By : Dina Permata Sari/Pend Kimia-UNP ’07

ABSTRAK

Perilaku Impedansi elektroda silikon nanowire  telah diteliti untuk memahami  proses kinetika elektrokimia yang mempengaruhi kinerja ketika digunakan sebagai anoda kapasi tas tinggi dalam baterai ion lithium. Tanggapan ac diukur dengan menggunakan spektroskopi impedansi dalam kondisi kesetimbangan pada komposisi litium berbeda dan selama beberapa siklus  charge  dan discharge dalam setengah sel vs logam litium. Analisis Impedansi menunjukkan kontribusi baik resistensi permukaan dan difusi solid state melalui nanowires dalam jumlah besar. Proses permukaan didominasi oleh lapisan elektrolit padat (SEI) yang terdiri dari inner, bagian tak larut senyawa anorganik dan beberapa senyawa organik pada lapisan antarmuka terluar, seperti yang terlihat oleh analisis XPS. Permukaan resistivitas, yang tampaknya berkorelasi dengan efisiensi muatan elektroda, tumbuh pada kandung  Litium yang sangat tinggi karena peningkatan ketebalan  SEI senyawa anorganik. Kami memperkirakan koefisien difusi  sekitar 2 × 10^-10 cm² / s untuk difusi lithium dalam silikon. Sebuah peningkatan besar dalam impedansi elektroda adalah diamati pada komposisi lithium sangat rendah. Mungkin diakibatkan karena mekanisme yang berbeda untuk difusi litium dalam kabel. Pembatasan tegangan hingga ke 0,7 V mencegah impedansi yang besar ini dan meningkatkan waktu hidup/ tahan elektroda. Edaran sel  antara 0,07 dan 0,70 V vs logam litium pada kerapatan arus 0,84 A/g (C/5) menunjukkan efisiensi  muatan yang baik  (sekitar 99%) dan mempertahankan kapasitas sekitar 2000 mAh / g setelah 80 siklus.

Keywords : impedansi, nanowire, resistansi, XPS, difusi

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT karena atas limpahan rahmat dan karunianya penulis telah dapat menyelesaikan makalah seminar  kimia  yang  berjudul ” Analisis Impedansi Silikon Nanowire Dalam Anoda Baterai Litium Ion”

Pembuatan makalah ini tidak terlepas dari  bantuan pihak lain, untuk itu  penulis menghaturkan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada,

1. Orang tua penulis yang telah memberikan bimbingan dan motivasi.
2. Bapak Drs. H. Rusydi Rusyid, M. A. dan Bapak Miftahul Khair, S.Si., M.Sc. selaku dosen mata kuliah Seminar Kimia.
3. Seluruh rekan-rekan  jurusan kimia UNP.

Penulis menyadari bahwa makalah  ini jauh dari kesempurnaan. Untuk itu, kritikan, saran, dan ide yang sifatnya membangun akan penulis terima demi kesempurnaan  makalah penulis dimasa yang akan datang. Semoga makalah ini bermanfaat baik bagi penulis maupun bagi pembaca hendaknya.

 Padang,    Mei  2010

 

Penulis

DAFTAR ISI

ABSTRAK.. i

KATA PENGANTAR.. ii

DAFTAR ISI. iii

DAFTAR GAMBAR.. iv

DAFTAR TABEL.. v

BAB I PENDAHULUAN.. 1

A.      Latar Belakang Masalah. 1

B.      Identifikasi Masalah. 2

C.      Batasan Masalah. 3

D.      Rumusan Masalah. 3

E.       Tujuan Penelitian. 3

F.       Manfaat Penelitian. 3

BAB II  KAJIAN TEORI. 4

A.      Baterai  Litium Ion. 5

B.      Prinsip Kerja Baterai Litium Ion. 8

C.      Karakteristik Baterai Litium Ion. 9

D.      Baterai Dari Karbon Silikon Nanokomposit 11

BAB III PROSEDUR PERCOBAAN.. 15

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN.. 17

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN.. 39

A.      Kesimpulan. 39

B.      Saran. 40

DAFTAR PUSTAKA.. 41

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1 Struktur baterai litium ion. 6

Gambar 2 Susunan struktur dari baterai Litium-ion. 9

Gambar 3 Struktur Silikon Berpori 13

Gambar 4 Elektroda silicon nanowire (a) elektroda silicon nanowire murni (b) elektroda setelah dua kali siklus  19

Gambar 5 Komposisi Silikon nanowire. 20

Gambar 6 Profil tegangan/waktu di bawah arus konstan ( garis lurus) dan kondisi relaksasi ( garis putus-putus) 24

Gambar 7 Tegangan rantai terbuka (OCV) dan potensial Cuttof. 25

Gambar 8 Sirkuit  ekivalen untuk impedansi data. 27

Gambar 9 Plot Nyquist 27

Gambar 10 Daya Tahan Permukaan. 32

Gambar 11 Kapasitas spesifik dari siklus charge dan discharge diukur pada IS dan GCPL  34

Gambar 12 Hasil siklus galvanostik dua electrode setengah sel antara poensial Cuttof yang berbeda  38

DAFTAR TABEL

Tabel 1 Impedansi frekuensi rendah  pada DOD tinggi 31

Tabel 2 Koefisien Difusi 35

BAB I

PENDAHULUAN

1. Latar Belakang

Dewasa ini baterai menjadi barang yang tidak bisa dilepaskan dalam kehidupan sehari-hari kita. HP, digital kamera, laptop, bahkan Robot dan belakangan ini mobil hybrid, kesemuanya memerlukan baterai sebagai sumber penggerak. Diantara banyak jenis baterai, baterai litium ion lah yang mendapat perhatian utama. Selain memiliki daya yang tinggi, baterai ini ringan, dan bisa dipakai berkali-kali.

Baterai lithium ion pertama kali ditemukan oleh M.S. Whittingham pada tahun 1970 yang  menggunakan titanium(II)sulfide sebagai katoda dan logam litium sebagai anoda. Dengan penelitian yang intensif selama lebih dari 20 tahun, akhirnya pada tahun 1991, diproduksi secara komersial baterai litium ion pertama kalinya. Sejak produksi komersial tahun 1991, produksi baterai litium ion mengalami kenaikan yang sangat pesat karena telah membuat revolusi didunia elektronik. Kenaikan produksi baterai  litium ion pada tahun 2007 mencapai 22.4% di Jepang. Saat in negara Jepang merupakan produsen baterai terbesar. Baterai litium ion juga merupakan pemimpin produk baterai yang menguasai 46% atau sekitar 4 milliar US dollar bangsa pasar pada tahun 2007.

Seiring dengan perkembangan teknologi komputer, hp, dan belakangan ini mobil hybrid yang begitu cepat dan memerlukan daya yang tinggi, sehingga diperlukan baterai litium yang mampu menghasilkan energi lebih tinggi.

Permintaan tehadap baterai ion litium yang memiliki energi  spesifik yang tinggi untuk aplikasi seperti kendaraan listrik, generasi berikutnya perangkat elektronik, dan perangkat medis implan memotivasi penelitian terhadap bahan elektroda dengan kapasitas muatan spesifik yang lebih besar. Di antara beberapa senyawa yang diusulkan untuk mengganti grafit sebagai elektroda negatif, silikon sangat menjanjikan karena memiliki kapasitas spesifik  teoritis 4.200 mAh / g dikarenakan  penggabungan 4,4 atom lithium per satu atom silikon. Selain itu, atom silikon ( silikon berpotensi sebagai bahan anoda yang mempunyai kapasitas penampung lithium paling besar) adalah unsur kedua paling berlimpah di bumi dan sudah memiliki infrastruktur industri dewasa, ini merupakan bahan menarik  ketika mempertimbangkan aplikasi komersial. Jadi ada dorongan yang besar  untuk menemukan cara untuk memanfaatkan silikon di dalam sistem baterai ion litium.

Oleh karena itu, penulis ingin meneliti tentang analisis silikon dalam baterai dalam penelitian yang berjudul ” Analisis Impedansi Silikon Nanowire Dalam Anoda Baterai Litium Ion”

1. Identifikasi Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah yang dikemukakan, maka permasalahan dalam penelitian ini dapat diidentifikasi sebagai berikut:

1. Permintaan tehadap baterai litium ion yang memiliki energi  spesifik yang tinggi untuk aplikasi seperti kendaraan listrik, memotivasi penelitian terhadap bahan elektroda dengan kapasitas muatan spesifik yang lebih besar.
2. Kapasitas penyimpanan anoda baterai litium ion yang rendah.

 

1. Batasan Masalah

Berdasarkan identifikasi masalah di atas, maka permasalahan dalam penelitian ini dibatasi pada penggunaan silikon dalam baterai litium ion.

1. Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh silicon nanowire dalam anoda  baterai litium ion.

1. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan  yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah untuk mengetahui  penggunaan silikon dalam anoda baterai litium ion dan untuk mengetahui apakah dengan menggunakan silikon nanowire dalam  anoda baterai litium ion dapat meningkatkan kinerja baterai litium ion.

1. Manfaat  Penelitian

Penelitian ini diharapkan bermanfaat untuk :

1. Memberikan gambaran pembuatan material baru yang dapat digunakan untuk meningkatkan kapasitas daya tahan baterai litium ion.
2. Memberikan masukan dan kontribusi berupa data-data teknis untuk diterapkan pada industri baterai  serta dapat digunakan untuk penelitian lebih lanjut.
3. Memberikan info tentang manfaat silikon nanowire di dalam anoda baterai litium ion

BAB II

KAJIAN TEORI

1. Baterai  litium ion

Baterai lithium merupakan baterai yang menggunakan logam litium atau paduan litium sebagai elektroda negatif (anoda) dan material lain seperti mangan dioksida (MnO₂), tionil klorida (SOCl₂), atau sulfur dioksida (SO₂), LiCoO₂ sebagai elektroda positif. Litium merupakan logam yang paling ringan, rasio elektron/ massa paling besar, dan potensial elektroda paling negatif sehingga baterai litium memunyai densitas energi yang tinggi dan tegangan yang tinggi. Umumnya baterai bekerja dengan mekanisme mentransfer ion litium di antara dua elektroda (katoda dan anoda) melalui elektrolit cair

Sejak diproduksi tahun 1991, baterai litium ion tidak mengalami perubahan signifikan pada sifat kerja baterai ini. Ada 4 elemen yang berperan dalam proses discharge dan recharge yaitu: elektroda positif yang mengandung LiCoO₂, elektroda negatif yang terbuat dari karbon grafit (C6), separator yang terbuat dari lapisan tipis plastik yang dapat dilalui oleh ion-ion, dan larutab elektrolit. Pada proses discharge atau saat kita memakai baterai, Li⁺ ion bergerak dari negatif ke positif melalui separator, sehingga elektron bergerak dengan arah yang sama. Aliran elektron inilah yang menghasilkan energi listrik.

(Katoda)          Li^1-xCoO₂ + xLi⁺ + xe^- ↔　LiCoO₂

(Anoda)           LiC₆ ↔ xLi⁺ + xe^- + 6C

Gambar 1 Struktur Baterai Litium-ion

Sifat logam litium yang sangat reaktif terhadap air dan uap air membuat aliran ion litium ini bereaksi spontan karena sifat logam litium yang sangat oksidatif. Kelebihan sifat logam litium yang memberikan energi yang besar pada baterai disebabkan oleh daya oksidatif yang tinggi dan massa atom relatif yang kecil sehingga dengan berat yang lebih ringan, baterai ini dapat menghasilkan energi yang besar. Sebagai perbandingan, baterai Ni/Cd hanya memiliki energi sekitar 50 Watt.hour (Wh) dengan daya maksimum 1.2V sedangkan baterai  litium ion memiliki sekitar 150 Wh dengan daya 3.7V untuk tiap 1 Kg-nya. Bahkan dari segi volume, tiap 1 dm³ baterai  litium ion memiliki 500 Wh energi sedangkan Ni/Cd hanya sekitar 150 Wh. Dengan kelebihan ini, alat elektronik menjadi semakin ringan dan kecil.

Sifat reaktif litium ini juga merupakan kendala dari pembuatan baterai litium ion. Kendala utama yang mempersulit bahkan merugikan produsen baterai dan konsumen adalah faktor keamanan. Dalam pembuatan baterai litium ion, tahap akhir sebelum dipasarkan adalah awal pengisian baterai sekitar 40% dari kapasitas. Tahap awal charging baterai merupakan tahap yang sangat rentan kebakaran. Salah satu peristiwa yang terjadi adalah di Jepang pada tahun 2007 dimana pabrik baterai terbakar saat tahap pengisian baterai.. Hal ini ternyata disebabkan oleh kontaminasi bubuk logam pada baterai.

Dari penelitian yang telah banyak dilakukan oleh produsen baterai, penyebab terjadinya api pada baterai litium ion adalah kontak litium dengan logam lain, overcharge, dan pemanasan. Sedikit saja litium ini kontak dengan serbuk logam akan menyebabkan api, sehingga jangan pernah menusuk baterai dengan paku atau benda lain. Pemakaian charger yang tidak sesuai dimana mengisi baterai dengan tegangan diatas yang seharusnya dalam jangka waktu lama dapat menyebakan kebakaran. Dan pemanasan diatas 60 derajat juga dapat membahayakan pengguna. Namun, saat ini baterai telah dilengkapi dengan termometer dan polimer separator yang dapat mencegah bahaya oleh temperatur tinggi.

Salah satu kendala yang lain dari baterai litium ion ini selain keamanan adalah sumber litium itu sendiri. Saat ini litium terbanyak dimiliki oleh negara Chili yang menyimpan cadangan litium sekitar 3 juta ton atau sekitar 73.2% cadangan dunia. Sedangkan di negara-negara lain adalah sisanya atau sekitar 26.8% yang setengahnya dimiliki oleh China. Sehingga, negara-negara produsen litium ion baterai sangat tergantung dari kondisi politik negara Chili.

Dengan kelebihan dan kekurangan yang dimiliki oleh baterai litium ion, sampai saat ini baterai ini tetap menjanjikan untuk energi listrik yang bebas polusi. Dengan kombinasi sumber energi listrik dari tenaga matahari dan angin, masa depan baterai litium ion yang akan digunakan tiap rumah dan kendaraan sebagai penyimpan energi listrik sangat berperan untuk mengurangi penggunaan listrik yang bersumber dari bahan fosil.

1. B. Prinsip kerja dari baterai Litium ion

Baterai litium menggunakan komposit berstruktur layer, Litium Cobalt Oxide (LiCoO₂), sebagai katoda, dan material karbon (dimana litium disisipkan diantara lapisan karbon) sebagai anoda.

Susunan struktur dari baterai litium ion bisa dilihat di gambar 1. Baterai litium ion sendiri terdiri atas anoda, separator, elektrolit, dan katoda. Pada katoda dan anoda umumnya terdiri atas 2 bagian, yaitu bagian material aktif (tempat masuk keluarnya ion litium) dan bagian pengumpul elektron (collector current).

Proses penghasilan listrik pada baterai litium ion sebagai berikut: Jika anoda dan katoda dihubungkan, maka elektron mengalir dari anoda menuju katoda, bersamaan dengan itu listrik pun mengalir. Pada bagian dalam baterai, terjadi proses pelepasan ion litium pada anoda, untuk kemudian ion tersebut berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Dan di katoda, bilangan oksidasi kobalt berubah dari 4 menjadi 3, karena masuknya elektron dan ion litium dari anoda. Sedangkan proses recharging/pengisian ulang, berkebalikan dengan proses ini.

Gambar 2 Susunan struktur dari baterai litium ion

Dari berbagai banyak jenis logam, logam litium merupakan logam yang sangat menjanjikan untuk anoda karena memiliki potensial standar paling negatif (-3.0 V), paling ringan (berat atom:6.94 g), sehingga bila dipakai untuk anoda dapat menghasilkan kapasitas energi yang tinggi.

1. C. Karakteristik Baterai Litium Ion

Seperti yang sudah dijelaskan diawal, anoda terdiri dari 2 bagian yaitu bagian pengumpul elektron dan material aktif. Untuk bagian pengumpul elektron biasanya menggunakan lapisan film tembaga, selain stabil (tidak mudah larut), harganya pun murah. Sedangkan pada bagian material aktif, tidak menggunakan logam litium secara langsung, namun menggunakan material karbon (LiC₆).

Hal ini dikarenakan, sulitnya mengkontrol reaksi litium pada permukaan elektroda bila memakai logam litium secara langsung. Material LiC₆ adalah grafit dimana disetiap layer/lapisan disisipkan logam litium. Kepadatan energinya dari material ini berkisar 339~372 A h/kg.

Namun salah satu kelemahan utama pada material karbon ini, adalah terjadi irreversible capacity. Yaitu, jika baterai dialiri listrik dari luar untuk pertama kalinya dari keadaan kosong, maka ketika digunakan besar kapasitas/energi yang dilepas tidak sama ketika proses pengisian. Hal ini dikarenakan terbentuknya gas pada anoda, sehingga menghalangi pelepasan ion litium. Namun hal ini dapat dicegah dengan menambahkan zat adiktif seperti vinil karbonat ke dalam larutan elektrolit.

Selain material karbon, material berbahan dasar silikon dan Sn merupakan kandidat besar untuk menjadi material anoda masa depan. Li₄.4Si dilaporkan memiliki kepadatan energy 4140 A h/kg, 8 kali lipat lebih tinggi dibanding LiC₆. Sedangkan Li₄.4Sn memeliki kepadatan energy 992 A h/kg. Walaupun memiliki kepadatan energy yang tinggi, material ini memiliki siklus pemakaian yang sedikit (tidak bisa dipakai berulang-ulang) akibat dari perubahan volume material yang signifikan dan terjadinya perubahan fase. Dengan memadukan silikon-karbon, atau komposit silikon (campuran dengan Cu, Sn, Zn, dan Ti) dilaporkan dapat meningkatkan siklus pemakaian anoda.

Kunci dari pengembangan anoda ini adalah tidak hanya pada kepadatan energi yang tinggi namun juga siklus pemakaian (cyclability). Seperti Li₄Ti₅O₁₂/C, walaupun hanya memiliki kepadatan energy 145 Ah/kg pada suhu 5C, namun bisa dipakai 500 kali siklus dengan kepadatan energy 142 Ah/kg dan menghasilkan potensial yang tinggi 1.5. Ditambah dengan keamanan material ini yang tinggi, material ini bukan tidak mungkin dipakai sebagai anoda baterai litium ion untuk mobil masa depan.

1. Baterai dari Karbon Silikon Nanokomposit

Sebuah anoda berbasis silikon baru bisa meningkatkan kapasitas penyimpanan baterai-baterai litium ion dengan menambah waktu operasi peranti-peranti seperti laptop dan telepon genggam hingga sampai tujuh kali lipat.

Baterai-baterai ion litium isi ulang merupakan sumber daya yang umum untuk berbagai peranti elektronik, dan juga sedang diteliti untuk digunakan pada mobil-mobil listrik hibrid − tetapi kapasitasnya perlu ditingkatkan untuk memenuhi permintaan akan daya.

Baterai-baterai litium ion menghasilkan arus listrik dari pergerakan ion-ion litium dari sebuah anoda grafit ke sebuah katoda berbasis logam. Ketika baterai sedang diisi, ion-ion litium bergerak kembali ke anoda grafit, dimana kemudian mereka terjebak. Akan tetapi grafit memiliki kapasitas penyimpanan yang relatif rendah − sehingga mengganti dengan material yang bisa menyimpan lebih banyak ion litium akan memungkinkan baterai tahan lebih lama.

Beberapa penelitian baru-baru ini telah berfokus pada penggunaan silikon, yang membentuk aloi-aloi litium dan bisa menyimpan jauh lebih banyak muatan dibanding grafit. Tetapi silikon mengembang hingga sampai 300 persen ketika aloi terbentuk, dan selanjutnya menyusut kembali ketika ion-ion litium dilepaskan. Setelah beberapa kali isi ulang, struktur silikon mulai rusak dan tidak lagi menyimpan ion-ion tersebut secara efektif.

Baru-baru ini, Jaephil Cho dan rekan-rekannya di Hanyang University di Korea Selatan menganggap bahwa mereka telah memecahkan masalah ini dengan membuat sebuah material silikon berpori yang dapat mengakomodasi ekspansi dan kontraksi ini. Material ini dibuat dengan memanaskan nanopartikel silikon dioksida dengan sebuah gel berbasis silikon pada suhu 900°C dibawah argon. Silikon dioksida kemudian terlepas, menyisakan sebuah jejaring kristal-kristal silikon yang saling terhubung dilapisi dengan sebuah lapisan tipis karbon. Dinding berpori kecil memastikan material bisa mengembang tanpa terjadi fraktur

Struktur yang dihasilkan mengandung pori-pori dengan dinding-dinding silikon tipis, ketebalannya hanya sekitar 400 nm. Pori-pori tersebut memungkinkan struktur ini “bernafas”  sehingga bahkan setelah mengembang dan berkontraksi selama lebih dari 100 kali isi ulang, material ini tetap mempertahankan kepaduan struktur. Tim Cho membuktikan hal ini dengan terus menerus menyimpan muatan listrik lebih dari 2800 miliamper jam per gram − sebuah nilai yang sekitar tujuh kali lebih tinggi dibanding grafit.

Gambar 1 Struktur Silikon Berpori

 

Proses pembuatannya cukup sederhana dan mudah ditingkatkan menjadi skala industri. Selain itu, kapasitas penyimpanan yang lebih besar tidak berarti bahwa baterai memerlukan waktu lebih lama untuk diisi ulang. Struktur yang berpori tersebut bisa dengan cepat terisi, sehingga memungkinkan pengisian cepat dan pengosongan jika diperlukan. Dengan sifat ini, baterai tersebut dapat digunakan dalam aplikasi bertenaga lebih tinggi seperti mobil-mobil hibrid.

Baterai merupakan alat listrik kimiawi yang menyimpan energi dan mengeluarkan tenaganya dalam bentuk listrik. Tim peneliti dari Institut Teknologi Georgia, Amerika Serikat, berhasil mengembangkan baterai berbasis karbon silikon nanokomposit. Baterai itu diklaim mampu meningkatkan daya tahan baterai litium ion. Rencananya, baterai itu diproduksi dalam skala industri yang bisa digunakan untuk berbagai kebutuhan, mulai dari kendaraan bermotor hibrid hingga perangkat elektronik. Teknik yang digunakan disebut bottom-up. Maksudnya, struktur baterai mengadopsi teknologi nano untuk memantapkan material dalam baterai

Sederhananya, metode yang digunakan didesain agar mudah diaplikasikan pada baterai yang ada di pasaran. Pengembangan baterai didesain agar partikel anoda dan katoda sesuai dengan baterai litium ion.

BAB III

PROSEDUR PERCOBAAN

 

1. A. Alat dan Bahan

 

-        Stainless steel

-        Logam Au

-        Logam Li

-        Larutan Elektrolit ( larutan  komersial 1,0 M LiPF6 )

-        Dimetil Karbonat

-        Karbon (grafit)

-        Tungku bersuhu tinggi

-        Logam Silikon

 

1. B. Prosedur Kerja
   1. 1. Pembuatan Material Silikon Berpori

panaskan nanopartikel silikon dioksida

dengan gel bebrasis silikon

panaskan pada 900⁰C di bawah argon

silikon dioksida akan terlepas meninggalkan jejaring kristal-kristal

silikon yang dilapisi lapisan tipis karbon

Struktur yang dihasilkan mengandung pori-pori dengan

dinding-dinding silikon tipis, ketebalannya hanya sekitar 400 nm

1. 2. Analisis silikon nanowire dalam anoda baterai litium ion

Ambil stainless steel

tutupi dengan logam emas

dipanaskan hingga 450 ⁰C

dialirkan 2 % silana dalam gas Argon pada 40 torr selama 20 menit

digunakan sebagai katalis dalam pertumbuhan silicon nanowire

ambil 2 buah elektroda setengah sel

silicon nanowire sebagai elektroda kerja

logam litium sebagai elektroda referensi dan counter elektroda

gunakan larutan LiPF₆ sebagai elektrolit

celgard 2325 sebagai pemisah dalam elektrolit

letakkan dalam wadah berisi Ar dan ditutup dengan  polietilen teraluminisasi

rentang frekuensi yang diamati adalah 50-100 kHz

dan 10 mV

data impedansi dihitung menggunakan komputer

 

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

 

Anoda berbasis silikon belum cukup stabil untuk penggunaan praktis. Anoda grafit menggunakan partikel berukuran 15-20 mikron Jika ukuran partikel silikon yang hanya diganti untuk grafit, ekspansi dan kontraksi saat lithium ion memasuki dan meninggalkan silikon menciptakan retakan yang menyebabkan kegagalan kinerja anoda. Material terbaru, yakni nanokomposit, menjadi solusi dari masalah degradasi tersebut.
Material komposit dipandang sebagai alternatif pengganti material logam karena bobotnya  sangat ringan tapi superkuat. Komposit juga memiliki kekuatan yang dapat diatur (tailorability), tidak mudah aus, dan tahan korosi. Bahan itu berpotensi meningkatkan kapasitas baterai silikon. Ujung-ujungnya daya baterai lebih tinggi dari ukuran baterainya

Proses pembuatan anoda komposit diawali dengan membentuk struktur yang bercabang-cabang. Analoginya seperti ranting pohon yang bercabang-cabang. Terbuat dari karbon hitam nanopartikel yang dikeraskan dalam tungku tabung bersuhu tinggi. Lalu, silikon yang berdiameter 30 nanometer kemudian membentuk struktur karbon. Hasilnya, bentuk karbon silikon komposit mirip “apel yang tergantung di pohon.” Selanjutnya, karbon digunakan sebagai pengikat elektrik konduktif. Lantas, baterai karbon silikon komposit berukuran 10-30 mikron digunakan untuk membentuk anoda baterai. Saluran internal di karbon silikon berfungsi mengenali elektrolit cair agar litium ion terisi.  Kegunaan lainnya agar ekspansi dan kontraksi silikon tidak menyebabkan anoda rusak. Saluran internal dan skala nanometer partikel juga menyediakan jalur difusi litium singkat ke anoda dan meningkatkan daya baterai.

Ukuran partikel silikon dikendalikan dari proses deposisi uap kimia dan tekanan yang teraplikasi pada sistem pengendapan. Ukuran cabang nanostruktur karbon dan silikon menentukan ukuran pori dalam komposit. Anoda nanokomposit akan digunakan dalam baterai konvensional. Dengan begitu, produsen baterai tidak perlu mengubah metode produksinya saat mengadopsi teknik membuat baterai karbon silikon komposit itu. Para peneliti telah menguji baterainya dengan mengujicobakannya di lebih seratus siklus pengisian ulang

Perkembangan penelitian baterai litium mengarah ke teknologi nano dengan ukuran nanometer akan membuat kontak permukaan antarbutiran bahan semakin baik.

Artinya, permukaan kristal bahan akan mendekati permukaan yang sama sehingga gerakan ion lithium menjadi lebih mudah menembus kristal bahan.

Morfologi elektroda

Seperti ditunjukkan dalam Gambar 4a, elektroda terdiri dari kepadatan tinggi NW_S ( nanowires)  menempel pada substrat. Elektroda berada dalam kontak mekanis dengan pemisah, yang terendam dengan elektrolit. Ketika sel telah dipasang, sedikit tekanan diterapkan pada sel, yang menyebabkan NWS  sejajar dengan substrat. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 4b, yang diperoleh oleh pembongkaran sel setelah charge, elektroda muncul sebagai massa padat kabel yang dikemas bersama antara pemisah
(tidak ditampilkan) dan substrat.

Gambar 2 Elektroda silicon nanowire (a) elektroda silicon nanowire murni (b) elektroda setelah dua kali siklus

Analisis XPS

Data XPS( Spektroskopi  Fotoelektron Sinar X) yang dilaporkan dalam Gambar 5 menunjukkan komposisi permukaan kawat pada kapasitas yang berbeda. Seperti yang kita amati, distribusi unsur-unsur (Gambar5a) bervariasi untuk setiap sampel, menunjukkan bahwa komposisi permukaan didominasi oleh pembentukan lapisan SEI ( Lapisan Elektrolit Padat ), yang merupakan proses dinamis selama rentang tegangan yang digunakan.

Gambar 3 Komposisi Silikon nanowire

(a)    Komposisi atomis silikon nanowire ditentukan dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X pada charge dan discharge yang berbeda

(b)   Komposisi molecular permukaan silikon nanowire yang ditentukan dengan resolusi tinggi spektroskopi fotoelektron sinar-X

(c)    Puncak spektra resolusi tinggi dari C 1s, O 1s, dan  F 1s dari sampel silikon nanowire pada 0.1 V setelah beberapa kali siklus

(d)    Kedalaman struktur nanowire pada 0.1 V dengan laju lebih kurang 4 nm/menit

Sinyal dari Si menghilang di 0,1 V di charge pertama, menunjukkan bahwa lapisan SEI telah tumbuh lebih tebal daripada kedalaman penetrasi XPS (~ 10nm). Gambar 5b menunjukkan  hasil dari komposisi permukaan masing-masing  sampel  yang ditentukan dengan mengidentifikasi senyawa dari spektra resolusi tinggi (data untuk muatan menjadi 0,1 V ditunjukkan pada Gambar 5c). Pada charge pertama dengan 0,5 V, lapisan SEI terdiri dari hidrokarbon, oligomers tipe PEO, dan garam litium (LiF dan LiPF₆), dengan jumlah yang lebih kecil dari eter dan alkil karbonat litium. Spesies yang diamati konsisten dengan penelitian yang dilakukan sebelumnya tentang pengurangan produk yang diamati dalam electrolit. Dalam charge pertama yang 0,1 V,  permukaan SEI sebagian besar terdiri dari hidrokarbon dan oligomer PEO, menunjukkan pengurangan elektrolit lebih jauh, tidak ada alkil Li karbonat atau eter diamati, menunjukkan bahwa produk berubah menjadi L_i2CO₃. Setelah sputtering (Gambar 5d), fitur CO diamati menghilang dari puncak C 1S, yang menunjukkan bahwa hidrokarbon dan PEO merupakan bagian dari lapisan organik  di permukaan. Lapisan LiPF₆ juga ditemukan di luar lapisan, dengan lebih LiF pada permukaan elektroda. Ini konsisten dengan pengamatan elektroda Li dan Li_xC sebelumnya, dimana SEI terdiri dari lapisan anorganik dekat ke permukaan elektroda dan organik, polymer mengandung lapisan pada antarmuka dengan elektrolit.

Pada muatan penuhi 10 mV,  permukaan SEI  berisi terutama Li₂CO₃ dan LiF. Li₂CO₃ ini dibentuk sebagai produk reduksi elektrokimia dari elektrolit, tetapi LiF dibentuk sebagai dekomposisi produk (dari LiPF6) daripada sebuah elektrokimia.  Lapisan SEI pada 0,4 V dalam melaksanakan discharge, LiF dan Li₂CO₃ sebagai komponen utama. Pada discharge penuh  2 V, SEI ditemukan akan terdiri didominasi dari Li₂CO₃, dengan spesies utama lainnya  LiF dan LiPF₆.  Selama siklus kedua, komposisi tetap sama selama charge dan discharge. Hal ini menunjukkan bahwa  pembentukan komposisi dari SEI ( elektrolit padat antar muka) merupakan ciri penting selama siklus pertama dan kemudian sebagian besar tetap sama, dengan Li₂CO3 sebagai spesies utama.

Validasi Data Spektroskopi Impedansi

Geometri yang digunakan dalam impedansi  percobaan dipilih dan divalidasi dengan menggunakan konfigurasi elektrode dua tiga dimana impedansi dari WE vs RE dan  CE  vs RE diukur. Jika pengukuran tidak bergantung dari bentuk dan posisi RE, jumlah dari dua impedansi harus sama dengan diperoleh dalam konfigurasi dua-elektroda antara WE dan CE. Dalam kasus ini, hasil terbaik diperoleh dengan menempatkan Li RE kecil  (sekitar 6 mm2) antara dua lembar pemisah di tengah sel kantong. RE terhubung ke luar sel melalui tembaga berisolasi polimida. Menggunakan geometri ini, jumlah impedansi dari WE / RE dan CE /RE berbeda dari dari impedansi  WE/CE  dengan kekurangan  6% di rentang frekuensi dieksplorasi.

Eksperiment Spektroskopi Impedansi ( IS )

Perubahan komposisi elektroda SiNW dijelaskan dalam bentuk tingkat muatan ( SOC ) selama penyisipan litium dan kedalaman discharge (DOD) selama ekstraksi lithium. Untuk mengubah SOC dan DOD, digunakan  pulse galvanostatik (0,21 A/ g) selama dua siklus charge dan discharge pertama. Sel itu kemudian diolah oleh GCPL pada 0,42 A/ g untuk setiap penambahan 8 siklus  (selama siklus 3-10). Di siklus kesebelas dan kedua belas, pengukuran impedansi diambil lagi pada SOC dan DOD yang berbeda. Setelah kedua belas siklus sel dibuka dan semua komponen (CE, RE, lembar pemisah, dan elektrolit) kecuali untuk WE adalah diganti dengan yang baru. Pengukuran IS dilakukan lagi untuk siklus ketiga belas. Setiap  spectrum IS  dikumpulkan pada akhir langkah galvanostatik terkait setelah menunggu jumlah waktu tertentu untuk relaksasi pada tegangan rangkaian terbuka kondisi (OCV). Potensi penyimpangan OCV (diukur sebagai mV / h) merupakan parameter yang penting dalam mendefinisikan kondisi kesetimbangan  dari elektroda, dan memiliki pengaruh besar pada linieritas pengukuran IS. Setelah 15 jam relaksasi, kemiringan kurva OCV / waktu yang biasanya kurang dari 0,5 mV / h, hanya pada tingkat discharge yang dalam kita amati  nilai konstan sampai dengan 1,0 mV / h. Namun, tidak ada penyimpangan substansial  diamati pada pengumpulan spektra pada waktu yang berbeda dalam rentang frekuensi dieksplorasi. Profil tegangan watu yang khusus ditunjukkan pada Gambar 6

Gambar 4 Profil tegangan/waktu di bawah arus konstan ( garis lurus) dan kondisi relaksasi ( garis putus-putus)

Profil itu sendiri adalah kurva titrasi galvanostik intermiten (GITT) dengan arus panjang yang biasa digunakan untuk mengukur evolusi dari hambatan internal. Hambatan internal dapat dihitung dari perbedaan potensial pada step akhir dan pada  akhir relaksasi pada masukan arus.  Panels a dan b pada gambar 7 menunjukkan OCV ( tegangan rantai terbuka)  dan tegangan cutoff dari setiap langkah sebagai fungsi dari kapasitas untuk siklus pertama dan kedua. Nilai daya tahan  internal terkait melaporkan dalam Gambar 7c untuk siklus  pertama dan kedua, adalah sekitar 1000 Ω pada SOC tinggi (tingkat charge), kemudian turun menjadi 60 0-700 Ω di tengah-tengah discharge, dan kemudian meningkat 1 urutan besarnya pada DOD tinggi
Gambar 5 Tegangan rantai terbuka (OCV) dan potensial Cuttof

(a)    OCV dan Potensial Cuttof pada siklus pertama

(b)   OCV dan Potensial Cuttof pada siklus kedua

(c)    Daya tahan  internal dari perbedaan potensial

 

Sirkuit Ekivalen

 

Morfologi elektroda yang diuraikan dalam Gambar 4b adalah mirip dengan film tipis campuran ion / konduktor  elektronik  dengan area  permukaan besar dan pores yang dapat sebagian diisi oleh cairan  elektrolit. Bagian dari permukaan eksternal dari tiap NW berhubungan  dengan elektrolit dan dapat ditutupi dengan elektrolit padat antar muka, sedangkan sebagian lainnya mungkin berhubungan dengan NW lain yang juga tertutup oleh elektrolit padat. Dasar setiap NW adalah juga berhubungan dengan  kolektor arus. Dalam sistem, baik transfer muatan  atau difusi padat biasanya membatasi kinetika penyisipan ion atau proses deinserti  untuk lithium di dalam struktur Si. Beberapa sirkuit ekivalen biasa  digunakan untuk menggambarkan situasi, dari sirkuit  jenis Randles sederhana  untuk sistem yang lebih kompleks yang dibangun oleh beberapa subsirkuit. Situasi ambigu juga rumit oleh fakta bahwa  beberapa surkuit ekivalen mempunyai  representasi matematika yang sama. Namun, impedansi dari elektroda baterai litium ion biasanya dimodelkan dengan  mempertimbangkan semua proses dalam rangkaian satu sama lain, dengan setiap proses kimia fisik diwakili oleh subsirkuit element.  Dalam kasus ini, sirkuit listrik yang setara  diberikan pada Gambar 8, di mana R_ser adalah hambatan elektrolit yang tidak  dikompensasi , Q_dl adalah lapisan ganda pseudocapacitance dari NW / interface elektrolit, R_sur adalah resistensi dari permukaan NW (transfer muatan  antara lapisan elektrolit padat  dan NW), dan Zd merupakan impedansi  unsur yang menggambarkan proses difusi tingkat padat di dalam NW_S.

Gambar 6 Sirkuit  ekivalen untuk impedansi data

Analisis  Plot Nyquist
Fitur impedansi dapat dibahas dalam bentuk plot Nyquist untuk menganalisis perbedaan kontribusi pada impedansi elektroda total. Plot Nyquist dari Si NW_S dilaporkan pada Gambar 9, panel a dan b, diperoleh pada masing-masing SOC tinggi dan DOD. Garis padat pada gambar merupakan hasil dari prosedur pemasangan dengan menggunakan  rangkaian   ekivalen pada Gambar 8

Gambar 7 Plot Nyquist

(a)    Kapasitas antara dan tinggi

(b)   Discharge yang sangat tinggi ( kurang dari 500 mAh/g dari charge sisa)

Pada frekuensi tinggi (di atas 10 kHz), spectrum didominasi oleh kontribusi dari koneksi sel eksternal, konduksi elektronik antara substrat dan bahan aktif (dalam kasus kami, kemungkinan kontak ohmik karena bentuk besi silisida di antarmuka SiNW-SS), dan konduksi ionik melalui elektrolit. Karena frekuensi eksperimental tertinggi terlalu rendah untuk melihat distorsi induktansi dalam spektra, kontribusi  ini muncul sebagai perilaku resistif murni (Zim dekat 0) dan didominasi oleh konduktivitas ionik elektrolit. Hal ini dapat ditentukan oleh intersept frekuensi  tinggi  sumbu  aksis (titik sekitar 15-20 kHz). Tidak ada perubahan yang signifikan diamati pada Rser (sekitar 1,5 Ω) di seluruh semua eksperimen dan juga setelah pembongkaran dan penyusunan kembali sel.

Karena frekuensi berkurang (antara 10 kHz dan 10 Hz) masing-masing komponen aktif (NW) elektroda memberikan kontribusi kepada hambatan permukaan, yang disebabkan oleh hambatan transfer elektron aktif  pada antarmuka elektroda dan kehadiran pasivator lapisan SEI. Kontribusi resistif ini paralel  dengan kapasitansi lapis ganda dan muncul dalam plot Nyquist  sebagai setengah lingkaran dengan diameter sama dengan nilai resistansi permukaan. Dalam Gambar 8, kapasitansi lapis ganda telah digantikan oleh fase konstan unsur Q karena ukuran NW tidak konstan dan diameter dan panjangnya  sekitar nilai rata-rata. Penentuan hambatan permukaan dapat dibuat menggunakan rangkaian ekivalen dalam Gambar 8 atau langsung dari diameter setengah lingkaran di plot  Nyquist. Pendekatan dahulu memiliki keuntungan bahwa kesalahan dalam parameter tersebut memiliki  unit listrik yang  memungkinkan kita untuk mengevaluasi mereka secara signifikan. Dalam model  kami, penentuan hambatan  permukaan memiliki kesalahan numeric  yang biasanya lebih rendah dari 1%.

Pada frekuensi rendah (di bawah 10 Hz), kontribusi dari difusi tingkat padat hadir, yakni, ion Li pindah kebahan SiNW aktif yang besar. Di wilayah frekuensi ini, spektrum (Gambar 7a) menunjukkan elemen semidifusi terbatas jelas karena dengan kehadiran kolektor metalik arus antarmuka, yang memblok difusi ion (SS tidak paduan dengan Li). Dalam hal kasus ini,  unsur Z_d dalam rangkaian ekivalen dalam Gambar 8 sesuai dengan fungsi tangent hiperbolik (T) yang memiliki persamaan ( Y= Z^-1 ) sama dengan

T =  = Y_O Ö(jw) tanh [BÖ(jw)]

dimana, j=  w adalah frekuensi diterapkan, Y₀ adalah faktor prexponential, dan B adalah parameter yang tergantung pada  geometri elektroda, sifat elektrokimia dari materi aktif, dan koefisien difusi ion tamu di struktur host.  Representasi T dalam plot Nyquist  adalah segmen difusi W arburg dgn suhu 45 ° diikuti, pada frekuensih lebih rendah, dengan garis vertikal kapasitif. Proses difusi dapat ditandai dengan membatasi  kapasitas (C_d) dan hambatan difusi (R_d). C_d adalah kapasitas yang sesuai dengan garis vertikal frekuensi rendah di plot Nyquist  (C_d= -1/ωZim), sedangkan R_d adalah bagian dari sumbu nyata antara frekuensi-tinggi  dari permukaan setengah lingkaran dan proyeksi dari kapasitif garis vertikal. R_d dan C_d dapat diperoleh secara langsung dari Spektrum  IS  atau dengan pemasangan spektrum melalui tangen hiperbolik unsur  T= Y * (ω) mengandung B dan parameter variabel Y₀, yang dapat dikombinasikan sebagai R_d=  B/3Y₀ dan C_d= Y₀B. Karena kita tidak memiliki film tipis, tapi lebih merupakan ensembel dari NW_S, itu mungkin tidak muncul mudah untuk menggunakan hubungan ini Namun, karena kepadatan NW  tinggi dan NW_S cenderung untuk berbaring hampir sejajar dengan kolektor arus (Gambar 1b), mereka membentuk “pseudofilm “.

Kecuali untuk spektrum impedansi yang  diperoleh pada DOD yang sangat tinggi (Biasanya diukur pada akhir discharge), yang diukur di SOC berbeda, DOD, atau nomor siklus yang biasanya memiliki  fitur yang sama yang dilaporkan dalam Gambar 9a. Plot Nyquist untuk siklus kedua di SOC yang berbeda, baik selama charge atau discharge, dilaporkan pada Gambar 8 di mana mereka diplot dari 0,1-50 kHz, sedangkan dua pektrum di DOD sangat tinggi, yang serupa dengan spektrum pada Gambar 7b, dipotong di sekitar 10 Hz. Dalam kasus terakhir  proses difusi  frekuensi-rendah muncul sebagai bagian dari sebuah lengkungan yang memiliki waktu  konstan 1 urutan kurang dari proses permukaan besar. Kedua elemen ini sebagian tumpang tindih (lihat inset Gambar 9b) dan dekonvolusi dapat dilakukan dengan menggunakan unsur  RQ paralel  dalam subsirkuit Z_d pada Gambar 8. Pengenalan elemen hambatan (disebut Rnp) adalah dibenarkan oleh penurunan bersih pada parameter kesalahan statistik selama prosedur pemasangan ( 2 Adalah sekitar 1 urutan lebih rendah). Pengukuran daya tahan R_np ada pada table 1
Tabel 1 Impedansi frekuensi rendah  pada DOD tinggi

 

Analisis Daya Tahan Permukaan

Hambatan permukaan dapat dianalisis dengan menganggap  variasi dengan konsentrasi Li (SOC atau DOD) selama satu siklus atau di SOC tetap antara berbeda siklus (Gambar 10). Dalam Gambar 10a, yang diperoleh selama siklus kedua, hambatan permukaan menunjukkan minimum untuk SOC antara sekitar 1000 mAh / g. Kenaikan sedikit di SOC tinggi sesuai dengan yang telah diamati di literatur untuk film tipis silikon amorf dan telah dikaitkan untuk pertumbuhan ketebalan SEI ketika potensial menjadi lebih negatif. Analisis XPS dengan permukaan sputtering menunjukkan  bahwa pertumbuhan ketebalan (dan dalam impedansi) adalah karena komponen anorganik SEI. Kenaikan hambatan permukaan di DOD tinggi mungkin disebabkan karena pengaruh pembentukan pori pada permukaan SEI atau pembubarannya, menunjukkan bahwa lapisan passivator tidak benar-benar homogen dengan komposisi litium rendah.

Gambar 8 Daya Tahan Permukaan

(a)    Daya tahan permukaan vs kapasitas  untuk siklus kedua

(b)   Daya tahan permukaan vs jumlah siklus pada 900 mAh/g

Perubahan hambatan permukaan selama siklus SOC yang sama (sekitar 900 mAh / g) dilaporkan pada Gambar 10b. Antara siklus pertama dan kedua, hambatan permukaan menurun secara substansial dan setelah 10 siklus menjadi 1 urutan lebih rendah. Tidak ada perbedaan relevan yang diamati antara spektra dengan  siklus kesebelas dan kedua belas. Namun, setelah sel dibuka dan masing-masing  separator dan  elektrolit yang diganti dengan yang baru, perlawanan kembali ke nilai siklus pertama dan mulai menurun pada siklus berikutnya. Hal ini penting untuk menunjukkan bahwa sampel yang disimpan basah dengan larutan elektrolit selama masa sel tersebut dibangun kembali dalam glovebox. Tampaknya bahwa selama beberapa siklus pertama  hambatan  permukaan sangat tergantung pada SEI organik/ cairan elektrolit antarmuka  dan sebagian kecil pada transfer muatan di antarmuka  NW / SEI. Beberapa siklus charge dan discharge  diperlukan untuk memperbaiki antarmuka eksternal yang hancur selama operasi penggantian. Observasi  yang menarik adalah bahwa efisiensi Coulomb  pada siklus ke  13 menurun ke nilai mirip dengan yang diperoleh pada akhir discharge pertama. Antarmuka eksternal harus “dibangun kembali” selama siklus pertama di elektrolit baru. Gambar 11 menunjukkan  kapasitas spesifik charge dan discharge tertentu dari elektroda  SS / SNW_s sebagai fungsi dari jumlah siklus. Efisiensi meningkat selama tiga siklus pertama dari sekitar 90% sampai 99% dan kemudian sedikit menurun sampai sel dibongkar. Pada siklus 13 itu turun menjadi 85% dan mulai  naik lagi. Analogi dengan kecenderungan penurunan resistensi permukaan sangatlah mudah dan dua parameter tampak berhubungan langsung.

Gambar 9 Kapasitas spesifik dari siklus charge dan discharge

diukur pada IS dan GCPL

 

Analisis Proses Difusi

Dari kapasitas C_d frekuensi-rendah dan resistensi difusi R_d, adalah mungkin untuk menghitung koefisien difusi ion litium di NW. Bahkan, adalah mungkin untuk menunjukkan bahwa koefisien difusi dapat diperoleh sebagai D = L² / (3C_dR_d), di mana C_d dan R_d adalah nilai kapasitif dan resistif membatasi nilai difusi dan L adalah ketebalan dari film. Dalam  model “pseudofilm”,  D adalah koefisien difusi ”efektif” yang menggambarkan difusi litium ion dari permukaan fraksi  NW   kepada cairan antarmuka kearah kolektor arus atau dengan  kompleks / interfase NW SEI dari  lain.

Kasus ini akan berbeda, misalnya, dalam sel beaker dimana  setiap NW akan sepenuhnya dikelilingi oleh cairan elektrolit dan D merupakan koefisien difusi dari permukaan luar daerah ke pusat kawat.  Gambar SEM dalam Gambar 4b memberikan dukungan bahwa gambar ini cocok sebagai morfologi elektroda. Namun, hasil analisis kesalahan dalam prosedur pemasangan menunjukkan bahwa nilai C_d dan R_d dari spektrum harus dipertimbangkan hanya merupakan metode perkiraan untuk menaksir  koefisien difusi. Situasi ini bahkan lebih rumit karena  perubahan volume NWs selama proses elektrokimia. Bahkan, analisis mikroskop elektron resolusi tinggi menunjukkan bahwa diameter meningkat dari sekitar 100-150 nm pada akhir charge. Berdasarkan asumsi-asumsi dasar, kami telah memperoleh beberapa nilai D di SOC dan DOD berbeda selama siklus dengan prosedur pemasangan yang terbaik (Tabel 2).

Tabel 2 Koefisien Difusi

Koefisien difusi  litium dalam elektroda silikon telah dilaporkan dalam ref 14 untuk bubuk elektroda konvensional. Dibandingkan dengan data dalam literatur (1,7 dan 6,4 × 10^-11 cm² / s )untuk 800 dan 1200 mAh / g SOC, masing-masing), koefisien difusi kami adalah 1 urutan lebh besar.
Perbandingan antara Perilaku ac dan dc

Sebuah perbandingan langsung antara respon ac dan dc dalam sel dapat dilakukan dengan mempertimbangkan nilai-nilai resistansi internal (Gambar 7c, d) dan resistansi total ac yang diukur dengan respon impedansi (batas bagian nyata dari fungsi kompleks impedansi  bila frekuensi mendekati 0). Dalam  rangkaian setara pada Gambar 8, ketika Z_d adalah fungsi hiperbolik tangen, batas terjadi karena jumlah dari R_ser, R_sur, dan R_d, sedangkan (ketika difusi elemen dimodelkan oleh subcircuit  RQ di DOD tinggi) Z_d dalah jumlah R_ser, R_sur, dan R_np. Jika semua proses kinetik berpengaruh terhadap perilaku elektroda yang hadir dalam rentang frekuensi yang dieksplorasi, total resistansi ac dari elektroda harus setara dengan resistensi internal dc.

Ketika Z_d dimodelkan oleh unsur  tangen hiperbolik (T) (Seperti dalam Gambar 9a) terbukti bahwa resistensi total ac adalah 2 urutan  lebih rendah dari resistansi internal dc sistem. Dengan kata lain, dari analisa impedansi, terjadi penurunan potensial  beberapa millivolts daripada beberapa ratusan millivolts (dari Gambar7, b), setelah arus dimatikan. Untuk menjelaskan perbedaan, harus dipertimbangkan bahwa rentang frekuensi  yang dieksplorasi dalam percobaan biasanya terlalu tinggi untuk melihat kinetika modifikasi yang sangat panjang. Bahkan, waktu tegangan profil pada Gambar 5 adalah ditandai dengan drop tiba-tiba diikuti dengan relaksasi potensial. Kita telah mempertimbangkan sistem dalam kesetimbangan ketika kemiringan OCV / waktu   lebih rendah dari 0,5 mV / jam (biasanya kurang dari 0,3 mV / jam) tetapi kita mungkin dalam kondisi metastabil yang berkembang dengan waktu. Karena kinetika sangat lambat, proses (biasanya karena modifikasi structural ) dapat dilihat pada spektroskopi impedansi  pada frekuensi yang jauh lebih rendah

Ketika elemen difusi dimodelkan oleh subsirkuit  R_npQ_d (di DOD tinggi, seperti pada Gambar 9b), jumlah impedansi resistansi menjadi sebanding dengan resistansi internal. Kami juga mengamati kemiringan OCV/waktu sekitar 1 mV / jam. Pada DOD ini, proses bertanggung jawab atas waktu relaksasi  yang lambat menjadi lebih cepat, dapat ditemukan pada frekuensi yang lebih tinggi, dan dapat dihubungkan dengan nilai R_np yang diperkenalkan dalam model.

Siklus galvanostik yang bersambungan

Dalam pekerjaan sebelumnya, diamati kinerja yang lebih baik ketika SiNW_s melakukan siklus  antara 0,07 dan 2,0 V, bukan sebesar 0,01 dan 2,0 V vs logam litium. Bahkan, baik efisiensi Columbic dan kapasitas retensi lebih tinggi pada rentang potensial yang lebih kecil. Di pekerjaan ini telah ditunjukkan bahwa pada SOC tinggi impedansi permukaan lebih besar daripada tingkat muatan antara. Kami telah  menemukan korelasi antara efisiensi Coulumbic  dan resistensi  permukaan. Selain itu, sejak kenaikan impedansi secara dramatis pada DOD sangat tinggi, siklus  galvanostatik telah dilakukan dengan menggunakan potensi discharge  cutoff  yang lebih rendah dengan arus 0,84 A / g (C / 5). Untuk memperendah impedansi  tanpa mengurangi kapasitas reversibel terlalu banyak, digunakan siklus dua electrode setengah sel pada rentang potensial antara 0,07 dan 0,70 V oleh GCPL. Hasil yang sesuai dilaporkan dalam Gambar 12 dalam hal kapasitas spesifik dan efisiensi Coulomb dan dibandingkan, lebih dari 80 siklus, dengan nilai-nilai dari siklus antara 0,07 dan 2,0 V.

Gambar 10 Hasil siklus galvanostik dua electrode setengah sel antara poensial Cuttof yang berbeda

Kapasitas elektroda spesifik awal adalah 1400 mAh / g dengan efisiensi Coulumb  sekitar  75% pada siklus pertama. Selama 14 siklus pertama, kapasitas dan efisiensi meningkat menjadi 2600 mAh / g dan 99,2%. Siklus sel dengan potensial discharge cutoff tinggi  (2 V), menunjukkan kapasitas yang lebih tinggi selama 40 siklus pertama, tetapi kemudian kinerja menjadi buruk. Dengan rentang tegangan optimal (0,07-0,70 V), sel menunjukkan kapasitas retensi setelah 80 siklus menjadi lebih tinggi dari 100% dan 70% jika dibandingkan dengan siklus pertama dan kesepuluh (memiliki kapasitas terbesar), apalagi, efisiensi Coulumb  adalah sekitar 99% selama seluruh siklus.

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

1. A. Kesimpulan

Elektroda  berbasis SiNW menunjukkan kinerja yang menjanjikan saat  melakukan siklus  di prototip  setengah sel  vs logam litium. Bahan  kimia dan analisis listrik menunjukkan bahwa pembentukan SEI proses yang bergantung  secara potensial  dan bahwa pencapaian lapisan kompak adalah persyaratan penting  untuk mengoptimalkan efisiensi  charge dan discharge. Namun, IS sendiri tidak dapat digunakan untuk menggambarkan kinetika  elektroda karena kita harus menggunakan frekuensi yang jauh lebih rendah untuk memantau proses yang  sangat lambat yang bertanggung jawab atas keseimbangan elektroda  pada OCV. Kita harus menunjukkan bahwa frekuensi  dapat dicapai dengan setup eksperiment normal, tetapi tidak kompatibel dengan kondisi yang dibutuhkan untuk memiliki pengukuran yang sangat stabil.

Pada komposisi litium rendah di silikon NW_S (DOD tinggi), peningkatan mendadak dalam impedansi elektroda diamati pada  respons ac dan dc. Alasan peningkatan ini adalah masih belum dipahami dengan baik dan dapat disebabkan oleh perubahan struktur yang memiliki kinetika yang lambat. Upaya untuk membatasi pertumbuhan  impedansi   yaitu dengan mengubah rentang potensial  siklus antara 0,07 dan 0,70 V elektroda dapat memberikan 2000 mAh / g setelah 80 siklus dengan efisiensi yang baik dan
kapasitas retensi.

1. Saran

Dengan adanya penelitian ini diharapkan :

1. Digunakannya silikon dalam anoda baterai litium ion, sehingga dapat meningkatkan kekuatan atau daya tahan baterai litium ion.
2. Silikon dapat digunakan secara lebih bermanfaat.

DAFTAR PUSTAKA

Barsoukov, E. In Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment,and Applications; Barsoukov, E., Macdonald, J. R., Eds.; John Wiley and Sons, Inc.: Hoboken, NJ, 2005; pp 444 457 and 462 468.

Barsoukov, E.; Kim, D. H.; Lee, H.-S.; Lee, H.; Yakovleva, M.;Gao, Y.; Engel, J. F. Solid State Ionics 2003, 161, 19–29.

Barsoukov, E.; Kim, J. H.; Kim, J. H.; Yoon, C. O.; Lee, H. Solid State Ionics 1999, 116, 249.

Boukamp, B. A. Solid State Ionics 1986, 20, 31–44.

Boukamp, B. A.; Lesh, G. C.; Huggins, R. A. J. Electrochem. Soc.1981, 128, 725–729.

Chan, C. K.; Peng, H.; Liu, G.; McIlwrath, K.; Zhang, X. F.; Cui,Y. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 31–35.

Chan, C. K.; Ruffo, R.; Hong, S. S.; Huggins, R. A.; Cui, Y. J.Power Sources 2009, 1132–1140.

Chan, C. K.; Zhang, X. F.; Cui, Y. Nano Lett. 2008, 8, 307–309.

Cui, L.-F.; Ruffo, R.; Chan, C. K.; Peng, H.; Cui, Y. Nano Lett.2009, 9 (1), 491–495.

Dimov, N.; Fukuda, K.; Umeno, T.; Kugino, S.; Yoshio, M. J.Power Sources 2003, 114, 88–95.

Dolle ´, M.; Orsini, F.; Gozdz, A. S.; Tarascon, J.-M. Electrochem.Soc. 2001, 148 (8), A851.

Graetz, J.; Ahn, C. C.; Yazami, R.; Fultz, B. Electrochem. 2003. Solid-State Lett., 6, A194 A197.

Green, M.; Fielder, E.; Scrosati, B.; Wachtler, M.; Moreno, J. S.Electrochem. 2003. Solid-State Lett., 6, A75 A79.

Ho, C.; Raistrick, I. D.; Huggins, R. A. J. Electrochem. Soc. 1980,127 (2), 343–350.

http://korananakindonesia.wordpress.com/2009/11/20/baterai-lithium-ion/

http://yulian.firdaus.or.id/2005/03/30/batere-lithium-ion-diisi-ulang-hanya-semenit/

http://bataviase.co.id/node/83924

http://www.indoforum.org/archive/index.php/t-28866.html

http://www.chem-is-try.org/artikel_kimia/kimia_material/bergaul-dengan-baterai-litium-ion-bagian-1/

http://www.electroniclab.com/index.php?option=com_content&view=article&id=37:phenomena-memory-effect-pada-batere-isi-ulang-rechargeable-attery&catid=12:labpower&Itemid=13

http://forum.read-o.com/showthread.php?tid=298&pid=2956#pid2956

http://www.koran-jakarta.com/berita-detail.php?id=49370

http://root.wanxp.net/index.php?option=com_content&task=view&id=959&Itemid=103

http://obengware.com/news/index.php?id=4902

http://translate.google.co.id/translate?hl=id&langpair=en|id&u=http://www.cellular-news.com/story/42393.php

Jiang, T.; Zhang, S.; Qiu, X.; Zhu, W.; Chen, L. Electrochem.Commun. 2007, 9, 930–934.

Kasavajjula, U.; Wang, C.; Appleby, A. J.; Power, J. Sources 2007,163, 1003–1039.

Lee, Y. M.; Lee, J. Y.; Shim, H. T.; Lee, J. K.; Park, J.-K. J.Electrochem. Soc. 2007, 154 (6), A515–A519.

Leroy, S.; Blanchard, F.; Dedryvere, R.; Martinez, H.; Carre, B.;Lemordant, D.; Gonbeau, D. Surf. Interface Anal. 2005, 37, 773–781.

Li, H.; Huang, X.; Chen, L.; Power, J. Sources 1999, 81 82, 340–345.

Li, H.; Huang, X.; Chen, L.; Wu, Z.; Liang, Y. Electrochem. 1999. Solid-State Lett., 2, 547–549.

Limthongkul, P.; Jang, Y. I.; Dudney, N. J.; Chiang, Y. M.; Power,J. Sources 2003, 119 121, 604–609.

Ryu, J. H.; Kim, J. W.; Sung, Y.-E.; Oh, S. M. Electrochem. 2004.  Solid-State Lett., 7, A306 A309.

Wen, C. J.; Ho, C.; Boukamp, B. A.; Raistrick, I. D.; Weppner,W.; Huggins, R. A. Int. Mater. Re 1981, 5, 253–268.

Wen, C. J.; Huggins, R. A. J. 1981. Solid State Chem. 37, 271.