Download - Makalah Seminar Kimia Sip2
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