioksida dengan sebuah gel berbasis silikon pada suhu 900°C dibawah

argon. Silikon dioksida kemudian terlepas, menyisakan sebuah jejaring kristal-

kristal silikon yang saling terhubung dilapisi dengan sebuah lapisan tipis karbon.

Dinding berpori kecil memastikan material bisa mengembang tanpa terjadi

fraktur

Struktur yang dihasilkan mengandung pori-pori dengan dinding-

dinding silikon tipis, ketebalannya hanya sekitar 400 nm. Pori-pori tersebut

memungkinkan struktur ini “bernafas” sehingga bahkan setelah mengembang

dan berkontraksi selama lebih dari 100 kali isi ulang, material ini tetap

mempertahankan kepaduan struktur. Tim Cho membuktikan hal ini dengan terus

menerus menyimpan muatan listrik lebih dari 2800 miliamper jam per gram −

sebuah nilai yang sekitar tujuh kali lebih tinggi dibanding grafit.

12

Gambar 3 Struktur Silikon Berpori

Proses pembuatannya cukup sederhana dan mudah ditingkatkan

menjadi skala industri. Selain itu, kapasitas penyimpanan yang lebih besar tidak

berarti bahwa baterai memerlukan waktu lebih lama untuk diisi ulang. Struktur

yang berpori tersebut bisa dengan cepat terisi, sehingga memungkinkan

pengisian cepat dan pengosongan jika diperlukan. Dengan sifat ini, baterai

tersebut dapat digunakan dalam aplikasi bertenaga lebih tinggi seperti mobil-

mobil hibrid.

Baterai merupakan alat listrik kimiawi yang menyimpan energi dan

mengeluarkan tenaganya dalam bentuk listrik. Tim peneliti dari Institut

Teknologi Georgia, Amerika Serikat, berhasil mengembangkan baterai berbasis

karbon silikon nanokomposit. Baterai itu diklaim mampu meningkatkan daya

tahan baterai litium ion. Rencananya, baterai itu diproduksi dalam skala industri

yang bisa digunakan untuk berbagai kebutuhan, mulai dari kendaraan bermotor

hibrid hingga perangkat elektronik. Teknik yang digunakan disebut bottom-up.

13

Maksudnya, struktur baterai mengadopsi teknologi nano untuk memantapkan

material dalam baterai

Sederhananya, metode yang digunakan didesain agar mudah

diaplikasikan pada baterai yang ada di pasaran. Pengembangan baterai didesain

agar partikel anoda dan katoda sesuai dengan baterai litium ion.

14

BAB III

PROSEDUR PERCOBAAN

A. Alat dan Bahan

Stainless steel

Logam Au

Logam Li

Larutan Elektrolit ( larutan komersial 1,0 M LiPF6 )

Dimetil Karbonat

Karbon (grafit)

Tungku bersuhu tinggi

Logam Silikon

B. Prosedur Kerja

1. Pembuatan Material Silikon Berpori

panaskan nanopartikel silikon dioksida

dengan gel bebrasis silikon

panaskan pada 9000C di bawah argon

silikon dioksida akan terlepas meninggalkan jejaring kristal-kristal

silikon yang dilapisi lapisan tipis karbon

Struktur yang dihasilkan mengandung pori-pori dengan

15

dinding-dinding silikon tipis, ketebalannya hanya sekitar 400 nm

2. Analisis silikon nanowire dalam anoda baterai litium ion

Ambil stainless steel

tutupi dengan logam emas

dipanaskan hingga 450 0C

dialirkan 2 % silana dalam gas Argon pada 40 torr selama 20 menit

digunakan sebagai katalis dalam pertumbuhan silicon nanowire

ambil 2 buah elektroda setengah sel

silicon nanowire sebagai elektroda kerja

logam litium sebagai elektroda referensi dan counter elektroda

gunakan larutan LiPF6 sebagai elektrolit

celgard 2325 sebagai pemisah dalam elektrolit

letakkan dalam wadah berisi Ar dan ditutup dengan polietilen teraluminisasi

rentang frekuensi yang diamati adalah 50-100 kHz

dan 10 mV

data impedansi dihitung menggunakan komputer

16

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Anoda berbasis silikon belum cukup stabil untuk penggunaan praktis.

Anoda grafit menggunakan partikel berukuran 15-20 mikron Jika ukuran partikel

silikon yang hanya diganti untuk grafit, ekspansi dan kontraksi saat lithium ion

memasuki dan meninggalkan silikon menciptakan retakan yang menyebabkan

kegagalan kinerja anoda. Material terbaru, yakni nanokomposit, menjadi solusi

dari masalah degradasi tersebut. Material komposit dipandang sebagai alternatif

pengganti material logam karena bobotnya sangat ringan tapi superkuat.

Komposit juga memiliki kekuatan yang dapat diatur (tailorability), tidak mudah

aus, dan tahan korosi. Bahan itu berpotensi meningkatkan kapasitas baterai

silikon. Ujung-ujungnya daya baterai lebih tinggi dari ukuran baterainya

Proses pembuatan anoda komposit diawali dengan membentuk struktur

yang bercabang-cabang. Analoginya seperti ranting pohon yang bercabang-

cabang. Terbuat dari karbon hitam nanopartikel yang dikeraskan dalam tungku

tabung bersuhu tinggi. Lalu, silikon yang berdiameter 30 nanometer kemudian

membentuk struktur karbon. Hasilnya, bentuk karbon silikon komposit mirip

“apel yang tergantung di pohon.” Selanjutnya, karbon digunakan sebagai

pengikat elektrik konduktif. Lantas, baterai karbon silikon komposit berukuran

10-30 mikron digunakan untuk membentuk anoda baterai. Saluran internal di

karbon silikon berfungsi mengenali elektrolit cair agar litium ion terisi.

17

Kegunaan lainnya agar ekspansi dan kontraksi silikon tidak menyebabkan anoda

rusak. Saluran internal dan skala nanometer partikel juga menyediakan jalur

difusi litium singkat ke anoda dan meningkatkan daya baterai.

Ukuran partikel silikon dikendalikan dari proses deposisi uap kimia

dan tekanan yang teraplikasi pada sistem pengendapan. Ukuran cabang

nanostruktur karbon dan silikon menentukan ukuran pori dalam komposit. Anoda

nanokomposit akan digunakan dalam baterai konvensional. Dengan begitu,

produsen baterai tidak perlu mengubah metode produksinya saat mengadopsi

teknik membuat baterai karbon silikon komposit itu. Para peneliti telah menguji

baterainya dengan mengujicobakannya di lebih seratus siklus pengisian ulang

Perkembangan penelitian baterai litium mengarah ke teknologi nano

dengan ukuran nanometer akan membuat kontak permukaan antarbutiran bahan

semakin baik.

Artinya, permukaan kristal bahan akan mendekati permukaan yang

sama sehingga gerakan ion lithium menjadi lebih mudah menembus kristal

bahan.

Morfologi elektroda

Seperti ditunjukkan dalam Gambar 4a, elektroda terdiri dari kepadatan

tinggi NWS ( nanowires) menempel pada substrat. Elektroda berada dalam

kontak mekanis dengan pemisah, yang terendam dengan elektrolit. Ketika sel

telah dipasang, sedikit tekanan diterapkan pada sel, yang menyebabkan NWS

sejajar dengan substrat. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 4b, yang diperoleh

18

diperoleh oleh pembongkaran sel setelah charge, elektroda muncul sebagai

massa padat kabel yang dikemas bersama antara pemisah (tidak ditampilkan) dan

substrat.

Gambar 4 Elektroda silicon nanowire (a) elektroda silicon nanowire murni (b) elektroda setelah dua kali siklus

Analisis XPS

Data XPS( Spektroskopi Fotoelektron Sinar X) yang dilaporkan

dalam Gambar 5 menunjukkan komposisi permukaan kawat pada kapasitas yang

berbeda. Seperti yang kita amati, distribusi unsur-unsur (Gambar5a) bervariasi

19

untuk setiap sampel, menunjukkan bahwa komposisi permukaan didominasi oleh

pembentukan lapisan SEI ( Lapisan Elektrolit Padat ), yang merupakan proses

dinamis selama rentang tegangan yang digunakan.

20

Gambar 5 Komposisi Silikon nanowire

(a) Komposisi atomis silikon nanowire ditentukan dengan spektroskopi

fotoelektron sinar-X pada charge dan discharge yang berbeda

(b) Komposisi molecular permukaan silikon nanowire yang ditentukan dengan

resolusi tinggi spektroskopi fotoelektron sinar-X

(c) Puncak spektra resolusi tinggi dari C 1s, O 1s, dan F 1s dari sampel silikon

nanowire pada 0.1 V setelah beberapa kali siklus

(d) Kedalaman struktur nanowire pada 0.1 V dengan laju lebih kurang 4

nm/menit

Sinyal dari Si menghilang di 0,1 V di charge pertama, menunjukkan

bahwa lapisan SEI telah tumbuh lebih tebal daripada kedalaman penetrasi XPS

(~ 10nm). Gambar 5b menunjukkan hasil dari komposisi permukaan masing-

masing sampel yang ditentukan dengan mengidentifikasi senyawa dari spektra

resolusi tinggi (data untuk muatan menjadi 0,1 V ditunjukkan pada Gambar 5c).

Pada charge pertama dengan 0,5 V, lapisan SEI terdiri dari hidrokarbon,

oligomers tipe PEO, dan garam litium (LiF dan LiPF6), dengan jumlah yang lebih

kecil dari eter dan alkil karbonat litium. Spesies yang diamati konsisten dengan

penelitian yang dilakukan sebelumnya tentang pengurangan produk yang diamati

dalam electrolit. Dalam charge pertama yang 0,1 V, permukaan SEI sebagian

besar terdiri dari hidrokarbon dan oligomer PEO, menunjukkan pengurangan

elektrolit lebih jauh, tidak ada alkil Li karbonat atau eter diamati, menunjukkan

21

bahwa produk berubah menjadi Li2CO3. Setelah sputtering (Gambar 5d), fitur CO

diamati menghilang dari puncak C 1S, yang menunjukkan bahwa hidrokarbon

dan PEO merupakan bagian dari lapisan organik di permukaan. Lapisan LiPF6

juga ditemukan di luar lapisan, dengan lebih LiF pada permukaan elektroda. Ini

konsisten dengan pengamatan elektroda Li dan LixC sebelumnya, dimana SEI

terdiri dari lapisan anorganik dekat ke permukaan elektroda dan organik, polymer

mengandung lapisan pada antarmuka dengan elektrolit.

Pada muatan penuhi 10 mV, permukaan SEI berisi terutama Li2CO3

dan LiF. Li2CO3 ini dibentuk sebagai produk reduksi elektrokimia dari elektrolit,

tetapi LiF dibentuk sebagai dekomposisi produk (dari LiPF6) daripada sebuah

elektrokimia. Lapisan SEI pada 0,4 V dalam melaksanakan discharge, LiF dan

Li2CO3 sebagai komponen utama. Pada discharge penuh 2 V, SEI ditemukan

akan terdiri didominasi dari Li2CO3, dengan spesies utama lainnya LiF dan

LiPF6. Selama siklus kedua, komposisi tetap sama selama charge dan discharge.

Hal ini menunjukkan bahwa pembentukan komposisi dari SEI ( elektrolit padat

antar muka) merupakan ciri penting selama siklus pertama dan kemudian

sebagian besar tetap sama, dengan Li2CO3 sebagai spesies utama.

Validasi Data Spektroskopi Impedansi

Geometri yang digunakan dalam impedansi percobaan dipilih dan

divalidasi dengan menggunakan konfigurasi elektrode dua tiga dimana impedansi

dari WE vs RE dan CE vs RE diukur. Jika pengukuran tidak bergantung dari

bentuk dan posisi RE, jumlah dari dua impedansi harus sama dengan diperoleh

22

dalam konfigurasi dua-elektroda antara WE dan CE. Dalam kasus ini, hasil

terbaik diperoleh dengan menempatkan Li RE kecil (sekitar 6 mm2) antara dua

lembar pemisah di tengah sel kantong. RE terhubung ke luar sel melalui tembaga

berisolasi polimida. Menggunakan geometri ini, jumlah impedansi dari WE / RE

dan CE /RE berbeda dari dari impedansi WE/CE dengan kekurangan 6% di

rentang frekuensi dieksplorasi.

Eksperiment Spektroskopi Impedansi ( IS )

Perubahan komposisi elektroda SiNW dijelaskan dalam bentuk tingkat

muatan ( SOC ) selama penyisipan litium dan kedalaman discharge (DOD)

selama ekstraksi lithium. Untuk mengubah SOC dan DOD, digunakan pulse

galvanostatik (0,21 A/ g) selama dua siklus charge dan discharge pertama. Sel itu

kemudian diolah oleh GCPL pada 0,42 A/ g untuk setiap penambahan 8 siklus

(selama siklus 3-10). Di siklus kesebelas dan kedua belas, pengukuran impedansi

diambil lagi pada SOC dan DOD yang berbeda. Setelah kedua belas siklus sel

dibuka dan semua komponen (CE, RE, lembar pemisah, dan elektrolit) kecuali

untuk WE adalah diganti dengan yang baru. Pengukuran IS dilakukan lagi untuk

siklus ketiga belas. Setiap spectrum IS dikumpulkan pada akhir langkah

galvanostatik terkait setelah menunggu jumlah waktu tertentu untuk relaksasi

pada tegangan rangkaian terbuka kondisi (OCV). Potensi penyimpangan OCV

(diukur sebagai mV / h) merupakan parameter yang penting dalam

mendefinisikan kondisi kesetimbangan dari elektroda, dan memiliki pengaruh

besar pada linieritas pengukuran IS. Setelah 15 jam relaksasi, kemiringan kurva

23

OCV / waktu yang biasanya kurang dari 0,5 mV / h, hanya pada tingkat

discharge yang dalam kita amati nilai konstan sampai dengan 1,0 mV / h.

Namun, tidak ada penyimpangan substansial diamati pada pengumpulan spektra

pada waktu yang berbeda dalam rentang frekuensi dieksplorasi. Profil tegangan

watu yang khusus ditunjukkan pada Gambar 6

Gambar 6 Profil tegangan/waktu di bawah arus konstan ( garis lurus) dan kondisi relaksasi ( garis putus-putus)

Profil itu sendiri adalah kurva titrasi galvanostik intermiten (GITT)

dengan arus panjang yang biasa digunakan untuk mengukur evolusi dari

hambatan internal. Hambatan internal dapat dihitung dari perbedaan potensial

pada step akhir dan pada akhir relaksasi pada masukan arus. Panels a dan b pada

gambar 7 menunjukkan OCV ( tegangan rantai terbuka) dan tegangan cutoff dari

setiap langkah sebagai fungsi dari kapasitas untuk siklus pertama dan kedua.

Nilai daya tahan internal terkait melaporkan dalam Gambar 7c untuk siklus

24

pertama dan kedua, adalah sekitar 1000 Ω pada SOC tinggi (tingkat charge),

kemudian turun menjadi 60 0-700 Ω di tengah-tengah discharge, dan kemudian

meningkat 1 urutan besarnya pada DOD tinggi

Gambar 7 Tegangan rantai terbuka (OCV) dan potensial Cuttof

(a) OCV dan Potensial Cuttof pada siklus pertama

(b) OCV dan Potensial Cuttof pada siklus kedua

25

(c) Daya tahan internal dari perbedaan potensial

Sirkuit Ekivalen

Morfologi elektroda yang diuraikan dalam Gambar 4b adalah mirip

dengan film tipis campuran ion / konduktor elektronik dengan area permukaan

besar dan pores yang dapat sebagian diisi oleh cairan elektrolit. Bagian dari

permukaan eksternal dari tiap NW berhubungan dengan elektrolit dan dapat

ditutupi dengan elektrolit padat antar muka, sedangkan sebagian lainnya

mungkin berhubungan dengan NW lain yang juga tertutup oleh elektrolit padat.

Dasar setiap NW adalah juga berhubungan dengan kolektor arus. Dalam sistem,

baik transfer muatan atau difusi padat biasanya membatasi kinetika penyisipan

ion atau proses deinserti untuk lithium di dalam struktur Si. Beberapa sirkuit

ekivalen biasa digunakan untuk menggambarkan situasi, dari sirkuit jenis

Randles sederhana untuk sistem yang lebih kompleks yang dibangun oleh

beberapa subsirkuit. Situasi ambigu juga rumit oleh fakta bahwa beberapa

surkuit ekivalen mempunyai representasi matematika yang sama. Namun,

impedansi dari elektroda baterai litium ion biasanya dimodelkan dengan

mempertimbangkan semua proses dalam rangkaian satu sama lain, dengan setiap

proses kimia fisik diwakili oleh subsirkuit element. Dalam kasus ini, sirkuit

listrik yang setara diberikan pada Gambar 8, di mana Rser adalah hambatan

elektrolit yang tidak dikompensasi , Qdl adalah lapisan ganda pseudocapacitance

dari NW / interface elektrolit, Rsur adalah resistensi dari permukaan NW (transfer

26

muatan antara lapisan elektrolit padat dan NW), dan Zd merupakan impedansi

unsur yang menggambarkan proses difusi tingkat padat di dalam NWS.

Gambar 8 Sirkuit ekivalen untuk impedansi data

Analisis Plot Nyquist

Fitur impedansi dapat dibahas dalam bentuk plot Nyquist untuk

menganalisis perbedaan kontribusi pada impedansi elektroda total. Plot Nyquist

dari Si NWS dilaporkan pada Gambar 9, panel a dan b, diperoleh pada masing-

masing SOC tinggi dan DOD. Garis padat pada gambar merupakan hasil dari

prosedur pemasangan dengan menggunakan rangkaian ekivalen pada Gambar 8

27

Gambar 9 Plot Nyquist

(a) Kapasitas antara dan tinggi

(b) Discharge yang sangat tinggi ( kurang dari 500 mAh/g dari charge

sisa)

Pada frekuensi tinggi (di atas 10 kHz), spectrum didominasi oleh

kontribusi dari koneksi sel eksternal, konduksi elektronik antara substrat dan

bahan aktif (dalam kasus kami, kemungkinan kontak ohmik karena bentuk besi

silisida di antarmuka SiNW-SS), dan konduksi ionik melalui elektrolit. Karena

frekuensi eksperimental tertinggi terlalu rendah untuk melihat distorsi induktansi

dalam spektra, kontribusi ini muncul sebagai perilaku resistif murni (Zim dekat

0) dan didominasi oleh konduktivitas ionik elektrolit. Hal ini dapat ditentukan

oleh intersept frekuensi tinggi sumbu aksis (titik sekitar 15-20 kHz). Tidak ada

28

perubahan yang signifikan diamati pada Rser (sekitar 1,5 Ω) di seluruh semua

eksperimen dan juga setelah pembongkaran dan penyusunan kembali sel.

Karena frekuensi berkurang (antara 10 kHz dan 10 Hz) masing-masing

komponen aktif (NW) elektroda memberikan kontribusi kepada hambatan

permukaan, yang disebabkan oleh hambatan transfer elektron aktif pada

antarmuka elektroda dan kehadiran pasivator lapisan SEI. Kontribusi resistif ini

paralel dengan kapasitansi lapis ganda dan muncul dalam plot Nyquist sebagai

setengah lingkaran dengan diameter sama dengan nilai resistansi permukaan.

Dalam Gambar 8, kapasitansi lapis ganda telah digantikan oleh fase konstan

unsur Q karena ukuran NW tidak konstan dan diameter dan panjangnya sekitar

nilai rata-rata. Penentuan hambatan permukaan dapat dibuat menggunakan

rangkaian ekivalen dalam Gambar 8 atau langsung dari diameter setengah

lingkaran di plot Nyquist. Pendekatan dahulu memiliki keuntungan bahwa

kesalahan dalam parameter tersebut memiliki unit listrik yang memungkinkan

kita untuk mengevaluasi mereka secara signifikan. Dalam model kami,

penentuan hambatan permukaan memiliki kesalahan numeric yang biasanya

lebih rendah dari 1%.

Pada frekuensi rendah (di bawah 10 Hz), kontribusi dari difusi tingkat

padat hadir, yakni, ion Li pindah kebahan SiNW aktif yang besar. Di wilayah

frekuensi ini, spektrum (Gambar 7a) menunjukkan elemen semidifusi terbatas

jelas karena dengan kehadiran kolektor metalik arus antarmuka, yang memblok

difusi ion (SS tidak paduan dengan Li). Dalam hal kasus ini, unsur Zd dalam

29

rangkaian ekivalen dalam Gambar 8 sesuai dengan fungsi tangent hiperbolik (T)

yang memiliki persamaan ( Y= Z-1 ) sama dengan

T =Y ×ω = YO (jw) tanh [B(jw)]

dimana, j= √−1 , adalah frekuensi diterapkan, Y0 adalah faktor prexponential,

dan B adalah parameter yang tergantung pada geometri elektroda, sifat

elektrokimia dari materi aktif, dan koefisien difusi ion tamu di struktur host.

Representasi T dalam plot Nyquist adalah segmen difusi W arburg dgn suhu 45 °

diikuti, pada frekuensih lebih rendah, dengan garis vertikal kapasitif. Proses

difusi dapat ditandai dengan membatasi kapasitas (Cd) dan hambatan difusi (Rd).

Cd adalah kapasitas yang sesuai dengan garis vertikal frekuensi rendah di plot

Nyquist (Cd= -1/ωZim), sedangkan Rd adalah bagian dari sumbu nyata antara

frekuensi-tinggi dari permukaan setengah lingkaran dan proyeksi dari kapasitif

garis vertikal. Rd dan Cd dapat diperoleh secara langsung dari Spektrum IS atau

dengan pemasangan spektrum melalui tangen hiperbolik unsur T= Y * (ω)

mengandung B dan parameter variabel Y0, yang dapat dikombinasikan sebagai

Rd= B/3Y0 dan Cd= Y0B. Karena kita tidak memiliki film tipis, tapi lebih

merupakan ensembel dari NWS, itu mungkin tidak muncul mudah untuk

menggunakan hubungan ini Namun, karena kepadatan NW tinggi dan NWS

cenderung untuk berbaring hampir sejajar dengan kolektor arus (Gambar 1b),

mereka membentuk “pseudofilm “.

30

Kecuali untuk spektrum impedansi yang diperoleh pada DOD yang

sangat tinggi (Biasanya diukur pada akhir discharge), yang diukur di SOC

berbeda, DOD, atau nomor siklus yang biasanya memiliki fitur yang sama yang

dilaporkan dalam Gambar 9a. Plot Nyquist untuk siklus kedua di SOC yang

berbeda, baik selama charge atau discharge, dilaporkan pada Gambar 8 di mana

mereka diplot dari 0,1-50 kHz, sedangkan dua pektrum di DOD sangat tinggi,

yang serupa dengan spektrum pada Gambar 7b, dipotong di sekitar 10 Hz. Dalam

kasus terakhir proses difusi frekuensi-rendah muncul sebagai bagian dari sebuah

lengkungan yang memiliki waktu konstan 1 urutan kurang dari proses

permukaan besar. Kedua elemen ini sebagian tumpang tindih (lihat inset Gambar

9b) dan dekonvolusi dapat dilakukan dengan menggunakan unsur RQ paralel

dalam subsirkuit Zd pada Gambar 8. Pengenalan elemen hambatan (disebut Rnp)

adalah dibenarkan oleh penurunan bersih pada parameter kesalahan statistik

selama prosedur pemasangan ( χ2 Adalah sekitar 1 urutan lebih rendah).

Pengukuran daya tahan Rnp ada pada table 1

Tabel 1 Impedansi frekuensi rendah pada DOD tinggi

31

Analisis Daya Tahan Permukaan

Hambatan permukaan dapat dianalisis dengan menganggap variasi

dengan konsentrasi Li (SOC atau DOD) selama satu siklus atau di SOC tetap

antara berbeda siklus (Gambar 10). Dalam Gambar 10a, yang diperoleh selama

siklus kedua, hambatan permukaan menunjukkan minimum untuk SOC antara

sekitar 1000 mAh / g. Kenaikan sedikit di SOC tinggi sesuai dengan yang telah

diamati di literatur untuk film tipis silikon amorf dan telah dikaitkan untuk

pertumbuhan ketebalan SEI ketika potensial menjadi lebih negatif. Analisis XPS

dengan permukaan sputtering menunjukkan bahwa pertumbuhan ketebalan (dan

dalam impedansi) adalah karena komponen anorganik SEI. Kenaikan hambatan

permukaan di DOD tinggi mungkin disebabkan karena pengaruh pembentukan

pori pada permukaan SEI atau pembubarannya, menunjukkan bahwa lapisan

passivator tidak benar-benar homogen dengan komposisi litium rendah.

32

Gambar 10 Daya Tahan Permukaan

(a) Daya tahan permukaan vs kapasitas untuk siklus kedua

(b) Daya tahan permukaan vs jumlah siklus pada 900 mAh/g

Perubahan hambatan permukaan selama siklus SOC yang sama (sekitar

900 mAh / g) dilaporkan pada Gambar 10b. Antara siklus pertama dan kedua,

hambatan permukaan menurun secara substansial dan setelah 10 siklus menjadi 1

urutan lebih rendah. Tidak ada perbedaan relevan yang diamati antara spektra

33

dengan siklus kesebelas dan kedua belas. Namun, setelah sel dibuka dan masing-

masing separator dan elektrolit yang diganti dengan yang baru, perlawanan

kembali ke nilai siklus pertama dan mulai menurun pada siklus berikutnya. Hal

ini penting untuk menunjukkan bahwa sampel yang disimpan basah dengan

larutan elektrolit selama masa sel tersebut dibangun kembali dalam glovebox.

Tampaknya bahwa selama beberapa siklus pertama hambatan permukaan sangat

tergantung pada SEI organik/ cairan elektrolit antarmuka dan sebagian kecil

pada transfer muatan di antarmuka NW / SEI. Beberapa siklus charge dan

discharge diperlukan untuk memperbaiki antarmuka eksternal yang hancur

selama operasi penggantian. Observasi yang menarik adalah bahwa efisiensi

Coulomb pada siklus ke 13 menurun ke nilai mirip dengan yang diperoleh pada

akhir discharge pertama. Antarmuka eksternal harus "dibangun kembali" selama

siklus pertama di elektrolit baru. Gambar 11 menunjukkan kapasitas spesifik

charge dan discharge tertentu dari elektroda SS / SNWs sebagai fungsi dari

jumlah siklus. Efisiensi meningkat selama tiga siklus pertama dari sekitar 90%

sampai 99% dan kemudian sedikit menurun sampai sel dibongkar. Pada siklus 13

itu turun menjadi 85% dan mulai naik lagi. Analogi dengan kecenderungan

penurunan resistensi permukaan sangatlah mudah dan dua parameter tampak

berhubungan langsung.

34

Gambar 11 Kapasitas spesifik dari siklus charge dan discharge

diukur pada IS dan GCPL

Analisis Proses Difusi

Dari kapasitas Cd frekuensi-rendah dan resistensi difusi Rd, adalah

mungkin untuk menghitung koefisien difusi ion litium di NW. Bahkan, adalah

mungkin untuk menunjukkan bahwa koefisien difusi dapat diperoleh sebagai D =

L2 / (3CdRd), di mana Cd dan Rd adalah nilai kapasitif dan resistif membatasi nilai

difusi dan L adalah ketebalan dari film. Dalam model "pseudofilm", D adalah

koefisien difusi ”efektif” yang menggambarkan difusi litium ion dari permukaan

fraksi NW kepada cairan antarmuka kearah kolektor arus atau dengan

kompleks / interfase NW SEI dari lain.

Kasus ini akan berbeda, misalnya, dalam sel beaker dimana setiap NW

akan sepenuhnya dikelilingi oleh cairan elektrolit dan D merupakan koefisien

difusi dari permukaan luar daerah ke pusat kawat. Gambar SEM dalam Gambar

4b memberikan dukungan bahwa gambar ini cocok sebagai morfologi elektroda.

Namun, hasil analisis kesalahan dalam prosedur pemasangan menunjukkan

bahwa nilai Cd dan Rd dari spektrum harus dipertimbangkan hanya merupakan

metode perkiraan untuk menaksir koefisien difusi. Situasi ini bahkan lebih rumit

karena perubahan volume NWs selama proses elektrokimia. Bahkan, analisis

mikroskop elektron resolusi tinggi menunjukkan bahwa diameter meningkat dari

35

sekitar 100-150 nm pada akhir charge. Berdasarkan asumsi-asumsi dasar, kami

telah memperoleh beberapa nilai D di SOC dan DOD berbeda selama siklus

dengan prosedur pemasangan yang terbaik (Tabel 2).

Tabel 2 Koefisien Difusi

Koefisien difusi litium dalam elektroda silikon telah dilaporkan dalam

ref 14 untuk bubuk elektroda konvensional. Dibandingkan dengan data dalam

literatur (1,7 dan 6,4 × 10-11 cm2 / s )untuk 800 dan 1200 mAh / g SOC, masing-

masing), koefisien difusi kami adalah 1 urutan lebh besar.

Perbandingan antara Perilaku ac dan dc

Sebuah perbandingan langsung antara respon ac dan dc dalam sel dapat

dilakukan dengan mempertimbangkan nilai-nilai resistansi internal (Gambar 7c,

d) dan resistansi total ac yang diukur dengan respon impedansi (batas bagian

nyata dari fungsi kompleks impedansi bila frekuensi mendekati 0). Dalam

rangkaian setara pada Gambar 8, ketika Zd adalah fungsi hiperbolik tangen, batas

terjadi karena jumlah dari Rser, Rsur, dan Rd, sedangkan (ketika difusi elemen

36

dimodelkan oleh subcircuit RQ di DOD tinggi) Zd dalah jumlah Rser, Rsur, dan

Rnp. Jika semua proses kinetik berpengaruh terhadap perilaku elektroda yang

hadir dalam rentang frekuensi yang dieksplorasi, total resistansi ac dari elektroda

harus setara dengan resistensi internal dc.

Ketika Zd dimodelkan oleh unsur tangen hiperbolik (T) (Seperti dalam

Gambar 9a) terbukti bahwa resistensi total ac adalah 2 urutan lebih rendah dari

resistansi internal dc sistem. Dengan kata lain, dari analisa impedansi, terjadi

penurunan potensial beberapa millivolts daripada beberapa ratusan millivolts

(dari Gambar7, b), setelah arus dimatikan. Untuk menjelaskan perbedaan, harus

dipertimbangkan bahwa rentang frekuensi yang dieksplorasi dalam percobaan

biasanya terlalu tinggi untuk melihat kinetika modifikasi yang sangat panjang.

Bahkan, waktu tegangan profil pada Gambar 5 adalah ditandai dengan drop tiba-

tiba diikuti dengan relaksasi potensial. Kita telah mempertimbangkan sistem

dalam kesetimbangan ketika kemiringan OCV / waktu lebih rendah dari 0,5 mV

/ jam (biasanya kurang dari 0,3 mV / jam) tetapi kita mungkin dalam kondisi

metastabil yang berkembang dengan waktu. Karena kinetika sangat lambat,

proses (biasanya karena modifikasi structural ) dapat dilihat pada spektroskopi

impedansi pada frekuensi yang jauh lebih rendah

Ketika elemen difusi dimodelkan oleh subsirkuit RnpQd (di DOD

tinggi, seperti pada Gambar 9b), jumlah impedansi resistansi menjadi sebanding

dengan resistansi internal. Kami juga mengamati kemiringan OCV/waktu sekitar

1 mV / jam. Pada DOD ini, proses bertanggung jawab atas waktu relaksasi yang

37

lambat menjadi lebih cepat, dapat ditemukan pada frekuensi yang lebih tinggi,

dan dapat dihubungkan dengan nilai Rnp yang diperkenalkan dalam model.

Siklus galvanostik yang bersambungan

Dalam pekerjaan sebelumnya, diamati kinerja yang lebih baik ketika

SiNWs melakukan siklus antara 0,07 dan 2,0 V, bukan sebesar 0,01 dan 2,0 V vs

logam litium. Bahkan, baik efisiensi Columbic dan kapasitas retensi lebih tinggi

pada rentang potensial yang lebih kecil. Di pekerjaan ini telah ditunjukkan bahwa

pada SOC tinggi impedansi permukaan lebih besar daripada tingkat muatan

antara. Kami telah menemukan korelasi antara efisiensi Coulumbic dan

resistensi permukaan. Selain itu, sejak kenaikan impedansi secara dramatis pada

DOD sangat tinggi, siklus galvanostatik telah dilakukan dengan menggunakan

potensi discharge cutoff yang lebih rendah dengan arus 0,84 A / g (C / 5). Untuk

memperendah impedansi tanpa mengurangi kapasitas reversibel terlalu banyak,

digunakan siklus dua electrode setengah sel pada rentang potensial antara 0,07

dan 0,70 V oleh GCPL. Hasil yang sesuai dilaporkan dalam Gambar 12 dalam

hal kapasitas spesifik dan efisiensi Coulomb dan dibandingkan, lebih dari 80

siklus, dengan nilai-nilai dari siklus antara 0,07 dan 2,0 V.

38

Gambar 12 Hasil siklus galvanostik dua electrode setengah sel antara poensial Cuttof yang berbeda

Kapasitas elektroda spesifik awal adalah 1400 mAh / g dengan

efisiensi Coulumb sekitar 75% pada siklus pertama. Selama 14 siklus pertama,

kapasitas dan efisiensi meningkat menjadi 2600 mAh / g dan 99,2%. Siklus sel

dengan potensial discharge cutoff tinggi (2 V), menunjukkan kapasitas yang

lebih tinggi selama 40 siklus pertama, tetapi kemudian kinerja menjadi buruk.

Dengan rentang tegangan optimal (0,07-0,70 V), sel menunjukkan kapasitas

retensi setelah 80 siklus menjadi lebih tinggi dari 100% dan 70% jika

dibandingkan dengan siklus pertama dan kesepuluh (memiliki kapasitas

terbesar), apalagi, efisiensi Coulumb adalah sekitar 99% selama seluruh siklus.

39

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan

Elektroda berbasis SiNW menunjukkan kinerja yang menjanjikan saat

melakukan siklus di prototip setengah sel vs logam litium. Bahan kimia dan

analisis listrik menunjukkan bahwa pembentukan SEI proses yang bergantung

secara potensial dan bahwa pencapaian lapisan kompak adalah persyaratan

penting untuk mengoptimalkan efisiensi charge dan discharge. Namun, IS

sendiri tidak dapat digunakan untuk menggambarkan kinetika elektroda karena

kita harus menggunakan frekuensi yang jauh lebih rendah untuk memantau

proses yang sangat lambat yang bertanggung jawab atas keseimbangan elektroda

pada OCV. Kita harus menunjukkan bahwa frekuensi dapat dicapai dengan

setup eksperiment normal, tetapi tidak kompatibel dengan kondisi yang

dibutuhkan untuk memiliki pengukuran yang sangat stabil.

Pada komposisi litium rendah di silikon NWS (DOD tinggi), peningkatan

mendadak dalam impedansi elektroda diamati pada respons ac dan dc. Alasan

peningkatan ini adalah masih belum dipahami dengan baik dan dapat disebabkan

oleh perubahan struktur yang memiliki kinetika yang lambat. Upaya untuk

membatasi pertumbuhan impedansi yaitu dengan mengubah rentang potensial

siklus antara 0,07 dan 0,70 V elektroda dapat memberikan 2000 mAh / g setelah

80 siklus dengan efisiensi yang baik dan kapasitas retensi.

40

B. Saran

Dengan adanya penelitian ini diharapkan :

1. Digunakannya silikon dalam anoda baterai litium ion, sehingga dapat

meningkatkan kekuatan atau daya tahan baterai litium ion.

2. Silikon dapat digunakan secara lebih bermanfaat.

41

DAFTAR PUSTAKA

Barsoukov, E. In Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment,and Applications;

Barsoukov, E., Macdonald, J. R., Eds.; John Wiley and Sons, Inc.: Hoboken,

NJ, 2005; pp 444 457 and 462 468.

Barsoukov, E.; Kim, D. H.; Lee, H.-S.; Lee, H.; Yakovleva, M.;Gao, Y.; Engel, J. F.

Solid State Ionics 2003, 161, 19–29.

Barsoukov, E.; Kim, J. H.; Kim, J. H.; Yoon, C. O.; Lee, H. Solid State Ionics 1999,

116, 249.

Boukamp, B. A. Solid State Ionics 1986, 20, 31–44.

Boukamp, B. A.; Lesh, G. C.; Huggins, R. A. J. Electrochem. Soc.1981, 128, 725–

729.

Chan, C. K.; Peng, H.; Liu, G.; McIlwrath, K.; Zhang, X. F.; Cui,Y. Nat.

Nanotechnol. 2008, 3, 31–35.

Chan, C. K.; Ruffo, R.; Hong, S. S.; Huggins, R. A.; Cui, Y. J.Power Sources 2009,

1132–1140.

Chan, C. K.; Zhang, X. F.; Cui, Y. Nano Lett. 2008, 8, 307–309.

Cui, L.-F.; Ruffo, R.; Chan, C. K.; Peng, H.; Cui, Y. Nano Lett.2009, 9 (1), 491–495.

Dimov, N.; Fukuda, K.; Umeno, T.; Kugino, S.; Yoshio, M. J.Power Sources 2003,

114, 88–95.

Dolle ´, M.; Orsini, F.; Gozdz, A. S.; Tarascon, J.-M. Electrochem.Soc. 2001, 148

(8), A851.

Graetz, J.; Ahn, C. C.; Yazami, R.; Fultz, B. Electrochem. 2003. Solid-State Lett., 6,

A194 A197.

42

Green, M.; Fielder, E.; Scrosati, B.; Wachtler, M.; Moreno, J. S.Electrochem. 2003.

Solid-State Lett., 6, A75 A79.

Ho, C.; Raistrick, I. D.; Huggins, R. A. J. Electrochem. Soc. 1980,127 (2), 343–350.

http://korananakindonesia.wordpress.com/2009/11/20/baterai-lithium-ion/

http://yulian.firdaus.or.id/2005/03/30/batere-lithium-ion-diisi-ulang-hanya-semenit/

http://bataviase.co.id/node/83924

http://www.indoforum.org/archive/index.php/t-28866.html

http://www.chem-is-try.org/artikel_kimia/kimia_material/bergaul-dengan-baterai-

litium-ion-bagian-1/

http://www.electroniclab.com/index.php?

option=com_content&view=article&id=37:phenomena-memory-effect-pada-

batere-isi-ulang-rechargeable-attery&catid=12:labpower&Itemid=13

http://forum.read-o.com/showthread.php?tid=298&pid=2956#pid2956

http://www.koran-jakarta.com/berita-detail.php?id=49370

http://root.wanxp.net/index.php?

option=com_content&task=view&id=959&Itemid=103

http://obengware.com/news/index.php?id=4902

http://translate.google.co.id/translate?hl=id&langpair=en|id&u=http://www.cellular-

news.com/story/42393.php

Jiang, T.; Zhang, S.; Qiu, X.; Zhu, W.; Chen, L. Electrochem.Commun. 2007, 9,

930–934.

Kasavajjula, U.; Wang, C.; Appleby, A. J.; Power, J. Sources 2007,163, 1003–1039.

43

Lee, Y. M.; Lee, J. Y.; Shim, H. T.; Lee, J. K.; Park, J.-K. J.Electrochem. Soc. 2007,

154 (6), A515–A519.

Leroy, S.; Blanchard, F.; Dedryvere, R.; Martinez, H.; Carre, B.;Lemordant, D.;

Gonbeau, D. Surf. Interface Anal. 2005, 37, 773–781.

Li, H.; Huang, X.; Chen, L.; Power, J. Sources 1999, 81 82, 340–345.

Li, H.; Huang, X.; Chen, L.; Wu, Z.; Liang, Y. Electrochem. 1999. Solid-State Lett.,

2, 547–549.

Limthongkul, P.; Jang, Y. I.; Dudney, N. J.; Chiang, Y. M.; Power,J. Sources 2003,

119 121, 604–609.

Ryu, J. H.; Kim, J. W.; Sung, Y.-E.; Oh, S. M. Electrochem. 2004. Solid-State Lett.,

7, A306 A309.

Wen, C. J.; Ho, C.; Boukamp, B. A.; Raistrick, I. D.; Weppner,W.; Huggins, R. A.

Int. Mater. Re 1981, 5, 253–268.

Wen, C. J.; Huggins, R. A. J. 1981. Solid State Chem. 37, 271.

44