BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1Baterai 2.1.1 Sejarah Baterai Pada awal abad ke-19 Alessandro ...

16 Pages·2016·0.91 MB·Indonesian

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