bab 1 pendahuluan - Universitas Sumatera Utara

BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Energi adalah sumber kehidupan masyarakat modern. Pemanasan global,
persediaan bahan bakar fosil dan polusi kota mendorong untuk menggunakan
energi terbarukan (Tarascon,2010). Teknologi baterai canggih menjadi teknologi
terbaik dengan upaya mengatasi dampak lingkungan yang berkelanjutan dan
energi terbarukan di berbagai aplikasi dari perangkat portabel elektronik
konsumen (misalnya, ponsel, komputer laptop) untuk kendaraan listrik dan
penyimpanan listrik skala besar (Linden,2002). Ada kebutuhan mendesak untuk
merancang sistem penyimpanan untuk menyeimbangkan pasokan dengan
permintaan sebagai sumber terbarukan yang intermiten, dan untuk daya
mendatang plug-in kendaraan hybrid listrik atau kendaraan listrik.
Baterai dimanfaatkan untuk membuat sebuah proses kimia ireversibel
yang berguna untuk satu kali penggunaan disebut baterai primer. Baterai ion
sekunder dibangun pada proses reversibel agar setelah pengisian dapat digunakan
kembali. Kereta listrik pertama, perahu listrik pertama dan lokomotif listrik
pertama semua didukung oleh baterai. Antara 1832 dan 1839, kereta listrik
pertama dibuat oleh Robert Anderson dari Skotlandia yang didukung oleh sel
baterai. Perahu listrik pertama telah didemonstrasikan pada tahun 1839 oleh
seorang insinyur Moritz von Jacobi di St. Petersburg, Rusia.
Pada tahun 1842, Robert Davidson, seorang penemu Skotlandia,
menggunakan baterai zinc-asam untuk mendorong lokomotif listrik pertama,
Galvani, pada jalur rel Edinburgh-Glasgow. Mobil listrik pertama kali muncul
pada tahun 1881. Satu-satunya peralatan listrik di atas kapal yang pertama yaitu
kendaraan mesin pembakaran internal yang bertenaga sel primer kering atau
'dinamo starter' untuk kendaraan mesin. Penyimpanan baterai hanya digunakan
untuk penerangan pada mobil-mobil mewah (R. H. Schallenberg, 1980). Pada
tahun 1960, tegangan baterai dua kali lipat sampai 12 V (E. Meissner, 2001).
Universitas Sumatera Utara
Baterai lithium pertama kali diusulkan pada tahun 1976 dan telah banyak
diadopsi untuk elektronik portabel sejak awal 1990-an (Whittiangham,1976).
Banyak kelompok penelitian telah dipelajari secara ekstensif untuk meningkatkan
kinerja baterai sekunder lithium karena mereka akan menjadi sumber kekuatan
utama dalam waktu dekat (G. G. Amatucci, 2001). Teknologi Li-ion adalah yang
terbaik karena kepadatan energi yang tinggi (210 WhKg-1; 650Whl-1), melebihi
teknologi apapun yang bersaing saat ini.
Baterai ion lithium memiliki komponen yaitu material katoda, material
anoda, elektrolit dan beberapa komponen (Y.I. Jang, 2002). Baterai ion lithium
sekunder adalah energi alternatif baru yang diciptakan oleh Sony Energy Tek.
sejak di impor pada tahun 1991. Baterai ion lithium sekunder memiliki energi
yang tinggi, kepadatan daya, rentang temperatur yang lebar, siklus yang panjang
dan dicsharge yang rendah. Baterai ion lithium sekunder dianggap sebagai yang
paling potensial untuk menggantikan energi tradisional.
Katoda berfungsi menerima ion lithium yang dihasilkan dari anoda dan
diangkut melalui elektrolit selama discharge. Bahan katoda harus stabil, tapi tidak
seperti baterai primer yang proses penerimaan lithiumnya bersifat irreversibel
(Nordh.T, 2015 ).
Karakteristik
elektrolit
mempengaruhi
kinerja
elektrokimia
dan
keselamatan untuk baterai ion lithium. Pemilihan elektrolit penting bagi desain
baterai ion lithium. Sistem elektrolit cair yang utama digunakan dalam baterai
lithium ion dan komponen adalah bahwa garam lithium ditambahkan dalam
pelarut organik. Propilena karbonat (PC), etilen karbonat (EC), dietil karbonat
(DEC), dimetil karbonat (DMC) dan tetrahidrofuran (THF) yang umum
digunakan pelarut organik. (K. Xu, 2004).
Anoda graphite terdiri dari lapisan karbon yang berfungsi sebagai
konduktor listrik. Kapasitas teorinya adalah 372 mAh/g. Grafit memiliki dua jenis
yaitu grafit buatan dan grafit alam. Kapasitas tinggi pada grafit buatan dan grafit
alam yaitu 310~320 mAh/g dan 340~360 mAh/g (Hsu, Lin, 2012). Namun, pada
bahan anoda grafit hampir tidak dapat memenuhi persyaratan untuk aplikasi yang
berkapasitas tinggi dan ada masalah keamanan karakterisitik (Tarascon, 2001).
Graphite juga memiliki kekurangan saat digunakan pada charge/discharge tinggi
Universitas Sumatera Utara
karena perubahan volumenya kecil pada saat proses tersebut. Dengan
menggunakan metode solid elektronik integrasi maka akan timbul dendrit lithium
sehingga dibuat Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7 sebagai pengganti grafit.
Bahan Li4Ti5O12 memiliki kapasitas (175 mAh/g) dan kemampuan chargedischarge yang tinggi dan bebas dari dendrit lithium tapi memiliki kelemahan
yang cukup besar, seperti rendah konduktivitas dan koefisien difusi. (Linden,
2002). Bahan NaLiTi3O7 disintesis dengan metode solid state reaction dan
digunakan sebagai bahan anoda pada baterai ion lithium. Suhu yang disintesis
dapat diperoleh dengan membandingkan hasil elektrokimia yang diperoleh dari
sampel yang berbeda. NaLiTi3O7 mempunyai potensi sekitar 1,25 V dengan
kapasitas teoritis sebesar 281 mAh/g. NaLiTi3O7 memiliki konduktifitas
elektronik rendah (10-16–10-14 S/cm). Tegangan kerja yang tinggi dapat diatasi
dengan mengganti Li4Ti5O12 dengan material sejenis yang memiliki potensial
lebih rendah. Untuk mendapatkan material ini diperlukan berbandingan beberapa
material baru yang masih tergolong pada golongan titanate (Wang, dkk, 2015).
Pada pembuatan Li4Ti5O12 menggunakan bahan baku LiOH.H2O dan
TiO2. Dan pembuatan NaLiTi3O7 menggunakan bahan baku LiOH.H2O, TiO2 dan
Na2CO3. TiO2 china adalah bahan baku teknis. Oleh karena itu, pada penelitian ini
akan dilakukan studi TiO2 sebagai bahan pembentukan elektroda anoda berbasis
titanate dalam aplikasi pada baterai ion lithium.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian yang di atas dapat dirumuskan masalah dalam penelitian ini
adalah apakah dengan bahan TiO2 dapat digunakan sebagai bahan pembentukan
elektroda anoda Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7 dalam aplikasi pada baterai ion lithium.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Mempelajari proses pembentukan fasa Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7 dari
bahan TiO2 china.
2. Untuk mengetahui morfologi material aktif Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7 yang
disintesis dengan bahan baku TiO2.
Universitas Sumatera Utara
3. Untuk mengetahui performa elektrokimia sel setengah baterai ion lithium
dari
kurva
cyclic-voltammetry,
charge-discharge,
Electrochemical
Impedance Spectroscopy.
1.4 Manfaat Penelitian
Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan pemahaman bahwa bahan
TiO2 dapat diaplikasikan pada baterai ion litihum sebagai elektroda anoda.
1.5 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Penelitian ini difokuskan pada pembuatan lembaran TiO2, titanate :
Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7.
2. Bahan baku yang digunakan adalah serbuk LiOH.H2O, TiO2 dan NaCO3.
3. Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini meliputi fasa, reaksi kimia
karakterisasi morfologi, gugus fungisonal, kapasitas sel baterai dengan
material anoda TiO2, dan titanate (Li4Ti5O12, NaLiTi3O7).
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika pada penulisan Skripsi ini mencakup beberapa bab dan subab seperti
dijelskan dibawah ini:
BAB 1
: Pendahuluan
Bab ini terdiri atas latar belakang penelitian, rumusan
masalah, tujuan masalah, manfaat penelitian, batasan
masalah dalam penelitian, serta sistematika laporan
penelitian.
BAB 2
: Tinjauan Pustaka
Bab ini berisi dasar-dasar teori yang terkait kajian dan
analisa dalam penelitian, yakni teori baterai secara umum,
baterai ion lithium, prinsip kerja, perkembangan katoda,
perkembangan anoda seperti Li4Ti5O12, NaLiTi3O7, TiO2
Universitas Sumatera Utara
BAB 3
: Metodologi Penelitian
Bab ini berisi tempat dan waktu penelitian, metode yang
digunakan dalam penelitian meliputi bahan dan peralatan
yang digunakan serta diagram alir penelitian.
BAB 4
: Hasil dan pembahasan
Bab ini mencakup pembahasan dari hasil penelitian
berupa hasil fasa, karakteristik morfologi,cyclic
voltammetry, charge/discharge dan Electrochemical
Impedance Spectroscopy.
BAB 5
: Kesimpulan dan saran
Bab ini berisi kesimpulan yang diperoleh dari bab
sebelumnya yaitu hasil dan pembahasan terkait tujuan dari
penelitian. Dan juga saran yang diberikan untuk kajian
lebih lanjut dari skripsi ini.
Universitas Sumatera Utara