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