1

Kamis, 03 Juli 2014

PENGARUH TEMPERATUR KALSINASI PADA PEMBENTUKAN LITHIUM IRON PHOSPHATE (LFP)

DENGAN METODE SOLID STATE

Arum Puspita Sari111010034

Dosen Pembimbing: Dr. Mochamad Zainuri, M. Si

Jurusan FisikaFakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

2

Latar Belakang

3

Batasan Masalah

1. Pembentukan material katoda lithium iron phosphate (LFP) denganstruktur olivine melalui mekanisme solid state.

2. Pembentukan partikel katoda lithium iron phosphate (LFP) di dalam ordemikro.

3. Mengidentifikasi sifat kelistrikan berdasarkan pengaruh temperaturkalsinasi.

1. Bahan dasar yang digunakan dalam pembentukan LFP berupa Li2CO3sebagai sumber ion Li, FeCl3.6H2O sebagai sumber ion Fe, (NH4)2HPO4sebagai sumber ion phosphate.

2. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metodekopresipitasi untuk pembentukan prekursor FePO4 dan solid state untuk pembentukan prekursor LFP.

3. Variasi temperatur kalsinasi 500oC, 550oC, 600oC dan 700oC dalam lingkungan atmosfer nitrogen (N2) dengan waktu penahanan selama 10jam.

Tujuan Penelitian

4

TinjauanPustaka

5

Sel satuan pada baterai ion lithium (Subhan, 2011).

Baterai Ion Lithium

Katoda LiMn2O4, LiCoO2, LFP

Anoda Litium Karbon

Elektrolit LTAP

Separator PVDF/PDMS

6

Proses Charging Proses Discharging

Mekanisme Charging & Dischargingpada Baterai Ion Lithium

7

LiCoO2

Material Katoda

• Merupakan material keramik

• Memiliki struktur kristal dengan kemampuan ’insertion compound’

• Memiliki sifat konduktif ionik dankonduktif elektronik.

• Material katoda yang pernahdisintesis sebelumnya yaitu yaituLiMn2O4 (Chew, 2008), LiCoO2(Ritchie, 2001) dan LFP (Hamid, 2012).

LiMn2O4

LiFePO4

8

Lithium Iron Phosphate (LFP)

• Memilliki dua struktur utama yaituNASICON & Olivine

• Keduanya memnuhi kriteria sebagai material katoda yaitu kemampuan reversibility nyabaik.

• Memiliki keunggulan : biaya fabrikasirendah, kestabilan termal yang baik, aman, terbentuk dari unsur – unsuryang banyak terdapat di alam, ramahlingkungan, tidak beracun, kapasitas listrikcukup tinggi (Zhang, 2012).

9

Perbedaan NASICON & Olivine

• Proses sintesis mudah• kapasitas listrik 128,2 mAh/g• Konduktivitas elektronik sedang

(10-6 S/cm)• konduktivitas ionik tinggi

(10-3 S/cm)• voltage open – circuit sebesar 2,8

V

• Proses sintesis sukar• kapasitas listrik sebesar 170

mAh/g• Konduktivitas elektronik rendah

(10-9 S/cm)• konduktivitas ionik rendah

(10-5 S/cm)• voltage open – circuit sebesar

3,45 V

10Struktur kristal NASICON Li3Fe2(PO4)3

Fasa γ (Andersson, 2000).

Lithium Iron Phosphate tipe NASICON

• LFP tipe NASICON merupakan material polimorfi, memiliki fasa α, β dan γ.

• Terbentuk dari FeO6 yang berbentuk oktahedra dan PO4 yang berbentuk tetrahedra

• Pada fasa γ : sistem kristal orthorhombic.

• Memiliki parameter kisi a = 8,592 nm, b = 12,129 nm, c = 8,637 nm.

Kurva DTA Li3Fe2(PO4)3 dengan menggunakanmetode solid state (Karami, 2011).

Charging : Li5Fe2(PO4)3 → Li3Fe2(PO4)3 + 2Li+ + 2e-

Discharging : 2Li+ + Li3Fe2(PO4)3 + 2e- → Li5Fe2(PO4)3

11

Lithium Iron Phosphate tipe Olivine

Struktur kristal olivine LiFePO4(Tang, 2010).

(a) Struktur kristal FePO4 (heterosite), (b) Strukturkristal LiFePO4 (triphylite) (Erlangung, 2011).

• Terbentuk dari FeO6 yang berbentuk octahedra dan PO4 yang berbentuk tetrahedra.

• Lithium berada pada kisi kosong dekat dengan FeO6.

• Tipe Olivine : sistem kristal orthorhombic.

• Memiliki parameter kisi a = 10.332 nm, b = 6.010 nm, c = 4.692 nm.

Charging :LiFe(II)PO4 Fe(III)PO4 + Li+ + e-

Discharging : Fe(III)PO4 + Li+ + e- LiFe(II)PO4

12

Metode Kopresipitasi

Kopresipitasi merupakan salah satu metode basahyang melibatkan reaksi kimia

• Tingkat kemurnian yang tinggi• Proses pengendapannya sangat sederhana• Waktu yang dibutuhkan relatif cepat• Dilakukan pada temperatur rendah

13

Metode Solid State Reaction

Merupakan pencampuran bahan-bahan dasar dalamkeadaan padat (serbuk) tanpa menggunakan pelarut.

• Ekonomis• mudah dilakukan• ramah lingkungan

Salah satu metode solid state yaitu denganmenggunakan ball milling.

Ilustrasi pergerakan bola dan serbuk dalam ball mill (Basu, 2011).

14

Metodologi

15

III. METODE PENELITIAN1. Sintesis Prekursor FePO4Bahan dasar : FeCl3.6H2O), (NH4)2HPO4 & Lithium karbonat (Li2CO3)

XRD

Preparasi Bahan Dasar(NH4)2HPO4, H2O

PencampuranDicampurkan dan diaduk denganmagnetic stirrer selama 1 jam, T =

60OC

Proses Kopresipitasi Ditambahkan larutan NH4OH hingga mencapai

pH = 2 - 5

Preparasi Bahan DasarFeCl3.6H2O, H2O

Diaduk dengan magnetic stirrer hingga homogen

sehingga dihasilkan larutan 0,1 M

Diaduk dengan magnetic stirrer hingga homogen

sehingga dihasilkan larutan 0,1 M

Serbuk warna Kuning PucatPrekursor FePO4

Drying110oC selama 24 jam

Penyaringan Endapan FePO4.xH2O

Diaduk dengan magnetic stirrerselama 30 menit

Dicuci dengan aquades

Terbentuk Endapan Kuning Pucat

16

2. Sintesis Lithium Iron Phosphate (LFP)Preparasi Bahan Dasar

Prekursor amorf FePO4, Li2CO3

Proses Ball milling

Digunakan perbandingan powder to ball ratio(1:5) dalam alkohol (liquid medium)

Dicampur dengan perbandingan mol 2:1

berdasarkan stokiometri

Dimilling selama 3 jam dengan keceptan

300 rpm

DSC/TGAXRD

Serbuk warna Coklat MudaPrekursor LFP

Drying110oC selama 24 jam

Kalsinasi500oC, 550oC, 600oC, 700oCHolding time selama 10 jam

XRDIdentifikai Fasa

SEM & PSAMorfologi

Kesimpulan

Analisa

LCR Two ProbeAnalisis Sifat Listrik

SEM & PSAMorfologi & Ukuran

Partikel

17

Hasil & Pembahasan

18

KARAKTERISASI

Thermal Analysis• Transformasi Fasa

SEM dan PSA• Morfologi & Ukuran partikel

XRD• Karakterisasi Sampel

LCR Two Probe• Karakteristik Sifat LIstrik

19

Analisis hasil pengujian DSC/TGA Prekursor LFP

TGA

DSC

500420

890

900

Grafik DSC-TGA prekursor lithium iron phosphate (LFP)

20

T onset (°C) T peak (°C) T endset (°C) Δm (mg)

127,61 128,27 184,68 3,0564

331,71 364,30 406,63 0,5261

413,73 421,00 437,86 0,4884

480,77 490,40 499,82 0,4100

21

Analisis hasil pengujian XRD Prekursor

Pola DifraksiPrekursor

darieksperimen

ReferensiPola Difraksi

Prekursor(Lin, 2012)

LFP

LFP

PrekursorFePO4

PrekursorLFP

22

T (oC)

Komposisi Fasa (%)LiFePO4 Li3Fe2(PO4)3 Li4P2O7 Unknown

500 33 57 9 1550 28 58 14 -600 35 51 14 -700 35 56 9 -

Secara Kualitatif & Kuantitatifdigunakan software High Score Plus (HSP) :81-1173 LiFePO480-1517 Li3Fe2(PO4)387-0409 Li4P2O7

(a) LFP 500 (b) LFP 550

( (c) LFP 600 (d) LFP 700

Analisis hasil pengujian XRD pada LFP berdasarkan variasi temperatur kalsinasi

23

Analisis Morfologidengan Uji SEM EDX

24

882.5 939.7

12381371

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

500 550 600 700

Uku

ran

Part

ikel

( nm

)

Temperatur Kalsinasi (oC)

Analisis Morfologidengan Uji SEM

Analisis Ukuranpartikel dengan Uji

PSA

(a) LFP 500 (b) LFP 550 (c) LFP 600 (d) LFP 700

25

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0 25000 50000 75000 100000

Kon

dukt

ivita

s Lis

trik

(S/c

m)

Frekuensi (Hz)

500 C

550 C

600 C

700 C

LFP Konduktivitas Listrik (S/cm) Impedansi (Ω)500ºC 0,0208 7,0181

550ºC 0,0147 10,125

600ºC 0,0487 3,1003

700ºC 0,0769 1,8269

Analisis Konduktivitas Listrik LFP/C/PVDF

3328

35 35

20.76614.655

48.717

76.687

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

500 550 600 700

Temperatur Kalsinasi (oC)

Prosentase Fasa Olivine (%)

konduktivitas listrik ( x10^-3 S/cm)

26

0.07665

0.07670

0.07675

0.07680

0.07685

0.07690

0.07695

0.07700

0.07705

1.8220 1.8230 1.8240 1.8250 1.8260 1.8270 1.8280 1.8290 1.8300 1.8310 1.8320 1.8330

Kon

dukt

ivita

s Lis

trik

(S/c

m)

Resistansi (Ω)

Grafik hubungan Konduktivitas listrik terhadap resistansi

27

1. Pada proses pembentukan LFP dengan metode solid state, saattemperatur kalsinasi 600oC dan 700oC memiliki struktur olivine35%, sedangkan saat temperatur kalsinasi 550oC dan 500oCmemiliki struktur olivine 28% dan 33%.

2. Pada semua temperatur kalsinasi bentuk partikel cenderungberbentuk silinder memanjang dengan dimensi rata – rataberkisar 0,8 – 1,3 µm.

3. Pada temperatur kalsinasi 700oC memiliki konduktivitas listriktertinggi sebesar 0,0769 S/cm dibandingkan dengan temperaturkalsinasi yang lain.

KESIMPULAN

28

TERIMA KASIH