BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Energi tidak akan pernah lepas dari kehidupan manusia. Konsumsi energi yang sedemikian tinggi menyebabkan sumber energi minyak bumi semakin menipis (Minami, 2005). Persediaan bahan bakar fosil yang terbatas dan terjadinya pemanasan global membuat urgensi untuk menggantikan minyak bumi dengan sumber energi bersih terutama yang berasal dari sumber energi terbarukan seperti angin, surya, dan pasang surut (Priyono, 2014). Pemerintah Indonesia menargetkan penggunaan sel surya sebagai sumber energi bersih pada tahun 2025 sebesar 800 MWp. Hal ini termuat dalam Peraturan Presiden No. 5 tahun 2006 tentang kebijakan energi nasional. Oleh karena itu, lebih kurang 40 MWp pembangkit listrik tenaga surya harus dibangun per tahunnya. Selain itu, Badan Energi Internasional (IEA) memperkirakan bahwa pada tahun 2020 dan 2025, perkembangan teknologi untuk kendaraan listrik jenis EV (Electric Vehicle) dan PHEV (Plug Hybrid Electric Vehicle) masing-masing mencapai 6,9 juta dan 17,7 juta per tahunnya. Kedua rencana tersebut mendapat perhatian khusus karena penggunaan teknologi tersebut membutuhkan baterai sekunder sebagai tempat penyimpanan energi listriknya. Salah satu baterai sekunder yang sedang dikembangkan di Indonesia pada saat ini yaitu baterai ion lithium (Hudaya, 2011). Baterai ion lithium merupakan baterai yang digerakkan oleh ion lithium (Prihandoko, 2008). Pemilihan baterai ion lithium sebagai penyimpan energi karena memiliki banyak keunggulan diantaranya dapat diisi ulang, mempunyai kapasitas dan densitas energi yang tinggi, daya tahan yang baik, ringan, ramah lingkungan dan dapat dibentuk sesuai dengan kebutuhan (fleksibel). Sekarang ini, aplikasi baterai ion lithium sering digunakan dalam perangkat elektronik portable yaitu 57,4% pada ponsel, 31,5% pada notebook, laptop dan 7,4% pada kamera. Aplikasi baterai ion lithium juga telah dikembangkan pada bidang lainnya,
Universitas Sumatera Utara
termasuk kendaraan listrik hibrida, aplikasi ruang angkasa, kendaraan militer dan aplikasi lainnya (Wu et al. 2011). Kemampuan kapasitas energi yang tersimpan dalam baterai ion lithium ditentukan oleh pilihan bahan aktif dan bahan pasif, komposisi antara filler, zat aditif, dan matriks, serta parameter pembuatan. Oleh karena itu, pemilihan material elektroda sangat menentukan kinerja baterai. Keunggulan bahan elektoda terletak pada kestabilannya dalam proses interkalasi dan mempunyai struktur host yaitu tempat bagi perpindahan ion lithium (Prihandoko, 2008). Material katoda yang sering digunakan pada baterai ion lithium yaitu Lithium Ferro Phosphate (LiFePO 4 ). Alasan pemilihan LiFePO 4 sebagai material aktif katoda karena memiliki banyak keunggulan dibandingkan material katoda lainnya diantaranya seperti murah, tidak beracun, kapasitas sedang (170 mAh/gr), keelektronegatifan tinggi, sangat reaktif, densitas energi yang tinggi, dan ramah lingkungan (Padhi, 2002). Sedangkan material anoda yang sering digunakan pada baterai ion lithium yaitu Mesocarbon Microbeads (MCMB). Adapun alasan pemilihan karbon MCMB sebagai material aktif anoda karena memiliki kapasitas yang tinggi (320-330 mAh/gr) pada tegangan rendah dan kemampuan siklusnya yang terbaik dibandingkan dengan semua jenis bahan anoda karbon yang lain (Yao, 2003). Zheng, et al (2012) meneliti tentang pengaruh ketebalan elektroda LiFePO 4 dengan komposisi LiFePO 4 : PvDf : Acetylene Black (80,8 : 12 : 7,2) pada variasi ketebalan 10 µm, 25 µm, 50 µm, 77 µm dan 108 µm untuk kinerja elektrokimia baterai ion lithium. Material aktif anoda yang digunakan yaitu MCMB dengan komposisi MCMB : PvDf : Acetylene Black (88,8 : 8 : 3,2). Hasil yang didapat yaitu semakin meningkatnya ketebalan elektroda maka densitas energi semakin tinggi tetapi densitas daya semakin kecil karena dipengaruhi oleh tahanan dalam dan pembentukan lapisan SEI (Solid Electrolyte Interface) pada baterai. Kapasitas discharge yang dihasilkan pada 0,1 C yaitu sekitar 160 mAh/gr. Shin, et al (2006) meneliti tentang sifat elektrokimia dari coating karbon pada katoda LiFePO 4 dengan grafit, karbon black, dan acetylene black. Perbandingan komposisi antara filler : zat aditif : matriks yaitu 85 : 10 : 5. Hasil yang didapat yaitu kapasitas tertinggi dengan grafit sebesar 140 mAh/gr pada
Universitas Sumatera Utara
0,2 C karena grafit memiliki konduktivitas listrik yang tinggi sebesar 6,4 x 10-2 S/cm dibandingkan karbon black dan acetylene black. Berdasarkan uraian diatas, maka perlu dilakukan penelitian mengenai pengaruh ketebalan katoda LiFePO 4 dengan variasi komposisi serta ketebalan anoda MCMB pada kapasitas baterai ion lithium. Pada katoda LiFePO 4 perbandingan komposisi antara filler (LiFePO 4 ), zat aditif (Super P) dan matriks polimer (PvDf) yaitu 85 : 10 : 5 dengan ketebalan laminate 100 µm, 150 µm, dan 300 µm. Pada komposisi tersebut LiFePO 4 dan Super P memiliki komposisi yang lebih besar dibandingkan PvDf untuk melihat dengan bahan aktif dan zat aditif yang besar maka kapasitas yang dihasilkan juga besar sesuai kapasitas secara teori. Selain itu, anoda MCMB juga divariasikan pada komposisi serta ketebalannya untuk melihat pengaruhnya pada besar kapasitas dan efisiensi baterai ion lithium. Baterai ion lithium pada penelitian ini dibuat dengan model baterai prismatik dan proses assembling sel baterai dengan menggunakan metode stacking yaitu proses assembling sel baterai dengan lembaran katoda, anoda, dan seperator digulung. Alasan pemilihan metode ini untuk memaksimalkan penggunaan lembaran elektroda agar tidak banyak yang terbuang dan dengan permukaan lapisan (laminate) elektroda yang luas diharapkan memiliki kapasitas yang tinggi karena massa material aktifnya semakin besar pada lembaran.
1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Bagaimanakah pengaruh ketebalan pada lembaran katoda LiFePO 4 terhadap kapasitas baterai ion lithium ? 2. Bagaimanakah pengaruh variasi komposisi pada lembaran anoda MCMB terhadap kapasitas baterai ion lithium pada masing–masing ketebalan lembaran katoda LiFePO 4 ? 3. Bagaimanakah pengaruh variasi ketebalan pada lembaran anoda MCMB terhadap kapasitas baterai ion lithium pada masing–masing ketebalan lembaran katoda LiFePO 4 ?
Universitas Sumatera Utara
1.3 Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Pembuatan material katoda merupakan campuran yang terdiri dari LiFePO 4 sebagai filler, Super P sebagai zat aditif, PvDf sebagai matriks dan DMAC sebagai pelarut. Perbandingan komposisi antara LiFePO 4 : Super P : PvDf yaitu 85 : 10 : 5 dengan ketebalan lapisan (laminate) 100 µm , 150 µm, dan 300 µm. 2. Pembuatan material anoda merupakan campuran yang terdiri dari MCMB sebagai filler, Super P sebagai zat aditif, PvDf sebagai matriks dan DMAC sebagai pelarut. Perbandingan komposisi antara MCMB : Super P: PVDf yaitu 85 : 10 : 5 dengan ketebalan lapisan (laminate) 100 µm dan 150 µm serta dengan komposisi 80 : 13 : 7 dengan ketebalan laminate 150 µm. 3. Karakterisasi sampel uji yang akan dilakukan yaitu: analisis struktur kristal serbuk material aktif LiFePO 4 dan MCMB dengan X-Ray Difraction (XRD), analisis morfologi permukaan serbuk material aktif LiFePO 4 dan MCMB serta lembaran katoda LiFePO 4 dengan SEM, analisis morfologi permukaan lembaran elektroda dengan Mikroskop Optik, dan pengujian charge-discharge untuk kapasitas baterai ion lithium pada 0,1 C sampai siklus (cycle) ke tiga dan kapasitas spesifik masing-masing baterai diambil pada siklus ke tiga.
1.4 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Untuk mengetahui pengaruh ketebalan pada lembaran katoda LiFePO 4 terhadap kapasitas baterai ion lithium. 2. Untuk mengetahui pengaruh variasi komposisi pada lembaran anoda MCMB terhadap kapasitas baterai ion lithium pada masing–masing ketebalan lembaran katoda LiFePO 4 . 3. Untuk mengetahui pengaruh variasi ketebalan pada lembaran anoda MCMB terhadap kapasitas baterai ion lithium pada masing–masing ketebalan lembaran katoda LiFePO 4 .
Universitas Sumatera Utara
1.5 Manfaat Penelitian. Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Untuk memberikan informasi ilmiah mengenai cara pembuatan lembaran katoda LiFePO 4 dan anoda MCMB yang dilapisi dengan zat aditif Super P dan matriks polimer (PvDf) hingga menjadi baterai ion lithium. 2. Untuk pengalihan penggunaan baterai konvensional yang relatif berbahan racun ke arah penggunaan baterai lithium yang lebih ramah lingkungan. 3. Untuk mendapatkan baterai yang memiliki kapasitas dan efisiensi yang tinggi sehingga dapat diaplikasikan pada perangkat elektronik portable, penyimpan energi untuk sumber energi bersih dan mobil listrik hibrid.
1.6 Sistematika Penulisan Laporan tugas akhir ini disusun dengan sistematika sebagai berikut: Bab 1 Pendahuluan Bab ini berisi tentang latar belakang penelitian, perumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dan sistematika penulisan. Bab 2 Tinjauan Pustaka Bab ini berisi studi literatur tentang dasar teori baterai, jenis-jenis baterai, baterai ion lithium dan prinsip kerjanya, material elektroda untuk baterai ion lithium, pengujian XRD, SEM, mikroskop optik dan charge-discharge yang menjadi acuan untuk proses pengambilan data, analisa data serta pembahasan. Bab 3 Metodologi Penelitian Bab ini membahas tentang tempat dan waktu penelitian, peralatan dan bahan penelitian, prosedur penelitian serta diagram alir penelitian pada pembuatan lembaran katoda dan anoda serta proses assembling baterai. Bab 4 Hasil dan Pembahasan Penelitian Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa data yang diperoleh dari penelitian berupa tabel, gambar maupun grafik. Data ini akan dibandingkan dengan teori yang menjadi landasan penelitian dan dengan data-data yang tertera dalam literatur.
Universitas Sumatera Utara
Bab 5 Kesimpulan dan Saran Bab ini menyajikan kesimpulan dari seluruh kegiatan dan hasil penelitian dan saran-saran yang diperlukan untuk pengembangan dan penelitian lebih lanjut. Daftar Pustaka Berisi tentang literatur yang digunakan sebagai referensi dalam penulisan tugas akhir ini.
Universitas Sumatera Utara
