PENINGKATAN KINERJA BATERAI LITHIUM-ION MELALUI REKAYASA MORFOLOGI NANOPLATE MATERIAL AKTIF LiFePO4 DENGAN METODE SURFACTANT-ASSISTED SOLID STATE REACTION

Trias Prima Satya, Prof. Dr. Harsojo, SU., M.Sc. ; Dr. Iman Santoso, S.Si., M.Sc. ; Dr. Abdulloh Rifai, S.T., M.Eng.

2025 | Disertasi | S3 Ilmu Fisika

Telah dilakukan penelitian untuk meningkatkan kinerja baterai lithium-ion melalui rekayasa morfologi nanoplate material aktif LiFePO4 dengan metode Surfactant-Assisted Solid State Reaction. Tujuan dari penelitian ini yaitu mengembangkan material aktif LiFePO4 baru yang memiliki struktur morfologi, karakteristik elektrokimia, dan kinerja yang tinggi untuk aplikasi baterai lithium-ion. 

Metode yang digunakan pada penelitian ini yaitu sintesis LiFePO4 dengan metode Surfactant-Assisted Solid State Reaction menggunakan prekursor FeC2O4.2H2O yang dibuat dari proses presipitasi mineral ilmenite Indonesia (LFP Lokal), dan sebagai pembanding juga disintesis LiFePO4 dengan prekursor FeC2O4.2H2O komersial (LFP Komersial). Pada penelitian ini juga dilakukan pengembangan LiFePO4 dengan optimasi efek penambahan Petroleum Jelly sebagai pelarut non-polar dan C18H34O2 (Asam Oleat) sebagai surfaktan dengan rasio 0,5:1 (LFP A), 1:1 (LFP B), dan 2:1 (LFP C). 

Hasil penelitian menunjukkan bahwa LFP Lokal memiliki karakteristik kristalinitas dan ukuran nanopartikel yang lebih kecil dari pada LFP Komersial. Pada pengujian EIS, nilai resistansi transfer muatan LFP Lokal dan LFP Komersial masing-masing sebesar ~ 111, 35 ? dan ~ 31,52 ?, sedangkan koefisien difusi diperoleh masing-masing sebesar 1,419 ×10-9 cm2.S-1 dan 5,221×10-10 cm2.S-1. Pengujian pengisian/pengosongan pada 0,1 C menunjukkan nilai kapasitas spesifik LFP Lokal dan LFP Komersial masing-masing sebesar 147 mAh.g-1 dan 118 mAh.g-1. Pada optimasi efek variasi rasio Petroleum Jelly dengan C18H34O2 menunjukkan hasil bahwa penambahan Petroleum Jelly pada LFP B dapat menurunkan kualitas struktur morfologi dan kristalinitas dari pada LFP A, namun dengan penambahan lebih lanjut pada LFP C mampu memperbaiki kualitas dan ukuran morfologi menjadi nanoplate. Nilai resistansi transfer muatan LFP A, LFP B, dan LFP C dikalkulasi masing-masing sebesar 198.32 ?, 289.57 ?, and 234.57 ?, sedangkan nilai koefisien difusi masing-masing sebesar 4,0 ×10-20 cm2.S-1, 6,13×10-20 cm2.S-1, dan 1,44×10-19 cm2.S-1. Hasil pengujian pengisian/ pengosongan baterai menunjukkan nilai kapasitas spesifik LFP A, LFP B, dan LFP C pada 0,1 C masing-masing sebesar 138 mAh.g-1, 147 mAh.g-1, dan 161 mAh.g-1. Namun demikian, penambahan Petroleum Jelly yang semakin tinggi memiliki efek meningkatkan persentase jumlah karbon dan cacat lapisan karbon pada LiFePO4/C, yang berdampak pada penurunan kapasitas spesifik pada C-rate tinggi (5 C) dan stabilitas kinerja LiFePO4 pada pengujian 100 siklus.

Research has been done to enhance the performance of lithium-ion batteries through morphological modification of LiFePO4 active material nanoplates using the Surfactant-Assisted Solid State Reaction method. This study aimed to develop new LiFePO4 active materials with the best morphological structure, electrochemical characteristics, and performance for lithium-ion battery applications.

The method used in this research was to synthesize LiFePO4 using the Surfactant-Assisted Solid State Reaction method by FeC2O4.2H2O precursor processed from the Indonesian ilmenite mineral precipitation process (LFP Local). As a comparison, LiFePO4 was also synthesized by commercial FeC2O4.2H2O precursor (LFP Commercial). In this research, LiFePO4 development was also carried out by optimizing the effect of adding Petroleum Jelly as a non-polar solvent and C18H34O2 (Oleic Acid) as a surfactant with the ratio of 0.5:1 (LFP A), 1:1 (LFP B), and 2:1 (LFP C). 

The results showed that LFP local has smaller crystallinity and nanoparticle size characteristics than LFP commercial. In the EIS test, the charge transfer resistance values of LFP Local and LFP Commercial were ~ 111.35 ? and ~ 31.52 ?, respectively, while the diffusion coefficients were 1.419 × 10-9 cm2.S-1 and 5.221 × 10-10 cm2.S-1, respectively. The charge/discharge test at 0.1 C showed the specific capacity values of LFP Local and LFP Commercial was 147 mAh.g-1 and 118 mAh.g-1, respectively. Optimizing the effect of variations in the ratio of Petroleum Jelly to C18H34O2 showed that adding Petroleum Jelly to LFP B could reduce the quality of the morphological structure and crystallinity to LFP A. Still, a further addition to LFP C improved the quality and size of the morphology into nanoplates. The charge transfer resistance values of LFP A, LFP B, and LFP C were calculated to be 198.32 ?, 289.57 ?, and 234.57 ?, respectively, while the diffusion coefficient values were 4.0×10-20 cm2.S-1, 6.13×10-20 cm2.S-1, and 1.44×10-19 cm2.S-1, respectively. The battery charge/discharge test results showed that the specific capacity values of LFP A, LFP B, and LFP C at 0.1 C were 138 mAh.g-1, 147 mAh.g-1, and 161 mAh.g-1, respectively. However, the higher addition of Petroleum Jelly has the effect of increasing the percentage of carbon and carbon layer defects in LiFePO4/C, which has an impact on the decrease in specific capacity at high C-rate (5 C) and the stability of LiFePO4 performance in 100 cycle testing.

Kata Kunci : LiFePO4, katoda, morfologi, baterai lithium-ion