PENGEMBANGAN BAHAN IONIK PADAT UNTUK BATERAI ISI ULANG LAPISAN TIPIS

0083: Evvy Kartini dkk.

EN-114

PENGEMBANGAN BAHAN IONIK PADAT UNTUK BATERAI ISI ULANG LAPISAN TIPIS Evvy Kartini1,∗ ,Wagiyo Honggowiranto1 , Azis K. Jahya1 , Heri Jodi1 , Trimadji Atmono1 , Supardi1 , Gunawan1 , Yana1 , Wahyudianingsih1 , Agus Sudjatno1 , Giri1 , Junichi Kawamura2 , dan Naoki Kuwata2 1

Badan Tenaga Nuklir Nasional Puspiptek Serpong, Tangerang 15314, Indonesia Telepon (021) 7562860 ext.4024 2 Insitute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials Tohoku University, Sendai, Japan ∗

e-Mail: [email protected]

Disajikan 29-30 Nop 2012

ABSTRAK Kebutuhan energi dalam berbagai bentuk telah menarik perhatian bagi produsen serta konsumen. Namun pada saat bersamaan, harus menghadapi kenyataan bahwa sumber energi konvensional, misalnya minyak dan gas, memiliki keterbatasan, tidak dapat diperbarukan, biayanya lebih mahal, juga merusak lingkungan. Sumber energi alternatif sudah sangat diperlukan. Secara umum, permintaan untuk sumber energi baru menyangkut kriteria persyaratan utama seperti: lebih aman, lebih handal dan biaya lebih rendah. Jangkauan penerapan energi listrik yang luas dan universil adalah alasan utama untuk dipertimbangkan dalam memilih sumber energi alternatif, karena mudah dialihkan menjadi bentuk energi lainnya. Penggunaan energi listrik tampaknya untuk memenuhi kebutuhan sumber energi ramah lingkungan, seperti terlihat pada kendaraan listrik karena dapat mengurangi polusi. Namun jelaslah bahwa masalah lingkungan bukanlah merupakan satu-satunya aspek dalam penggunaan sumber energi baru. Pengembangan piranti elektronik portabel miniatur yang hanya membutuhkan daya listrik dalam jumlah yang kecil memerlukan perbaikan lebih lanjut, misalnya ukuran atau dimensi dari catu dayanya. Sejak itu, maka upaya pengembangan sumber energi baru ini juga ditujukan sebagai upaya untuk miniaturirasi sumber daya listrik. Teknologi baru baterai zat padat (solid state battery) dengan morfologi datar dan berbentuk film tipis menawarkan potensi besar untuk aplikasi seperti memori non-volatile, wafer semikonduktor diagnostik, smart card, sensor, tag identifikasi frekuensi radio dan produk medis dan lain-lain. Salah satu bidang penelitian mutakhir ialah dalam penerapan bahan solid state Ionics untuk baterai padat (solid state battery). Kelebihan dari baterai padat , yaitu bebas dari kebocoran cairan, self-discharge dan kebocoran arus. Oleh karena itu, baterai padat (solid state) lebih aman dan lebih mudah dikemas daripada baterai padanannya yang berbasiskan cairan kimia, yang juga berarti bahwa padatan (solid state) dapat dibuat dalam dimensi yang lebih kecil. Hal ini sangat penting dalam penerapan perangkat elektronik dan kendaraan listrik. Sebuah sistem yang memiliki nilai energi dan daya yang lebih tinggi dengan berat dan volume yang rendah akan direalisasikan dengan mengembangkan baterai atau baterai mikro film tipis. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan bahan-bahan padat Ionik baru, seperti elektrolit padat dan elektroda untuk semua komponen baterai padat isi ulang lapisan tipis. Kata Kunci: Material padat ionik, baterai padat lapisan tipis, PLD, DC-RF sputtering

I.

PENDAHULUAN

Pentingnya devais penyimpanan energi telah berkembang ke tingkat yang belum pernah terjadi sebelumnya, yaitu menuju ke arah perangkat elektronik portabel yang lebih baik. Kebutuhan untuk mengurangi emisi CO2 yang berasal dari transportasi membutuhkan generasi baru kendaraan listrik hibrida yang menggunakan baterai yang berukuran lebih kecil dan ringan dan dapat menyimpan muatan dalam

jumlah yang lebih besar. Sejak diperkenalkannya pertama kali baterai isi ulang generasi pertama oleh Sony pada tahun 1990, kinerja baterai tersebut telah meningkat secara signifikan, utamanya karena kemajuan dalam desain sel dan rekayasa.[1] Di lain sisi, kemajuan lebih lanjut, yang justru memang sangat dibutuhkan, bergantung secara sangat mendasar pada pendekatan baru dan material baru elektroda dan elektrolit, dengan kata lain pada bidang penelitian

Prosiding InSINas 2012

0083: Evvy Kartini dkk. solid state ionics. Berbagai jenis bahan solid state Ionics akan dibutuhkan untuk mengoptimalkan baterai lithium isi ulang, sehingga penemuan elektrolit- dan elektroda padat yang memenuhi persyaratan untuk baterai padatan menjadi persoalan yang paling penting dewasa ini. Penggunaan baterai padat (solid state battery), akan memberikan banyak keuntungan dibandingkan dengan cairan elektrolit, seperti bebas dari kebocoran, tidak diperlukan wadah khusus, kinerja pendauran (cycling) tinggi, dll. Dengan memanfaatkan ionik padatan secara keseluruhannya, maka jenis baru baterai film tipis yang dikenal sebagai mikro-baterai telah mulai memasuki pasaran. Baterai menghasilkan arus dalam kisaran mikro ampere sedangkan struktur baterai termasuk elektroda dan elektrolit dirancang dalam skala nanometer. Penggunaan baterai mikro seperti dalam RFID (Radio Frequency Identification) tag sistem aktif, sensor, implan biologis, mulai menjadi lebih populer di mana baterai mikro akan berfungsi sebagai sumber daya on-board yang dapat diisi ulang.[2, 3] Tujuan utama dari penelitian ini adalah pengembangan baterai padat lapisan tipis yang memiliki komponen elektrolit berbahan gelas ionik lithium, Li3 PO4 dengan teknik RF dan DC sputtering. Karakterisasi lapisan tipis dilakukan dengan LCR meter, difraksi sinar-X, dan SEM untuk menguji konduktifitas ioni, struktur kristal dan struktur mikro. Karakterisasi baterai mikro menggunakan peralatan charge discharge di PTBIN, BATAN.

EN-115

II.

METODOLOGI

Pengembangan komponen baterai film tipis telah dilakukan dengan menggunakan DC dan RF sputtering di BATAN dan Pulsed Laser Deposition (PLD) di Tohoku University, Jepang. Tahapan pertama adalah merancang dan membuat serangkaian sistem pemegang target, pemegang substrat, dan masking untuk komponen baterai lapisan film tipis. Kemudian dipreparasi sampel elektroda LiCoO2 dan graphite, elektrolit Li3 PO4 , dan pengumpul arus (current collector) Pt dan Cu, yang akan digunakan sebagai target. Susunan baterai adalah Pt/LiCoO2 /Li3 PO4 /C/Cu, yang akan dideposisi pada substrat Si-wafer, sebagaimana ditunjukkan pada G AMBAR 2. Sebuah sistem pengukuran untuk TFB juga telah disiapkan. Karakteristik pengisianpelepasan muatan (charge-discharge) baterai film tipis akan diuji di Laboratorium BATAN.[5]

G AMBAR 2: Komponen lapisan tipis baterai

Perangkat DC sputtering yang digunakan adalah hasil modifikasi peralatan coating, yang beroperasi pada 800 Volt, 30 mA menggunakan Argon sebagai gas sputtering dengan plasma pijar berwarna sebagaimana ditunjukkan dalam G AMBAR 3.

G AMBAR 3: Peralatan DC Sputtering G AMBAR 1: Diagram alir metode baterai lapisan tipis.

III. Pada tahun 2012, kerjasama pembuatan baterai film tipis dilakukan dengan Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials (IMRAM), Tohoku University, Sendai, Jepang.

HASIL DAN PEMBAHASAN

G AMBAR 5a adalah lapisan tipis elektroda pada pt pada glass subtract, sedangkan G AMBAR 5b adalah.

elektrolit LIPON pada Pt pada substrat Si-wafer yang di deposisi dengan RF Sputtering. Dari G AMBAR 5a. Lapisan tipis elektroda terlihat homogen meskipun Prosiding InSINas 2012

0083: Evvy Kartini dkk.

EN-116

G AMBAR 4: Pemegang Target dan Masking

G AMBAR 7: Perbandingan intensitas difraksi sinar-X untuk sampel LiPON pada subtrat gelas/kaca, selama durasi deposisi 30 menit dan 50 menit dan substrat kaca kosong.

(a)

(b)

G AMBAR 5: (a) Lapisan tipis elektroda glass/Pt/LiCoO2 dan (b) lapisan elektrolit Si-wafer/pt/LIPON

substrat kaca polos untuk sebagai perbandingan. Tampaknya bahwa puncak difus dari pola intensitas amorf pada 2θ ≈ 14◦ lebih menonjol pada sampel dengan durasi pendeposisian 50 menit dibandingkan dengan sampel dengan durasi pendeposisian 30 menit.

masih terlihat bintik-bintik putih yang kemungkinan berasal dari substrat yang tidak rata. Lapisan tipis elektrolit LIPON kelihatan juga belum rata, hal ini sedang dioptimasi untuk mendapatkan lapisan yang lebih homogen. Karakterisasi Lapisan Tipis Elektrolit LiPON, dilakukan dengan menggunakan LCR meter untuk mengukur konduktifitas ionic, struktur kristal dengan X-ray diffractometer, dan struktur mikro dengan SEM. Semua perlatan berada di PTBIN, BATAN.

G AMBAR 8: Pola intensitas difraksi sinar-X untuk konfigurasi substrat Si-wafer/Pt/LiPON

G AMBAR 6: Konduktifitas ionik lapisan tipis elektrolit LiPON.

Nilai konduktivitas adalah 1,6×10−1 (S) konstan sepanjang rentang frekuensi. Perilaku ini mungkin disebabkan oleh adanya hubungan pendek pada sampel, sehingga sampel tidak dapat menghasilkan karakteristik baterai, hanya menunjukkan perilaku material dengan nilai resistansi dari 6 ohm, kapasitansi tergantung pada frekuensi dengan konduktivitas 1,6×10−1 (S). Pada G AMBAR 7 disajikan pola intensitas difraksi sinar-X untuk sampel LiPON terdeposisi pada substrat kaca (masing-masing selama 30 menit dan 50 menit waktu pendeposisian) dan juga pola intensitas difraksi

Pada G AMBAR 8 disajikan pola intensitas difraksi Xray untuk sampel substrat Si-wafer/Pt/LiPON. Pola difraksi merupakan campuran dari pola amorf dan kristal. Puncak refleksi (111) dan (222) yang diamati dalam film pasca anil merupakan salah satu fasa spinel LiPON atau Pt dan substrat Si. Komposisi kimia permukaan lapisan tipis Pt pada substrat gelas terlihat adanya unsur oksigen sebesar 7,04% atom atau 0,85% berat, hal ini dimungkinkan berasal dari substrat gelas dan atau dari sewaktu pelapisan gas kurang murni. Sedang pada (G AMBAR 9) komposisi kimia permukaan lapisan tipis LIPON pada Pt substrat gelas disini terdapat unsure nitrogen sebesar 0,93% atom,ini membuktikan bahwa lapisan LIPON telah terbentuk sewaktu proses pelapisan, lapisan LIPON ini mempunyai sifat yang keras, sehingga dapat digunakan untuk mengapit lapisan Li3 PO4 yang bersifat Prosiding InSINas 2012

0083: Evvy Kartini dkk.

G AMBAR 9: Mikro struktur dan komposisi kimia permukaan LIPON pada Pt pada substrat gelas.

agak lunak sehingga dapat menurangi resiko kebocoran. Selanjutnya, pada tahun 2012 pengembangan baterai film tipis akan dilakukan dengan menggunakan Pulsed Laser Deposition (PLD) di Tohoku University, Jepang. Susunan baterai adalah Pt/LiCoO2 /Li3 PO4 /SnO/ITO, yang akan disputter pada substrat Si-wafer. Sebuah sistem pengukuran untuk TFB juga telah disiapkan. Karakteristik pengisian-pelepasan muatan (charge-discharge) baterai film tipis akan diuji di Laboratorium BATAN.[5]

EN-117 Kerjasama Internasional Pada tahun pertama 2011, preparasi dan karakterisasi bahan elektrolit dan elektroda telah dilakukan bekerja sama dengan National University of Singapore dan Ibaraki University, Jepang. Penggunaan teknik nuklir, seperti difraksi neutron dan hamburan neutron inelastis, dilakukan di BATAN, Indonesia dan J-PARC Jepang. Penelitian bersama juga dilakukan dengan Kalasalingan University, India dan Indian Institute of Technology, Mumbai, diikuti dengan kunjungan ke laboratorium mereka. Tim peneliti juga mengunjungi Departemen Fisika dari National University of Singapore (NUS) dan Material Engineering, NUS, untuk melihat laboratorium baterai dan material. Selain itu, diskusi dengan para ilmuwan dari ANSTO, Australia dilakukan di Serpong dan Jepang, masing-masing pada bulan Oktober dan November 2011. Selama pelaksanaan Joint Research International, kami juga telah menyajikan beberapa hasil di forum Internasional, yaitu: (i) tiga presentasi undangan pada ICAMA di Kalasalingan, India, Maret 2011 (ii) tiga makalah pada Konferensi ICMAT di Singapura, Juni 2011, (iii) satu presentasi undangan pada ACONSA, Tsukuba Jepang, November 2011. Pada tahun 2012, kolaborasi internasional telah dilakukan dengan KEK; JPARC-JAEA; Ibaraki Univeristy; Tohoku Univeristy, Jepang; beberapa Negara Eropa; ANSTO, Australia, IIT Mumbai, India, dan National University of Singapore. Pada bulan Maret 2012, kunjungan kerjasama dari Prof. Dr. Takashi Sakuma, Ibaraki University, Jepang, ke PTBIN, BATAN. Pada tanggal 28 Mei - 2 Juni 2012, dilaksanakan pertemuan ’Innovation Technology Dialogue (ITD), APEC di Kazan, Rusia. ITD dengan judul ”Nanotechnology for energy efficiency” dibahas pada pertemuan 22 negara APEC. Prof. Dr. Evvy Kartini menjadi salah satu delegasi Indonesia. Pentingnya pengembangan baterai lapisan tipis, pada masa yang akan datang selain untuk kendaraan, akan sangat membantu penurunan CO2 , sebagaimana tujuan deklarasi APEC.

G AMBAR 11: ITD, APEC, Kazan, Rusia.

G AMBAR 10: Pembuatan Baterai lapisan Tipis dengan PLD, di Tohoku, University, Jepang.

Pada tanggal 15-28 Juli 2012, Prof. Dr. Evvy Kartini dan Drs. Wagiyo M.T., mengikuti konferensi 13th Asian Conference on Solid State Ionics (ACSSI) di Tohoku University, Sendai Jepang. Dilanjutkan dengan Prosiding InSINas 2012

0083: Evvy Kartini dkk.

EN-118 kerjasama pembuatan baterai lapisan tipis menggunakan Pulsed Laser Deposition (PLD) di Institut Multidisciplinary Research for Advanced Materials (IMRAM), Tohoku University, Jepang.

G AMBAR 12: MoU dengan IMRAM, Tohoku, University, Jepang.

Technical Meeting on Advanced Materials for Energy Storage and Conversion, telah diselenggarakan International Atomic Energy Agency (IAEA) di Vienna, Austria pada tanggal 24-28 September 2012, di mana Prof. Dr. Evvy Kartini, sebagai delegasi dari BATAN, Indonesia. TM dihadiri perwakilan 15 negara, yang mendiskusikan pentingnya penelitian dan pengembangan material sebagai penyimpan energi, dengan memanfaatkan teknik nuklir baik dari accelerator maupun reactor riset.

Workshop implementasi ITD, telah dilakukan di Moscow Rusia tanggal 29-31 Oktober 2012 dan dihadiri beberapa Negara ekonomi. Prof. Dr. Evvy Kartini dan Dr. Ratno Nuryadi (BPPT), menjadi delegasi Indonesia. Pada kesempatan ini, kunjungan ke Russian Academy of Science telah dilakukan, untuk melihat perkembangan terbaru riset baterai untuk kendaraan listrik. Sebagai salah satu hasil kerjasama dengan KEK, Jepang, yaitu selesainya Dr. Teguh Yulius Panca Putra, melaksanakan program S3 di Graduate University for Advanced Study (Sokendai), Jepang. Kerjasama internasional dengan J-PARC, Jepang akan segera diimplementasikan yaitu dengan membuat proposal bersama untuk pemanfaatan teknik nuklir di JPARC, Jepang. Simposium internasional on proton ion structure and dynamic, akan dilaksanakan di Tokai, tanggal 28-29 November 2012, diketuai oleh Dr. Yukinobu Kawakita, dimana Prof. Dr. Evvy Kartini juga akan hadir untuk mendiskusikan kerjasama tersebut. Selain dari itu, pada bulan Desember 2012, akan diadakan International Conference and Workshop on Nanotechnology (ICWN), dilanjutkan dengan kerjasama dengan Univeristy Kebangsaan Malaysia (UKM). Prof. Dr. Evvy Kartini diundang untuk memberikan presentasi pada acara tersebut. Beberapa presentasi ilmiah juga telah dilakukan oleh Prof. Dr. Evvy Kartini, Dr. Azis K. Jahya, Drs. Wagiyo M.T., dan Dr. Pratondo Busono, baik pada konferensi-konferensi internasional maupun seminar nasional. Sebanyak 4 makalah telah terbit pada Buku ”Solid State Ionics”: Ionics for sustainable world’.[5–9]

IV.

G AMBAR 13: IAEA, Vienna, Austria

G AMBAR 14: Workshop, ITD, Moscow, Rusia.

KESIMPULAN

Pengembangan baterai lapisan tipis dengan teknik RF dan DC sputtering telah dilakukan. Karakterissasi terhadap komponen baterai, baik elektrolit maupun elektroda telah diuji dengan XRD, LCR dan SEM. Performa baterai lapisan tipis masih harus diperbaiki dengan optimasi yang lebih baik pada setiap lapisan. Dapat disimpulkan di sini, bahwa pelaksanaan program SINAS 2012 telah dilaksanakan dengan baik dan memberikan hasil baik berupa produk riset awal komponen baterai lapisan tipis, sistem pengukuran, perangkat pembuatan komponen lapisan tipis, maupun satu sel baterai film tipis. Baterai mikro diharapkan dapat digunakan sebagai sumber listrik on board untuk perangkat misalnya RFID tersebut, dan berbagai perangkat implan biologis dan sensor. Melalui SINAS ini juga telah ditunjukkan meningkatnya hubungan kerjasama nasional dan internasional, pendidikan S3, pelatihan, serta beberapa publikasi ilmiah baik nasional maupun internasional,[5–10] selain sosialisasi dan edukasi inovasi riset ”Micro Baterai” pada jaringan TV Nasional[10] dan majalah Tempo.[11]

Prosiding InSINas 2012

0083: Evvy Kartini dkk.

UCAPAN TERIMA KASIH 1. Kementerian Riset dan Teknologi (KRT), atas dukungan dana insentif melalui SINAS Nomor: 1.02/SEK/IRS/PPK/I/2012, Tanggal 16 Januari 2012.

EN-119 [11] Majalah Tempo, (2012). ’Evvy Kartini - Empu listrik Merah Putih’ pada Sepuluh Inovator Teknologi, Indonesia,

2. BATAN untuk fasilitas dan dukungan dalam melaksanakan riset ini. 3. IMRAM, Tohoku University, Japan, dan seluruh kolaborator luar negeri, atas kejasamanya.

DAFTAR PUSTAKA [1] E. Kartini, Proposal SINAS IRT-2012-0974. ”Research and Development of solid state ionic materials for thin film rechargeable battery”. No:1.02/SEK/IRS/PPK/I/2012 [2] E. Kartini, Orasi Ilmiah Profesor Riset - BATAN (2010) [3] Walter A. van Schalkwijk and Bruno Scrosati, Editors. ”Advances in Lithium-Ion Batteries”, Kluwer Academic Publisher, New York (2002). [4] E. Kartini, (2012). Laporan Akhir SINAS, Kementrian Riset dan Teknologi, Indonesia. [5] E. Kartini, M. Arai. M. Nakamura, Y. Inamura, W. Honggowiranto, T. Makhsun, (2012). Inelastic Neutron Scattering on Solid Electrolyte LiI-LiPO3, in Book Solid State Ionics: Ionics for Sustainable World, Edited by BVR. Chowdary et al., World Scientific Publisher, Singapore, pp.299-303 [6] W. Honggowiranto, E. Kartini, A. Khan Jahya, (2012), Synthesis and Characterization of LiMnO2 Nanoparticle, in Book Solid State Ionics: Ionics for Sustainable World, Edited by BVR. Chowdary et al., World Scientific Publisher, Singapore. pp.497504 [7] A. Khan Jahya, W. Honggowiranto, E. Kartini, (2012). Synthesis of MnOOH Nanorods by Hydrothermal Methods, in Book Solid State Ionics: Ionics for Sustainable World, Edited by BVR. Chowdary et al., World Scientific Publisher, Singapore. pp.490-496 [8] P. Busono and E. Kartini, (2012). Simulation and Perfromance Analysis of Lithium Battery Bank Mounted on the Hybrid Power System for Mobile Publication Health Center, in Book Solid State Ionics: Ionics for Sustainable World, Edited by BVR. Chowdary et al., World Scientific Publisher, Singapore. pp.689-697 [9] E. Kartini, M. Arai, M. Nakamura, Y. Inamura, J. Phys. Soc. Japan (2012) to be published. [10] Sosialisasi dan Edukasi pengembangan riset ”Micro Baterai” inovasi Prof. Evvy Kartini (BATAN) pada program CANGGIH.COM di ANTV, Sabtu 10 November 2012, jam 10.00-10.30 Prosiding InSINas 2012