bab 2 tinjauan pustaka - Universitas Sumatera Utara

BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Baterai
Sebuah baterai adalah perangkat yang mengubah energi kimia yang tersimpan
langsung ke energi listrik dengan cara reaksi redoks elektrokimia (Linden, 2002).
Sebenarnya, baterai terdiri dari beberapa sel elektrokimia dan setiap sel terutama
mengandung elektroda negatif (anoda), elektroda positif (katoda), dan elektrolit.
Gambar 2.1. Sketsa komponen sel dengan arus mengalir selama discharge
(Mahmoud, H.T. 2011)
Jika elektrolit cair, pemisahnya harus ditambahkan untuk menjaga elektroda
terpisah. Sementara jika elektrolit padat, elektroda bertindak sebagai pemisah.
Pada anoda, M teroksidasi lalu kehilangan satu elektron dan menjadi kation M+.
Kemudian elektron mengalir melalui sirkuit eksternal, X berkurang di katoda dan
satu elektron dari anoda melalui sirkuit eksternal (Mahmoud, H.T., Xu, L. 2011).
2.2. Baterai Ion Lithium
Bateria terdiri dari baterai primer dan sekunder. Baterai primer hanya dapat
digunakan sekali, dan tidak mampu menjadi bermuatan listrik. Misalnya, baterai
alkalin-mangan dioksida dan baterai primer zing-carbon. Baterai dengan
kemampuan isi ulang diklasifikasikan sebagai baterai sekunder. Baterai sekunder
Universitas Sumatera Utara
yang termasuk isi ulang yaitu timbal-asam, baterai lithium ion. Tabel 2.1
menunjukkan perbandingan karakteristik kinerja untuk baterai sekunder (Patil,
2008). Dibandingkan dengan baterai sekunder lainnya, baterai isi ulang ion
lithium menunjukkan kinerja elektrokimia yang sangat baik, dan baterai ini dapat
mengarah ke posisi dominan dalam industri (Sun,Xiangcheng. 2015).
Tabel 2.1 Perbandingan karakteristik kinerja untuk baterai sekunder (Patil, 2008)
Tipe baterai
Tegangan
Energi Densitas
(V)
(Wh/Kg)
Ni-Cd
1,2
40
Ag-Zn
1,5
110
Ni-MH
1,2
90
Li-ion
3,6
155
Li-polimer
3,6
180
2.3. Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium
Ada lima komponen yang membentuk sel lithium-ion. Komponen-komponen ini
adalah dua elektroda, elektrolit, dan dua kolektor. Fungsi utama dari elektroda
adalah untuk oksidasi atau reduksi selama rentang potensial diukur dalam volt
(V). Elektrolit dapat berair atau tidak berair, dalam bentuk cair, pasta atau bentuk
padat (Sun, Xiangcheng. 2015). Elektrolit berfungsi sebagai konduktor ionik
antara elektroda dan harus sebagai isolasi elektronik. Para current collector saat
ini adalah bahan listrik dari logam yang langsung bersentuhan elektroda. Kolektor
melekat satu sama lain dengan sirkuit eksternal (Tarascon, 2001 ; Winter, 2004).
Prinsip kerja baterai ion lithium adalah reaksi oksidasi reduksi di
permukaan elektroda. Sebuah baterai lithium-ion menunjukkan fungsi sel
elektrokimia karena perbedaan potensial antara dua elektroda. Hal ini penuh
menguntungkan untuk kedua elektroda yang datang ke arah potensi keseimbangan
lebih rendah dari Open Voltage Circuit (OVC) awal di mana mereka stabil.
Keseimbangan antara elektroda dicapai oleh oksidasi satu elektroda dan
pengurangan elektroda lainnya. Elektroda yang tereduksi disebut katoda,
sedangkan elektroda yang teroksidasi disebut anoda. Reaksi-reaksi ini dicapai
Universitas Sumatera Utara
dengan dua jalur yang berbeda untuk ion dan elektron. Elektron perjalanan
melalui sirkuit eksternal dari anoda ke katoda.
Gambar 2.2. Prinsip kerja baterai Li-ion
(https://www.google.com/search?q=gambar+prinsip+kerja+baterai&sa=X&biw)
Pada saat yang sama, ion keluar ke arah yang sama dengan elektron dua
elektroda melalui elektrolit. Reaksi redoks terjadi dari dua elektroda, Secara
umum, prinsip kerja dasar baterai ion lithium berdasarkan ion lithium reversibel
de-interkalasi dan proses interkalasi antara dua elektroda (Wakihara, 2001).
Akibatnya, selama charge ion lithium mengalir antara anoda dan katoda,
memungkinkan konversi energi kimia menjadi energi listrik dan penyimpanan
energi elektrokimia dalam baterai. Elektrolit harus melakukan ionik dan
elektronik isolasi, namun sifat sebenarnya dari elektrolit jauh lebih rumit. Selama
siklus pertama, solid electrolite interface lapisan akan terbentuk pada permukaan
elektroda karena dekomposisi elektrolit organik (Wakihara, 2001 ; Xu. B, 2012).
2.4. Perubahan pada anoda /elektrolit
Elektrolit terurai dan bereaksi dengan anoda selama pengisian, sehingga
membentuk lapisan pelindung yang menutupi permukaan. Pada beberapa site
grafit , sejumlah besar ion lithium berpindah dari struktur kristal ke struktur kristal
yang lain. Pada gambar 2.3 perubahan permukaan anoda/elektrolit merupakan
Universitas Sumatera Utara
kerusakan lapisan SEI (Solid Electrolite Interface) atau lapisan pasivasi tipis. SEI
ini lapisan melindungi elektrolit dari pengurangan lebih lanjut, dan elektroda
bermuatan dari korosi. Biasanya, pembentukan SEI disertai dengan emisi produk
penguraian elektrolit gas di beberapa siklus pertama. Namun, dibandingkan
dengan siklus pertama, angka ini lebih rendah. Selama waktu yang lama, SEI
menembus ke dalam pori-pori elektroda dan hasil dalam penurunan luas
permukaan aktif diakses dari anoda, yang meningkatkan resistansi internal. Suhu
tinggi menyebabkan pengaruh dramatis pada degradasi SEI. Lapisan SEI larut dan
mulai terjadi pengendapan SEI. Dengan cara ini, meta-stabil lapisan SEI organik
akan dikonversi menjadi produk anorganik yang stabil, yang menghasilkan
konduktivitas ionik rendah dari lapisan SEI untuk lithium. Suhu rendah juga
menyebabkan banyak masalah. Karena suhu rendah, kinetika penyisipan lithium
dan ekstraksi sangat lambat, dan efek ini sangat terasa pada suhu rendah. Logam
lithium melapisi dan membentuk dendrit lithium dianggap sebagai reaksi samping
parasit selama proses pengisian. (Mahmoud, H. T., Xu, L. 2011).
Gambar 2.3. Perubahan permukaan anoda/elektrolit (Hsu.C.; Lin.J., 2012.)
Universitas Sumatera Utara
2.5. Pengembangan Bahan Katoda
Bahan katoda berperan penting dalam baterai lithium-ion karena tegangan ratarata output tinggi, kepadatan energi yang tinggi yang sangat baik mengandung
LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiNi0,5Mn1,5O4 dan Li[LiNyMn1-x-y]O2. Pada LiCoO2
menjadi bahan komersialisasi baterai lithium-ion yang memiliki kapasitas tertentu
130~150 mAh/g dan bekerja pada tegangan 3,7 V. Pada LiMn2O4 bahan
komersial aktif baterai lithium-ion dapat memberikan tegangan kerja tertinggi dari
LiCoO2, tapi kapasitas khusus adalah termurah dari LiCoO2. Pada LiFePO4
memiliki kapasitas spesifik tertinggi dan tegangan kerja terendah dibandingkan
dengan LiCoO2, LiNi0.5Mn1.5O4 memiliki tegangan kerja yang tinggi dan Li [Li
Ny Mn1-x-y]O2 kapasitas khusus yang tinggi. Kinerja berbagai bahan katoda
tabel 2.2 meskipun ada banyak keuntungan untuk baterai lithium-ion,
konduktivitas listrik yang lebih rendah dan difusi ion lithium adalah masalah
umum. Tapi baterai lithium-ion memiliki pengembangan tegangan kerja yang
tinggi dan kapasitas spesifik yang tinggi di masa depan.
Tabel 2.2 Kinerja bahan katoda (Hsu.C., Lin.J., 2012)
Material
LiCoO2
LiMn2O4
LiFePO4
Kapasitas teoritis (mAh/g)
274
148
170
Kapasitas praktis (mAh/g)
130~150
120
160
Tegangan kerja (V)
3.7
3.8
3.4
Konduktivitas (S/cm)
10-3
2 x 10-5
10-6
5 x 10-8
1.2 x 10-11
10-14
536
456
527
Difusi (cm2/s)
Densitas daya (Wh/kg)
2.6. Pengembangan Material Elektrolit
Elektrolit berfungsi untuk memfasilitasi ion lithium konduksi antara elektroda.
Jenis elektrolit dikategorikan berdasarkan sifat material yaitu cairan, polimer
padat, keramik, gel, dan cairan ionik (Kalhoff, 2015). Elektrolit polimer dibagi
dua jenis yaitu gel elektrolit dan elektrolit polimer kering. Elektrolit polimer
memiliki rendah dan dapat dengan mudah dipadatkan dalam proses manufaktur.
Universitas Sumatera Utara
Elektrolit gel terdiri dari matriks polimer tidak aktif dan larutan garam lithium.
Elektrolit mengalir seperti cairan pada suhu tinggi Elektrolit polimer kering
mengandung polimer dan garam lithium. Pada suhu kamar, konduktivitas ionik
elektrolit ini adalah rendah. Karena gerakan dari rantai polimer, konduktivitas
ionik akan meningkat dengan suhu (Mahmoud,Heza.T., Xu,L. 2011).
2.7. Pengembangan Material Anoda
2.7.1
Graphite
Grafit adalah salah satu jenis alotrop karbon. Karbon merupakan unsur non logam
dan bervalensi 4 yang berarti bahwa terdapat empat elektron yang dapat
digunakan untuk membentuk ikatan kovalen. Grafit berwarna hitam, kusam,
memiliki konduktor listrik yang sangat baik, titik leleh tinggi, massa jenis yang
lebih kecil dibandingkan intan (http://id.m.wikipedia.org/wiki/karbon). Grafit
mempunyai kapasitas secara teoritis 372 mAh/g (Hsu.C.; Lin.J., 2012). Namun,
grafit menghalangi perpindahan ion Li dan ukuran partikel pada grafit yang besar
berakibat jarak yang ditempuh ion Li untuk lepas dari grafit semakin jauh
sehingga menurunkan energi yang dihasilkan. Selama pengisian, ion Li
terdeposisi dalam partikel grafit kemudian dilepaskan saat pemakaian baterai.
Ketika ion Li masuk atau meninggalkan partikel grafit, terjadi perluasan atau
penyusutan partikel grafit untuk mengakomodasi ukuran ion Li yang lebih besar
daripada situs partikel grafit (House et al., 2007). Penyusutan dan perluasan
partikel grafit berulang mengakibatkan partikel grafit rusak serta mengurangi
masa hidup baterai. Kelemahan grafit dapat diganti dengan menggunakan material
anoda seperti Li4Ti5O12 dan NaLiTi3O7 untuk menghasilkan anoda yang baik.
2.7.2. Li4Ti5O12
Li4Ti5O12 pertama kali dipelajari oleh Ohkozu pada tahun 1995. Li4Ti5O12
merupakan material zero-strain insertion untuk interkalasi lithium, yang berarti
Li4Ti5O12 tidak mengalami perubahan volume selama proses insersi lithium
selama cycling baterai (Nordh, 2013; & Veljković et al, 2011). Sifat fisik dan
kimia dari serbuk LTO adalah: berbentuk padat (serbuk), berwarna putih, tidak
berbau, titik lelehnya > 1,000 °C (> 1,832 °F) (MSDS LTO). Li4Ti5O12 atau lithium
Universitas Sumatera Utara
titanium oxide merupakan suatu material yang memiliki struktur spinel (Cho et al,
2010). Struktur spinel Li4Ti5O12 mempunyai dua kisi yang berbeda yaitu
tetrahedral dan oktahedral. Pada kisi tetrahedral ion Li terikat dengan empat
oksigen, dimana oksigen bertindak sebagai anion. Sedangkan pada sisi oktahedral,
ion Ti terikat dengan enam anion oksigen (Veljković et al, 2011). Secara
keseluruhan Li4Ti5O12 memiliki struktur kubus dengan parameter kisi a=8,3596 A
dan space group Fd-3m (Scharner, 1999).
Gambar 2.4. Struktur spinel Li4Ti5O12 menunjukkan sisi tetrahedral dan sisi
oktahedral (Ogihara, 2012).
Li4Ti5O12 material anoda dengan kapasitas teoritis 175 mAh/g memiliki
penyisipan Li+ yang baik dan ekstraksi reversibilitas dalam tegangan 1,0-2,5 V
dan menampilkan stabilitas struktural yang baik dengan hampir nol perubahan
volume selama proses pengisian dan pengosongan. Ini juga memiliki tegangan
dataran tinggi sangat datar dekat dengan 1,55 V (vs Li / Li +), yang lebih tinggi
dari potensi penurunan paling elektrolit organik (Hsu.C.; Lin.J., 2012).
2.7.3 NaLiTi3O7
NaLiTi3O7 memiliki struktur kristal yang sama dengan MLi2Ti6O14 (M = Ba, Sr,
Pb) menunjukkan potensi operasi sekitar 1,25 V. Ini menunjukkan potensi sebagai
bahan penyimpanan lithium yang menjanjikan dengan kapasitas teoritis yaitu
281 mAh/g. Senyawa ini dapat dengan mudah disintesis oleh reaksi tradisional
solid state, metode sol gel atau cair dengan sintesis garam pada suhu kalsinasi
yang cukup. NaLiTi3O7 mendapat konduktivitas elektronik instrinsik yang rendah
(10-16 – 10-14 S/cm) dan koefisien difusi baterai ion lithium (10-17- 10-15 cm2s-1).
Universitas Sumatera Utara
Dalam rangka meningkatkan kemampuan penyimpanan lithium berbagai
metode telah digunakan untuk memodifikasi NaLiTi3O7 untuk mengembangkan
anoda yang cocok seperti lapisan dan doping. Hal ini dapat ditemukan bahwa
lapisan karbon hitam, graphene dan karbon nanotube dapat meningkatkan
konduktivitas elektronik dan kemudian menyebabkan kapasitas tertentu yang
lebih tinggi dan peredaran kinerja anoda NaLiTi3O7 yang unggul. Selain itu,
diketahui bahwa modifikasi doping juga merupakan metode yang efektif untuk
meningkatkan kinerja produk elektrokimia. Anion dan kation yang termasuk yaitu
N3-, Br-, F-, K+, Ag+, Ni2+, Mg2+, Ca2+, Sc3+, La3+, Gd3+, Nb5+, V5+, W6+ dan Mo6+
telah banyak diteliti sebagai ion doping di titanate (Wang,P. 2015).
NaLiTi3O7 disintesis dengan metode solid state antara 500 0C dan 900 0C.
Ukuran partikel NaLiTi3O7 bertahap antara 200 mesh - 400 mesh. Analisis
morfologi partikel menunjukkan bahwa ukuran NaLiTi3O7 bertahap meningkat
dengan semakin meningkatnya suhu sintering. Pada saat kalsinasi dengan suhu
900 0C, NaLiTi3O7 menunjukkan agregasi partikel ringan dan mencair. Bahan
NaLiTi3O7 dengan suhu 800 0C menunjukkan hasil yang lebih baik (Shu, J. 2015).
2.8. Bahan Baku Pembuatan Lembaran Anoda
2.8.1 TiO2
Titanium dioxide dikenal dengan Titanium (IV) oxide atau titania, adalah oksida
alami dari titanium, rumus kimia TiO2. Serbuk titanium dioksida tidak terjadi di
alam tetapi berasal dari ilmenite atau leuxocene ores. Hal ini juga lebih mudah
ditambang dengan bentuk yang paling murni. Titanium dioxide terjadi dialam
yang dikenal sebagai bentuk mineral rutile, anatase, dan brookite dan tambah dua
bentuk tekanan tinggi, monoclinic baddeleyite dan orthorhombic α-PbO2 seperti
yang baru-baru ini ditemukan di kawah Bavaria. Bentuk yang paling umum
dikenal yaitu rutile, yang paling stabil.
Tabel 2.3 Sistem kristal fase pada TiO2 (Game,O.2016)
Fasa
Sistem kristal
Rutile
Tetragonal
Anatase
Tetragonal
Brookite
Orthorhombik
Universitas Sumatera Utara
Rutile : Setiap bentuk oktahedral dengan delapan tetangga dan saham tepi
dengan dua tetangga lainnya, yang membentuk rantai linier.
Anatase : Setiap sudut segi delapan dengan tetangga dan sudut tepi dengan
empat tetangga lainnya, yang membentuk rantai zigzag dengan sumbu
sekrup .
(a)
(b)
Gambar 2.5. Struktur kristal TiO2 pada (a) fasa anatase dan (b) fasa rutil
(Kamal, 2010)
Rutil adalah lebih umum dan mineral yang lebih terkenal dari tiga bentuk,
sementara anatase adalah yang paling langka. interaksi logam-logam besar terjadi
dalam kasus anatase (5.35Å) dan lebih kecil terjadi dalam kasus rutil (2,96 Å).
Perbedaan-perbedaan dalam struktur kisi menyebabkan kepadatan massa yang
berbeda dan struktur pita elektronik antara dua bentuk TiO2 (Kamal, C. 2010).
Tabel 2.4 Spesifikasi TiO2 (Kamal, C. 2010)
Formula kimia
TiO2
Berat Molekul
79,9
Struktur kristal
Tetragonal
Densitas, gr/cm3 pada 300 K
4,25
Jarak transmisi
0,43-6,2
Konstanta dielektrik 104-107Hz
200-160
TiO2 memiliki suhu melting tertinggi yaitu 1850oC. Sedangkan bahan Na2CO3 dan
LiOH.H2O memiliki suhu melting lebih rendah dari suhu 800oC. Jadi
kemungkinan yang terjadi adalah bahan Na2CO3 dan LiOH.H2O tidak mengalami
Universitas Sumatera Utara
reaksi namun sudah menguap sehingga yang tertinggal hanya TiO2 saja dan sifat
elektrokimia sudah berbeda dari asalnya. Salah satu bahan anoda menjanjikan
diusulkan untuk aplikasi baterai ion lithium
adalah TiO2 anatase karena
keuntungan besar yang seperti kelimpahan alami yang tinggi, kapasitas teoritis
tinggi (335 mAh/g), kimia / stabilitas struktural, non-toksisitas, keramahan
lingkungan, discharge rendah (Game. O. dkk., 2016).
2.8.2 LiOH.H2O
Lithium hidroksida monohydrate merupakan senyawa anorganik dengan rumus
kimia LiOH.H2O. Bahan ini warna putih berbentuk kristal dengan berat molekul
41,96 gr/mol, densitas 1,51 gr/cm3 dapat mengurai diatas suhu 942oC. Bahan
LIOH.H2O bisa digunakan sebagai bahan pembetukan anoda pada baterai.
LiOH.H2O dapat larut dalam air dan sedikit larut dalam etanol. Namun, lithium
hidroksida monohydrate dapat menyebabkan iritasi pada kulit, kebutaan, dan jika
menghirup
terus
menerus
dapat
menyebabkan
kerusakan
paru-paru.
(http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Lithium_hydroxide_monohydrate#s
ection=safety-and-hazard-properties)
2.8.3 Na2CO3
Natrium karbonat atau Na2CO3, adalah garam natrium dari asam karbonat yang
mudah larut dalam air. Natrium karbonat murni itu berwarna putih, tidak berbau,
dapat menyerap embun dari udara, punya rasa alkalin/pahit, dan membentuk
larutan alkali yang kuat. Na2CO3 memiliki massa molar senilai 105,99 gr/mol,
kapasitas kalor senilai 109,2 J/mol.K, kepadatan 2,54 gr/cm3, titik lebur 851 oC,
titik didih 1.600 oC. Kegunaan Na2CO3 yaitu sebagai bahan pembuatan baterai,
dan pembuatan kaca (https://id.wikipedia.org/wiki/Natrium_karbonat).
2.9. Bahan Tambahan Pembuatan Lembaran Anoda
2.9.1 PVDF
Polyvinylidene Fluoride Difluorida (PVDF) merupakan bahan polimerisasi yang
berbahaya dengan rumus kimia C2H2F2. Polyvinylidene Fluoride Difluorida
(PVDF) digunakan sebagai bahan pengikat untuk menjaga integritas elektroda dan
sebagai perantara filler dan zat aditif. PVDF sebagai pengikat untuk menjaga
Universitas Sumatera Utara
integritas elektroda dan perantara hubungan filler dengan zat aditif. PVDF
memiliki karakteristik kimia dan fisika yaitu warna putih, tidak berbau, daya serap
air 0,03 %, titik leleh 169 oC, temperatur defleksi 114-118oC, kuat tarik 7,105 ps,
penambahan panjang yaitu 250%. PVDF digunakan pada aplikasi seperti
pembuatan pipa, pelat, lembaran anoda dan katoda (Afton Plastics, 2014).
2.9.2 Zat Aditif Acetylene Black (AB)
Acetylene Black merupakan karbon black dihasilkan dari dekomposisi terus
menerus gas asetilena. Acetylene black terdiri dari komposisi kristal yang besar,
Membentuk struktur panjang, Memiliki inpuritas yang paling sedikit dari karbon
hitam lainnya, konduktivitas listrik yang baik, kapasitas absorpsi yang tinggi,
konduktivitas termal yang baik. Acetylene black didalam baterai memiliki
beberapa keunggulan yaitu dari absorpsi yang tinggi dan bersifat konduktif.
Acetylene black telah digunakan sebagai bahan dasar untuk memproduksi sel
baterai kering, serta sebagai zat aditif dalam karet atau plastik bahan antistatik dan
elektrik konduktif yang digunakan dalam berbagai bidang industri ( Safety data
sheet, 2002).
2.9.3 DMAC (Dimethylacetamide)
Dimethylacetamide merupakan bahan kimia yang umumnya digunakan dalam
penyusunan formula kimia untuk aplikasi industri, pembuatan zat kimia lain
(digunakan sebagai perantara), dan sebagai pelarut dalam proses industri. Sifat
fisik dan kimia N,N DMAC yaitu berupa cairan tak berwarna hingga kuning dan
memiliki bau amonia lemah, Kelarutan dalam air > 1.000 g/l (20°C), massa molar
87.12 g/mol. Titik beku -20°C dan titik didih 165-166°C, non-eksplosif namun
dianggap sebagai cairan yang tidak mudah terbakar. Nilai pH 4 (200g/l , 20°C),
titik lebur -20°C (MSDS).
2.10. Karakterisasi Serbuk dan Elektrokimia
2.10.1 X-Ray Diffraction (XRD)
X-Ray Diffraction memberikan informasi tentang susunan atom dalam padatan
(kristal) sampel. Hal ini penting untuk menyebutkan bahwa XRD hanya dapat
Universitas Sumatera Utara
diterapkan pada struktur kristal. Dalam kristal, atom diatur dalam pola yang
teratur, yang membuat bahwa volume kecil dapat diidentifikasi, bahwa dengan
pengulangan dalam tiga dimensi menggambarkan seluruh kristal. Volume kecil ini
disebut sel satuan dan dapat dijelaskan oleh tiga sumbu: a, b dan c, dan sudut α,β,
dan γ. Posisi puncak dan puncak intensitas yang berbeda dari pola difraksi
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal atau fase bahan (Wolf, R.D.
2012).
Gambar 2.6. Difraksi sinar-x hukum Bragg (Sun, Xiangcheng.2015)
Hukum Bragg adalah salah satu yang paling hukum penting yang digunakan
untuk menafsirkan data difraksi sinar-X. Untuk himpunan bidang kisi dengan
jarak antar-bidang d, kondisi interferensi konstruktif, sehingga puncak difraksi,
dapat hanya ditulis sebagai
nλ = 2d sin θ
(2.3)
Dimana λ adalah panjang gelombang sinar X-ray, θ merupakan sudut antara balok
insiden X-ray dan bidang kristalografi, dan n bilangan bulat yang mewakili urutan
puncak difraksi. Ketika sinar X-ray berinteraksi dengan atom dalam sampel,
sebagian kecil dari kristal dengan bidang kristalografi berorientasi dengan Bragg
sudut θ, di mana difraksi Bragg dapat berlangsung. Dengan sampel tahap berputar
sehubungan dengan insiden sinar X-ray, pola XRD mengandung difraksi
karakteristik dapat direkam oleh detektor. Pola difraksi XRD tersebut berguna
untuk mengidentifikasi karakteristik kristal seperti ukuran, kristalinitas, parameter
kisi dan fasa dengan database XRD komprehensif (Sun, X. 2015).
Universitas Sumatera Utara
2.10.2 Scanning Electron Microscopy (SEM)
SEM digunakan untuk memperoleh informasi kualitatif dan kuantitatif tentang
morfologi atau komposisi sampel dengan tujuan untuk mengoptimalkan hubungan
mikroskopis dengan data kromatografi. Pada prinsipnya, analisa SEM harus
mengekstrak jumlah maksimum informasi yang diperoleh per fitur dan
meminimalkan baik kompleksitas dan waktu yang dibutuhkan untuk analisis (J. I.
Goldtein, D. E. Newbury, P. Enchin, D. C. Joy, C.Fiori, E. Lifshing., 1981).
Dalam SEM, berkas elektron dilewatkan melalui ruang dan dievakuasi
kemudian difokuskan oleh lensa elektromagnetik ke permukaan sampel. Balok
dipulihkan selama proses spesimen dan kemudian disinkronkan dengan sinar
tabung katoda (CRT). Setelah dilakukan pelampiasan pada elektron sampel
elektron sekunder secara inelastic dipancarkan dari sampel dan dikumpulkan oleh
sintilator. Sinyal yang dihasilkan digunakan untuk memodulasi kecerahan tabung
sinar katoda untuk membentuk tampilan layar CRT. Pencitraan SEM diperbesar
dengan manipulasi yang dikendalikan sepenuhnya secara terkomputerisasi dari
berkas elektron (M. Postek, K. Howard, A. Johnson, K. Mcmchael., 1980).
2.10.3 Cyclic Voltammetry (CV)
CV adalah jenis pengukuran elektrokimia potensio dinamik,dan merupakan salah
satu metode elektrokimia yang paling sering digunakan karena relatif sederhana
dan isi informasi yang tinggi. Selama pengujian CV, pada gambar 2.7 (a) potensi
linear pemindaian siklik (yaitu, elektroda potensial landai linear terhadap waktu)
dikenakan ke elektroda dan arus yang dihasilkan dicatat.
Gambar 2.7. Tipikal Cyclic Voltammogram untuk proses redoks reversibel
(Sun, Xiangcheng.2015)
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.7 (b) dikenal sebagai scan rate (V/s). Kurva arus-tegangan
(untuk voltamogram siklik) menunjukkan respon arus sebagai fungsi dari
tegangan daripada waktu, yang dapat memberikan informasi tentang kinetika dan
termodinamika reaksi elektroda. Sistem yang paling sederhana melibatkan reaksi
redoks reversibel dengan transfer elektron tunggal dalam media solusi di mana
tingkat maju dan mundur reaksi yang dekat dengan keseimbangan. CV sering
digunakan untuk menampakkan proses difusi pengontrol di mana spesies
electroactive masukkan ke elektroda. Koefisien difusi kimia lithium ion di
elektroda dihitung dari data CV. Singkatnya, CV adalah alat yang nyaman untuk
memperoleh informasi kualitatif tentang proses transfer elektron, serta metode
cepat untuk memperoleh perkiraan yang baik dari potensi pengurangan dan
konstanta pembentukan (Sun, Xiangcheng.2015).
2.10.4 Charge Discharge (CD)
Charge-discharge adalah teknik elektrokimia yang paling umum digunakan untuk
karakterisasi perangkat penyimpanan energi. Dalam pengujian ini sebuah cell diisi
dan dikosongkan dengan menggunakan arus konstan di antara tegangan atas dan
tegangan bawah. Batas tegangan atas dan bawah ditentukan oleh energi bebas
Gibbs dari bahan elektroda.
Jenis paduan elektroda negatif, secara praktik batas bawah berkisar 10 mV
sampai 50 mV dan batas atas berkisar 1 V sampai 2 V, Batas bawah yang dipilih
lebih rendah dari 0 V vs Li/Li+ karena pada potensi rendah lithium cenderung
untuk deposit (penyetor) pada permukaan elektroda yang akhirnya menyebakan
pertumbuhan dendrit lithium.Arus yang diterapkan secara langsung berkaitan
dengan outpit daya elektroda. Biasanya “laju C” digunakan untuk menetukan
tingkat cycle LIBs, dimana xC didefinisikan sebagai 1/x jam per charge atau
discharge (Juchuan, 2012).
2.10.5 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)
Electrochemical Impedance Spectroscopy adalah alat yang sangat ampuh untuk
analisis sistem yang kompleks elektrokimia. Alat yang digunakan yaitu LCR
meter, HIOKI 3522 Autolab tahun 2012. Parameter yang dihasilkan yaitu
Universitas Sumatera Utara
impedansi ril, impedansi imaginer, pergeseran sudut fasa, dan impedansi total,
dengan variasi spektrum frekuensi dalam skala logaritmik. Spektrum frekuensi
dibangkitkan dari 4 Hz- 1 MHz. Metode EIS digunakan untuk mengamati
interkasi elektron maupun ion yang berpindah pada komponen sel pada saat reaksi
elektrokimia. Spektrum frekuensi yang dinaikkan akan mengidentifikasi
perubahan impedansi komplek yang terkait dengan reaksi elektrokimia yang
terjadi, menginterprestasikan gejala dinamika internal reaksi elektrokimia. Pada
pengukuran dilakukan menggunakan signal pertubasi AC ditumpangkan pada
tegangan DC bias, sehingga tidak terganggu kesetimbangan dari reaksi
elektrokimia. Interaksi signal dalam sampel menghasilkan signal yang tereduksi
mengalami pergeseran sudut fasa. bentuk respon gelombang dikorelasikan pada
komponen impedansi ril, impedansi imaginer, pergeseran sudut fasa (Subhan,
2011). Pada gambar 2.8 Impedansi real diplot pada sumbu X dan impedansi
imaginery diplot pada sumbu Y sehingga terbentuk grafik "Nyquist plot. Metode
EIS telah secara luas diterapkan untuk menyelidiki interkalasi reversibel lithium
ke elektroda untuk baterai ion lithium yang terkait dengan kinetika difusi ion
lithium di elektroda (Sun, Xiangcheng.2015). Kelebihan pada EIS adalah
memiliki arus listrik AC, bukan DC, sehingga dapat mengukur impedansi
elektrokimia pada kondisi equilibrium, kondisi setimbang tanpa mengganggu atau
membebani sel sehingga impedansi yang terukur lebih baik dibandingkan cara uji
arus DC. Namun kekurangan EIS adalah sampel memunculkan kurva yang kurang
ideal dari bentuk komponen impedansi RLC (Subhan, 2011).
Gambar 2.8. Tipikal Nyquist plot pada sistem elektrokimia
(Sun, Xiangcheng.2015).
Universitas Sumatera Utara