## PENGARUH KITOSAN TERHADAP KRISTALINITAS DAN MORFOLOGI PARTIKEL LITHIUM TITANAT

## THE EFFECT OF CHITOSAN ON CRYSTALLINITY AND MORFOLOGY OF LITHIUM TITANATE PARTICLE
Bharata Dewanto 1 , Bambang Sunendar Purwasasmita 1 , Ahmad Nuruddin 1 , Abdul Halim Daulay 2,4 , Susanto Sigit Rahardi 3
1 Program Studi Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha No. 10 Bandung
2 Pogram Studi Ilmu dan Teknik Metal, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha No. 10 Bandung
3 Balai Besar Bahan dan Barang Teknik (B4T), Jl. Sangkuriang No. 14 Bandung
4 Institut Agama Islam Negeri Sumatera Utara, Jl. Williem Iskandar Pasar V, Medan Estate, Medan
Diterima: 28 Oktober 2014 Direvisi: 19 November 2014 Disetujui: 16 Desember 2014

## ABSTRAK
Baterai  terdiri dari katoda, anoda,  dan elektrolit.  Lithium titanat spinel atau  Li 4 Ti 5 O 12 spinel adalah metal anoda alternatif untuk menggantikan karbon karena memiliki kemampuan untuk memberikan arus besar yang dapat diaplikasikan sebagai baterai pada mobil  listrik.  Metode  yang saat ini sering digunakan untuk pembuatan baterai adalah High Energy Ball Milling , namun energi yang dibutuhkan sangat besar dan waktu pengerjaan dengan metode ini pun cukup lama.  Dalam penelitian ini dilakukan sintesis serbuk  Li 4 Ti 5 O 12 sebagai anoda baterai lithium ion dengan metode sol-gel dengan variabel kitosan sebagai dispersing agent . Gel yang terbentuk dikalsinasi pada variasi suhu  750 o C. Serbuk hasil sintesis  dikarakterisasi menggunakan  metode XRD ( X-ray  Diffractometry )  dan  SEM ( Scanning Electron  Microscopy ).  Pada penelitian ini telah berhasil  disintesis  Li 4 Ti 5 O 12 dengan  metode sol-gel dengan  kitosan  sebagai dispersing  agent .  Pada  suhu kalsinasi  750 o C  terbentuk  95–97%  fasa Li 4 Ti 5 O 12 yang diketahui dari berdasarkan  hasil karakterisasi XRD,  kitosan berperan baik sebagai dispersing  agent karena  dapat meningkatkan kristalinitas, memperkecil ukuran partikel dari serbuk Li 4 Ti 5 O 12 , dan mengurangi aglomerasi partikel. Hasil pengamatan dengan SEM menunjukkan bahwa ukuran dari partikel  tergolong pada ukuran  submikron  yaitu berkisar 75–300 nm yang berpotensi sebagai metal anoda baterai lithium yang mendekati kapasitas secara teori.
Kata kunci: baterai lithium ion , anoda, Li 4 Ti 5 O 12 , sol-gel , kitosan

## ABSTRACT
Battery consists of cathode, anode, and electrolyte. Spinel Lithium Titanate, known as Li 4 Ti 5 O 12 spinel is an alternative  metal  for anode substituting carbon due to its ability to generate large current for high-discharged battery. It can be applied for the electric car battery.  A commonly used battery synthesis method is High Energy Ball Milling. However, that method is time consuming and require massive amount of energy. In this research, Li 4 Ti 5 O 12 synthesized as an anode for lithium ion battery through sol-gel method with chitosan variable as the dispersing agent. Formed gel then calcinated with temperature of  750 o C.  Synthesized powder was characterized using XRD (X-ray Diffractometry) and SEM (Scanning Electron Microscopy) methods.  Li 4 Ti 5 O 12 was successfully synthesized with sol-gel method and chitosan as the dispersing agent. Based on the XRD characterization result, at the 750 o C calcination temperature, 95–97%. Li 4 Ti 5 O 12 phase was formed. Chitosan played a good role of being the dispersing agent because it was able to increase crystallinity, reduce the size of Li 4 Ti 5 O 12 powder particle, and reduce the particle agglomeration. Observation with SEM shows that the particle size is categorized as submicron, which size is ranged in 75–300 nm. It is potential to be used as the metal for lithium battery anode that come near to theoretical capacity.
Keywords: lithium ion battery, anode, Li 4 Ti 5 O 12 , sol-gel, chitosan

## PENDAHULUAN
Mobil  listrik adalah salah  satu kendaraan yang menggunakan energi listrik untuk menggerakkan motornya. Penggunaan  listrik merupakan  salah satu alternatif untuk me- ngurangi  pemakaian bahan bakar fosil pada sektor transportasi.  Penelitian  mobil listrik di Indonesia  terus berkembang dan keberadaan mobil listrik  tidak dapat dipisahkan dengan kebutuhan  media penyimpan energi yang ringan namun dapat memberikan arus besar [1].
Baterai adalah salah satu media penyimpan energi. Baterai bekerja dengan menggunakan prinsip sel volta yang mampu mengubah potensi elektrokimia menjadi energi listik. Baterai terdiri dari tiga bagian yaitu katoda,  anoda,  dan elektrolit. Katoda berfungsi sebagai kutub positif, anoda berfungsi sebagai kutub negatif dan elektrolit berfungsi sebagai jembatan untuk transport ion antara katoda dan anoda. Penelitian tentang baterai sudah sejak lama  dikembangkan. Beberapa jenis baterai yang  telah dikembangkan adalah Ni-MH, Ni-Cd, Lead  acid , dan yang saat ini sedang dikembangkan secara intensif adalah baterai berbasis lithium [2].
Prinsip kerja baterai lithium tidak jauh berbeda dengan  baterai  lain, namun densitas energi dan kapasitas energi baterai lithium lebih baik  dibandingkan  baterai lain. Baterai lithium dibedakan jenisnya berdasarkan metal  penyusun elektroda dan elektrolitnya karena kapasitas dan densitas baterai lithium dipengaruhi  oleh  metal penyusun katoda, anoda, dan elektrolitnya. Metal penyusun anoda atau kutub negatif  baterai yang saat ini banyak digunakan  adalah karbon karena memiliki  potensi elektrokimia yang rendah sehingga tegangan yang didapat cukup tinggi. Namun untuk  aplikasi mobil listrik yang membutuhkan  arus  besar, anoda berbasis karbon kurang stabil dan tidak dapat  menghasilkan arus yang besar.  Li 4 Ti 5 O 12 yang memiliki  struktur spinel adalah salah satu anoda alternatif pengganti karbon.  Li 4 Ti 5 O 12 memiliki kestabilan yang tinggi karena  struktur  kristalnya yang cenderung tidak berubah saat mengalami interkalasi dan  deinterkalasi  [3], selain itu arus yang  dapat dihasilkan dengan anoda berbahan Li 4 Ti 5 O 12 lebih besar dibandingkan karbon. Walaupun  demikian, ada masalah-masalah lain seperti potensi elektrokimia Li 4 Ti 5 O 12 lebih tinggi dan juga kapasitasnya yang lebih rendah dibandingkan anoda berbasis  karbon  [4]. Oleh karena  itu,  diperlukan penelitian lebih lanjut
untuk memodifikasi Li 4 Ti 5 O 12 sehingga memiliki densitas energi lebih tinggi dari sebelumnya.
Metode Ball Milling adalah metode  sinte- sis Li 4 Ti 5 O 12 yang sering digunakan namun metode tersebut membutuhkan energi yang besar dan juga waktu yang cukup lama. Metode sol-gel adalah metode terbaru yang sederhana, hemat energi dan juga tidak memakan waktu lama dapat menjadi alternatif dalam sintesis metal Li 4 Ti 5 O 12. Pertumbuhan partikel pada metode sol-gel dapat dikendalikan dengan menggunakan dispersing agent. Kitosan merupakan biopolimer yang jumlahnya sangat banyak di Indonesia dan dapat berperan sebagai dispersing agent dalam metode sol-gel. Hasil yang diharapkan dari sintesis ini adalah kitosan dapat berperan baik dalam mengendalikan pertumbuhan partikel  Li 4 Ti 5 O 12 sehingga didapatkan partikel Li 4 Ti 5 O 12 berukuran nanometer.  Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh penambahan kitosan terhadap morfologi dan kristalinitas Lithium Titanat.

## BAHAN DAN METODE

## Bahan
Bahan yang dipakai dalam penelitian ini adalah  LiNO 3, TiCl 4 dan  kitosan. Adapun proses pembuatan Lithium Titatnat adalah sebagai berikut:
1. Membuat larutan kitosan 2% massa/volume.
2. Melarutkan LiNO 3 hingga diperoleh larutan LiOH berwarna bening.
3. Melarutkan  TiCl 4 hingga diperoleh larutan Ti(OH) 4 .
4. Mencampurkan  larutan LiOH dan larutan Ti(OH) 4 tersebut secara perlahan-lahan sambil diaduk.
5. Larutan  kitosan 2% ditambahkan kedalam larutan setetes demi setetes sambil diaduk. Banyaknya larutan kitosan yang ditambahkan adalah sebesar 0, 10, 30, dan 60% dari volume larutan.
6. Evaporasi pelarut secara termal pada suhu 90- 100 o C.
7. Gel yang terbentuk digerus agar menjadi serbuk yang halus.
8. Kalsinasi serbuk pada suhu 750 o C.
9. Serbuk  Li 4 Ti 5 O 12 yang terbentuk dikarakte- risasi dengan alat XRD dan SEM.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Pengaruh Persentase Kitosan
Pada suhu kalsinasi 750 o C terlihat perbedaan yang signifikan pada contoh  yang disintesis tanpa kitosan dengan yang disintesis menggunakan kitosan sebagai dispersing agent seperti yang terlihat pada Gambar 1. Hasil XRD pada Gambar 2 dan Tabel 1 juga memperlihatkan peningkatan fasa Li 4 Ti 5 O 12 yang terbentuk. Pada contoh  dengan 30% kitosan, partikel terdispersi merata dan berukuran antara 75–300  nm dan pada  contoh  dengan 60% kitosan partikel relatif lebih kecil dibandingkan  contoh  dengan 30% kitosan namun tidak terdispersi merata.  Hal ini disebabkan karena penggunaan kitosan atau dispersing agent yang terlalu banyak menyebab- kan performa dispersing agent tersebut menurun.
Tabel 1.Komposisi Serbuk berdasarkan jumlah Kitosan dengan Suhu Kalsinasi 750 o C Contoh Jumlah Kitosan Suhu Kalsinasi Li 4 Ti 5 O 12 (% berat) TiO 2 (% berat) a 0% 750 o C 94,8% 5,2% b 10% 750 o C 95% 5% c 30% 750 o C 97,5% 2,5% d 60% 750 o C 97,4% 2,6%
Gambar 1. Hasil SEM Mikrograf Contoh dengan Suhu Kalsinasi 750 o C dan 0% Kitosan (a), 10% Kitosan (b), 30% Kitosan (c), dan 60% Kitosan (d)
Gambar 2. Hasil XRD Berdasarkan Jumlah Kitosan dengan Suhu Kalsinasi 750 o C
Penelitian  oleh  Daniela  Drago tentang pengaruh  ukuran  partikel terhadap kapasitas menjelaskan bahwa Li 4 Ti 5 O 12 dengan ukuran partikel rata-rata  antara 9–1000  nm dapat memberikan kapasitas yang mendekati  kapasitas secara teori yaitu 175  mAh/gram  [5]. Dari seluruh contoh yang diuji, contoh dengan konsentrasi kitosan 30% volume larutan menunjukkan partikel yang terdispersi paling merata dan berukuran paling kecil bila dibandingkan contoh lainnya yaitu  antara 75– 300  nm  sehingga contoh ini paling  berpotensi untuk digunakan sebagai metal  anoda baterai lithium.

## KESIMPULAN
1. Telah berhasil disintesis Li 4 Ti 5 O 12 yang dapat berpotensi menjadi bahan anoda berbasis  lithium  dengan metode sol-gel dengan menggunakan kitosan sebagai dispersing agent.
2. Aglomerasi dari partikel paling banyak terjadi pada contoh  tanpa kitosan sebagai dispersing agent. Konsentrasi kitosan 2% m/v  sebesar 30%  pelarut dan suhu kalsinasi 750 o C menghasilkan morfologi  partikel yang terdispersi merata dan berukuran 75–300 nm yang berpotensi untuk digunakan sebagai bahan anoda baterai lithium dengan kapasitas penyimpanan mendekati kapasitas teoritikal karena ukurannya yang lebih kecil dibandingkan contoh lainnya. a b c d

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  F. V.  Conte,  2006, Battery and Battery Management for Hybrid Electric Vehicles , a review”,  E&i Elektrotechnik und Informa- tionstechnik, pp. 424-431.
[2]  Isidor Buchmann,  2013, What's The Best Battery , Battery Univeristy.
[3]  Ting-Feng Yi et al,  2013,  “Structural and Thermodynamic  Stability of Li 4 Ti 5 O 12 Anode  Metal  for lithium-ion  Battery”, Journal of Power Sources, vol. 222 , pp. 448-
454.
[4]  M. Parans Paranthaman,  2011, High Performance Spherical Mesoporous Titan- ium Oxide Anode Based Lithium Ion Batteries , Oak Ridge National Laboratory,
Oak Ridge.
[5]  Daniela Drago. et al., Li-Insertion into Li 4 Ti 5 O 12 (Spinel): Charge Capability vs. Particle Size and Electrolyte dependence  in Thin-Film Electrodes , NTera, Ltd., Scientific Park, Switzerland.