KARAKTERISTIK KINERJA BATERAI LiFePO 4 DENGAN MATERIAL ANODA CMC-GRAFIT-C

Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 19 November 2016 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor

KARAKTERISTIK KINERJA BATERAI LiFePO4 DENGAN MATERIAL ANODA CMC-GRAFIT-C SAHRUL HIDAYAT*1, TONI CAHYONO1, IMAN RAHAYU2, WAHYU ALAMSYAH1 1

Prodi Fisika, 2Prodi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran Jl. Raya Bandung-Sumedang Km 21, Jatinangor 45363 Abstrak. Telah dilakukan ekperimen pembuatan dan pengujian kinerja baterai lithiumion dari bahan aktif katoda LiFePO4 dan bahan anoda grafit. Bahan katoda diperoleh secara komersial berupa lembaran LiFePO4 yang dideposisikan di atas substrat alumunium foil. Sedangkan lembaran anoda dibuat dari campuran bahan perekat CMC (carboxymethyl cellulose), bahan utama grafit dan bahan aditif Carbon. Ketiga bahan dicampurkan dengan bantuan pelarut aqudes dan magnetic stirrer sampai merata. Selanjutnya campuran dibuat menjadi lembaran di atas substrat tembaga foil dengan alat Doctor Blade. Bahan dikemas dengan susunan anoda, elektrolit dan katoda membentuk sel baterai yang siap dikarakterisasi. Hasil pengujian kinerja menunjukkan sel baterai memiliki tegangan kerja sekitar 2,67 Volt pada pembebanan arus konstan 1 mA. Baterai dapat diisi ulang secara reversibel dengan ketahanan yang cukup baik. Efisiensi baterai selama pengujian pengosongan berkisar antara 30% sampai 47%. Kata kunci : kinerja baterai, LiFePO4, lithium-ion, CMC Abstract. Fabrication and characterization of lithium-ion battery from LiFePO4 as cathode and graphite as anode has been conducted. Cathode is obtained from commercially sheets of LiFePO4, while the anode sheet made from adhesive CMC (carboxymethyl cellulose), Graphite and conductive Carbon. These three materials are mixed with the solvents of aquades and stirred using magnetic stirrer until homogeneous. Then, the mixture is made into a sheet on the copper foil substrate using Doctor Blade Method. Cathode, anode and electrolyte are packed into a cell of battery. The characterization of battery show the working voltage of about 2.67 volts when load at constant current 1 mA. The battery can be recharged reversibly with discharge efficiency in the ranged of 30% until 47%. Keywords : performance of battery, LiFePO4, lithium-ion, CMC

1. Pendahuluan Salah satu terknologi yang mengalami perkembangan pesat sampai saat ini adalah aplikasi perangkat elektronik portable, baik dari skala kecil seperti telepon selular, laptop dan tablet hingga skala besar seperti kendaraan listrik (EVs) dan kendaraan listrik hybrid (HEVs). Semua peralatan tersebut membutuhkan sumber energi yang juga portabel, yaitu baterai [1]. Setiap perangkat portable modern ini tidak lepas dari kebutuhan baterai karena dengan menggunakan baterai sebagai sumber energi, maka alat-alat elektronik tersebut akan menjadi praktis untuk digunakan. Selain itu, salah satu tantangan utama kita sebagai masyarakat modern adalah integrasi sistem penyimpanan energi yang berasal dari sumber energi terbarukan untuk mengganti bahan bakar *

email : [email protected]

Kode Artikel: FE-06 ISSN: 2477-0477

Karakteristik Kinerja Baterai LiFePO4 dengan Material Anoda CMC-grafit-C

fosil [2]. Dengan demikian, perkembangan penelitian baterai sebagai penyimpanan energi akan terus berkembang dan menjadi komponen yang sangat penting untuk menunjang perkembangan teknologi di masa mendatang. Baterai Lithium-ion (Li-ion) merupakan salah satu perangkat penyimpanan energi yang ramah lingkungan, dan sudah terbukti sebagai sumber daya elektrokimia yang paling maju dalam dua dekade terakhir [3]. Kelebihan baterai Li-ion adalah memiliki lifecycle yang panjang (500-1000 siklus), bobot yang ringan dan memiliki kapasitas energi spesifik serta tegangan operasi yang lebih tinggi daripada baterai sekunder yang lain [1]. Salah satu upaya untuk mendukung performa baterai Li-ion khususnya pada anoda grafit adalah perekat pada material tersebut. Peran perekat ini penting karena berhubungan dengan kepadatan energi material aktif. Sebuah perekat yang baik untuk baterai Li-ion harus memenuhi berbagai kriteria diantaranya mempunyai sifat kimia dan elektrokimia yang stabil pada sistem elektroda dan elektrolit, mampu mengakomodasi perubahan dimensi yang besar selama operasi elektroda, dan sifat merekat ini cukup dicapai dengan serendah mungkin perekat dalam kandungan material aktif [4]. Hasil penelitian telah menunjukkan bahwa gelatin dalam grafit sebagai elektroda negative tidak hanya memenuhi semua persyaratan dasar untuk perekat yang baik, tetapi juga memainkan peran tambahan sebagai pengubah permukaan. Modifikasi permukaan partikel grafit dengan gelatin mempengaruhi proses pasivasi, yang menyebabkan lapisan lebih tipis dan lebih kompak pada film pasif dibandingkan dengan ketika menggunakan pengikat konvensional polyvinylidene difluorida (PVDF). Akibatnya, kerugian ireversibel karena pasivasi jauh menurun sedangkan kapasitas reversibel meningkat [4]. Selain itu, gelatin merupakan polielektrolit alam yang melimpah dan dapat menggunakan air sebagai pelarut. Sehingga gelatin lebih ramah lingkungan dan lebih murah dibandingkan dengan perekat PVDF yang merupakan bahan sintesis yang relative lebih mahal serta menggunakan pelarut N-methyl-2-phyrrolidone (NMP) yang juga merupakan bahan sintesis dan bersifat racun (toksit). Selulosa merupakan polielektrolit alam seperti halnya gelatin. Namun selulosa memiliki kepadatan kelompok fungsional yang rendah. Sebuah riset yang membandingkan empat macam perekat selulosa yaitu carboxy methyl cellulose (CMC), ethyl cellulose (EC), methyl cellulose (MC), dan hydroxyl ethyl cellulose (HEC) memberikan hasil bahwa CMC merupakan perekat selulosa terbaik untuk anoda dengan bahan aktif grafit pada baterai Li-ion [4]. Proses charging dan discharging baterai Li-ion bekerja menurut fenomena interkalasi, yaitu proses pelepasan ion lithium dari tempatnya di struktur kristal suatu bahan elektroda dan pemasukan ion lithium pada tempat di struktur kristal bahan elektroda yang lain [5]. Kemampuan kapasitas energi yang tersimpan dalam baterai Li-ion tergantung pada berapa banyak ion lithium yang dapat disimpan dalam struktur bahan elektrodanya dan berapa banyak yang dapat digerakkan dalam proses charging dan discharging, karena jumlah arus elektron yang tersimpan dan tersalurkan sebanding dengan jumlah ion lithium yang bergerak [6]. 61

Sahrul Hidayat dkk

Pada saat charging, material katoda akan terionisasi dan menghasilkan ion lithium bermuatan positif dan berpindah kedalam elektrolit menuju material anoda, sementara elektron yang diberikan akan dilepaskan bergerak melalui rangkaian luar menuju elektroda negatif (anoda). Ion lithium ini akan masuk ke dalam material anoda melalui mekanisme interkalasi yaitu tanpa terjadi perubahan struktur kristal dari bahan katoda dan anoda. Dan pada saat discharging akan terjadi aliran ion dan elektron dengan arah kebalikan dari proses charging. Anode terbuat dari bahan grafit yang di coating pada lembaran tembaga sehingga Li+ dapat berinterkalasi pada lapisannya selama proses charging. Katode adalah senyawa yang disisipi litium, seperti LiFePO4 yang di coating pada lembaran alumunium. Ion litium berpindah dari anode (grafit) menuju katode (LiFePO4) selama discharge, dan kembali ketika charging. Efektivitas insersi-ekstraksi litium bergantung pada berbagai faktor seperti pergerakan ion dalam elektrolit, difusi elektron dan ion dalam elektrode, ketersediaan tempat ion Li+ dalam elektrode dan densitas elektron [1]. 6 0 𝑘𝑎𝑡𝑜𝑑𝑒: 𝐿𝑖𝐹𝑒𝑃𝑂- ← →𝐿𝑖/01 𝐹𝑒𝑃𝑂- + 𝑥𝐿𝑖 + 𝑥𝑒

(1)

𝑎𝑛𝑜𝑑𝑒: 𝑥𝐿𝑖 6 + 𝑥𝑒 0 + 6𝐶 ← →𝐿𝑖1 𝐶:

(2)

Gambar 1. Skema Ilustrasi Sel Elektrokimia ion Litium

2. Metode Penelitian Anoda dibuat dari bahan serbuk grafit yang direkatkan dengan menggunakan CMC. Langkah pertama melarutkan CMC kedalam aquades dan diaduk dengan pengaduk magnetic serta dipanaskan dengan suhu 50°C selama 20 menit. Kemudian melarutkan grafit/C ke dalam larutan CMC yang telah dibuat sebelumnya selama 3 jam. Setelah itu campuran tersebut dideposisikan dengan metode solution casting pada kaca atau Cu foil dan diratakan dengan Doctor Blade sehingga membentuk film tipis. Selanjutnya dikeringkan dalam oven selama 1 jam dengan suhu 60°C. Pengujuan sifat mekanik dilakukan menggunakan SEM dengan perbesaran 2500 dan 5000 kali untuk melihat persebaran partikel, homogenitas dan ukuran bulir 62

Karakteristik Kinerja Baterai LiFePO4 dengan Material Anoda CMC-grafit-C

daripada CMC dan grafit di dalam film yang dibut. Selain itu juga menggunakan mikroskop untuk melihat tampilan film dengan perbesaran 50 kali. Pengukuran konduktivitas anoda grafit adalah dengan menggunakan metode four line probe dan arus konstan. Alat yang digunakan adalah alat uji konduktivitas, multimeter dan DC Voltage/Current Source. Pertama, mengatur posisi arus masukan dan tegangan keluaran pada alat konduktivitas. Selanjutnya film diletakan di alat konduktivitas kemudian diberikan 5 variasi arus masukan dan mencatat tegangan keluaran dari setiap variasi tersebut. Proses pengemasan baterai diperlihatkan pada Gambar 2. Susunan elektroda dan separator dimasukkan ke dalam casing baterai. Glove box digunakan sebagai tempat untuk memasukkan elektrolit ke dalam casing baterai. Glove box dikondisikan dalam keadaan vakum hingga berada pada tekanan -0,5 atm. Tujuan dari proses ini adalah untuk mengeluarkan kandungan oksigen agar tidak masuk ke dalam komponen baterai saat proses pemasukan elektrolit.

Gambar 2. Proses Pengemasan Baterai

Oksigen akan mempengaruhi reaksi elektrokimia, menghambat laju difusi ion dan proses interkalasi yang akan berdampak pada penurunan kinerja baterai. Sebagai pengganti udara di dalam glove box, digunakan gas argon sebagai gas yang bersifat inert dan tidak bereaksi terhadap komponen baterai. Setelah gas argon memenuhi glove box hingga tekanan udara normal, dilakukan proses pembilasan sebanyak dua kali. Proses pembilasan dilakukan dengan cara mengeluarkan gas argon hingga berada pada tekanan -0,5 atm lalu memasukkan kembali gas argon ke dalam glove box. Hal ini dilakukan untuk memastikan kandungan oksigen seminimal mungkin sehingga hanya terdapat gas argon di dalam glove box. Setelah dilakukan pembilasan sebanyak dua kali dan tekanan di dalam glove box berada pada tekanan udara normal, elektrolit dimasukkan ke dalam baterai menggunakan syringe dengan volume elektrolit sebanyak 1 ml. Casing baterai ditutup rapat untuk menghindari kebocoran elektrolit dan mencegah masuknya oksigen ke dalam baterai saat dilakukan pengujian. Pada proses pengisian (charge), baterai dihubungkan dengan DC Voltage/Current Source, amperemeter, dan voltmeter yang terkoneksikan dengan komputer. Selama proses pengisian, nilai arus yang masuk ke dalam baterai diperlihatkan oleh DC Voltage/Current Source. Pada proses pengosongan (discharge), baterai dihubungkan dengan Automatic Battery Loader, dan voltmeter yang 63

Sahrul Hidayat dkk

terkoneksikan dengan komputer. Tegangan baterai pada proses pengisian dan pengosongan ditampilkan oleh komputer yang terkoneksikan dengan voltmeter. 3. Hasil dan Pembahasan Proses pengisian dan pengosongan baterai tanpa pembebanan diperlihatkan oleh Gambar 3. Terdapat tujuh variasi tegangan pengisian dengan waktu pengisian konstan selama 300 detik. Tegangan proses pengisian yang tidak sesuai pada baterai dapat menyebabkan kerusakan baterai atau bocor jika tegangan yang diberikan terlalu tinggi. Sedangkan jika tegangan pengisian terlalu rendah maka baterai memerlukan waktu yang lama untuk diisi sampai penuh. Penentuan tegangan pengisian yang optimum pada baterai, dilakukan dengan memperhatikan lama waktu pengosongan hingga tegangan terbuka baterai mencapai 1,00 volt. Berdasarkan Gambar 3 terlihat bahwa waktu pengosongan terlama sebesar 930 detik pada tegangan pengisian 3,60 volt. Dengan demikian tegangan pengisian optimum baterai adalah 3,60 volt.

Gambar 3. Tegangan terbuka terhadap waktu proses pengosongan baterai untuk setiap variasi tegangan pengisian

Gambar 4. Tegangan kerja baterai terhadap lama waktu pengisian

64

Karakteristik Kinerja Baterai LiFePO4 dengan Material Anoda CMC-grafit-C

Selain tegangan pengisian, waktu pengisian yang terlalu lama juga dapat menyebabkan kebocoran pada baterai. Nilai tegangan kerja baterai terhadap lama waktu pengisian diperlihatkan oleh Gambar 4. Terdapat lima variasi waktu pengisian yang memperlihatkan bahwa semakin lama waktu pengisian baterai maka tegangan kerja semakin menaik secara linier. Namun pada saat waktu pengisian 25 sampai 30 menit, terlihat bahwa tegangan kerja mulai saturasi (nilai tegangan relatif konstan). Hal ini menunjukkan bahwa pada waktu tersebut baterai mulai dalam keadaan penuh oleh muatan. Dengan demikian, maka lama waktu pengisian optimum untuk baterai yang dibuat adalah 30 menit dengan tegangan kerja rata-rata 2,67 volt.

Gambar 5. Efisiensi baterai pada tegangan pengisian 3.6 volt untuk setiap variasi arus pembebanan

Untuk mengetahui arus pembebanan optimal dilakukan pengujian baterai dengan variasi arus pembebanan mulai dari 0,5 mA sampai 2 mA. Nilai efisiensi baterai untuk setiap variasi arus pembebanan diperlihatkan oleh Gambar 5. Berdasarkan hasil tersebut, terlihat bahwa nilai efisiensi terbesar adalah 47,24 % pada arus pembebanan 1,00 mA. Nilai tersebut kecil karena divais baterai yang dibuat luas elektrodanya hanya 2 cm2. Nilai arus dapat ditingkatkan dengan memperlebar luas elektroda.

Gambar 6. Pembebanan dengan menggunakan 3 LED merah

65

Sahrul Hidayat dkk

Baterai yang telah dibuat digunakan untuk menyalakan LED merah diperlihatkan oleh Gambar 6. Sebelumnya, baterai diisi dengan tegangan konstan 3,6 volt selama 30 menit. Setelah itu baterai dihubungkan langsung dengan 3 lampu LED yang disusun secara parallel. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa baterai mampu menyalakan 3 LED dengan nyala yang terang dan tegangan kerja yang relative stabil pada 2,8 volt. 4. Kesimpulan Kualitas kinerja baterai yang dibuat cukup baik dengan tegangan dan waktu pengisian optimal sebesar 3,60 volt selama 30 menit. Tegangan kerja rata-rata adalah 2,67 volt dan nilai efisiensi terbesar baterai adalah 47,24% pada pembebanan 1,00 mA. Hasil pengujian dengan beban 3 buah LED merah, baterai dapat menyalakan ketiga LED dengan cukup terang pada tegangan kerja 2,8 Volt. Ucapan terima kasih Terima kasih kepada Direktorat Riset, Pengabdian pada masyarakat dan Inovasi Universitas Padjadjaran yang telah membiayai penelitian ini melalui Hibah PUPT, sesuai dengan Surat Perintah Pelaksanaan Pekerjaan Nomor: 625/UN6.3.1/PL/2016. Daftar Pustaka 1. Kasvaye, Keivan Amiri (2011), Synthesis of Li-ion battery cathode materials via freeze ranulation (thesis), Chalmers University of Technology, Sweden. 2. J.S Bridel et.al (2009), Key Parrameters Governing the Reversibility of Si/Carbon/CMC Electrodes for Li-Ion Batteries, Chem. Matter., XXXX, XXX,000-000. 3. Zhang, Jinqiang (2013), Investigation of Polymers Used in Lithium Oxygen Batteries as Electrolyte and Cathode Materials (thesis), Unyversity of Technology, Sydney. 4. Drofenik, Jernej et.al (2002), Cellulose as a binding material in graphitic anodes for Li-ion batteries : a performance and degradation study, Electrochimica Acta.,48, 883-889. 5. Lee, Jin-Hyon et.al (2005), Effect of Carboxymethyl Cellulose on Aqueous Processing of Natural Graphite Negative Electrodes and their Electrochemical Performance for Lithium Batteries, Journal of The Electrochemical Society., 152, A1763-1A1769. 6. Reddy, M.V et.al (2011), Metal Oxides and Oxysalts as Anode Material for Li Ion Batteries, National University of Singapore, Singapore. 7. Satriady, Aditya (2016), Pembuatan dan Pengujian Baterai Lithium-ion dari Bahan LiFePO4 dengan Variasi Luas Elektroda (skripsi), Universitas Padjadjaran, Jatinangor

66