-
Pengaruh Konsentrasi Karbon Terhadap Performa Elektrokimia
Anoda LiTi2(PO4)3 Untuk Aplikasi Baterai Ion Lithium Tipe
Aquaeous Elektrolit
Zeddy Argasani
(2710100024) Dosen Pembimbing : Dr. Lukman Noerochim S.T., M.Sc.
Eng
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi Fakultas Teknologi
Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Laporan Tugas Akhir
-
Outline
-
Latar Belakang
-
Material yang paling umum digunakan pada baterai lithium ion
adalah grafit
Mempunyai kelemahan yaitu : 1. Dapat terjadinya irreversible
capacity 2. Tidak stabil dalam aquaeous elektrolit
-
Memiliki voltase yang
baik pada aquaeous elektrolit
Memiliki kapasitas
teoritis 138 mAh/g
Biaya yang murah dan
ramah lingkungan
LiTi2(PO4)3
-
Perumusan Masalah
Bagaimana proses pembuatan karbon coating LiTi2(PO4)3
menggunakan sukrosa sebagai sumber karbon.
Bagaimana pengaruh karbon coating terhadap struktur kristal dan
morfologi LiTi2(PO4)3.
Bagaimana pengaruh komposisi karbon coating terhadap performa
elektrokimia coating karbon LiTi2(PO4)3.
1
2
3
-
Batasan Masalah
Sukrosa dianggap larut seluruhnya didalam air suling.
Proses pencampuran LiTi2(PO4)3 dengan larutan sukrosa dianggap
homogen.
Temperatur saat kalsinasi dianggap konstan
1
2
3
-
Tujuan Penelitian
Membuat coating karbon LiTi2(PO4)3 menggunakan sukrosa sebagai
sumber karbon.
Mengkarakterisasi hasil coating karbon terhadap LiTi2(PO4)3.
Menganalisa pengaruh konduktifitas karbon coating terhadap
performa elektrokimia LiTi2(PO4)3 di dalam aquaeous elektrolit.
1
2
3
-
Manfaat Penelitian
Dapat memperbaiki performa elektrokimia LiTi2(PO4)3 sebagai
anoda untuk baterai lithium-ion.
Dapat menjadi referensi pengembangan ilmu selanjutnya. Serta
dapat digunakan sebagai panduan memperbaiki performa elektrokimia
LiTi2(PO4)3 sebagai anoda untuk baterai lithium ion.
1
2
-
Merupakan sifat-sifat dan reaksi
kimia yang melibatkan ion-ion
didalam larutan atau padatan.
Umumnya elektrokimia
dibangun dari sel- sel yang terdiri dari 2 elektroda didalam
larutan
elektrolit ion.
Elektrokimia
Dapat mengkonversikan
energi kimia menjadi energi
listrik disebabkan reaksi elektroda
spontan didalamnya
-
Prinsip mekanisme reaksi baterai lithium ion
Reaksi proses charge dan discharge
Pada elektrode positif: LiMO2 Li1-xMO2 + x Li+ + x e- Pada
elektroda negatif: 6C + x Li+ + x e- LixC6 Reaksi keseluruhan: 6C +
LiMO2 Li1-xMO2 + LixC6
Lithium-ion batteries- How do they work.flv
-
Material Anoda Baterai Lithium Ion
Struktur kristal LiTi2(PO4)3
-
Kelemahan
• memiliki konduktivitas yang rendah • Difusi lithium yang
rendah
-
Peningkatan performa
LiTi2(PO4)3 • Material Komposit • Doping • Perubahan sruktur
nano material • Struktur porous material
-
Sukrosa • Merupakan suatu disakarida yang dibentuk
dari monomer-monomernya yang berupa unit glukosa dan fruktosa,
dengan rumus molekul C12H22O11. Penambahan sukrosa dalam media
berfungsi sebagai sumber karbon [Hubert Schiweck, 2012].
• Pada saat sukrosa dipanaskan lebih dari 186°C, rantai karbon
semakin rusak hingga menghasilkan molekul gas kecil, hasil akhir
yang tersisa adalah gula arang.
http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Disakarida&action=edit&redlink=1http://id.wikipedia.org/wiki/Glukosahttp://id.wikipedia.org/wiki/Fruktosa
-
Diagram Alir Penelitian
-
Bahan Penelitian
1 2 3 4
5 6 7 8
9 10 11 12
Li2CO3 TiO2 NH4H2PO4
Sukrosa
AB PVDF NMP Li2SO4
LiOH Platina Calomel Stainless steel
-
13 14 15 Aquades Ethanol Timah
-
Peralatan dan Pengujian 1 2 4
5 6 7
3
8 9
10 11 12 13
Mortar dan Pestle Kabel tembaga Kaca arloji Neraca analitik
Muffle furnace Beaker glass Gelas ukur Pipet Spatula
Hot plate Crucible Solder Hydraulic pressure
-
14 15
Horizontal tube furnace Gas Argon
-
Sintesis metode solid
state konvensional LiTi2(PO4)3
Li2CO3
TiO2
NH4H2PO4
Ethanol
0.5 Li2CO3 + 2 TiO2 + 3 NH4H2PO4 LiTi2(PO4)3 + 3 NH3 +4.5 H2O +
0.5 CO2
-
LiTi2(PO4)3 Larutan Sukrosa
(C12H22O11)
Larutan LiTi2(PO4)3/
sukrosa
Proses Coating Karbon LiTi2(PO4)3
LiTi2(PO4)3 /C
-
Preparasi Sampel
85% 10% 5%
LiTi2(PO4)3 /C AB PVDF NMP
-
Li2SO4 Aquades LiOH
Elektrolit 1M Li2SO4 pH 13
Pembuatan elektrolit
-
Pengujian Karakterisasi Material
-
Pengujian Performa Elektrokimia
-
LiTi2(PO4)3
tanpa coating LiTi2(PO4)3 8% C LiTi2(PO4)3 13% C LiTi2(PO4)3
17.2% C
Massa spesifik
charge-discharge 10.625 mg/cm2 5.1 mg/cm2 6.035 mg/cm2 9.01
mg/cm2
Massa spesifik
Cyclic voltammetry 24.9 mg/cm2 16.4 mg/cm2 6.5 mg/cm2 15
mg/cm2
Luas permukaan 1 cm2 1 cm2 1 cm2 1 cm2
-
Hasil Analisa Carbon Analyzer
No. Kode Sampel Hasil analisis C (%) Rata-Rata C (%)
1. LiTi2(PO4)3/C dengan 5.25 gr
sukrosa
8.075
8
7.973
8.145
8.151
8.255
2. LiTi2(PO4)3/C dengan 10.5 gr
sukrosa
13.077
13
12.916
12.888
13.099
12.951
3. LiTi2(PO4)3/C dengan 15,75 gr
sukrosa
17.318
17.2
17.459
16.885
17.100
17.555
-
Hasil Analisa XRD
-
LiTi2(PO4)3/C 8%C
LiTi2(PO4)3/C 13%C LiTi2(PO4)3/C 17.2%C
LiTi2(PO4)3 Tanpa Coating
Hasil Analisa SEM
-
No. Material Ukuran (µm) rata-rata (µm)
1 LiTi2(PO4)3 murni
3.031
5.453142857
3.395 3.759 4.375 6.239 8.213 9.16
2 LiTi2(PO4)3 8% C
1.401
7.335428571
2.332 2.506 3.149 11.2
14.77 15.99
3 LiTi2(PO4)3 13% C
1.224
7.379571429
2.748 2.894 3.505 9.526 11.88 19.88
4 LiTi2(PO4)3 17.2% C
5.146
7.568428571
5.955 6.854 6.699 7.029 8.846 12.45
-
• Gambar tersebut mengindikasikan bahwa partikel-partikel
LiTi2(PO4)3/C cenderung membentuk aglomerasi dengan partikel yang
yang lain dikarenakan pengaruh temperatur tinggi dengan waktu tahan
yang lama ketika proses pembuatan coating karbon LiTi2(PO4)3.
• Meningkatnya besar ukuran partikel LiTi2(PO4)3/C diakibatkan
oleh penambahan kadar % karbon yang semakin meningkat.
-
Hasil Analisa CV
LiTi2(PO4)3 tanpa
coating (mg)
LiTi2(PO4)3 8% C
(mg)
LiTi2(PO4)3 13% C
(mg)
LiTi2(PO4)3 17.2% C
(mg)
Massa
material
aktif 24.9 16.4 6.5 15
Rentang voltage terjadinya polarisasi katodik dan anodik pada
larutan 1 M Li2SO4 pH 13 dengan scan rate 10 mV/s
-
LiTi2(PO4)3 tanpa coating LiTi2(PO4)3 8% C
LiTi2(PO4)3 13% C LiTi2(PO4)3 17.2% C
-
• Pada tabel di atas tingginya puncak yang diakibatkan
penambahan dengan coating karbon dapat mempengaruhi proses kinetik
pada reaksi elektrokimia. Semakin tinggi intensitas puncak redoks
yang dimiliki oleh material tersebut maka proses kinetik didalam
reaksi elektrokimia akan semakin baik.
• Dapat disimpulkan bahwa dibandingkan dengan LiTi2(PO4)3 tanpa
coating, LiTi2(PO4)3/C memiliki intensitas puncak redoks lebih
tinggi dan berkurangnya perbedaan jarak voltase antara kedua puncak
redoks sehingga diindikasi dapat meningkatkan stabilitasnya.
No. Material Anoda
Intensitas puncak Jarak
sepasang
puncak
redoks Oksidasi Reduksi
1 LiTi2(PO4)3 tanpa coating 24.87 -56.1 0.7 V
2 LiTi2(PO4)3 8%C 21.64 dan 28.37 -106.53 0.69 V
3 LiTi2(PO4)3 13%C 42.66 -106.53 0.58 V
4 LiTi2(PO4)3 17.2% C 26.46 -95.07 0.57 V
-
No
.
Material anoda dan
katoda
Massa
material aktif
anoda dan
katoda (mg)
Current density
(0.5 C) anoda
dan katoda
(mA)
Kapasitas charge
(mAh/g)
1
LiTi2(PO4)3 tanpa coating // LiFePO4
tanpa coating 10.625//11.05 0.733//0.939 12.32
2 LiTi2(PO4)3 8% C //
LiFePO4 9% C 5.1//6.8 0.352//0.578 45.9
3 LiTi2(PO4)3 13% C // LiFePO4 14.5% C
6.035//6.63 0.416//0.563 31.81
4 LiTi2(PO4)3 17.2% C //
LiFePO4 17.8% C 9.01//7.905 0.621//0.671 17.72
Hasil Analisa Galvanostatic Charge-Discharge
-
LiTi2(PO4)3 tanpa coating LiTi2(PO4)3 8%C
LiTi2(PO4)3 13%C LiTi2(PO4)3 17.2%C
-
Didapatkan kapasitas charge tertinggi dari LiTi2(PO4)3/C 8% C
yaitu sebesar 45.9 mAh/g dengan kapasitas yang hilang sebesar 53.4%
setelah 100 siklik.
-
Kesimpulan • Serbuk LiTi2(PO4)3 dapat disintesa dengan
menggunakan metode konvensional solid-state dengan penambahan
ethanol. LiTi2(PO4)3/C dapat di karbon coating dengan menggunakan
sukrosa sebagai sumber karbon yang dikalsinasi pada temperatur
600˚C dengan waktu holding 3 jam dalam kondisi argon sehingga di
dapat persentase karbon LiTi2(PO4)3/C sebesar 8%, 13%, dan
17.2%.
-
Kesimpulan
• Berdasarkan hasil karakterisasi material, hasil dari XRD
material anoda LiTi2(PO4)3/C tidak mempengaruhi perubahan struktur
kristal. Sedangkan dari hasil SEM penambahan karbon coating dapat
menyebabkan ukuran butir partikel meningkat dan beraglomerat
sehingga dapat menyebabkan kapasitas menurun. Dari analisa EDX
terdapat puncak karbon sehingga dindikasikan bahwa karbon menempel
pada material LiTi2(PO4)3.
-
Kesimpulan • Dalam hasil uji performa elektrokimia yang
dilakukan pada uji CV, penambahan karbon dapat meningkatkan
konduktifitas elektronik, laju stabilitas, dan kapasitas spesifik
dari material LiTi2(PO4)3/C di dalam aqueous elektrolit Li2SO4 pH
13. Sedangkan dalam uji galvanostatic charge-discharge
LiTi2(PO4)3/C dihasilkan nilai kapasitas tertinggi pada material
LiTi2(PO4)3/C 8% saat charge sebesar 45.9 mAh/g dengan kapasitas
yang hilang 53.4% setelah 100 siklik.
-
Saran • Pada saat pengujian cyclic voltammetry, sebaiknya
dimulai dari
scan rate yang terkecil agar kurva CV semakin baik. • Pada saat
pengujian charge-disharge, sebaiknya memakai sel
tertutup (coin cell) agar berjalan secara optimal dan nilai
kapasitas semakin besar.
• Pada pembuatan larutan aqueous elektrolit, sebaiknya dibuat
tanpa adanya oksigen yang masuk kedalam larutan tersebut.
• Melakukan uji HR-TEM untuk mengetahui lapisan coating karbon
menyelubungi atau tidak pada partikel sampel.
• Untuk penelitian selanjutnya dipakai persentase karbon 8%
dengan material dan larutan aqueous elektrolit yang berbeda agar
didapatkan nilai kapasitif yang lebih baik.
-
• Abraham, K.M., Pasquariello, D.M., and Martin, F.J. 1986. J.
Electrochem. Soc., 133, 661, in Rahman, Mokhlesur MD. Advanced
Materials for Lithium-Ion Batteries. Australia: University of
Wollongong.
• Aravindan, V., Ling, W., Hartung, S., Bucher, N., and Madhavi,
S. 2014. “Carbon-Coated LiTi2(PO4)3 : An Ideal Host for Lithium-Ion
and Sodium-Ion Batteries ”. Chemistry Asian Journal (2014) 00
0-0.
• Arico, A.S., Bruce, P.G., Scrosati, B., Tarascon, J.M., and
Schalkwijk, W.V. 2005. Nat. Mater., 4, 366, in Rahman, Mokhlesur
MD. Advanced Materials for Lithium-Ion Batteries. Australia:
University of Wollongong.
• Arun, N., Aravindan, V., Ling, W., and Madhavi, S. 2014.
“Carbon coated LiTi2(PO4)3 as new insertion anode for aquaeous
Na-ion batteries”. Journal of Alloys and Compound 603 (2014)
48-51.
• Beck, F., and Ruetschi, P. 1999. “Rechargeable batteries with
aquaeous electrolytes”. Electrochimica Acta 45 (2000)
2467-2482.
• Casas, Charles., and Li, Wenzhi. 2012. “A Review of
Application of Carbon Nanotubes for Lithium Ion Battery Anode
Material”. Journal of Power Sources 208 74-85.
-
• Cui, Yongli., Hao, Yuwan., Bao, Wenjing., Shi, Yueli., Zhuang,
Quanchao., and Qiang, Yinghuai. 2013. “Synthesis and
Electrochemical Behavior of LiTi2(PO4)3 as Anode Materials for
Aquaeous Rechargeable Lithium Batteries”. Journal of the
Electrochemical Society 160 (2013) A53-A59.
• Dampier, F.W. 1974. J. Electrochem. Soc., 121, 656, in Rahman,
Mokhlesur MD. Advanced Materials for Lithium-Ion Batteries.
Australia: University of Wollongong.
• Dahn, J.R., Sleight, A.K., Shi, H., Reimers, J.N., Zheng, Q.,
and Way, B.M. 1993. Elektrochim. Acta, 38, 1179, in Rahman,
Mokhlesur MD. Advanced Materials for Lithium-Ion Batteries.
Australia: University of Wollongong.
• Kosova, N.V., Osintsev, D.I., Uvarov, N.F., and Devyatkina,
E.T. 2005. “Lithium Titanium Phosphate as Cathode, Anode and
Electrolyte for Lithium Rechargeable Batterries”. Chemistry for
Sustainable Development 13 (2005) 253-260.
• Lee, Y-T., Yoon, S.Y., Park, H-S.,and Sun, K-Y. 2003.
“Improved Cycling Behavior of Li- Doped Natural Graphite Anode For
Lithium Secondary Batteries”. The Electrochemical Society,Inc
Abs.68, 204th meeting.
-
C100 = C100/C1 X 100%
Perhitungan Kapasitas Retention
Perhitungan Current Density
Kapasitas teoritis (mA/gr) X Massa material aktif (gr)
* C = kapasitas teoritis