SINTESIS Li4Ti5O12 DOPING Al DENGAN METODE SOL GEL UNTUK ANODA BATERAI ION LITHIUM

Skripsi

SRI YUNIATI S NIM. 11150970000018

PROGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS ISLAM NEGERI

SYARIF HIDAYATULLAH

JAKARTA

1440 H / 2020 M

ii

LEMBAR PERSETUJUAN

SINTESIS Li4Ti5O12 DOPING Al DENGAN METODE SOL GEL UNTUK

ANODA BATERAI ION LITHIUM.

Skripsi

Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Sains (S.Si)

Oleh:

Sri Yuniati S NIM: 11150970000018

Menyetujui,

iii

PENGESAHAN UJIAN

Skripsi yang berjudul “Sintesis Li4Ti5O12 Doping Al dengan Metode

Sol Gel untuk Anoda Baterai Ion Lithium ” yang ditulis oleh Sri Yuniati S

dengan NIM: 11150970000018 telah diuji dan dinyatakan lulus dalam sidang

Munaqasyah Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Islam Negeri Syarif

Hidayatullah Jakarta pada tanggal 20 Januari 2020. Skripsi ini telah diterima

sebagai salah satu syarat memperoleh gelar sarjana Strata Satu (S1) Program

Studi Fisika.

Ciputat, 11 Februari 2020

Menyetujui,

iv

LEMBAR PERNYATAAN

 

Dengan ini saya menyatakan bahwa:

1. Skripsi ini merupakan karya saya yang dibuat untuk memenuhi salah satu

persyaratan saya memperoleh gelar Sarjana Sains (S.Si) di Universitas Islam

Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta.

2. Semua sumber yang saya gunakan dalam penulisan ini telah saya cantumkan

sesuai dengan ketentuan yang berlaku di Universitas Islam Negeri Syarif

Hidayatullah Jakarta.

3. Jika dikemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan hasil karya saya atau

merupakan hasil jiplakan dari karya orang lain, maka saya bersedia menerima

sanksi yang berlaku di Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta.

Jakarta, 20 Januari 2020

Sri Yuniati S

v

ABSTRAK

Telah dilakukan sintesis serbuk LTO yang didoping dengan atom Al dengan bahan teknis untuk anoda baterai lithium. Atom Al disini digunakan untuk mendopinng atom Ti sesuai dengan persamaan stoikimetri Li4Ti(5-x)AlxO12.

Terdapat 3 variasi komposisi doping (x) Alumunium, yaitu x=0; x=0,01; x=0,02; dan x=0,03. Metode yang digunakan adalah metode sol gel, campuran Li4Ti(5-

x)AlxO12 disintering pada suhu 800˚C selama 2 jam. Karakterisasi yang dilakukan meliputi XRD (X-ray Diffraction) untuk mengetahui pembentukan fasa Li4Ti5O12, untuk mengetahui performa elektrokimia dilakukan pengujian Cyclic voltammetry dan charge-discharge. Hasil karakterisasi terbentuk fasa Lithium titanium oxide (Li4Ti5O12) dan fasa rutile (TiO2) dan fasa dilithium titanat (Li2TiO3) untuk nilai persentasi fasa berturut-turut adalah pada LTO tanpa doping (69,2; 21,4; 9,5)%, LTO doping Al x=0,01 (82,1; 11,7; 6,3)%, LTO doping Al x=0,02 (78,6; 12,5; 8,5)% dan LTO doping Al x=0,03 (72,6; 14,8; 7,7)% dengan ukuran kristal dan parameter kisi berturut-turut adalah pada LTO tanpa doping (78,35 dan 8,3729), LTO doping Al x=0,01 (82,79 dan 8,3661), LTO doping Al x=0,02 (91,49 dan 8,3636) dan LTO doping Al x=0,03 (81,11 dan 8,3650) Performa elektrokimia (Li4Ti5O12) doping Al. Baterai dengan anoda doping Al x=0,03 memiliki nilai koefisien difusi yang paling tinggi yaitu 7,31278 x 10-10 sedangkan baterai tanpa doping memiliki koefisien difusi paling redah yaitu 3,27109x10-10.Nilai kapasitas tanpa doping 181 mAh/g, doping Al x=0,01 178 mAh/g, doping Al x=0,02 173 dan doping x=0,03 156 mAh/g.

Kata kunci: Alumunium, Anoda Li4Ti5O12, Baterai Ion Lithium, Metode Sol gel.

vi

ABSTRACT

Synthesis of LTO powder doped with Al atoms with technical materials for lithium battery anodes has been carried out. Al atom here is used to support Ti atoms in accordance with the Li4Ti(5-x)AlxO12 stoicimetry equation. There are 3 variations of the doping composition (x) of aluminum, namely x = 0, x = 0.01, x = 0.02, and x = 0.03. The method used is the sol gel method, a mixture of Li4Ti(5-

x)AlxO12 is sintered at 800˚C for 2 hours. Characterization included XRD (X-ray Diffraction) to determine the formation of Li4Ti5O12 phase, to determine the electrochemical performance, Cyclic voltammetry and charge discharge tests were conducted. The results of the characterization are formed Lithium titanium oxide (Li4Ti5O12) and rutile phase (TiO2) and dilithium titanate (Li2TiO3) phases). for the percentage value of successive phases is LTO without doping (69.2, 21.4, 9.5)%, LTO doping Al x = 0.01 (82.1, 11.7, 6.3)%, LTO doping Al x = 0.02 (78.6, 12.5, 8.5)% and LTO doping Al x = 0.03 (72.6, 14.8, 7.7)% with crystal size and lattice parameters respectively in LTO without doping (78.35 and 8.3729), LTO doping Al x = 0.01 (82.79 and 8.3661), LTO doping Al x = 0.02 (91.49 and 8.3636) and LTO doping Al x = 0.03 (81.11 and 8.3650) Electrochemical performance Li4Ti5O12 doping Al. Batteries with doping anode Al x = 0.03 have the highest diffusion coefficient value of 7.31278 x 10-10 while batteries without doping have the lowest diffusion coefficient of 3.27109 x 10 10. Rated capacity without doping 181 mAh/g, doping Al x = 0.01 178 mAh /g, doping Al x = 0.02 173 and doping x = 0.03 156 mAh/g.

Keywords: Aluminium, Lithium Ion Battery, Li4Ti5O12 Anode, Sol gel method.

vii

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur kita haturkan kepada Allah SWT karena limpahan

rahmat serta anugerah dari-Nya saya mampu untuk menyelesaikan serta laporan

tugas akhir ini dengan judul “SINTESIS Li4Ti5O12 YANG DIDOPING Al

DENGAN METODE SOL GEL UNTUK ANODA ION LITHIUM”

Shalawat serta salam tidak lupa selalu kita haturkan untuk junjungan Nabi

agung kita, yaitu Nabi Muhammad SAW yang telah menyampaikan petunjukan

Allah SWT untuk kita semua, yang merupakan sebuah pentunjuk yang paling

benar yakni Syariah agama Islam yang sempurna dan merupakan satu-satunya

karunia paling besar bagi seluruh alam semesta.

Laporan Tugas Akhir ini tidak akan bisa rampung menjadi sebuah laporan

yang utuh dan bisa dibaca dan dijadikan pedoman tanpa adanya bantuan dan

dukungan dari berbagai pihak. Oleh sebab itu dengan seluruh kerendahan hati

penulis ucapkan terimakasih yang sebanyak-banyaknya kepada setiap pihak yang

telah mendukung serta membantu selama proses penyelesaian laporan tugas akhir

ini hingga rampungnya laporan tugas akhir ini. Ucapan terimah kasih penulis

sampaikan kepada yang terhormat

1. Allah SWT yang telah memberi karunia nikmat Iman dan Islam serta nikmat

kesehatan, sehingga dapat mengerjakan laporan tugas akhir ini dengan lancar.

2. Mama Misah untuk semua nasihat, aku tahu pasti betapa besar cinta kasihmu

yang telah kau berikan padaku sejak aku dalam kandungan. Hingga sekarang

aku dewasa dan ada pada titik ini semua atas dukunganmu. terimah kasih

karena selalu menjadi orang tua tunggal terbaik memberi segenap kasih

viii

sayang meski dengan keterbatasan yang dimiliki. Terimah kasih untuk

semangat yang tak pernah padam yang menjadikanku sosok yang mandiri.

mama tunggu anakmu bisa secepatnya mendapat pekerjaan yang layak agar

mama tak lagi banting tulang mencari nafkah, agar kau tak lagi harus berjalan

kaki 6 km per hari. Mama “I Love You so much, Forget the past, look forward

to the future, for the best things which are going to come”

3. Bapak Slamet Priyono, MT selaku dosen pembimbing lapangan yang selalu

sabar memberikan dukungan, bantuan selama penelitian di LIPI.

4. Ibu Dr. Sitti Ahmiatri, M.Si selaku dosen pembimbing yang juga sosok yang

ispiratif yang tak pernah lupa mengingatkan, selalu memberikan dukungan,

motivasi dan bantuannya.

5. Ibu Tati Zera, M.Si selaku Ketua Program Studi Fisika Fakultas Sains dan

Teknologi Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta.

6. Prof. Dr. Lily Surraya Eka Putri, M.Env.Stud. selaku Dekan Fakultas Sains

dan Teknologi Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta.

7. Bapak Dr. Ir. Agus Budiono dan bapak Anugrah Azhar M.Si selaku dosen

penguji dalam sidang Munaqasyah.

8. Seluruh Dosen Prodi Fisika, yang telah membimbing penulis selama

menempuh kuliah di Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta.

9. Teman-teman Fisika UIN 2015 yang senantiasa memberikan inspirasi dan

motivasi.

Serta semua pihak yang turut membantu terselesaikannya Laporan tugas

akhir ini, yang tidak dapat penulis disebutkan satu persatu. Semoga semua pihak

ix

yang telah memberikan dukungan baik berupa bantuan, doa maupun dorongan

mendapatkan limpahan kasih sayang dan ridho Allah SWT. Aamiin.

Tentu saja tidak ada gading yang tidak retak. Demikian pula dengan

laporan tugas akhir ini. Dengan sepenuhnya, penulis menyadari bahwa laporan ini

masih sangat jauh dari kesempurnaan sekalipun sudah dikerjakan dengan sebaik-

baiknya. Maka dari itu, semua bentuk kritik dan saran yang membantun sangat

penulis harapkan dan tentu saja penulis terima dengan senang hati. Dengan begitu,

akan menjadi suatu pelajaran berharga untuk penulis supaya bisa menulis laporan

yang lebih baik lagi di kemudian hari.

Terakhir, tentunya penulis berharap setiap bantuan yang telah diberikan

oleh segenap pihak dapat menjadi ladang kebaikan. Dan semoga laporan ini dapat

memberikan manfaat dan berguna bagi penulis maupun pembacanya nantinya.

Jakarta, 2020

Sri Yuniati S

x

DAFTAR ISI

LEMBAR PERSETUJUAN ............................................................................................. ii

PENGESAHAN UJIAN ................................................................................................... iii

LEMBAR PERNYATAAN ............................................................................................. iv

ABSTRAK ......................................................................................................................... v

ABSTRACT ...................................................................................................................... vi

KATA PENGANTAR ..................................................................................................... vii

DAFTAR ISI...................................................................................................................... x

DAFTAR TABEL .......................................................................................................... xiii

DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................... xiv

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

1.1 Latar Belakang .................................................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah ............................................................................................... 5

1.3 Batasan Masalah ................................................................................................. 6

1.4 Tujuan Penelitian ................................................................................................ 6

1.5 Manfaat Penelitian .............................................................................................. 6

1.6 Sistematika Penulisan ......................................................................................... 7

BAB II KAJIAN PUSTAKA ......................................................................................... 8

2.1 Baterai Ion Lithium ............................................................................................. 8

xi

2.2 Anoda Li4Ti5O12 ................................................................................................ 10

2.2.1 Struktur Kristal Li4Ti5O12 .......................................................................... 11

2.2.2 Morfologi Li4Ti5O12 .................................................................................. 12

2.2.3 Performa Elektrokimia .............................................................................. 13

2.3 Alumunium ....................................................................................................... 16

2.4 Metode Sol Gel ................................................................................................. 17

BAB III METODE PENELITIAN .............................................................................. 19

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ........................................................................... 19

3.2 Alat dan Bahan .................................................................................................. 19

3.3 Diagram Alir Metode Penelitian. ...................................................................... 21

3.4 Proses Pembuatan Bahan Uji dan Pengujian .................................................... 23

3.4.1 Proses Pembuatan Sintesis Serbuk Pengujian ........................................... 23

3.4.2 Proses Pembuatan Slurry .......................................................................... 27

3.4.3 Proses Pembuatan Lembaran Anoda (Coating) ........................................ 27

3.4.4 Proses Cutting dan Asembling Coin Cell .................................................. 28

3.4.5 Analisis struktur kristal dengan X-Ray Diffraction (XRD) ........................ 29

3.4.6 Field - Scanning Electron Microscope (FE-SEM) .................................... 29

3.4.7 Pengujian performa elektokimia dengan Uji Cyclic Voltametry (CV)...... 29

3.4.8 Pengujian kapasitas baterai dengan Uji Charge Discharge (CD) ............. 30

BAB IV PEMBAHASAN ............................................................................................. 31

4.1 Hasil dan Pembahasan Karakterisasi XRD ....................................................... 31

xii

4.2 Hasil dan Pembahasa n Karakterisasi FESEM .................................................. 36

4.3 Hasil dan Pembahasan Pengujian Ciclic Voltammetry ..................................... 39

4.4 Hasil dan Pembahasan Pengujian Charge – Discharge .................................... 42

BAB V PENUTUP ........................................................................................................ 47

5.1 Kesimpulan ....................................................................................................... 47

5.2 Saran ................................................................................................................. 48

DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................................... 49

LAMPIRAN..................................................................................................................... 53

 

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Alat dan Bahan penelitian ................................................................ 19

Tabel 3.2 Massa bahan dasar pembentukan sampel Li4Ti(5-x)AlxO12 ............... 24

Tabel 4.1 Persentase fasa hasil analisis XRD dengan menggunakan

highscore. ......................................................................................... 34

Tabel 4.2 Hasil perhitungan parameter kisi dan ukuran kristalit ..................... 36

Tabel 4.3 Hasil perhitungan nilai koefisien Difusi .......................................... 42

Tabel 4.4 Simulasi perhitungan secara teoritis kapasitas pada LTO

doping Al ......................................................................................... 45

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Mekanisme ion Lithium selama proses charge dan discharge ............ 08

Gambar 3.1 Diagram alir sintesis serbuk dengan metode sol gel ................... 22

Gambar 3.2 Diagram alir pembuatan baterai setengah sel .............................. 23

Gambar 3.3 Penimbangan bahan untuk sintesis serbuk .................................. 24

Gambar 3.4 Larutan campuran akhir setiap sampel tanpa doping, doping

0,01, doping 0,02 dan doping 0,03 .............................................. 25

Gambar 3.5 Proses penumbukan gel . ............................................................. 26

Gambar 3.6 (a) gambar sebelum (b) gambar setelah dilakukan sintering. ...... 26

Gambar 3.7 Lembaran anoda Li4Ti5O12 .......................................................... 28

Gambar 4.1 Kurva XRD material Li4Ti5O12 .................................................. 32

Gambar 4.2 Ilustrasi mekanisme terbentuknya tiga fasa. ................................ 33

Gambar 4.3 Reduksi sebagian (partial reduction) Ti4 + menjadi Ti3 +. ........... 34

Gambar 4.4 Perbesaran puncak 111 dari sample Li4Ti5-x Alx O12 (x=0;

0,01; 0,02 dan 0,03) ..................................................................... 35

Gambar 4.5 FE-SEM dan histogram ukuran partakel Li4Ti5O12 tanpa doping

(a dan e), Li4Ti5O12 doping Al x=0,01 (b dan f), Li4Ti5O12

doping Al x=0,02 (c dan g), Li4Ti5O12 doping Al x=0,03 (d

dan h). .......................................................................................... 38

Gambar 4.6 Kurva pengujian CV pada sampel (a) LTO tanpa doping, (b)

LTO doping Al x=0,01; (c) LTO doping Al x=0,02 dan (d)

LTO doping Al x=0,03. ............................................................... 40

Gambar 4.7 Grafik linier Li4Ti5O12 dengan variasi Alumunium X (0;

0,01; 0,02; 0,03)........................................................................... 41

Gambar 4.8 Grafik Charge-Discharge Li4Ti5O12 dengan variasi Al (0;

0,01; 0,02; 0,03)........................................................................... 43

Gambar 4.9 Test uji ketahanan material LTO doping Al dengan rapat

arus yang berbeda dari 0,1C-10C ................................................ 46

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Fisika material tidak terlepas dari kata penelitian, dimana setiap ilmu-ilmu

yang dipelajari itu pasti ada pembuktiannya. Pembuktian ilmu dalam fisika itu

ditempuh dengan cara penelitian/eksperimen. Untuk itu sebagai mahasiswa fisika

kita tidak hanya dituntut untuk mempelari ilmunya saja (teori) akan tetapi kita

diharuskan untuk melakukan praktik penelitian akhir guna sebagai tuntutan

kelulusan dan juga sebagai wujud mengaplikasikan apa yang telah dipelajari di

bangku kuliah.

Kajian dalam bidang fisika dari tahun ke tahun selalu mengalami

perkembangan, contohnya saja pada bidang teknologi. Di era globalisasi saat ini

teknologi merupakan hal yang sangat diminati, bagaimana tidak setiap pekerjaan

akan terselesaikan dengan sangat mudah karena adanya teknologi. Semakin

canggih teknologi yang digunakan maka pekerjaanpun akan semakin cepat

teratasi. Sebut saja mobil listrik, laptop dan HP, tiga benda ini saja merupakan

kebutuhan primer setiap manusia dimana sangat menguntungkan dalam

kelangsungan hidup.

Seperti yang kita ketahui mobil listrik, laptop, dan HP tidak terlepas dari

satu komponen penting yaitu baterai. Baterai merupakan komponen penyimpanan

listrik yang dapat menahan energi listrik sedemikian rupa melalui proses kimia

sehingga energi listrik tersebut dapat digunakan di waktu yang berbeda disaat

2

yang diinginkan. Saat ini penggunaan baterai sangat penting dimana semakin lama

daya tahan suatu baterai maka semakin mahal dan semakin banyak diminati oleh

konsumen.

Baterai digolongkan menjadi 2 kelompok yaitu baterai primer dan baterai

sekunder. Baterai primer merupakan baterai nonrechargeable yaitu baterai yang

hanya dapat digunakan sekali saja setelah itu harus dibuang karena reaksi

elektrokimia yang tidak dapat dilakukan berkali-kali/irreversible. Baterai

sekunder merupakan baterai rechargeable yaitu baterai yang dapat digunakan

berkali-kali karena reaksi elektrokimia di dalam baterai dapat terjadi berkali-

kali/reversible. Oleh karena itu, baterai sekunder lebih unggul dalam hal

pengadaan dan penggunaan daripada baterai primer untuk diaplikasikan sebagai

baterai penyimpan energi pada perangkat elektronik portable [1][2].

Perluasan energi terbarukan dan meningkatnya jumlah kebutuhan baterai

menuntut peningkatan penyimpanan energi elektrokimia dan berbiaya

rendah. Untuk memenuhi kebutuhan penyimpanan energi di masa depan,

diperlukan sistem bahan baru dengan kepadatan energi tinggi, bahan baku yang

tersedia, dan keamanan. Saat ini, lithium dan timbal terutama mendominasi pasar

baterai, tetapi selain kobalt dan fosfor, litium dapat menunjukkan tantangan

pasokan yang besar secara prospektif, juga. Salah satu baterai yang digunakan

adalah baterai lithium ion. Baterai lithium-ion (LIB) telah banyak digunakan

untuk sumber daya populer dalam perangkat elektronik portabel dalam beberapa

dekade terakhir [3].

3

Baterai ion lithium memiliki banyak keuntungan diantaranya pada proses

charging dan discharging pada baterai ion lithium Li4Ti5O12 tidak akan

meluaskan volume kisi (Reddy, et al., 2013). LTO juga memiliki tegangan kerja

yang relatif stabil pada 1.55 V, kestabilan termal pada suhu tinggi, aman

digunakan karena tidak beracun dan relatif murah dibandingkan dengan anoda

grafit. Selain itu, LTO juga memiliki kapasitas penyimpan energi sebesar 175

mAh/g [4].

Li4Ti5O12 memang merupakan kandidat utama untuk material anoda untuk

pengaplikasian baterai. Namun mengingat Li4Ti5O12 merupakan baterai dengan

bahan baku utama adalah Li+ dimana bahan baku berasal dari luar negeri. Jadi

untuk mengurangi tingkat ketergantungan dengan negara lain dan mengurangi

tingkat impor bahan baku ke dalam negeri, maka pada penelitian tugas akhir ini

akan dilakukan dengan mendoping aluminium tehadap Li4Ti5O12 sebagai tahapan

awal pemanfaatan Alumunium mengingat aluminium adalah logam paling banyak

di kerak bumi. Disisi lain yang membuat Li4Ti5O12 didoping dengan Al karena

bahan Li4Ti5O12 masih memiliki konduktifitas dan koefisien difusi ion lithium

masih relative rendah sehingga membutuhkan modifikasi lebih lanjut yang di

harapkan mampu menambah koefisien difusi ion lithiumnya. Doping merupakan

metode yang efektif untuk mengubah sifat fisik pada material dan akan

memperluas pengaplikasian pada material tersebut dari sifat dasarnya [5].

Meskipun demikian banyaknya keuntungan, spinel-LTO menderita

kepadatan energi yang buruk pada tingkat arus yang tinggi terutama karena

konduktifitas listriknya yang rendah (10-9 S/cm) dan koefisien difusi Li-ion (10 -9 -

4

10 -13 cm2s-1) [6][7]. Banyak strategi telah disajikan untuk mengatasi masalah ini,

yang meliputi pengurangan ukuran partikel [8], modifikasi permukaan dengan

pelapisan dengan spesies atau logam konduktif [9] dan ion doping dengan logam

atau non-logam yang sesuai [10]. Meskipun lapisan dengan karbon atau lapisan

konduktif logam adalah cara yang efisien untuk meningkatkan konduktansi,

metode ini tidak memajukan konduktivitas elektronik kisi atau koefisien difusi ion

lithium dalam kristal. Di sisi lain, doping dengan berbagai ion meningkatkan

konduktivitas elektronik LTO, mengubah beberapa Ti4+ menjadi Ti3+ sehingga

menghasilkan campuran Ti3+/Ti4+ dan dengan demikian meningkatkan konsentrasi

elektron [11]. Doping logam-ion telah diselidiki untuk meningkatkan karakteristik

LTO dan untuk mengatasi kekurangannya. Substitusi sejumlah kecil Li+, Ti4+,

atau O2- oleh ion logam atau non-logam lainnya dapat sangat meningkatkan

kinetika bahan dalam hal peningkatan kapasitas, stabilitas siklus dan rate

capability.

Kinerja LTO ditingkatkan secara efektif melalui doping dengan ion logam

dan non-logam Mg, V, Mn, Fe, Cr, Ta, Ni, Al, Zr, Sn, Br, Cl dan F di situs Li, Ti

dan O [12][13]. Selain Ga3+ dan Co3+, Al3+ ditemukan menjadi doping terbaik

untuk meningkatkan kapasitas reversibel dan siklus LTO [10]. Di antara berbagai

rasio Al sebagai doping, ditemukan bahwa Li4Ti4,85Al0,15O12 memiliki kapasitas

reversibel terbesar dan coulombic tertinggi efisiensi, dengan kapasitas debit awal

195,6 mAh/g. Namun, alasan untuk perbaikan dikinerja elektrokimia tidak

dijelaskan [13].

5

Sebelumnya telah banyak dilakukan penelitian mengenai sintesis Li4Ti5O12

dengan menggunakan metode solid state reaction, metode ini sangat banyak

digunakan karena pengerjaannya yang mudah dan sederhana. Pencampuran

dilakukan secara mekanik, pada kondisi sintesis (seperti lamanya waktu sintering

dan suhu sintering yang tinggi sekitar 800oC – 1100oC) membutuhkan jarak difusi

yang panjang dari reaktan, akibatnya campuran kurang homogen, morfologi tidak

teratur, ukuran partikel besar, distribusi ukuran partikel yang luas dan kontrol

stoikiometri yang rendah. Oleh karena itu, diperlukan metode lain untuk

mensintesis material Li4Ti5O12 salah satunya dengan menggunakan metode sol-

gel. Metode ini dapat menurunkan suhu sintering, memperkecil ukuran partikel,

campuran lebih homogen, morfologi lebih seragam. Dengan memperkecil ukuran

partikel maka akan mengurangi jalur difusi atom Li+ sehingga diharapkan nilai

konduktivitas elektroniknya dan koefisien difusi ion lithiumnya akan meningkat

[14].

Dalam penelitian ini Al didoping pada atom Ti dari Li4Ti5O12 dengan

kontrol rasio Li4Ti(5-x)AlxO12 disintesis menggunakan rasio yang berbeda (x = 0;

0,01; 0,02 dan 0,03). Proses doping material di gunakan dengan metode sol gel

dimana jika diberikan doping dengan dosis yang tepat akan meningkatkan

kapasitas spesifik suatu bahan anoda [15].

1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan uraian latar belakang di atas, maka permasalahan dalam

penelitian ini adalah bagaimana pengaruh variasi doping Alumunium pada

Li4Ti5O12 terhadap performa sel baterai dan mencari doping aluminium optimum

6

sehingga nantinya dihasilkan lembaran anoda yang dapat meningkatkan performa

dari sel baterai.

1.3 Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini:

1. Penelitian ini difokuskan pada sintesis dan pembuatan lembaran anoda

LTO doping Al pada baterai

2. Bahan baku yang digunakan adalah serbuk

3. Pengujian dilakukan dengan X-Ray Diffraction (XRD), Ciclic Voltametry

(CV), dan Charge Discharge (CD) sampai siklus 10C

4. Pembahasan struktur hanya meliputi fasa, struktur dan ukuran partikel

5. Penelitian ini difokuskan untuk mencari hubungan doping Al dengan

kapasitas spesifik

6. Sintesis yang digunakan adalah metode sol gel

7. Perbandingan LTO : PVDF : Super P = 80 : 10 : 10 %.

1.4 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk sintesis komposit LTO dengan variasi

doping Al x=(0; 0,01; 0,02 dan 0.03) menggunakan metode sol gel, menganalisa

perngaruh penambahan doping Al terhadap karakteristik fisis material LTO dan

menganalisis pengaruh penambahan doping Al terhadap performa elektrokimia.

1.5 Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi yang positif terhadap

usaha pengoptimalan performa sel baterai ion lithium dengan anoda Li4Ti5O12

doping Al dengan variasi Doping Al x=0; x=0,01; x=0,02 dan x=0,03.

7

1.6 Sistematika Penulisan Adapun sistematika penulisan skripsi ini, penulis membaginya ke dalam

lima bab diantaranya:

BAB I Pendahuluan

Pada bab ini berisi latar belakang penelitian, perumusan masalah,

batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika

penulisan.

BAB II Tinjauan Pustaka

Bab ini membahas tentang dasar teori baterai, anoda Li4Ti5O12,

metode sol gel serta proses-proses yang perlu dipaparkan literaturnya.

BAB III Metodologi Penelitian

Pada bab ini penulis memaparkan sketsa gambaran rencana penelitian

meliputi lokasi penelitian, daftar bahan dan alat yang digunakan serta

prosedur proses sintesa Li4Ti5O12 dengan menggunakan metode sol gel.

Selain itu, penulis memaparkan rangkaian pengujian untuk mempelajari

karakterisasi sampel hasil sintesa.

BAB IV Hasil dan Pembahasan

Bab ini penulis menjelaskan data-data yang diperoleh dari pengujian

karakterisasi. Data-data tersebut meliputi hasil karakterisasi XRD, Fe-SEM,

CV, dan CD.

BAB V Penutup

Bab ini penulis memberikan kesimpulan dari hasil penelitian serta

menyampaikan saran-saran yang diperlukan untuk penelitian lanjutan.

8

BAB II

KAJIAN PUSTAKA

2.1 Baterai Ion Lithium Secara teori baterai lithum adalah baterai yang digerakkan oleh ion lithium.

Baterai lithium pada saat proses charge discharge mengalami fenomena

interkalasi seperti pada gambar 2.1 dimana ion lithium melakukan migrasi atau

perpindahan dari katoda menuju ke anoda proses ini adalah proses charge

sedangkan untuk proses discharge terjadi sebaliknya dimana terjadi migrasi atau

perpindahan dari anoda ke katoda. Proses interkalasi dan deinterkalasi ini tidak

menyebabkan perubahan struktur kristal bahan anoda maupun bahan katoda [16].

Gambar 2.1 Mekanisme ion Lithium selama proses charge dan discharge [17].

Baterai lithium merupakan baterai dengan sumber arus sekunder dan ramah

lingkungan karena tidak mengandung bahan yang berbahaya seperti baterau Ni-

Cd dan NI-MH. Kelebihan lain dari baterai ion lithium ini adalah karena baterai

ini tidak mengalami memori efek sehingga dapat diisi kapan saja oleh karena itu

9

pengisian jenis baterai ini dapat diisi kapan saja dengan waktu pengisian yang

relative singkat yakni 2-4 jam pengisian. Hal ini dikarenakan arus pengisian

baterai yang di berikan adalah 0,5-1 A [16].

Baterai ion lithium pada umumnya memiliki empat komponen utama yaitu

Elektroda negatif (anoda) yaitu elektroda yang melepaskan elektron ke rangkaian

luar serta mengalami proses oksidasi pada proses elektrokimia. Anoda terbagai

menjadi dua bagian yaitu bagian pengumpul electron dan material aktif. Material

yang digunakan sebagai anoda harus memiliki karakteristik antara lain memiliki

kapasitas energi yang besar, memiliiki profil kemampuan menyimpan dan

melepas muatan ion yang bai, mudah untuk di proses, siklus pemakaian yang lama

dan tidak mengandung racun [18].

Elektroda positif (katoda) yaitu elektroda yang menerima elektron dari

rangkaian luar serta mengalami proses reduksi pada proses elektrokimia. Pada

dasarnya katoda merupakan elektroda yang fungsinya sama seperti anoda yang

berfungsi sebagai tempat pengumpul ion lithium serta merupakan tempat dari

material aktif. Katoda biasanya merupakan lembaran yang bersal dari Cu-foil [18].

Penghantar ion (elektrolit) yaitu media transfer ion yang bergerak dari anoda

ke katoda dalam sel baterai saat penggunaan, dengan kata lain elektrolit adalah

penghubung reaksi. Karakteristik yang perlu dimiliki adalah konduktifitas ionic

yang tinggi sekaligus konduktifitas elektronik yang rendah sehingga mampu

menghantarkan ion selama proses interkalasi dan deinterkalasi tanpa mengalami

kebocoran. Elektrolit yang digunakan pada penelitian ini adalah elektrolit cair

yang terdiri dari garam lithium yang dilarutkan dalam pelarut berair. Hal yang

10

paling penting diperhatikan pada elektrolit adalah interaksi antara elektrolit

dengan elektroda pada baterai karena hubungan dari dua bahan ini akan

mempengaruhi kinerja baterai secara signifikan [19].

Separator yaitu suatu material berpori yang terletak di antara anoda dan

katoda berfungsi untuk mencegah agar tidak terjadi hubungan singkat dan kontak

antara katoda dan anoda. Selain itu separator berpori ini harus bisa dilewati oleh

ion lithium. Oleh karena itu separator ini merupakan bahan penunjangng yang

berperan penting dalam proses penghasilan listrik pada baterai.Karakteristik yang

penting untuk dijadikan separator adalah bersifat isolator dan memiliki hambatan

listrik yang kecil, kestabilan mekanik dalam hal ini tidak mudah rusak. Hal yang

oaling penting dari separator dalah memiliki hambatan kimiawi agar tidak mudah

tergradasi dengan elektrolit serta memiliki ketebalan yang seragam pada seluruh

partikel [16][20][18].

2.2 Anoda Li4Ti5O12 LTO telah berhasil dikomersialkan karena memungkinkan kombinasi

stabilitas termal yang superior, high rate, kapasitas voltametrik yang relative

tinggi, siklus hiduo yang pangjang meskipun biaya yang lebih mahal dari Ti,

tegangan sel berkurang dan kapasitas yang lebih rendah. LTO dianggap “zero

strain” karena perubahan fasa yang disebabkan oleh lithiation/ delithiation hanya

menghasilkan sedikit perubahan volume (0,2%). High Equilibrium Potential

(1,55V vs Li/Li+) memungkinkan LTO untuk dioprasikan pada potensial diatas 1

V, sebagian besar dapat menghindari pembentukan dan pertumbuhan anoda SEI

(Solid Electrolite Interface), yang dapat menghambat penyisipan Li+. Bahkan

ketika sebuah SEI terbentuk, kurangnya perubahan volume meningkatkan

11

stabilitas SEI. Karena impedansi SEI tidak menjadi masalah, nanopartikel LTO

dapat digunakan, yang mirip dengan interkalasi bahan katoda, dan mengakibatkan

kinerja lebih tinggi pada penurunan volumetric dengan kapasitas yang lebih

rendah [21][15].

Salah satu manfaat Li4Ti5O12 adalah “zero strain” pada efek insersi/

penyisipan, tegangan yang datar ketika insersi, reversibilitas sangat baik selama

siklus charge discharge, dan stabilitas termal. Li4Ti5O12 telah dikenal sebagai

anoda paling menjanjikan sebagai bahan baterai ion lithium yang dapat diisi

ulang. Li4Ti5O12 memberikan kapasitas teoritis 175 mAh/g-1 selama proses

elektrokimia (penyisipan lithium/ekstraksi) [22].

2.2.1 Struktur Kristal Li4Ti5O12 Penelitian mengenai Li4Ti5O12 telah banyak dilakukan dengan

menggunakan banyak metode dengan sumber utama kajian penelitian

adalah lithium. Kali ini akan dipaparkan beberapa penelitian menyangkut

Li4Ti5O12 dengan pengujian XRD untuk mengetahui fasa yang terbentuk

Penelitian mengenai sintesis LTO dengan struktur nano dilakukan

oleh N.A. Alias et al. pada tahun 2009 [6], melakukan sintesis Li4Ti5O12

dengan metode sol gel. Prekursor disinter pada berbagai suhu (700, 800,

900 dan 1000◦C) selama 1 jam dan juga disinter pada berbagai waktu dari

1 hingga 5 jam pada 800◦C. XRD digunakan untuk mengkarakterisasi

sampel yang disiapkan. Pola XRD menunjukkan puncak yang disebabkan

oleh Li4Ti5O12 fase untuk semua sampel yang disiapkan. Hasilnya

ditunjukkan bahwa puncak rendah Sudut 2 theta telah menurun dengan

meningkatnya waktu sintering dan Intensitas puncak yang sesuai dengan

12

Li2TiO3 juga menurun dengan waktu sintering. Diperoleh Li4Ti5O12 dengan

anatase Pengotor TiO 2 saat memanaskan prekursor pada 800◦C selama 1 jam.

T.-F. Yi et al. pada tahun 2010 [11], melakukan percobaan Sintesis

Serbuk Li4Ti4,95V0,05O12 dan Li4Ti5O12 berhasil dibuat dengan metode

solid-state. TiO2-anatase, Li2CO3mdan V2O5 dicampur, kemudian di

kalsinasi pada 850◦C selama 24 jam di udara untuk menyiapkan spinel

mengkristal dengan baik Li4Ti5O12 dan Li4Ti4,95V0,05O12. XRD

mengungkapkan bahwa kedua sampel memiliki kemurnian fase

tinggi. Spektroskopi Raman menunjukkan bahwa getaran Ti-O memiliki

pergeseran. Parameter kisi dihitung melalui metode program kuadrat

terkecil dari data difraksi Li4Ti4,95V0,05O12 dan Li4Ti5O12 dan ditemukan

masing-masing menjadi sekitar 8.3581 dan 8.3585Å. Ini menunjukkan hal

itu ion vanadium secara berturut - turut disubstitusi untuk titanium di

Struktur Li4Ti5O12, dan puncak tajam dalam polanya menunjukkan

kristalinitas yang baik dari kedua bahan elektroda.

2.2.2 Morfologi Li4Ti5O12 T.-F. Yi et al. pada tahun 2010 [11], melakukan percobaan Sintesis

Serbuk Li4Ti4,95V0,05O12 dan Li4Ti5O12 berhasil dibuat dengan metode

solid-state. TiO2-anatase, Li2CO3mdan V2O5 dicampur, kemudian di

kalsinasi pada 850◦C selama 24 jam di udara untuk menyiapkan spinel

mengkristal dengan baik Li4Ti5O12 dan Li4Ti4,95V0,05O12. SEM

menunjukkan bahwa Li4Ti4,95V0,05O12 memiliki ukuran partikel yang

sedikit lebih kecil dan struktur morfologi yang lebih teratur dengan

distribusi ukuran yang lebih sempit daripada Li4Ti5O12.

13

Y.-C. Kuo, J.-Y. Lin pada tahun 2014 [14], melakukan sintesis

pengaruh suhu pengeringan gel, waktu anil pada 900˚C dan suhu kalsinasi

digunakan dalam intesis sol-gel Li4Ti5O12 (LTO) pada fase kemurnian,

fitur struktural dan morfologi dan sifat elektrokimia telah diselidiki.

Sampel LTO yang disintesis telah dikarakterisasi dengan pemindaian

mikroskop elektron (Fe-SEM). Waktu anil dan suhu kalsinasi terutama

memodifikasi fitur morfologi sebagai ukuran partikel, aglomerasi partikel

dan porositasnya.

2.2.3 Performa Elektrokimia T.-F 224. Yi et al. pada tahun 2012 [13], melakukan sintesis

tentang doping La pada anoda LTO. Sebuah partikel berukuran mikro

Li4Ti5−xLaxO12 (0 ≤ x ≤ 0,2) bahan telah disintesis dengan metode solid-

state sederhana di udara. Bahan Li4Ti5−xLaxO12 yang diperoleh adalah

larutan Li3xLa2/3−xTiO3 (LLTO) Li4Ti5O12 (LTO), dan terkristalisasi

dengan baik dengan ukuran partikel dalam kisaran 1–2 μm. Konduktivitas

elektronik dan koefisien difusi lithium La-modifikasi LTO

(Li4Ti4,95La0,05O12) ditingkatkan karena LLTO menunjukkan konduktivitas

ionik tinggi selama ekstraksi Li+. Bahan Li4Ti4,95La0,05O12 menunjukkan

kapasitas pelepasan lebih dari 206 dan 197 mAh g-1 setelah 100 siklus

masing-masing pada tingkat pengisian dan pengeluaran muatan 1C dan

3C. Khususnya, dalam kinerja laju, sampel Li4Ti5−xLaxO12 (x =0,1dan 0,2)

mempertahankan kapasitas sekitar 181 mAh g −1 sampai 5 tingkat C

setelah 200 siklus, sedangkan sampel LTO murni menunjukkan penurunan

kapasitas yang parah pada tingkat yang sesuai. Hasil ini menunjukkan

14

bahwa modifikasi La adalah cara yang efektif untuk meningkatkan

stabilitas kimia elektroda dalam kontak dengan elektrolit dan

meningkatkan kemampuan siklabilitas dan kecepatan selama siklus jangka

panjang. Karena kinerja tingkat tinggi merupakan faktor penting yang

perlu dipertimbangkan dalam membuat baterai daya di industri, LTO La-

dimodifikasi bergerak lebih dekat ke aplikasi nyata dan skala besar.

Y.-C. Kuo, J.-Y. Lin pada tahun 2014 [14], melakukan sintesis

Pengaruh suhu pengeringan gel, waktu anil pada 900˚C dan suhu kalsinasi

digunakan dalam sintesis sol-gel Li4Ti5O12 (LTO) pada fase kemurnian,

LTO-spinel dengan kemurnian tinggi telah disintesis dengan

menyesuaikan kondisi perlakuan termal. Tingkat kemampuan dan

kemampuan siklus Sampel LTO telah dipelajari oleh teknik galvanostatik

dalam sel Li-setengah. Pengaruh gel-suhu pengeringan pada kemurnian

fase LTO telah dibuktikan dengan jelas. Semua sampel LTO yang

dipelajari menunjukkan evolusi yang sama dari kapasitas saat ini dalam uji

kemampuan cyclic voltametri. Studi Ciclic voltametri telah menunjukkan

bahwa sampel LTO menunjukkan reversibilitas tinggi. Peningkatan waktu

anil pada 900˚C tidak mempengaruhi struktur spinel kubik, tetapi

menyebabkan peningkatan ukuran partikel, sintering partikel yang lebih

tinggi dan penurunan porositas. Data elektrokimia menunjukkan bahwa

kapasitas spesifik, kemampuan menilai dan cycleability dari sampel LTO

yang diteliti tergantung pada anil waktu. Tumbuh ukuran partikel dan

penurunan partikel porositas menjelaskan memburuknya sifat elektrokimia

15

diamati pada peningkatan waktu anil. Kemurnian sol-gel. Sampel LTO

tergantung pada suhu kalsinasi. Memang tinggi sampel kemurnian

disintesis untuk suhu! 850˚C selama 1 jam. Peningkatan suhu kalsinasi,

terutama dari 900˚ menjadi 950˚C, memprovokasi ukuran partikel dan

pengurangan porositas. Akhirnya, untuk mengindikasikan bahwa di antara

sampel sol-gel disintesis yang disiapkan setelah mengeringkan prekursor

gel pada 150˚C, pra-perawatan pada 550˚C selama 6 jam dan kalsinasi

pada 900˚C untuk waktu singkat 1 jam menunjukkan performa

elektrokimia yang paling baik. Dengan kapasitas spesifik 165 mAh/g, dan

kapasitas reversibel 87 mAh/g pada 1C tanpa penurunan kapasitas setelah

100 siklus, LTO-spinel ini dapat dianggap sebagai bahan anoda yang

menjanjikan untuk digunakan dalam baterai Li-ion dimana siklus hidup

dan keselamatan merupakan perhatian utama.

T.-F. Yi et al. pada tahun 2010 [11], melakukan percobaan Sintesis

Serbuk Li4Ti4,95V0,05O12 dan Li4Ti5O12 berhasil dibuat dengan metode

solid-state. TiO2-anatase, Li2CO3mdan V2O5 dicampur, kemudian di

kalsinasi pada 850◦C selama 24 jam di udara untuk menyiapkan spinel

mengkristal dengan baik Li4Ti5O12 dan Li4Ti4,95V0,05O12. Pengujian

charge-discharge Galvanostatic menunjukkan kedua sampel memiliki

kapasitas awal yang hampir sama pada rentang tegangan discharge yang

berbeda (0-2 dan 0,5-2V), tetapi Li4Ti4,95V0,05O12 memiliki kinerja

bersepeda yang lebih tinggi daripada Li4Ti5O12. CV menunjukkan bahwa

Li4Ti4,95V0,05O12 memiliki polarisasi elektroda yang lebih rendah dan

16

difusi ion lithium yang tinggi dalam benda padat sampel, menyiratkan

bahwa doping vanadium bermanfaat untuk interkalasi reversibel dan de-

interkalasi Li+. Li4Ti4,95V0,05O12 bahan dapat menemukan aplikasi yang

menjanjikan dalam baterai lithium ion dan sel elektrokimia karena kinerja

elektrokimia yang sangat baik dan rute sintesis sederhana.

2.3 Alumunium Aluminium adalah logam yang paling banyak terdapat di kerak bumi, dan

unsur ketiga terbanyak setelah oksigen dan silicon [23]. Aluminium terdapat di

kerak bumi sebanyak kira-kira 8,07% hingga 8,23% dari seluruh massa padat dari

kerak bumi, dengan produksi tahunan dunia sekitar 30 juta ton pertahun dalam

bentuk bauksit dan bebatuan lain seperti corrundum, gibbsite, boehmite, diaspore,

dan lain-lain. Sulit menemukan aluminium murni di alam karena [24].

Aluminium digunakan secara luas dalam dunia modern. Memiliki

penampilan berwarna putih keperakan dan menampilkan banyak sifat yang tidak

biasa. Aluminium memiliki aplikasi luas dalam domain yang berbeda, seperti

transportasi, dekorasi rumah dan acesories, bangunan dan konstruksi, dll. Tidak

ada logam lain dapat digunakan dalam banyak hal seperti aluminium. Aluminium

juga merupakan konduktor panas dan electric yang baik. Jika dibandingkan

dengan massanya, aluminium memiliki keunggulan dibandingkan dengan

tembaga, yang saat ini merupakan logam konduktor panas dan listrik yang cukup

baik, namun cukup berat [23].

Aluminium murni 100% tidak memiliki kandungan unsur apapun selain

aluminium itu sendiri, namun aluminium murni yang dijual di pasaran tidak

pernah mengandung 100% aluminium, melainkan selalu ada pengotor yang

17

terkandung di dalamnya. Pengotor yang mungkin berada di dalam aluminium

murni bias any adalah gelembung gas di dalam yang masuk akibat proses

peleburan dan pendinginan/pengecoran yang tidak sempurna, material cetakan

akibat kualitas cetakan yang tidak baik, atau pengotor lainnya akibat kualitas

bahan baku yang tidak baik (misalnya pada proses daur ulang aluminium).

Umumnya, aluminium murni yang dijual di pasaran adalah aluminium murni

99%, misalnya aluminium foil [5][23].

2.4 Metode Sol Gel Material LI4Ti5O12 dapat disintesis dengan berbagai metode sintesis salah

satunya dengan metode sol-gel. Metode sol–gel yang merupakan salah satu

metode yang paling sukses dalam mempreparasi material oksida logam berukuran

nano. Sol merupakan suatu partikel halus yang terdispersi dalam suatu fasa cair

membentuk koloid, sedangkan gel merupakan padatan yang tersusun dari fasa cair

dan padat dimana kedua fasa ini saling terdispersi dan memiliki struktur jaringan

internal. Proses sol–gel sendiri didefinisikan sebagai proses pembentukan

senyawa inorganik melalui reaksi kimia dalam larutan pada suhu rendah di mana

dalam proses tersebut terjadi perubahan fasa dari suspensi koloid (sol) membentuk

fasa cair kontinyu (gel). Metode sol–gel memiliki beberapa keuntungan antara lain

tingkat stabilitas termal yang baik, stabilitas mekanik yang tinggi, daya tahan

pelarut yang baik, modifikasi permukaan dapat dilakukan dengan berbagai

kemungkinan [14].

Dalam penelitian ini logam alkoksida dilarutkan dalam pelarut organik

seperti ethanol sehingga disebut sebagai metal alkoxide solution yang akan

18

mengalami proses hidrolisis dan polikondensasi membentuk sol dan mengalami

proses gelation membentuk wet gel. Kemudian wet gel diuapkan pada suhu

tertentu lebih dahulu sebelum proses pemanasan (kalsinasi).

19

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Pusat Penelitian Fisika (P2F) Lembaga Ilmu

Pengetahuan Indonesia (LIPI) kawasan Puspitek Serpong, Tangerang. Penelitian

ini dilakukan dari bulan Juli 2019 – Oktober 2019

3.2 Alat dan Bahan Tabel 3.1 Alat dan Bahan penelitian

No. Kegiatan Alat Bahan

1. Sintesis serbuk Li4Ti5O12 - Kertas timbang

- Spatula

- Timbangan Digital

- Beaker Glass 10 ml,

20 ml dan 100 ml

- Madnetic stirring bar

- Tisu

- Hotplate

- Pipet tetes

- Cawan petri

- Oven

- Cu-foil

- Ayakan 400 mess

- Cursible

- Furnace

- Penggaris

- Tetrabutyl titanate

atau TBT

- Hidrocloric acid

(HCl), 37%

- Ethanol 95%

- Lithium Acetat

- Alumunium

- H2O

2. Pembuatan Lembaran

Anoda

- Kertas timbang

- Spatula

- Timbangan Digital

- Polyvinylidene

fluoride (PVDF)

- Super P (Carbon)

20

- Magnetic Stirring Bar

- Tisu

- Hot Plate

- Beaker glass 10 ml

- Cu foil

- Penggaris

- Gunting

- N,NDimethylacetamide

DMAC (C4H9NO),

-

3. Pembuatan Coin Cell - Satu set Coin cell

- Glove Box

- Pipet tetes

- Pinset

- Cawan Petri

- Potomgan Lembaran

0; Lembaran 0,01;

Lembaran 0,02 dan

Lembaran 0,03

- Separator

- Elektrolit LiPF6

- Lithium Metal

4. Pengujian XRD Rigaku tipe SmartLab 3

kW

Serbuk Al 0; Al 0,01; Al

0,02 dan Al 0,03

5. Pengujian CV WonAtech WBCS3000,

Korea

Baterai dengan anoda Al

0; Al 0,01; Al 0,02 dan

Al 0,03

6. Pengujian CD WonAtech WBCS3000,

Korea

Baterai dengan anoda Al

0; Al 0,01; Al 0,02 dan

Al 0,03

21

3.3 Diagram Alir Metode Penelitian. Proses sintesis material keramik Li4Ti5O12 dilakukan dengan menggunakan

metode sol gel menurut reaksi:

4C2H3LiO2 + (5-x)C16H36O4Ti + XC4H7AlO5 → Li4Ti(5-x)AlxO12

Dalam penelitian ini material Li4Ti5O12 didoping dengan Alumunium (Al)

dimana terdapat 4 (empat) sampel yang berbeda yakni satu diantaranya murni

Li4Ti5O12 tanpa campuran alumunium sedangkan tiga lainnya di coating dengan

alumunium, masing-masing (0,01; 0,02 dan 0,03).

Jenis penelitian yang dilakukan merupakan penelitian yang dilakukan di

laboratorium. Penelitian ini memiliki empat tahapan yakni sintesis material

Li4Ti5O12 (pembuatan material untuk anoda baterai lithium ion), assembling

(pembuatan coin cell baterai lithium ion), karakterisasi material aktif dan

pengujian performa baterai. Hasil dari penelitian ini bersifat kuantitatif.

22

Adapun diagram alir penelitian penelitian ini ditampilkan pada gambar

Gambar 3.1 Diagram alir sintesis serbuk dengan metode sol gel

Mulai

Larutan A C3H3O2Li + Etanol 

+ HCL 250 rpm  t = 1 jam

Perhitungan Stoikiometri dan bahan ditimbang

Larutan D H2O + Etanol +

HCL 250 rpm, t = 1 jam

Larutan A + B + C +D (Sol)

Gel

Gel dikeringkan, T=80oC dan digerus

Prekusor Li4Ti5O12

Sintering pada suhu dan C selama 2 jamo800

Digerus dan disaring 400 mesh

Material Aktif Li4Ti5O12

Uji XRD  

Larutan B Al(CH3CO2)3 +

Etanol + HCL 250 rpm, t = 1 jam

Larutan C C16H36O4Ti + Etanol + HCL

250 rpm, t = 1 jam

23

Gambar 3.2 Diagram alir pembuatan baterai setengah sel

3.4 Proses Pembuatan Bahan Uji dan Pengujian 3.4.1 Proses Pembuatan Sintesis Serbuk Pengujian

Serbuk disintesis sesuai dengan perhitungan stoikiometri material

Li4Ti(5-x)AlxO12. Perhitungan stoikiometri dilakukan dengan variasi x = 0,

0,01, 0,02 dan 0,03 menghasilkan massa dari masing-masing prekusor untuk

Disiapkan material aktif Li4Ti5O12

Material aktif:

a. LTO Tanpa Doping b. LTO Doping 0,01 Al c. LTO Doping Al 0,02 d. LTO Doping Al 0,03

Pembuatan Slurry: Material Aktif = 80% PVDF = 10% Super P = 10%

Coating

Cutting

Assembly

Baterai Coin cell

Uji CV, CD Selesai

24

membuat material Li4Ti(5-x)AlxO12 sebesar 1 gram. Bahan baku penelitian ini

adalah Lithium acetate C3H3O2Li, Tetrabutyl titanate atau TBT C16H36O4Ti,

Hidrocloric acid (HCl) 37%, ethanol C2H5OH dan Alumunium Acetate

(CH3CO2)3.

Tabel 3.2 Massa bahan dasar pembentukan sampel Li4Ti(5-x)AlxO12

Doping Sampel (X) C3H3O2Li (gr) C16H36O4Ti (gr) Al (CH3CO2)3 (gr)

0 0,5749 3,7065 -

0,01 0,5752 3,7007 0,0035

0,02 0,5754 3,6950 0,0071

0,03 0,5757 3,6893 0,0106

Gambar 3.3 Penimbangan bahan untuk sintesis serbuk

Proses sintesis dilakukan dengan menggunakan metode sol gel.

Larutan terbagi atas empat larutan yakni larutan A, B, C, dan D dimana

masing-masing larutan ini dirutkan selama 1 jam dengan kecepatan stirer 250

rpm. Larutan A (tetrabutyl titanate + ethanol +HCl), larutan B (lithium acetate

+ ethanol + HCL), larutam C (aluminium acetate + ethanol +HCl), laruran D

25

(H2O + ethanol + HCl). Larutan B,C dan D di tuang kedalam larutan A

dengan urutan masing-masing larutan D, B dan C sehingga membentuk satu

larutan gel pada suhu ruang. Pembuatan larutan ini di lakukan untuk setiap

variasi x doping sampel.

Gambar 3.4 Larutan campuran akhir setiap sampel tanpa doping, doping 0,01, doping

0,02 dan doping 0,03

Setiap gel yang terbentuk di letakkan di cawan petri sejumlah 4 cawan

petri dengan masing-masing cawan diberi tanda agar tidak tertukar. Cawan

petri yang berisi gel ini kemudian didiamkan di dalam oven 50˚C selama 24

jam, tujuannya agar gel-gel dari setiap sampel menguap atau didehidrasi dan

hanya menyisakan serbuk basah material yang selanjutnya di tumbuk lagi

selama 30 menit untuk mengahasilkan serbuk yang halus dan homogen. Setiap

sampel yang telah melewati proses penumbukan kemudian diletakkan di

wadah (crucible) dan diberi tanda yang selanjutnya akan di keringkan dengan

cara di kalsinasi.

26

Gambar 3.5 proses penumbukan gel

Sintering dilakukan pada suhu 800˚C dalam waktu 2 jam dengan

menggunakan furnace. Proses ini dilakukan berulang ke setiap sampel mulai

dari sampel tanpa doping, sampel doping Alumunium 0,01, sampel doping

Alumunium 0,02 dan sampel doping Alumunium 0,03. Setelah terbentuk

serbuk

Gambar 3.6 (a) gambar sebelum (b) gambar setelah dilakukan sintering.

27

Proses terakhir pada sintesis serbuk ini ialah setiap sampel yang telah

di kalsinasi dihaluskan dengan cara di gerus selama 1 jam kemudian diayak

dengan ayakan 400 mesh.

Sampel yang telah melalui semua tahapan di atas akan di karakterisasi

dengan karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) untuk mengetahui struktur

kristal sampel dan mengetahui berapa fasa yang terbentuk.

3.4.2 Proses Pembuatan Slurry Pembuatan slurry menggunakan perbandingan komposisi serbuk

Li4Ti5AlO12 : PVDF : Super P (80% : 10% : 10%). Semua larutan dilarutkan

ke dalam 2ml DMAC. Pelarutan dilakukan di atas hotplate dengan ketentuan

setiap 15 menit dimasukkan secara berurutan dengan penambahan sedikit

demi sedikit PVDF, Super P lalu terakhir material serbuk Li4Ti5AlO12. Larutan

yang telah di campur tetap di stirrer selama 40 menit hingga larutan

membentuk slurry yang homogen.

3.4.3 Proses Pembuatan Lembaran Anoda (Coating) Coating adalah proses pelapisan slurry pada Cu Foil. Cu Foil

diletakkan pada automatic thick film coater kemudian tombol vakum ditekan

pada mesin dan membersihkan Cu Foil dengan aseton. Disamping itu

ketebalan slurry sebesar 100 µm ditentukan dengan mengatur ketebalan celah

doctor blade terlebih dahulu. Kecepatan doctor blade juga disetting menjadi

4-5 mm/detik. Slurry dituangkan secara hati-hati ke Cu Foil kemudian

menekan tombol run yang akan mengakibatkan doctor blade bergeser sesuai

dengan kecepatan yang telah diatur dan membentuk lapisan dengan ketebalan

100 µm. Hasil dari coating lembaran anoda ini masih dalam keadaan basah

28

sehingga perlu dilakukannya pengeringan. Proses pengeringan lembaran

anoda tetap dilakukan di bagian pengeringan dengan alat yang sama dengan

coating namun pada bagian dry box. Suhu pengeringan di setting 80˚C di

dalam dry box yang kemudian diletakkan lembaran anoda di dalamnya selama

30 menit. Lembaran anoda yang telah terbentuk di simpan di dalam oven pada

suhu 50˚C.

Gambar 3.7 Lembaran anoda Li4Ti5O12

3.4.4 Proses Cutting dan Asembling Coin Cell Lembaran anoda yang telah kering seperti gambar 3.5 kemudian

dipotong berbentuk lingkaran dengan diameter 16 mm dan potongan separator

dengan diameter sebesar 19 mm. Assembling coin cell dilakukan di dalam

glove box dalam keadaan vacum, sehingga tidak terjadi reaksi dengan udara

luar. Assembling ini dilakukan setengah sel menggunakan katoda Li-metal dan

29

anoda LTO. Selanjutnya koin yang terbentuk dilakukan uji Ciclic voltammetry

dan uji Charge Discharge.

3.4.5 Analisis struktur kristal dengan X-Ray Diffraction (XRD) Setelah proses serbuk dilakukan selanjutnya di lakukan uji X-Ray

Diffraction (XRD). Proses analisis menggunakan X-Ray Diffraction

merupakan salah satu metode karakterisasi material paling tua dan paling

sering digunakan hingga sekarang. Pengujian ini dilakukan sebagai tahapan

awal karakterisasi untuk mengidentifikasi jenis fasa yang diharapkan ataupun

fasa lainnya yang tidak diharapkan.

3.4.6 Field - Scanning Electron Microscope (FE-SEM) Karakterisasi FE-SEM dilakukan untuk mengetahui morfologi

permukaan masing-masing sampel dan ukuran diameter rata-rata dari partikel

sampel. Data yang diperoleh dari karakterisasi FE-SEM adalah gambar butir-

butir hitam putih atau gelap terang. Ukuran diameter partikel rata-rata

diperoleh dari pengolahan data menggunakan software ImageJ dengan jumlah

total partikel yang diukur adalah 100 partikel.

3.4.7 Pengujian performa elektokimia dengan Uji Cyclic Voltametry (CV)

Voltametri siklik digunakan untuk mempelajari reaksi elektrokimia

seperti reaksi redoks. Hasil dari pengujian ini berupa data tegangan dan arus

dalam bentuk grafik yang disebut cyclic voltammogram. Data pengujian CV

ini akan menunjukkan reversibilitas proses redoks yang terjadi ketika tegangan

input dialirkan ke dalam sampel coin cell dan dapat diperoleh nilai koefisien

difusi ion lithiumnya.

30

3.4.8 Pengujian kapasitas baterai dengan Uji Charge Discharge (CD) Pengujian sel baterai dilakukan dengan proses charge dan discharge.

Untuk mendapatkan performa sebuah baterai maka diperlukan pengujian

charge discharge sehingga didapatkan kapasitas pada sel baterai. Pada

pengujian ini tegangan akan dicatat setiap detikya. Data yang diperoleh dari

pengujian ini diolah dengan menggunakan software WBCS3000 dengan

memasukkan nilai tegangan dan besar arus maka akan diperoleh grafik

tegangan sebagai fungsi charge-discharge capacity (mAh/gram) yang juga

dinamakan grafik charge-discharge

31

BAB IV

PEMBAHASAN

4.1 Hasil dan Pembahasan Karakterisasi XRD Karakteristik XRD dilakukan untuk mengetahui fasa kristal yang terbentuk

pada sampel LTO yang tebagi atas 4 sampel yakni LTO tanpa doping, LTO

doping Al x=0,01, LTO doping Al x=0,02 dan LTO doping Al x= 0,03. Gambar

4.1. menunjukkan pola difraksi sinar X dari sample LTO variasi doping Al yang

di sinter pada suhu 800˚ selama 2 jam. Pengukuran XRD menunjukkan bahwa

semua sampel tersebut memiliki pola yang sama. Hasil analisis dengan bantuan

software highscore menunjukkan bahwa sample ini memiliki 3 fasa antara lain

Li4Ti5O12 (tanpa diberi tanda), fasa TiO2 rutile diberikan tanda persegi sedangkan

fasa Li2TiO3 (dilithium Titanat) di beri tanda bintang.

Puncak-puncak fasa Li4Ti5O12 tertinggi berada pada sudut 18, 37, 43, 57,

dan 62 yang bersesuaian dengan ICSD 98-016-0655 memiliki struktur kubik

dengan space group Fd3m. fasa TiO2 rutile memiliki puncak-puncak tertinggi

(diberi tanda persegi) berada pada sudut 27, 36, 41, 54, 56 dan 62 yang

bersesuaian dengan ICSD 98-005-1941 memiliki struktur tetragonal dengan space

group P42/mnm. Fasa dilithium titanat Li2TiO3 (beri dengan tanda bintang)

memiliki puncak tertinggi pada sudut 43, 63, 80 bersesuaian dengan ICSD 98-

026-1235 memiliki struktur monoklinik C2/c. Fasa rutile merupakan fasa yang

stabil terbentuk dari transformasi anatase yang tidak akan bereaksi dengan elemen

yang lainnya. Oleh karena itu fasa rutile tidak bisa menyimpan ion lithum.

32

Li2TiO3 merupakan salah satu family dari lithium titanat. Terbentuknya 3 fasa

diakibatkan karena pencampuran larutan precursor tidak homogen.

Gambar 4.1 Kurva XRD material Li4Ti5O12 Li4Ti5O12 doping Al dengan variasi Al x= (0, 0.01, 0.02 dan 0.03)

Mekanisme terbentuknya 3 fasa dapat di ilustrasikan seperti gambar di

bawah. Dimana hasil pencampuran keempat larutan tidak merata terdapat daerah

yang memiliki Li berlebih dan juga daerah yang kekurang Li (sumber Ti

berlebih). Daerah yang tercampur homogen membentuk fasa Li4Ti5O12, daerah

10 20 30 40 50 60 70 80 90

LTO Tanpa Doping

LTO Doping Al 0,03

LTO Doping Al 0,02

LTO Doping Al 0,01*

*

*

*

*

*

*

**

*

*

**

*

*

(551

)(4

44)

(531

)(4

40)

(511

)

(331

)(400

)

(311

)(111

)

Inte

nsity

(a.

u.)

2deg.)

ICSD 98-016-0655

TiO2 Rutile

*

* Li2TiO

3

33

yang memiliki Li berlebih membentuk Li2TiO3, dan daerah yang memiliki Ti

berlebih bertransformasi menjadi TiO2 rutile Li2Ti03 merupakan material yang

secera elektrokimia tidak aktif sehingga tidak memberikan sumbangan kapasitas

pada performa sel baterai namun ada penelitian yang menunjukkan bahwa fase ini

bisa meningkatkan kestabilan struktur dan melindungi unsur Li dan O dari

terbentuknya SEI.[6]

Gambar 4.2 Ilustrasi mekanisme terbentuknya tiga fasa.

Besarnya analisis fasa dapat dilihat pada tabel 4.1 dengan metode analisis

menggunakan software highscore.

34

Tabel 4.1 Persentase fasa hasil analisis XRD dengan menggunakan highscore.

SAMPLE Li4Ti5O12 (%) TiO2 (%) Li2TiO3 (%)

Doping Al 0 69,2 21,4 9,5

Doping Al 0,01 82,1 11,7 6,3

Doping Al 0,02 78,6 12,5 8,5

Doping Al 0,03 72,6 14,8 7,7

Doping ion Al dapat mengisi tempat Ti dan Li tergantung dari jumlahnya

sejumlah kecil ion Al hanya mampu menempati Ti4+ sedangkan jika jumlah

doping yang ditambahkan banyak maka ion Al dapat menempati pada Ti+ dan

Ti3+. Penyisipan litium ke dalam LTO menyebabkan reduksi Ti4 + menjadi Ti3 +.

Karena Ti3 + (0,670 A˚) memiliki jari-jari ionik yang lebih besar daripada Ti4 +

(0,605 A˚) [22]

Gambar 4.3 Reduksi sebagian (partial reduction) Ti4 + menjadi Ti3 +.

35

Gambar 4.4 Perbesaran puncak 111 dari sampel Li4Ti5-x Alx O12 (x=0; 0,01; 0,02 dan 0,03).

Perbesaran puncak 111 bergeser kearah sudut 2 theta yang lebih rendah

ketika kandungan Al3+ meningkat hingga X = 0,03 seperti yang ditunjukkan pada

gambar di atas. Hal ini menunjukkan ion ion Al mensubtitusi kedalam struktur

spinel LTO. Dengan meningkatnya kandungan Al maka insentisas semakin tinggi.

Hal ini menunjukkan tingkat kristalinitasnya tinggi.

Parameter kisi dihitung dengan metode pendekatan analitik melalui

ekstrapolasi Bradley-Jay function yang ditunjukkan pada persamaan 4.1. Hasil

dari perhitungan parameter kisi ditunjukkan pada tabel 4.2 Doping ion Al3+

menyebabkan penurunan parameter kisi, hal ini membuktikan bahwa ion Al3+

mensubtitusi atau mengganti ion Ti4+ sedangakan pada doping tinggi (0,03) terjadi

peningkatan parameter kisi dikarenakan ion ion Al3+ menempati tempat Ti4+ dan

Li+. (j. power sources 165(2007) 408-412).

Ukuran kristalit dan regangan kisi dihitung dengan menggunakan metode

Williamson-Hall, seperti pada persamaan berikut.

36

βcosθ

………………… (4.1)

Dimana D adalah ukuran kristal, K adalah factor shape (tanpa satuan),

lamda adalah panjang gelombang sinar X, B adalah pelebaran pada setengah

puncak maksimum (FWHM), teta adalah sudut Bragg, epsilon adalah regangan

kisi. Hasil perhitungan ukuran kristalit ditunjukkan seperti pada tabel 4.2 Doping

Al menyebabkan ukuran kristalit LTO semakin besar karena doping Al

menyebabkan fasa impurity menurun sehingga ukuran kristalit LTO semakin

meningkat (tingkat kristalinitas LTO meningkat).

Tabel 4.2 Hasil perhitungan parameter kisi dan ukuran kristalit

SAMPLE Parameter kisi

(Angstrom)

Ukuran Kristalit (nm)

Doping Al 0 8,3729 78,35

Doping Al 0,01 8,3661 82,79

Doping Al 0,02 8,3636 91,49

Doping Al 0,03 8,3650 81,11

4.2 Hasil dan Pembahasa n Karakterisasi FESEM Karakterisasi FE-SEM digunakan untuk mengetahui morfologi sampel dan

distribusi rata-rata ukuran partikel. Gambar (a-d) menunjukkan gambar FE-SEM

dari Li4Ti5O12 doping Al dengan variasi Al x= (0; 0,01; 0,02 dan 0,03). Secara

morfologi, permukaan dari setiap sampel memiliki ukuran partikel yang berbeda-

beda. Hal ini menandakan masih adanya pembentukan aglomerasi pada keempat

sampel karena ukuran partikel yang berbeda dengan ukuran di bawah 5µm dan

partikel yang menggumpal.

37

Perbesaran yang digunakan adalah 5k yang berhubungan dengan

histogram ukuran partikel pada gambar (e-h). Pengolahan data yang digunakan

adalah image-j dengan penggunaan gambar hasil pengujian dengan FE-SEM.

Pengambilan data dilakukan dengan mengambil ukuran partikel sebanyak 100

ukuran partikel dengan variasi ukuran patikel (besar, sedang dan kecil). Grafik

histogram menunjukkan frekuensi (banyaknya partikel yang memiliki diameter

yang sama) terhadap ukuran diameter partikel serbuk (µm).

(a) (e)

(b)  (f)

0 ,0 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5 3 ,0 3 ,5 4 ,00

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

frek

uens

i (%

)

D ia m e te r (m )

L T O T a n p a D o p in g

0 , 0 0 , 5 1 , 0 1 , 5 2 , 0 2 , 5 3 , 0 3 , 5 4 , 0 4 , 5 5 , 0 5 , 50

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

Fre

kuen

si (

%)

D ia m e t e r ( m )

L T O D o p in g A l 0 , 0 1

38

(c)   (g) 

(d)  (h)  Gambar 4.5 FE-SEM dan histogram ukuran partakel Li4Ti5O12 tanpa doping (a dan e), Li4Ti5O12 doping Al x=0,01 (b dan f), Li4Ti5O12 doping Al x=0,02 (c dan g),

Li4Ti5O12 doping Al x=0,03 (d dan h) Diameter rata-rata ukuran partikel dari masing-masing sampel bervariasi,

sampel tanpa doping memiliki nilai 3,915; sampel doping Al 0,01 bernilai 5,256;

sampel doping Al 0,02 memiliki nilai 5,613 dan sampel dengan doping Al 0,03

memiliki nilai 3,938. Terlihat bahwa sampel doping Al 0,02 memiliki diameter

yang paling besar menandakan tingkat ketidak homogennya lebih besar pula.

0 ,0 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5 3 ,0 3 ,5 4 ,00

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

Fre

kuen

si (

%)

D ia m e te r ( m )

L T O D o p in g A l 0 ,0 3

0 ,0 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5 3 ,0 3 ,5 4 ,0 4 ,5 5 ,0 5 ,5 6 ,00

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

Fre

kue

nsi (

%)

D ia m e te r (m )

L T O D o p in g A l 0 ,0 2

39

4.3 Hasil dan Pembahasan Pengujian Ciclic Voltammetry Untuk memahami dengan baik kinematika interkalasi/deinterkalasi bahan

elektroda, pengukuran cyclic voltametry dilakukan dalam rentang tegangan 0,80–

2,80 volt dan sebaliknya dengan variasi laju scan rate 50, 100, 150, 200, dan 250

µV/s. Pada pengujian ciclic voltametry dilakukan dengan pengujian setengah sel

baterai dari coin cell. Dimana material Li4Ti5O12 memiliki peran sebagai anoda

sedangkan katodanya adalah lithium metal. Kurva hasil pengujian ciclic

voltametry dapat dilihat pada gambar 4.6 dimana Kurva menunjukkan hubungan

antara tegangan (Volt) sebagai input dan Arus (I) sebagai outputnya. Terdapat 4

kurva dengan variasi scan rate yang sama dari sampel yang berbeda yakni 1

sampel baterai tanpa coating dan 3 sampel lainnya menggunakan coating

almunium dengan variasi masing-masing Al x=0,01; x=0,02; dan x=0,03. Pada

kurva tersebut menunjukkan bahwa terdapat dua pasang puncak anodik dan

katodik yang bersifat reversible. Pada puncak anodic terjadi proses charging dan

reaksi yang terjadi adalah reaksi oksidasi yakni adanya pelepasan ion Li+ maupun

elektron dari katoda menuju anoda. Puncak Katodik terbentuk karena adanya

reaksi reduksi yang diakibatkan karena perpindahan ion Li+ maupun elektron dari

anoda menuju katoda.

Setiap kurva memiliki bentuk yang sama tetapi jelas bahwa total arus

meningkat dengan meningkatnya laju pamindaian (scan rate). hal ini di akibatkan

karena kapasitas material LTO sama sehingga electron lebih banyak mengalir

dan ion lithium berdifusi.

40

(a)

(b)

(c) (d)

Gambar 4.6 Kurva pengujian CV pada sampel (a) LTO tanpa doping, (b) LTO doping Al x=0,01; (c) LTO doping Al x=0,02 dan (d) LTO doping Al x=0,03.

Berdasarkan data cyclic voltametry dapat dihitung koefisien difusi ion

menggunakan persamaan randles selvik

0,4463 ⁄ ………………… (4.2)

Dengan D adalah koefisien Difusi ion lithium (cm-2s-1), v adalah laju scan

(V s-1), C adalah konsentrasi (mol cm-3) , n adalah banyaknya elektron per

1,0 1,5 2,0-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5 50 µV/s 100 µV/s 150 µV/s 200 µV/s 250 µV/s

Aru

s (m

A)

Tegangan (Volt)

1,0 1,5 2,0-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

Aru

s (m

A)

Tegangan (Volt)

50 µV/s 100 µV/s 150 µV/s 200 µV/s 250 µV/s

1,0 1,5 2,0-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

Aru

s (m

A)

Tegangan (Volt)

50 µV/s 100 µV/s 150 µV/s 200 µV/s 250 µV/s

1,0 1,5 2,0-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Aru

s (m

A)

Tegangan (Volt)

50 µV/s 100 µV/s 150 µV/s 200 µV/s 250 µV/s

41

molekul, A adalah luas permukaan (cm2), F adalah tetapan faraday (C mol-1), R

adalah konstanta gas (J (mol K)-1), T adalah temperature absolut (K) dan ip adalah

arus puncak oksidasi (A).

Gambar 4.7 Grafik linier Li4Ti5O12 dengan variasi Alumunium X (0; 0,01; 0,02; 0,03)

0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,016

0,0010

0,0012

0,0014

0,0016

0,0018

0,0020

0,0022

Tanpa Doping Doping Al 0,01 Doping Al 0,02 Doping Al 0,03

I p(A

)

V1/2 (V s-1)1/2

42

Tabel 4.3 Hasil perhitungan nilai koefisien Difusi

SAMPEL Koefisien Difusi (cm-2s-1)

Doping 0 3,27109 . 10-10

Doping Al 0,01 4,88302 . 10-10

Doping Al 0,02 4,51508 . 10-10

Doping Al 0,03 7,31278 . 10-10

Baterai dengan anoda doping Al x=0,03 memiliki nilai koefisien difusi

yang paling tinggi yaitu 7,31278 . 10-10 sedangkan baterai tanpa doping Al

memiliki nilai koefisien difusi paling redah yaitu 3,27109 . 10-10. Berdasarkan

tabel itu pula dapat diketahui bahwa semakin tinggi doping Al maka semakin

tinggi pula koefisien difusinya. Hal ini menunjukkan bahwa doping dari Al ini

sendiri dapat meningkatkan koefisien difusi dari suatu baterai. Penambahan ion Al

mampu menyebabkan reduksi parsial pada ion Ti4+ menjadi Ti3+/Ti4+ sehingga

menyebabkan kecacatan pada kristal LTO.

4.4 Hasil dan Pembahasan Pengujian Charge – Discharge Baterai setengah sel dengan material anoda LTO yang telah diuji dengan

cyclic voltametri (CV) dan kemudian diuji charge – discharge untuk mengetahui

kapasitas discharging pada baterai anoda LTO tersebut. Gambar 4.8 merupakan

hasil pengujian CD dari setiap sampel uji dengan kecepatan charge discharge

0,1C.

43

Gambar 4.8 Grafik Charge-Discharge Li4Ti5O12 dengan variasi Al (0; 0,01; 0,02; 0,03)

Pada kurva jelas terlihat bahwa tegangan yang terbentuk terlihat sama dan

datar yakni pada range 1,5 volt. engan demikian, kurva muatan untuk anoda akan

lebih penting untuk aplikasi nyata karena menentukan tegangan output sel penuh.

Kisaran potensial 1,0-3,0 V adalah yang paling umum dipelajari karena

karakteristik unik dari anoda Li4Ti5O12. Li4Ti5O12 menampilkan penurunan

potensial yang cepat pada pelepasan awal (interkalasi) untuk mencapai tegangan

sekitar 1,5 V [23,24 ian]. Kemudian, tegangan pelepasan tetap hampir konstan

selama proses pelepasan berikutnya. Tegangan tersebut dapat disimpulkan

merupakan tegangan kerja dari baterai Li4Ti5O12. Kapasitas hasil pengujian

menunjukkan nilai yang lebih besar daripada kapasitas teoritis LTO (175 mAh/g)

0 50 100 150

0,00

0,75

1,50

2,25

3,00

*

*

*Li4Ti

5O

12

Li7Ti

5O

12

Li9Ti

5O

12

Kapasitas (mAh/g)

Teg

anga

n (

Vol

t)

Kapasitas (mAh/g)

Tanpa Doping Al Doping Al 0,001 Doping Al 0,002 Doping Al 0,003

Kapasitas Discharge 

Kapasitas Charge 

44

karena proses pengujian dilakukan pada rentang tegangan 0-3 volt. Ketika LTO

discharge dari 3 – 0,7volt akan menangkap 3 elektron dan 3 Lithium seperti

persamaan berikut

3 → 175 /

Gambar 4.7 menunjukkan bahwa LTO dapat didischarge dengan ion lithium di

potensial di bawah 0,6 volt [25]. Ketika LTO di discharge dari 0,7 – 0volt maka

akan menangkat 2 elektron dan 2 lithium seperti persamaan berikut

2 → 290 /

Pada sampel tanpa doping memiliki nilai kapasitas 181 mAh/g, namun

ketika sampel di doping dengan aluminium terdapat penurunan terhadap

kapasitasnya. sampel doping Alumunium x=0,01 memiliki kapasitas 178 mAh/g,

sampel x=0,02 kapasitasnya adalah 173 dan pada doping x=0,03 turun lagi

menjadi 156 mAh/g. jelas terlihat bahwa kapasitas tertinggi adalah saat baterai

LTO tidak didoping dengan aluminium. Untuk baterai LTO yang didoping dengan

aluminium setiap penambahan doping aluminium maka kapasitasnya menurun.

Percobaan dengan melakukan doping Al terhadap Ti di dalam LTO diharapkan

dapat meningkatkan kapasitas seperti hasil perhitungan kapasitas teoritis yang

ditunjukkan pada tabel 4.4, Hasil percobaan menunjukkan bahwa nilai kapasitas

mengalami penurunan seiring dengan naiknya doping Al. Penurunan kapasitas sel

baterai LTO diduga karena sebagian besar doping aluminium menempati atom l

45

Tabel 4.4 simulasi perhitungan secara teoritis kapasitas pada LTO doping Al

Doping X Al

Kapasitas mAh/g

Li4Ti5 -xAlxO12 Li4‐0,33xTi5‐0,67xAlxO12  Li4‐0,67xTi5‐0,33xAlxO12

0 0,175038 0,175038 0,175038

0,01 0,175118 0,175066 0,175014

0,02 0,175198 0,175095 0,174989

0,03 0,175277 0,175123 0,174964

Berdasarkan tabel perhitungan teoritis diatas dapat disimpulkan kapasitas

LTO berkurang karena aluminium mendoping lebih banyak ke lithium sehingga

jumlah electron yang disimpan dalam LTO menurun mengakibatkan kapasitas

juga ikut menurun.

Selanjutnya dilakukan pengujian kapabilitas, dimana pengujian ini

merupakan pengujian yang dapat menentukan kapasitas spesifik dan bagaimana

perubahan kapasitas ini saat terjadi peningkatan arus beban. Pada gambar 4.9

terlihat arus beban yang digunakan meningkat secara bertahap dari 0,1C hingga

10C. kapasitas discharge LTO berkurang secara signifikan dengan meningkatnya

beban arus muatan.

46

Gambar 4.9 Test uji ketahanan material LTO doping Al dengan rapat arus yang berbeda dari 0,1C-10C

Pada gambar 4.9 menunjukkan bahwa doping Al mempengaruhi

kemampuan dari kapasitas LTO saat diberikan beban yang tinggi. Dimana terlihat

pada doping Al x=0,03 memang menurunkan kapasitas dari suatu baterai namun

pada beban arus yang tinggi mampu mempertahankan nilai kapasitasnya berbeda

dengan LTO tanpa doping pada saat diberikan beban yang tinggi terjadi

penurunan kapasitas yang drastis. Dapat dilihat pada doping Al x=0,03 kapasitas

discharge pada 10C masih ada kurang lebih 60 mAh/g yang lebih tinggi daripada

LTO doping Al x=0,01; x=0,02 atapun LTO tanpa doping yang pada 10C

kapasitas dischargenya turun kerentang nilai 0-25 mAh/g. Hal ini membuktikan

bahwa LTO dengan doping Al x=0,03 memberikan kinerja yang lebih baik

daripada LTO tanpa doping.

0 10 20 300

50

100

150

200

10C

2C1C

0,5C

0,1C

Tanpa Doping Al Doping Al 0,001 Doping Al 0,002 Doping Al 0,003

Kap

asit

as (

mA

h/g)

Siklus

47

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa:

1. Hasil karaktrisasi XRD menunjukkan terbentuknya fasa Lithium titanium

oxide (Li4Ti5O12) dan fasa rutile (TiO2) dan fasa dilithium titanat (Li2TiO3).

untuk nilai persentasi fasa berturut-turut adalah pada LTO tanpa doping (69,2 ;

21,4 ; 9,5)%, LTO doping Al x=0,01 (82,1; 11,7; 6,3)%, LTO doping Al

x=0,02 (78,6; 12,5; 8.5)% dan LTO doping Al x=0,03 (72,6; 14,8; 7,7)%

dengan ukuran kristal dan parameter kisi berturut-turut adalah pada LTO tanpa

doping (78,35 dan 8,3729), LTO doping Al x=0,01 (82,79 dan 8,3661), LTO

doping Al x=0,02 (91,49 dan 8,3636) dan LTO doping Al x=0,03 (81,11 dan

8,3650)

2. Morfologi penyebaran karbon terlihat tidak homogen pada masing-masing

sampel Li4Ti5O12 tanpa doping dan doping Al karena ukuran partikel yang

cenderung tidak sama.

3. Performa elektrokimia Li4Ti5O12 doping Al. Baterai dengan anoda doping Al

x=0,03 memiliki nilai koefisien difusi yang paling tinggi yaitu 7,31278 . 10-10

sedangkan baterai tanpa doping Al memiliki nilai koefisien difusi paling redah

yaitu 3,27109 . 10-10. Pada sampel tanpa doping memiliki nilai kapasitas 181

mAh/g, namun ketika sampel di doping dengan aluminium terdapat penurunan

terhadap kapasitasnya. sampel doping Alumunium x=0,01 memiliki kapasitas

178 mAh/g, sampel x=0,02 kapasitasnya adalah 173 dan pada doping x=0,03

48

turun lagi menjadi 156 mAh/g. Doping Al menurunkan kapasitas dari suatu

baterai tetapi meningkatkan rate capability pada laju charge discharge tinggi.

5.2 Saran Dari hasil penelitian ini maka sarannnya adalah perlu dilakukan sintesis LTO

doping Al dengan jumlah doping yang lebih dari 0,03 dikarenakan pada

penelitian ini ditemukan bahwa doping 0,03 Al adalah yang paling baik.

49

DAFTAR PUSTAKA

[1] X. Wang, Q. Qu, Y. Hou, F. Wang, and Y. Wu, “An aqueous rechargeable

lithium battery of high energy density based on coated Li metal and

LiCoO2,” Chem. Commun., vol. 49, no. 55, pp. 6179–6181, 2013, doi:

10.1039/c3cc42676a.

[2] B. Scrosati and J. Garche, “Lithium batteries: Status, prospects and future,”

J. Power Sources, vol. 195, no. 9, pp. 2419–2430, 2010, doi:

10.1016/j.jpowsour.2009.11.048.

[3] J. Wen, Y. Yu, and C. Chen, “A review on lithium-ion batteries safety

issues: Existing problems and possible solutions,” Mater. Express, vol. 2,

no. 3, pp. 197–212, 2012, doi: 10.1166/mex.2012.1075.

[4] B. Zhao, R. Ran, M. Liu, and Z. Shao, “A comprehensive review of

Li4Ti5O12-based electrodes for lithium-ion batteries: The latest

advancements and future perspectives,” Mater. Sci. Eng. R Reports, vol. 98,

pp. 1–71, 2015, doi: 10.1016/j.mser.2015.10.001.

[5] C. H. Chen, J. Liu, M. E. Stoll, G. Henriksen, D. R. Vissers, and K. Amine,

“Aluminum-doped lithium nickel cobalt oxide electrodes for high-power

lithium-ion batteries,” J. Power Sources, vol. 128, no. 2, pp. 278–285,

2004, doi: 10.1016/j.jpowsour.2003.10.009.

[6] N. A. Alias, M. Z. Kufian, L. P. Teo, S. R. Majid, and A. K. Arof,

“Synthesis and characterization of Li4Ti5O12,” J. Alloys Compd., vol. 486,

no. 1–2, pp. 645–648, 2009, doi: 10.1016/j.jallcom.2009.07.057.

50

[7] X. Wang et al., “Ultralong-life and high-rate web-like Li4Ti5O12 anode for

high-performance flexible lithium-ion batteries,” Nano Res., vol. 7, no. 7,

pp. 1073–1082, 2014, doi: 10.1007/s12274-014-0470-7.

[8] F. Gu, “Preparation and performances of Li4Ti5O12/C as anode material

for lithium-ion batteries,” Appl. Mech. Mater., vol. 189, pp. 185–188, 2012,

doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.189.185.

[9] S. Y. Yin, L. Song, X. Y. Wang, M. F. Zhang, K. L. Zhang, and Y. X.

Zhang, “Synthesis of spinel Li4Ti5O12 anode material by a modified

rheological phase reaction,” Electrochim. Acta, vol. 54, no. 24, pp. 5629–

5633, 2009, doi: 10.1016/j.electacta.2009.04.067.

[10] R. A. Hernandez-Carrillo, N. A. Garcia-Gomez, D. I. Garcia-Gutierrez, L.

L. Garza-Tovar, and E. M. Sanchez, “Synthesis and characterization of

electrospun iron-doped lithium titanate/carbon nanofiber mats,” J. Mater.

Sci. Mater. Electron., vol. 26, no. 6, pp. 4241–4249, 2015, doi:

10.1007/s10854-015-2974-7.

[11] T. F. Yi, J. Shu, Y. R. Zhu, X. D. Zhu, R. S. Zhu, and A. N. Zhou,

“Advanced electrochemical performance of Li4Ti4.95V0.05O12 as a

reversible anode material down to 0 V,” J. Power Sources, vol. 195, no. 1,

pp. 285–288, 2010, doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.07.040.

[12] J. S. Park, S. H. Baek, Y. Il Jeong, B. Y. Noh, and J. H. Kim, “Effects of a

dopant on the electrochemical properties of Li 4Ti5O12 as a lithium-ion

battery anode material,” J. Power Sources, vol. 244, pp. 527–531, 2013,

51

doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.02.048.

[13] T. F. Yi et al., “High rate cycling performance of lanthanum-modified Li

4Ti 5O 12 anode materials for lithium-ion batteries,” J. Power Sources,

vol. 214, pp. 220–226, 2012, doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.04.101.

[14] Y. C. Kuo and J. Y. Lin, “One-pot sol-gel synthesis of Li4Ti5O12/C anode

materials for high-performance Li-ion batteries,” Electrochim. Acta, vol.

142, pp. 43–50, 2014, doi: 10.1016/j.electacta.2014.07.103.

[15] L. Ti, O. M. Reaksi, and S. State, “EFEK DUAL DOPING Mg + DAN Al -

TERHADAP ANODA HIDROTERMAL,” pp. 59–60.

[16] R. T. Long and A. F. Blum, “Lithium Ion Batteries Hazard and Use

Assessment - Phase III,” Fire Prot. Res. Found. Rep., no. November, pp.

1–54, 2016.

[17] H. Kato, Y. Yamamoto, M. Nagamine, And, and Y. Nishi, “Lithium ion

rechargeable batteries,” Conf. Rec. WESCON/’93, no. 852, pp. 210–214,

1993, doi: 10.1109/WESCON.1993.488436.

[18] A. Mahmoud, J. M. Amarilla, and I. Saadoune, “Effect of thermal treatment

used in the sol-gel synthesis of Li4Ti5O12 spinel on its electrochemical

properties as anode for lithium ion batteries,” Electrochim. Acta, vol. 163,

pp. 213–222, 2015, doi: 10.1016/j.electacta.2015.02.111.

[19] mahmoud H. and Lishan, “A combined Li-Ion & Lead-Acid Batterey

System for start stop application,” potential Realiz., 2011.

52

[20] H. T. Mahmoud and L. Xu, “A combined Li-ion & lead-acid battery system

for start-stop application : potential & realization Authors : Heza Taha

Mahmoud,” 2011.

[21] N. Nitta, F. Wu, J. T. Lee, and G. Yushin, “Li-ion battery materials: Present

and future,” Mater. Today, vol. 18, no. 5, pp. 252–264, 2015, doi:

10.1016/j.mattod.2014.10.040.

[22] N. M. Ncube, W. T. Mhlongo, R. I. McCrindle, and H. Zheng, “The

electrochemical effect of Al-doping on Li4Ti5O12 as anode material for

lithium-ion batteries,” Mater. Today Proc., vol. 5, no. 4, pp. 10592–10601,

2018, doi: 10.1016/j.matpr.2017.12.392.

[23] Z. A. Zafar et al., “A super-long life rechargeable aluminum battery,” Solid

State Ionics, vol. 320, no. January, pp. 70–75, 2018, doi:

10.1016/j.ssi.2018.02.037.

[24] Q. Li and N. J. Bjerrum, “Aluminum as anode for energy storage and

conversion: A review,” J. Power Sources, vol. 110, no. 1, pp. 1–10, 2002,

doi: 10.1016/S0378-7753(01)01014-X.

[25] A. Dianat, N. Seriani, M. Bobeth, and G. Cuniberti, “Effects of Al-doping

on the properties of Li-Mn-Ni-O cathode materials for Li-ion batteries: An

ab initio study,” J. Mater. Chem. A, vol. 1, no. 32, pp. 9273–9280, 2013,

doi: 10.1039/c3ta11598d.

53

LAMPIRAN

Perhitungan stoikiometri

Persamaan Stoikiometri

4C2H3LiO2 + (5-x) C16H36O4Ti + XC4H7AlO5 → Li4Ti5-xAlxO12

Diketahui massa atom relative dari masing-masing unsur adalah:

Ar. Li = 6,941; Ar.Ti= 47,867; Ar.Al= 26,9815386; Ar.O = 15,9994

Maka besarnya berat molekul masing-masing bahan adalah:

Mr. C H LiO 65,985 gr/mol

Mr. C16H36O4Ti 340,3216 gr/mol

Mr. C4H7AlO5 162,08 gr/mol

Doping Al X = 0,01

4C2H3LiO2 + 4,99C16H36O4Ti + 0,01C4H7AlO5 → Li4Ti4,99Al0,01O12

Menghitung massa C H LiO

massaC H LiO4 mrC H LiO

massaLi Ti , Al , OmrLi Ti , Al , O

massaC H LiO4 65,985

1gram458,8829

massaC H LiO 0,5752

54

Menghitung massa C16H36O4Ti

massaC H O Ti4,99 mrC H O Ti

massaLi Ti , Al , OmrLi Ti , Al , O

massaC H O Ti4,99 340,3216

1gram458,8829

massaC H O Ti 3,7007

Menghitung masssa C4H7AlO5

massaC H AlO0,01 mrC H AlO

massaLi Ti , Al , OmrLi Ti , Al , O

massaC H AlO0,01 162,08

1gram458,8829

massaC H AlO 0,0035

Doping Al X = 0,02

4C2H3LiO2 + 4,98C16H36O4Ti + 0,02C4H7AlO5 → Li4Ti4,98Al0,02O12

Menghitung massa C H LiO

massaC H LiO4 mrC H LiO

massaLi Ti , Al , OmrLi Ti , Al , O

massaC H LiO4 65,985

1gram458,674091

massaC H LiO 0,5754

55

Menghitung massa C16H36O4Ti

massaC H O Ti4,98 mrC H O Ti

massaLi Ti , Al , OmrLi Ti , Al , O

massaC H O Ti4,98 340,3216

1gram458,674091

massaC H O Ti 3,6950

Menghitung masssa C4H7AlO5

massaC H AlO0,02 mrC H AlO

massaLi Ti , Al , OmrLi Ti , Al , O

massaC H AlO0,02 162,08

1gram458,674091

massaC H AlO 0,0071

Untuk X = 0,03

4C2H3LiO2 + 4,97C16H36O4Ti + 0,03C4H7AlO5 → Li4Ti4,97Al0,03O12

Menghitung massa C H LiO

massaC H LiO4 mrC H LiO

massaLi Ti , Al , OmrLi Ti , Al , O

massaC H LiO4 65,985

1gram458,465236

massaC H LiO 0,5757

56

Menghitung massa C16H36O4Ti

massaC H O Ti4,97 mrC H O Ti

massaLi Ti , Al , OmrLi Ti , Al , O

massaC H O Ti4,97 340,3216

1gram458,465236

massaC H O Ti 3,6893

Menghitung masssa C4H7AlO5

massaC H AlO0,03 mrC H AlO

massaLi Ti , Al , OmrLi Ti , Al , O

massaC H AlO0,03 162,08

1gram458,465236

massaC H AlO 0,0106

Menghitung Koefisien Difusi

i 0,4463n FRT

vD ⁄ AC

DR T ip

0,4463 n F A C

Dimana :

D = koefisien difusi ion Li (Cm2/S)

v = Kecepatan scan (V/s)

= Arus puncak (A)

n = Banyaknya elektron per molekul (3)

57

A = Luas permukaan ( 2,0096 Cm2)

C = Konsentrasi ion Li (0.00437 mol/Cm3)

R = Konstanta gas (8.314 J (mol K)-1)

T = Temperatur absolut (K)

F = Tetapan Faraday ( 96485 C mol-1)

V(µv/s) √V (v/s)1/2 Al X=0 Al X=0,01 Al X=0,02 Al X=0,03

ip (A) ip (A) ip (A) ip (A)

50 0,007071068 0,0010037 0,0012994 0,0012109 0,0013554

100 0,01 0,00098006 0,0014279 0,0011984 0,0015833

150 0,012247449 0,001256 0,0015282 0,0015273 0,0018441

200 0,014142136 0,001215 0,0016113 0,0015461 0,0019981

250 0,015811388 0,0015509 0,0016081 0,0016322 0,0021741

LTO tanpa doping AL X=0

D8,314 300 0,09865

0,4463 3 96485 2,0096 0,00437

D 3,27109

LTO doping AL X=0,01

D8,314 300 0,12053

0,4463 3 96485 2,0096 0,00437

D 4,88302

LTO doping Al X=0,02

D8,314 300 0,1159

0,4463 3 96485 2,0096 0,00437

58

D 4,51508

LTO doping Al X=0,03

D8,314 300 0,1159

0,4463 3 96485 2,0096 0,00437

D 7,31278