BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1Baterai 2.1.1 Sejarah Baterai Pada awal abad ke-19 Alessandro Volta menciptakan baterai pertama yang dikenal dengan Tumpukan Volta (Voltaic Pile).Baterai ini terdiri dari tumpukan cakram seng dan tembaga berselang seling dengan kain basah yang telah dicelupkan air garam sebagai pembatasnya.Baterai ini telah mampu menghasilkan arus yang kontinue dan stabil. Pada tabel 2.1 akan ditunjukan perkembangan baterai. Tabel 2.1 Sejarah perkembangan baterai (Buchman, 2001) Tahun Penemu Penemuan 1600 Gilbert (Inggris) Peletakkan dasar-dasar elektrokimia 1789 Galvani (Italia) Penemuan listrik dari hewan 1800 Volta (Italia) Penemuan sel voltaic 1802 Cruickshank (Inggris) Baterai pertama dengan yang mampu di produksi massal 1820 Ampere (Perancis) Listrik oleh magnet 1833 Faraday (Inggris) Hukum Faraday 1859 Plante (Inggris) Penemuan baterai timbal/asam 1868 Leclance (Inggris) Penemuan sel Leclance 1888 Gasner (Amerika Serikat) Penyempurnaan sel kering 1899 Jungner (Swedia) Penemuan baterai Ni-Cd 1901 Edison (Amerika Serikat) Penemuan baterai Ni-Fe 1932 Shlecht & Ackerman Penemuan pelat kutub yang (Jerman) dipadatkan 1947 Neuman (Perancis) Berhasil mengemas baterai Ni-Cd 1960-an UnionCarbide(Amerika Pengembangan baterai alkalin primer Serikat) Universitas Sumatera Utara 1970-an Union Carbide (Amerika Pengembangan baterai timbal/asam Serikat) dengan pengaturan kutup 1990 Union Carbide (Amerika Komersialisasi baterai Ni-MH Serikat) 1992 Kordesch (Kanada) Komersialisasi baterai alkalin yang dapat dipakai ulang 1999 Kordesch (Kanada) Komersialisasi baterai Li-ion polimer 2.1.2 Pengertian Baterai Baterai didefenisikan sebagai suatu sel elektrokimia yang dapat mengubah langsung energi kimia menjadi energi listrik (Triwibowo, 2011).Pengertian baterai secara umum mencakup beberapa sel baterai yang digabungkan. Sel baterai adalah unit terkecil dari suatu sistem proses elektrokimia yang terdiri dari elektroda, elektrolit, seperator, wadah dan terminal/ current collector (Subhan, 2011). Kinerja baterai melibatkan transfer elektron melalui suatu media yang bersifat konduktif dari elektroda negatif (anoda) ke elektroda positif (katoda) sehingga menghasilkan arus listrik dan beda potensial. Bahan dan luas permukaan elektroda mampu mempengaruhi jumlah beda potensial yang dihasilkan. Setiap bahan elektroda memiliki tingkat potensial elektroda yang berbeda-beda. Jika luas permukaan elektroda diperbesar maka akan semakin banyak elektron yang dapat dioksidasi dibandingkan dengan elektroda dengan luas permukaan yang kecil (Kartawidjaja et al., 2008). 2.1.3 Jenis – Jenis Baterai Mengacu pada sumber energi listrik yang terbentuk dari hasil proses elektrokimia, maka baterai/ sel dikelompokkan sebagai berikut (Triwibowo, 2011): 1. Baterai/ sel primer (baterai dengan penggunaan sekali saja) Pada umumnya baterai primer murah. Mudah digunakan sebagai sumber listrik untuk peralatan portabel. Memiliki densitas energi listrik yang besar dengan Universitas Sumatera Utara kecepatan discharge yang rendah dan tidak memerlukan perawatan. Contoh baterai ini dapat dilihat di Gambar 2.1.a 2. Baterai/ sel sekunder (dapat diisi ulang/rechargeable) Pengisian dilakukan dengan memasukkan arus listrik pada kutub yang berlawanan. Baterai jenis ini disebut juga sebagai baterai penyimpan/ storage battrey atau accumulator. Baterai sekunder diaplikasikan dalam dua katagori, yaitu: a. Sebagai alat penyimpan energi/ Energy-storage Device. Umumnya baterai jenis ini tersambung dengan jaringan listrik permanen dan jaringan listrik primer saat digunakan. Contoh penggunaanya adalah dalam otomotif, pesawat terbang, Uninterupptible Power Source (UPS) dan sebagai pendukung load leveling pada Stationary Energy Sttorge Systems. b. Sebagai sumber energi listrik pada portabel divais, pengganti baterai primer dan pada semua divais yang menggunakan baterai primer, seperti telephone genggam, kamera, notebook dll. Contoh baterai sekunder dapat dilihat pada Gambar 2.1.b (a) (b) Gambar 2.1 Jenis-jenis Baterai/ Sel, a) baterai primer berbentuk slinder, b) baterai sekunder dengan elektrolit cair (Triwibowo, 2011). Universitas Sumatera Utara 2.2 Baterai Ion Lithium 2.2.1 Pengertian Baterai Ion Lithium Baterai ion lithium adalah salah satu dari tipe baterai rechargeable (dapat diisi ulang). Baterai ini memiliki kelebihan dibandingkan baterai sekunder jenis lain, yaitu memiliki stabilitas penyimpanan energi yang sangat baik (daya tahan sampai 10 tahun atau lebih), energi densitasnya tinggi, tidak ada memori efek dan berat yang relatif lebih ringan dibandingkan dengan baterai jenis lain. Sehingga dengan berat yang sama energi yang dihasilkan baterai lithium dua kali lipat dari baterai jenis lain (Lawrence, 1992). Baterai lithium pada umumnya memiliki empat komponenutama yaitu(Linden,2002): 1. Elektroda negatif (anoda) yaitu elektroda yang melepaskan elektron ke rangkaian luar serta mengalami proses oksidasi pada proses elektrokimia. 2. Elektroda positif (katoda) yaitu elektroda yang menerima elektron dari rangkaian luar serta mengalami proses reduksi pada proses elektrokimia. 3. Penghantar ion (elektrolit) yaitu media transfer ion yang bergerak dari anoda ke katoda dalam sel baterai saat penggunaan. 4. Separator yaitu suatu material berpori yang terletak di antara anoda dan katoda berfungsi untuk mencegah agar tidak terjadi hubungan singkat dan kontak antara katoda dan anoda. 2.2.2 Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium Dalam kondisi discharge dan charge baterai lithium bekerja menurut fenomena interkalasi, dimana ion lithium melakukan migrasi dari katoda lewat elektrolit ke anoda atau sebaliknya tanpa terjadi perubahan struktur kristal dari bahan katoda dan anoda (Singhal et al, 2009). Interkalasi merupakan proses pelepasan ion lithium dari tempatnya di struktur kristal suatu bahan elektroda dan pemasukan ion lithium pada tempat di struktur kirstal bahan elektroda yang lain (Prihandoko, 2007). Pada proses pemakaian (discharging) terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik dimana elektron dari anoda mengalir ke katoda melalui kabel konektor sedangkan lithium yang berada pada sistem (di dalam baterai) lepas dari Universitas Sumatera Utara anoda karena kekurangan elektron untuk berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Pada proses pengisian (charging) terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia elektron dari katoda mengalir menuju anoda sedangkan ion lithium dalam sistem berpindah dari katoda menuju anoda melalui elektrolit. Separator yang terletak di antara anoda dan katoda berfungsi untuk mencegah agar tidak terjadi hubungan singkat dan kontak antara katoda dan anoda. Elektroda Elektroda negatif positif Charge Cu Foil Al Foil Discharge Electrolyte Separator Li C LiFePO 2 6 4 Gambar 2.1 Proses charge dan discharge pada baterai Lithium 2.2.3Jenis – Jenis Baterai Ion Lithium Untuk beberapa alasan, baterai sekunder didesain dalam beberapa bentuk. Desain baterai sekunder dibagi menjadi (Buchman, 2001): 1. Baterai Slinder Jenis baterai ini paling bayak ditemui. Desain berbentuk slinder mudah dalam pembuatannya, disamping itu memiliki stabilitas mekanik yang baik. Saat charging, baterai akan menghasilkan gas yang memberikan tekanan dalam slinder, untuk itu baterai slinder dilengkapi pula dengan ventilasi. Ventilasi diperlukan untuk mengalirkan gas bila terjadi tekanan yang berlebih. Kerugian dari desain ini adalah bentuknya yang tidak ringkas saat beberapa slinder Universitas Sumatera Utara digabungkan, yaitu akan terbentuk ruangan kosong diantaranya. Kapasitas listrik yang dikandung baterai ini berkisar antara 1800-2000mAh.Ilustrasi baterai slinder dapat dilihat pada Gambar 2.3.a. 2. Baterai kancing Baterai yang sering disebut baterai koin ini memiliki ukuran terkecil dibandingkan baterai lain. Disebabkan ukurannya, jenis ini tidak memiliki masalah dengan ruang yang tersedia. Karena bentuknya yang miniatur, baterai ini tidak dilengkapi dengan ventilasi (lihat Gambar 2.3.b). Sementara proses charging yang cepat akan membuat baterai menggelembung. Untuk menghindari keadaan ini, baterai kancing hanya dapat di charge dengan kecepatan yang rendah. Pengisisan baterai jenis ini dapat memakan waktu 10-16 jam. 3. Baterai prismatik Baterai ini memaksimalkan penggunaan ruang yang ada dalam suatu perangkat elektrik. Oleh karenanya baterai jenis ini tidak memiliki ukuran yang standart (disesuaikan dengan ruang yang ada). Kapasitas listrik baterai ini umumnya dibawah baterai slinder, yaitu 400 - 2000mAh. Stabilitas mekanik baterai ini juga tidak sebaik dengan baterai slinder, untuk itu diperlukan material yang lebih kuat untuk kemasaan baterai. Ilustrasi baterai prismatik tertera pada Gambar 2.3.c. 4. Baterai kantung Jenis baterai ini adalah yang paling fleksibel dalam segi bentuk dan ukuran. Disamping itu, juga paling ringan karena tidak menggunakan pelat besi sebagai kemasan. Material aktif yang digunakan umumnya dalam bentuk lembaran polimer, dengan demikian dapat mengurangi produksi gas saat operasional. Baterai ini terbilang rentan terhadap tekanan dari luar dan benda tajam. Oleh karenanya penggabungan jenis baterai ini tidak dapat dilakukan dengan menumpukkannya tetapi meletakkannya berdampingan. Ilustrasi baterai kantung dapat diliha pada Gambar 2.3.d. Universitas Sumatera Utara (a) (b) (c) (d) Gambar 2.3 Jenis-jenis desain baterai sekunder a) baterai slinder b) baterai kancing (coin) c) Baterai prismatik d) Baterai Kantung (Buchman, 2001). 2.3 Material Katoda Salah satu komponen penting dalam sistem sel baterai lithium adalah katoda.Katoda merupakan elektroda positif yang berfungsi sebagai pengumpul ion lithium serta merupakan material aktif, dimana lembaran untuk material katoda adalah alumunium foil (Al foil). Dalam sisitem baterai sekunder lithium, material katoda memegang peranan penting dalam pencapaian kapasitas baterai.Material ini yang nantinya harus dapat melepaskan ion lithium bergerak menuju anoda dan berinteraksi didalam struktur anoda saat charging.Makin besar jumlah ion lithium yang dapat dipindahkan ke anoda, maka makin besar pula arus litrik yang dihasilkan saat discharging nantinya (Triwibowo, 2011).Pada Tabel 2.2 merupakan perbandingan material aktif katoda yang sering digunakan. Universitas Sumatera Utara Tabel 2.2Perbandingan jenis material yang digunakan untuk katoda (Xu.Bo et al, 2012) LiCoO LiNiO LiMn O LiFePO 2 2 2 4 4 Kapasitas 274 mAh/g 275 mAh/g 148 mAh/g 170 mAh/g teori Kapasitas 145 mAh/g 185 mAh/g 120 mAh/g 150 mAh/g tersedia Tegangan 3,7 V 3,6 V 3,8 V 3,45 V Keunggulan Konduktivitas Stabilitas Harga murah, Harga murah, tinggi, mudah tinggi tidak beracun ramah disintesis dengan lingkungan elektrolit Kelemahan Mahal dan Sulit Kapasitas Konduktivitas beracun disintesis rendah, rendah dan stabilitas kapasitas (<10-9S/cm) termal yang hilang pada tidak baik suhu tinggi Karakteristik yang harus dipenuhi suatu material yang digunakan sebagai katoda antara lain (Ohzuku.T, 1995) : 1. Material tersebut terdiri dari ion yang mudah melakukan reaksi reduksi dan oksidasi. 2. Memiliki konduktifitas yang tinggi seperti logam. 3. Memiliki kerapatan dan kapasitas energi yang tinggi. 4. Memiliki kestabilan yang tinggi (tidak mudah berubah strukturnya atau terdegradasi baik saat pemakaian maupun pengisian ulang), 5. murah dan ramah lingkungan. Untuk setiap berat molekul katoda, jumlah ion lithium yang dilepaskan material katoda saat discharging menggambarkan densitas energi dan power sel baterai.Semakin banyak lithium dari katoda ke anoda, densitas energi sel baterai semakin besar dan semakin banyak lithium yang kembali ke katoda dari anoda, densitas powernya semakin besar. Universitas Sumatera Utara Material katoda tidak hanya harus bersifat konduktif ionik, namun juga harus bersifat konduktif elektronik. Saat proses charging ion lithium akan dilepaskan dari katoda ke anoda melalui elektrolit, dengan begitu katoda harus bersifat konduktif ionik. Bersamaan dengan itu elektron akan dilepaskan melewati rangkaian luar menuju anoda, ini berarti katoda juga harus bersifat konduktif elektronik (Triwibowo, 2011). Pada penelitian ini katoda yang digunakan adalah LiFePO . Lithium ferro 4 phosphate (LFP) merupakan material pembentuk katoda yang sering digunakan.LiFePO memiliki struktur olivin, kelompok ruang ortorombik Pnma 4 dan memiliki parameter kisi a ≠ b ≠ c ; α = β = γ = 90˚. LiFePO tidak beracun, berstruktur stabil sehingga aman untuk bahan katoda 4 baterai lithium.LiFePO memiliki kapasitas teoritik yang cukup tinggi yaitu 170 4 mAh/g, murah, tidak memiliki efek memori, dan ramah lingkungan (Anies, 2011). Tabel 2.3 Karakteristik LiFePO (www.matweb.com) 4 Karakteristik LiFePO 4 Spesifik energi 90–110 Wh/kg (320–400 J/g) Ketahanan waktu >10 tahun Daya tahan siklus 2.000 cycles Tegangan sel 3.5 V Spesifik Kapasitas 170 mAh/g 2.4 Material Anoda Anoda merupakan elektroda negatif yang saat proses discharge,melepaskan elektron kedalam sirkuit eksternal (Subhan, 2014). Lembaran pada anoda adalah tembaga (Cu Foil). Material yang dapat dipakai sebagai anoda harus memiliki karakteristik antara lain memiliki kapasitas energi yang besar, memiliki profil kemampuan menyimpan dan melepas muatan/ion yang baik, memiliki tingkat siklus pemakaian yang lama, mudah untuk di proses, aman dalam pemakaian (tidak mengandung racun). Universitas Sumatera Utara 2.5 Elektrolit Elektrolit adalah bagian yang berfungsi sebagai penghantar ion lithium dari anoda ke katoda atau sebaliknya. Elektrolit merupakan bagian penting dalam sel elektrokimia baik dalam pengoperasianya maupun dalam sistem kelengkapannya. Selain itu elektrolit harus dapat menghantarkan ion untuk menjalankan sel elektrokimia (Jouannea, 2002). Elektolit terbagi 2 yaitu elektrolit padat dan elektrolit cair. Elektrolit padat menunjukkan kestabilan pada suhu tinggi dan memiliki resistansi listrik yang baik. Namun elektrolit padat memiliki beberapa kelemahan diantaranya aliran arus rendah, kemampuannya menurun pada temperatur rendah dan sangat rentan terhadap hubungan singkat yang dapat menyebabkan hilangnya energi. Sedangkan elektrolit cair dapat menembus celah – celah atau pori – pori dari bahan elektroda, baik anoda maupun katoda. Karena elektrolit berupa larutan, maka elektrolit sangat mudah mencapai permukaan serbuk elektroda.Untuk penerapan elektrolit padat persyaratan yang harus dipenuhi adalah adanya pertemuan permukaan serbuk elektroda dengan elektrolit.Oleh karena itu komponen elektroda dibuat dengan komposisi yang mengandung bahan elektrolit atau garam lithium, sehingga reaksi redoks dapat berlangsung tepat di permukaan serbuk elektroda.(Prihandoko, 2008). 2.6 Separator Separator adalah suatu material berpori yang terletak di antara anoda dan katoda berfungsi untuk mencegah agar tidak terjadi hubungan singkat dan kontak antara katoda dan anoda. Separator dapat berupa elektrolit yang berbentuk gel, atau plastik film microporous (nano pori), atau material inert berpori yang diisi dengan elektrolit cair. Sifat listrik separator ini mampu dilewati oleh ion tetapi juga mampu memblokir elektron, jadi bersifat konduktif ionik sekaligus tidak konduktif elektron.(Subhan, 2011). Beberapa hal yang penting untuk memilih material agar diplih sebagai separator antara lain material tersebut bersifat insulator, memiliki hambatan listrik yang kecil, kestabilan mekanik (tidak mudah rusak), tidak mudah terdegradasi dengan elektrolit serta memiliki ketebalan lapisan yang seragam atau sama di Universitas Sumatera Utara