Aplikasi graphene untuk lithium ion battery unduh di www.pakgurufisika.blogspot.com

1. APLIKASI GRAPHENE UNTUK LITHIUM ION BATTERY
Makalah Seminar Fisika
Oleh :
Istiqomah Nur Hidayah
K2310053
Distibuted by:
Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2015

2. ii
APLIKASI GRAPHENE UNTUK LITHIUM ION BATTERY
Oleh :
Istiqomah Nur Hidayah
K2310053
Makalah Seminar Fisika
Ditulis dan Diajukan untuk Memenuhi Persyaratan Guna
Menempuh Ujian Mata Kuliah Seminar Fisika pada
Program Studi Pendidikan Fisika
Jurusan P. MIPA
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2015

3. iii
PERSETUJUAN
Makalah Seminar Fisika ini telah disetujui untuk dipertahankan di
hadapan Dewan Penguji dan peserta Seminar Fisika di Program Studi Pendidikan
Fisika Jurusan PMIPA Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas
Sebelas Maret Surakarta.
Pada hari : Kamis
Tanggal : 18 Desember 2014
Persetujuan
Dosen Pembimbing
Prof. Dr. H. Widha Sunarno, M.Pd
NIP. 19520116 198003 1 001

4. iv
PENGESAHAN
Makalah Seminar Fisika ini telah dipertahankan di hadapan Dewan
Penguji dan Peserta Seminar Fisika di Program Studi Pendidikan Fisika Jurusan
PMIPA Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sebelas Maret
Surakarta dan diterima untuk memenuhi sebagian dari persyaratan guna
menyelesaikan tugas akhir mata kuliah Seminar Fisika.
Pada hari : Senin
Tanggal : 26 Januari 2015
Dewan Penguji
Penguji I
Prof. Dr. H. Widha Sunarno, M.Pd
NIP. 19520116 198003 1 001
Penguji II
Anif Jamaluddin, S.Si., M.Si.
NIP. 19800613 201012 1 002
Surakarta,
Disahkan oleh
Ketua Program Studi Pendidikan Fisika
Drs. Supurwoko, M.Si
NIP. 19630409 199802 1 001

5. v
ABSTRAK
Istiqomah Nur Hidayah. APLIKASI GRAPHENE UNTUK LITHIUM ION
BATTERY. Makalah Seminar Fisika. Surakarta. Fakultas Keguruan dan Ilmu
Pendidikan Universitas Sebelas Maret. Desember 2014.
Penulisan Makalah ini bertujuan untuk menjelaskan: (1) sifat-sifat
graphene yang digunakan pada Lithium-Ion Battery, (2) prinsip kerja Lithium-Ion
Battery, (3) pemanfaatan graphene untuk Lithium-Ion Battery.
Makalah ini disusun berdasarkan beberapa literatur seperti buku dan jurnal
yang membahas tentang graphene dan aplikasi graphene pada Lithium-Ion
Battery. Selain itu juga memanfaatkan media internet untuk menambah
pengetahuan tentang materi tersebut.
Berdasarkan pembahasan dapat ditarik kesimpulan bahwa : (1) Graphene
memiliki sifat mobilitas elektron sekitar 15000 cm2
/Vs sehingga konduktivitas
listriknya tinggi dan bersifat konduktor, konduktivitas termalnya berkisar >5000
W/m/K, luas permukaannya antara 270 – 1550 m2
/g serta mempunyai transparansi
yang tinggi dengan menyerap 2,3% dari cahaya yang masuk sehingga terlihat
bening; (2) Prinsip kerja Lithium-Ion Battery yaitu pada proses pemakaian listrik
(discharging) dan pengisian (charging). Pada proses pemakaian listrik
(discharging) elektron dari anoda mengalir ke katoda melalui kabel konektor
sedangkan lithium yang berada pada sistem (di dalam baterai) lepas dari anoda
karena kekurangan elektron untuk berpindah menuju katoda melalui elektrolit.
Pada proses pengisian (charging), elektron dari katoda mengalir menuju anoda
sedangkan ion lithium dalam sistem berpindah dari katoda menuju anoda melalui
elektrolit; (3) Graphene memiliki peran sebagai anoda pada Lithium-Ion Battery
yaitu untuk meningkatkan beberapa parameter pada Lithium-Ion Battery seperti
kerapatan energi listrik serta jangka pakai.
Kata kunci: graphene, Lithium Ion Battery.

6. vi
MOTTO
“Segala sesuatu sudah diatur oleh Allah SWT, maka usaha dan doa yang kita
lakukan.”
“Banggalah pada impianmu dan jangan biarkan orang lain mengatakannya
tidak berguna.” (Yuuji/Baka to Test)
“Selama masih belum 0%, segalanya masih mungkin.” (Hiruma/Eyeshield 21)

7. vii
PERSEMBAHAN
Makalah Seminar Fisika ini dipersembahkan kepada:
 Ibu, Bapak, Kakak dan Adik-adik atas segala doa,
dukungan, dan motivasi yang selalu diberikan.
 Semua sahabat dan teman-teman yang telah
mendukung.

8. viii
KATA PENGANTAR
Puji Syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat-Nya,
sehingga penyusunan Makalah Seminar Fisika yang berjudul : ”Aplikasi
Graphene untuk Lithium Ion Battery” dapat diselesaikan.
Penyusunan Makalah Seminar Fisika ini dapat diselesaikan berkat
bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini
penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada yang terhormat:
1. Bapak Sukarmin,S.Pd., M.Si., Ph.D. selaku Ketua Jurusan PMIPA Fakultas
Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sebelas Maret Surakarta.
2. Bapak Drs. Supurwoko, M.Si. selaku Ketua Program Studi Fisika Fakultas
Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sebelas Maret Surakarta.
3. Bapak Drs. Pujayanto, M.Si selaku Koordinator mata kuliah Seminar Fisika
yang telah memberikan ijin kepada penulis untuk menyusun Makalah Seminar
Fisika ini.
4. Bapak Prof. Dr. H. Widha Sunarno, M.Pd selaku Dosen Pembimbing yang
telah membimbing penulis sehingga penyusunan Makalah Seminar Fisika ini
dapat diselesaikan.
5. Teman-teman mahasiswa pendidikan Fisika yang selalu memberikan
semangat dan doanya kepada penulis untuk menyusun Makalah Seminar
Fisika ini.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Makalah Seminar Fisika
ini jauh dari sempurna. Oleh karena itu, kritik dan saran yang bersifat membangun
sangat diharapkan demi sempurnanya Makalah Seminar Fisika ini. Namun
demikian penulis berharap semoga Makalah Seminar Fisika ini bermanfaat bagi
para pembaca Makalah ini pada umumnya dan bagi penulis pada khususnya.
Surakarta, Desember 2014
Penulis

9. ix
DAFTAR ISI
hlm.
HALAMAN JUDUL ......................................................................................... i
HALAMAN PENGAJUAN.............................................................................. ii
HALAMAN PERSETUJUAN ......................................................................... iii
HALAMAN PENGESAHAN........................................................................... vi
ABSTRAK ......................................................................................................... v
HALAMAN MOTTO ....................................................................................... vi
HALAMAN PERSEMBAHAN ....................................................................... vii
KATA PENGANTAR....................................................................................... viii
DAFTAR ISI...................................................................................................... ix
DAFTAR GAMBAR......................................................................................... xi
DAFTAR TABEL ............................................................................................. xii
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Masalah ............................................................... 1
B. Identifikasi Masalah ..................................................................... 2
C. Pembatasan Masalah..................................................................... 3
D. Perumusan Masalah...................................................................... 3
E. Tujuan Penulisan .......................................................................... 3
F. Manfaat Penulisan ........................................................................ 4
BAB II PEMBAHASAN
A. Baterai Lithium-Ion (Lithium Ion Battery)................................... 5
1. Bagian Utama Lithium-Ion Battery ........................................ 6
2. Prinsip Kerja Lithium-Ion Battery .......................................... 10
B. Graphene....................................................................................... 12
1. Morfologi Graphene ............................................................... 12
2. Metode Sintesis Graphene ...................................................... 13
3. Sifat Graphene ........................................................................ 18
C. Aplikasi Graphene Pada Lithium-Ion Battery .............................. 20

10. x
BAB III KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan................................................................................... 25
B. Saran ............................................................................................. 25
DAFTAR PUSTAKA........................................................................................ 26

11. xi
DAFTAR GAMBAR
hlm.
Gambar 2.1 Struktur Kristal Layer LiMO2 (biru : ion logam transisi ; merah :
ion lithium).................................................................................. 8
Gambar 2.2 Struktur Kristal Spinel LiM2O4 (biru : ion logam transisi ; merah :
ion lithium).................................................................................. 8
Gambar 2.3 Struktur Kristal Olivin LiMPO4 (biru : ion logam transisi ; merah :
ion lithium).................................................................................. 9
Gambar 2.4 Proses Pemakaian dan Pengisian Ulang pada Lithium-Ion Battery11
Gambar 2.5 Struktur Material Graphene ....................................................... 12
Gambar 2.6 Graphene sebagai Material Penyusun Bentuk Alotrop Karbon
Lainnya........................................................................................ 13
Gambar 2.7 Struktur Kristal Highly Ordered Pyroliytic Graphite (HOPG)... 14
Gambar 2.8 Graphene yang Dihasilkan dari Graphene Oksida ...................... 16
Gambar 2.9 Kurva Dispersi Graphene ............................................................ 19
Gambar 2.10 Morfologi graphene yang sudah ditumbuhi Mn3O4 .................... 22
Gambar 2.11 Skema material komposit Si-Graphene....................................... 23
Gambar 2.12 Skema lapisan-lapisan silikon dan graphene penyusun anoda.... 23

12. xii
DAFTAR TABEL
hlm.
Tabel 2.1 Beberapa material yang dipakai untuk anoda.............................. 7
Tabel 2.2 Beberapa jenis material yang digunakan untuk katoda............... 9

13. Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
1
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Masalah
Baterai adalah suatu sel elektrokimia yang mengubah dari energi kimia
menjadi energi listrik. Salah satu jenis baterai yang saat ini berkembang adalah
Lithium-Ion Battery atau baterai lithium ion. Bagian utama yang menyusun
Lithium-Ion Battery yaitu elektroda negatif (anoda), elektroda positif (katoda),
elektrolit dan separator. Pada tahun 1970 M.S. Whitthingham melakukan
penelitian pada Lithium-Ion Battery dengan logam lithium sebagai anoda. Pada
tahun 1980, Rachid Yazami mengganti logam lithium pada anoda dengan material
lain, yaitu grafit. Penggantian material dari logam lithium menjadi grafit
memberikan pengaruh pada performa Lithium-Ion Battery sehingga dapat diisi
ulang/rechargeable batteries (Krysten Oates, 2010).
Lithium-Ion Battery atau baterai lithium ion merupakan salah satu jenis
baterai sumber arus sekunder yang dapat diisi ulang. Pada saat ini, Lithium-Ion
Battery menjadi baterai yang sangat dibutuhkan antara lain untuk kebutuhan
energi listrik pada telepon seluler (ponsel), mp3 player dan lain-lain. Selain itu,
saat ini Lithium-Ion Battery sangat dibutuhkan khususnya untuk kendaraan yang
sumber energinya dari energi listrik/electric vehicle (Fadli Rohman, 2012:90).
Permintaan baterai Lithium-Ion Battery dari tahun ke tahun selalu
meningkat dan juga permintaan akan kemampuan menyimpan energi yang lebih
lama dan juga siklus hidup yang meningkat, itu semua berkaitan dengan
perkembangan dunia industri elektronika dan telekomunikasi yang berkembang
sedemikian cepat. misalnya telepon selular, komputer tablet ataupun mobil listrik.
Lithium-Ion Battery adalah baterai dapat menyimpan energi listrik dalam jangka
waktu yang panjang, dan salah satu faktor yang mempengaruhi sifatnya adalah
kualitas bahan elektroda (anoda/katoda), di samping faktor lainnya. Dan salah satu
usaha untuk memperbaiki performa dari baterai, maka salah satu jalannya adalah
memperbaiki kualitas dari elektroda yang digunakan (Anton Prasetyo, 2012:400).

14. 2
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
Pada umumnya, anoda baterai yang digunakan pada Lithium-Ion Battery
adalah grafit. Anoda grafit ini ternyata memiliki kekurangan yaitu, kepadatan
energi 372 mAh/g yang tergolong kecil untuk dapat memenuhi tuntutan kinerja
Lithium-Ion Battery yang makin tinggi (Fadli Rohman, 2012:91). Hailiang Wang
dan tim penelitiannya membuat suatu material hybrid untuk anoda pada Lithium-
Ion Battery yang terdapat graphene di dalamnya yaitu nano partikel Mn3O4-
Graphene Oxide yang secara eksperimen diperoleh kepadatan energi mencapai
~900 Ah/kg (Hailiang Wang, 2010).
Graphene adalah susunan atom karbon dalam kerangka heksagonal
serupa sarang lebah yang membentuk satu lembaran setipis satu atom. Penemuan
graphene secara eksperimental terjadi tahun 2004 oleh Andre Geim dan
Konstantin Novoselov. Setelah itu, banyak dilakukan penelitian baik untuk
memodelkan berbagai sifat dari graphene maupun untuk membuat dan
mengaplikasikannya.
Graphene memiliki keunggulan sifat dibanding material yang lain. Hasil-
hasil penelitian para ilmuwan menyebutkan bahwa graphene memiliki mobilitas
elektron sekitar 15000 cm2/Vs, sehingga konduktivitas listriknya baik dan bersifat
konduktor, konduktivitas termal yang baik yaitu > 5000 W/m/K, sangat transparan
karena setipis satu atom. Keunggulan sifat yang dimiliki graphene inilah yang
menyebabkan graphene sangat berpotensi diaplikasikan pada berbagai piranti
elektronik termasuk sel surya, layar sentuh, laser, Lithium-Ion Battery, dan lain-
lain (Fadli Rohman, 2012:98).
Berdasarkan latar belakang di atas, maka pada Seminar ini akan
dilakukan pembahasan materi tentang graphene yang digunakan pada Lithium-Ion
Battery yang selanjutnya diberi judul “Aplikasi Graphene untuk Lithium-Ion
Battery”
B. Identifikasi Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah yang telah diuraikan dapat
diidentifikasikan beberapa masalah sebagai berikut:

15. 3
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
1. Semakin berkembangnya teknologi semakin banyak permintaan untuk Lithium-
Ion Battery yang memiliki kapasitas yang tinggi dan tahan lama.
2. Anoda pada Lithium-Ion Battery yaitu grafit, masih belum memenuhi
kebutuhan pengguna yang menginginkan kapasitas yang tinggi.
3. Perlunya diketahui efektifitas bahan graphene sebagai pengganti grafit pada
anoda Lithium-Ion Battery.
C. Pembatasan Masalah
Dalam makalah ini, diberikan batasan masalah agar pembahasan
mengenai graphene pada Lithium-Ion Battery lebih fokus yaitu sebagai berikut :
1. Mendeskripsikan sifat-sifat graphene .
2. Menjelaskan prinsip kerja Lithium-Ion Battery.
3. Mendeskripsikan pemanfaatan graphene pada Lithium-Ion Battery.
D. Perumusan Masalah
Berdasarkan pembatasan masalah di atas, maka dapat dirumuskan
masalah sebagai berikut :
1. Bagaimana sifat-sifat graphene yang digunakan pada Lithium-Ion Battery?
2. Bagaimana prinsip kerja Lithium-Ion Battery?
3. Bagaimana pemanfaatan graphene untuk Lithium-Ion Battery?
E. Tujuan Penulisan
Tujuan penulisan makalah ini adalah untuk menjelaskan :
1. Sifat-sifat graphene yang digunakan pada Lithium-Ion Battery.
2. Prinsip kerja Lithium-Ion Battery.
3. Pemanfaatan graphene untuk Lithium-Ion Battery.

16. 4
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
F. Manfaat Penulisan
Manfaat penulisan makalah ini adalah untuk :
1. Menambah wawasan lebih dalam mengenai sifat dan karakteristik graphene.
2. Menambah wawasan mengenai pemanfaatan material graphene pada Lithium-
Ion Battery.

17. Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
5
BAB II
PEMBAHASAN
A. Baterai Lithium-Ion (Lithium Ion Battery)
Sebagai sumber energi tentunya kehadiran baterai mempunyai fungsi vital
bagi beberapa alat elektronik. Baterai adalah suatu sel elektrokimia yang
mengubah dari energi kimia menjadi energi listrik. Salah satu jenis baterai yang
saat ini berkembang adalah Lithium-Ion Battery atau baterai lithium-ion. Lithium-
Ion Battery atau baterai lithium-ion merupakan salah satu jenis baterai sumber
arus sekunder yang dapat diisi ulang. Pada saat ini, Lithium-Ion Battery menjadi
baterai yang sangat dibutuhkan antara lain untuk kebutuhan energi listrik pada
telepon seluler (ponsel), mp3 player dan lain-lain. Selain itu, saat ini Lithium-Ion
Battery sangat dibutuhkan khususnya untuk kendaraan yang sumber energinya
dari energi listrik (electric vehicle). Lithium-Ion Battery ini memiliki daya yang
tinggi serta bobot yang ringan dan dapat digunakan berkali-kali sehingga banyak
digunakan oleh para produsen sebagai sumber tenaga alat elektroniknya.
Jenis baterai ini pertama kali pada tahun 1970 yang diperkenalkan oleh
peneliti dari Exxon yang bernama M. S. Whittingham yang melakukan penelitian
dengan judul “Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry”. Beliau
menjelaskan mengenai proses interkalasi pada baterai litium ion menggunakan
titanium (II) sulfide sebagai katoda dan logam litium sebagai anoda. Proses
interkalasi adalah proses perpindahan ion lithium dari anoda ke katoda dan
sebaliknya pada baterai lithium ion. Pada tahun 1980, logam lithium pada anoda
diganti dengan materail lain yaitu grafit. Hal ini dilakukan oleh Rachid Yazami
dan kawan-kawan di Grenoble Institute of Technology (INPG) dan French
National Centre for Scientific Research (CNRS) (Krysten Oates, 2010).
Penggantian material dari logam lithium menjadi grafit memberikan pengaruh
pada performa Lithium-Ion Battery serta memberikan efek Lithium-Ion Battery
sehingga Lithium-Ion Battery bisa diisi ulang (rechargeable batteries). Pada tahun
1981, Bell Laboratories mengembangkan elektroda pada anoda berbasis grafit
yang telah dikembangkan sebelumnya. John Goodenough dan tim penelitiannya

18. 6
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
melakukan penelitian dan mengembangkan pada katoda. Penelitian-penelitian ini
terus dikembangkan pada saat itu untuk meninjau beberapa parameter penting
sebelum Lithium-Ion Battery itu sendiri dipasarkan. Parameter-parameter tersebut
antara lain material pada elektroda mudah didapat secara komersil, harga yang
murah, aman dipakai, memiliki kestabilan dan performa yang tinggi serta energi
yang dihasilkan juga cukup tinggi (Fadli Rohman, 2012:90).
1. Bagian Utama Lithium-Ion Battery
Lithium Ion Battery memiliki pada umumnya memiliki empat
komponen utama yaitu elektroda positif (anoda), elektroda negatif (katoda),
elektrolit, dan separator.
a. Elektroda Negatif (Anoda)
Anoda merupakan elektroda yang berfungsi sebagai pengumpul ion
lithium serta merupakan material aktif. Parameter pengembangan dari
material untuk digunakan sebagai anoda antara lain kepadatan energi yang
dihasilkan serta siklus pemakaian atau cyclability. Material yang dapat
dipakai sebagai anoda harus memiliki karakteristik antara lain memiliki
kapasitas energi yang besar, memiliki kemampuan menyimpan dan
melepas muatan/ion yang bagus, memiliki tingkat siklus pemakaian yang
lama, mudah untuk diproses/dibuat, aman dalam pemakaian (tidak
beracun), dan harganya murah. Salah satu material yang dapat berperan
sebagai anoda adalah material yang berbasis carbon seperti LiC6 atau
grafit. Pada material ini setiap layer disisipkan satu atom lithium. Jarak
antar layernya adalah 0,335 nanometer. Kepadatan energi secara teori yang
dihasilkan dari material ini adalah berkisar 372 A.h/kg. Selain grafit,
material berbasis karbon yang dapat digunakan untuk anoda yaitu soft
carbon, graphene dan hard carbon . Material lain yang dapat berperan
sebagai anoda antara lain lithium titanium oxide (LTO) dengan kepadatan
energi yang dihasilkannya 175 A.h/kg. Material ini aman dipakai serta
memiliki tingkat siklus pemakaian yang cukup lama. Pengembangan
material pada anoda ini terus berlanjut seiring penelitian mengenai sifat-
sifat suatu material (Fadli Rohman, 2012:91). Pada tabel 2.1 memberikan

19. 7
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
contoh beberapa material yang pernah digunakan sebagai anoda dengan
kapasitas energinya.
Tabel 2.1. Beberapa material yang dipakai untuk anoda
(Manjhunata, 2010)
Material Kapasitas (teori) (Ah/kg) Kapasitas (Ah/kg)
LixV2O2 75 40
LixV2O2/Ppy 75 47
LiV3O8 145 40-45
Li2Mn4O9 156 110
Li4Mn5O12 202 110
Polypyrrole (Ppy) 120 52,5
b. Elektroda Positif (Katoda)
Katoda merupakan elektroda yang fungsinya sama seperti anoda
yaitu pengumpul ion serta material aktif. Namun perbedaannya adalah
katoda merupakan elektroda positif. Beberapa karakteristik yang harus
dipenuhi suatu material yang digunakan sebagai katoda antara lain
material tersebut terdiri dari ion yang mudah melakukan reaksi reduksi dan
oksidasi, memiliki konduktifitas yang tinggi seperti logam, memiliki
kerapatan energi yang tinggi, memiliki kapasitas energi yang tinggi,
memiliki kestabilan yang tinggi (tidak mudah berubah strukturnya atau
terdegradasi baik saat pemakaian maupun pengisian ulang), harganya
murah dan ramah lingkungan. Pada tahun 1980 material LiCoO2 menjadi
kandidat material pertama yang digunakan sebagai katoda pada Lithium-
Ion Battery. Kerapatan energi yang dimiliki LiCoO2 sebesar 140 A.h/kg.
Walaupun demikian material tersebut memiliki kestabilan yang rendah dan
harganya relative mahal. Sejalan dengan peningkatan performa katoda,
beberapa penelitian yang dilakukan antara lain membuat katoda dari
LiMO2 (M = Co (Cobalt); Ni (Nikel) ; Mn (Mangan); dan lainnya). LiMO2
tersebut dibentuk dalam bentuk layer-layer (seperti pada gambar 2.1).
Adapula material yang digunakan sebagai katoda dibentuk dalam bentuk
spinel LiM2O4 (M : Mn (Mangan)) ; serta olivine LiMPO4F (M : Fe) dapat

20. 8
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
dilihat pada gambar 2.2 dan 2.3 (Bo Xu, 2012). Tabel 2.2 menunjukkan
beberapa jenis material yang dapat digunakan untuk katoda dengan besar
kapasitas energinya yang dapat disimpan (Fadli Rohman, 2012:92).
Gambar 2.1 Struktur Kristal layer LiMO2 (biru : ion logam transisi ; merah
: ion lithium) (Bo Xu, 2012)
Gambar 2.2 Struktur kristal spinel LiM2O4 (biru : ion logam transisi ;
merah : ion lithium) (Bo Xu, 2012).

21. 9
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
Gambar 2.3 Struktur kristal olivin LiMPO4F (biru : ion logam transisi ;
merah : ion lithium) (Bo Xu, 2012).
Tabel 2.2 Beberapa jenis material yang digunakan untuk katoda
(Manjhunata, 2010)
Material Kapasitas (teori) (Ah/kg) Kapasitas (Ah/kg)
LiCoO2 140 112
LiMn2O4 148 84,6
LiMn2O4/MWCNTs 148 117
LiMnO2 - 62
γ-MnO2 148 120
LiMnPO4 170 75
c. Elektrolit
Elektrolit adalah bagian yang berfungsi sebagai penghantar ion
lithium dari anoda ke katoda atau sebaliknya. Karakteristik elektrolit yang
penting untuk diperhatikan antara lain konduktivitas, aman (tidak beracun)
serta harganya murah. Elektrolit ini terbagi dalam dua jenis yaitu elektrolit
cair dan elektrolit padat. Kedua jenis ini memiliki kelebihan serta
kekurangannya. Kelebihan dari elektrolit cair antara lain memiliki
konduktivitas ionik yang besar, harga yang murah, dan aman. Namun
kekurangannya adalah memiliki performa siklus pemakaian yang rendah
(tidak tahan lama) yaitu hanya berkisar 25 kali siklus dan dapat

22. 10
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
mengurangi kerapatan energi. Beberapa material yang dapat digunakan
sebagai elektrolit cair antara lain LiNO3 , LiClO ,Li2SO4 , garam LiNO3 ,
garam Li2SO4, LiPF6. Elektrolit padat sendiri keuntungannya yaitu
memiliki konduktivitas yang besar serta dapat tahan lama dibandingkan
dengan elektrolit yang cair. Jenis elektrolit padat ini berupa keramik atau
polimer organik. Contoh material yang dipakai untuk elektrolit padat
antara lain yaitu (La,Li)TiO3 (Fadli Rohman, 2012:93).
d. 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. Selain itu separator harus
dapat dilewati oleh ion lithium dengan baik. Tidak hanya sebagai
pembatas antar elektroda, separator memiliki peranan penting dalam
proses penghasilan listrik, pengisian ulang, dan tentunya keamanan pada
baterai litium ion sendiri. Beberapa hal yang penting untuk memilih
material agar dipilih sebagai separator antara lain material tersebut bersifat
insulator, memiliki hambatan listrik yang kecil, kestabilan mekanik (tidak
mudah rusak), memiliki sifat hambatan kimiawi untuk tidak mudah
terdegradasi dengan elektrolit serta memiliki ketebalan lapisan yang
seragam atau sama di seluruh permukaan. Beberapa material yang dapat
digunakan sebagai separator antara lain polyolefins (PE dan PP),
Polyvinylidene fluodire (PVdF), PTFE (teflon), PVC, dan polyethylene
oxide (Fadli Rohman, 2012:94).
2. Prinsip Kerja Lithium-Ion Battery
Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa Lithium-Ion Battery tersusun
dari empat komponen penting yaitu anoda, katoda, elektrolit serta separator.
Kedua proses ini dapat dilihat pada gambar 2.4. Pada proses pemakaian listrik
(discharging) elektron dari anoda mengalir ke katoda melalui kabel konektor
sedangkan lithium yang berada pada sistem (di dalam baterai) lepas dari anoda
karena kekurangan elektron untuk berpindah menuju katoda melalui elektrolit.
Pada proses pengisian (charging), elektron dari katoda mengalir menuju anoda

23. 11
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
sedangkan ion lithium dalam sistem berpindah dari katoda menuju anoda
melalui elektrolit (Fadli Rohman, 2012:94).
Gambar 2.4 Proses pemakaian dan pengisian ulang pada Lithium-Ion Battery
(http://reyn94.blogspot.com/2012/12/sekilas-tentang-baterai-li-ion.html)
Reaksi yang terjadi pada sistem Lithium-Ion Battery tersebut
merupakan reaksi reduksi dan reaksi oksidasi. Reaksi reduksi adalah reaksi
penambahan elektron oleh suatu molekul atau atom sedangkan reaksi oksidasi
adalah reaksi pelepasan elektron pada suatu molekul atau atom. Sebagai
contoh, misalkan kita memakai LiCoO2 sebagai katoda, LiC6 sebagai anoda
dan LiPF6 sebagai elektrolit pada Lithium-Ion Battery. Maka reaksi yang
terjadi adalah :
Charge/pengisian
Pada katoda : LiCoO2 Li1-xCoO2 + x Li+ + x e – ..............(1)
Discharge/pemakain
Charge/pengisian
Pada anoda : C6 + x Li+ + x e - LixC6 ................(2)
Discharge/pemakaian

24. 12
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
B. Graphene
Pada tahun 1789 Abraham Gottlob Werner, seorang ilmuwan menamakan
suatu material yang disebut dengan grafit. Grafit merupakan salah satu jenis
material yang tersusun dari atom karbon yang strukturnya membentuk 3 dimensi
(3D). Material ini dapat kita jumpai di kehidupan sehari-hari, yaitu isi pensil.
Ketika kita menulis, maka grafit akan membentuk tulisan dan juga terdapat
serpihan-serpihan. Jika serpihan grafit tersebut kita tekan dengan selotip maka
akan ada suatu jenis material yang lebih sederhana, yang disebut dengan
graphene. Graphene ini ternyata merupakan partikel penyusun grafit, dengan
permisalan tumpukan-tumpukan kertas membentuk sebuah buku, dengan
graphene sebagai kertas dan grafit sebagai bukunya. Percobaan sederhana ini
dilakukan pada tahun 2004 oleh dua orang ilmuwan dari Manchester, Inggris yaitu
Novoselov dan Andre Geim.
1. Morfologi Graphene
Graphene merupakan material karbon dalam bentuk monolayer dasar
atom dalam bentuk 2 dimensi yang membentuk pola hexagonal seperti sarang
lebah dengan susunannya berupa lembaran dengan ketebalan sebesar satu atom
karbon. Bentuk lembaran dapat dilihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 Struktur material graphene (Castro Netro, 2009)
Jenis ikatan yang terdapat pada graphene adalah jenis ikatan dengan
hibridisasi sp2 seperti ikatan yang dimiliki oleh benzene. Jarak antar atom
karbon pada satu ikatan antar karbon pada graphene tersebut adalah 0,142
nanometer. Sedangkan untuk membuat suatu grafit, jarak antar lembar
graphene-nya adalah 0,335 nanometer.

25. 13
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
Lembaran graphene dapat membentuk 0 dimensi (0D) yaitu fullerene,
1 dimensi (1D) yaitu carbon nanotube (CNT), 2 dimensi (2D) yaitu lembaran
graphene itu sendiri, dan 3 dimensi (3D) yaitu grafit (Fadli Rohman, 2012:96).
a b c
Gambar 2.6 Graphene sebagai material penyusun bentuk alotrop
karbon lainnya
Pada gambar 2.6 (a) graphene yang digulung menjadi sebuah bola
akan menjadi material fullerene. Gambar 2.6 (b) graphene yang digulung
menjadi semacam tabung akan menjadi material carbon nanotube (CNT).
Gambar 2.6 (c) graphene yang disusun menjadi berlapis-lapis maka akan
membentuk material grafit.
2. Metode Sintesis Graphene
Berbagai metode telah dikembangkan untuk membuat graphene.
Metode-metode ini terbagi menjadi dua, yaitu pembelahan grafit menjadi
lapisan-lapisan graphene (top down) dan penumbuhan graphene secara
langsung dari atom-atom karbon (bottom up). Yang termasuk metode top down
adalah metode pengelupasan sadangkan metode bottom up adalah reduksi
Graphene Oksida, dispersi dalam cairan, dan pertumbuhan epitaksial.
a. Pengelupasan
Metode pengelupasan merupakan metode yang digunakan oleh
Andre Geim dan Konstantin Novoselov (penemu graphene). Secara

26. 14
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
sederhana metode ini dapat diterangkan sebagai berikut : pengelupasan
sebuah lapisan dari kristal Highly Ordered Pyroliytic Graphite (HOPG)
(Anton Prasetyo,2012:379). HOPG sendiri adalah kristal grafit yang
mempunyai keteraturan yang sangat tinggi, yang susunan kristalnya dapat
digambarkan seperti di bawah ini :
Gambar. 2.7 Struktur Kristal Highly Ordered Pyroliytic Graphite (HOPG)
Andre Geim dan Konstantin Novoselov menemukan graphene
dengan tidak sengaja. Mulanya, beliau sedang bekerja di laboratorium
kemudian melihat peneliti seniornya yang sedang meneliti grafit. Peneliti
seniornya tersebut menempelkan selotip ke grafit dan mengelupasnya
dengan tujuan membersihkan grafit lalu membuang selotip tersebut ke
tempat sampah. Andre Geim dan Konstantin Novoselov tertarik dengan
lapisan grafit yang ada di selotip tersebut. Ternyata setelah mereka kaji dan
dilakukan karakterisasi, lapisan grafit yang menempel di selotip ini lebih
memiliki sifat unggul dari pada grafitnya. Dalam metode pengelupasan,
selotip direkatkan pada grafit lalu dikelupas sehingga di selotip tersebut ada
lapisan tipis grafit. Perekatan selotip dilakukan berkali-kali sampai didapat
satu lapisan graphene.
Keunggulan dari metode ini adalah graphene yang dihasilkan
berkualitas tinggi (murni atau tidak memiliki impuritas) karena diambil
langsung dari grafit. Selain itu, kualitasnya tinggi karena tidak digunakan
pelarut saat mensintesisnya sehingga tidak ada sifat pelarut yang terbawa ke
graphene yang dihasilkan. Sedangkan kelemahan dari metode ini adalah

27. 15
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
hasil produksi dalam skala kecil, biaya produksi tinggi, dan tebal graphene
yang tidak rata. Metode ini cocok jika graphene yang dihasilkan untuk
penelitian dimana jumlah produksi yang diinginkan memang skala
laboratorium.
Tahap lanjutan dari proses pengelupasan adalah drawing method
yaitu mentransfer lapisan graphene pada selotip ke substrat dengan cara
menempelkan lapisan tersebut ke substrat. Substrat yang biasa digunakan
adalah silikon (Si) dan Silika (SiO2). Silikon yang semula bersifat
semikonduktor lalu didoping oleh graphene sehingga memiliki
konduktivitas listrik sangat baik dan menjadi konduktor. Dengan adanya
metode ini, graphene yang terbentuk dapat langsung digunakan (Hassan
Raza, 2012).
b. Reduksi Graphene Oksida (GO)
Graphene oksida merupakan senyawa turunan dari graphene yang
mengandung tidak hanya karbon, tetapi juga oksigen dan hidrogen. Tahapan
sintesisnya adalah Graphene Oksida (GO) dilarutkan dalam air. Karena GO
bersifat hidrofobik, lembaran-lembaran GO langsung terpisah dari kristal
asalnya. Kemudian, untuk mendapatkan graphene, GO diendapkan dan
direduksi dengan hidrazin. Hasil graphene dari reduksi GO dapat dilihat
pada gambar 2.8.
Graphene yang dihasilkan ternyata tidak rata dan memiliki
konduktivitas yang rendah, yaitu 0,05 - 2 S/cm karena masih adanya atom
impuritas yaitu sisa pereduksi dan pelarut yang menempel pada graphene.
Tetapi bukan berarti metode ini tidak bisa diterapkan. Metode ini berguna
jika graphene yang dihasilkan diaplikasikan untuk tinta, cat, dan elektroda
dimana tidak membutuhkan tingkat konduktivitas terlalu tinggi. Selain
memiliki kekurangan, metode ini juga memiliki kelebihan yaitu hasil
produksi dalam jumlah besar dan biaya produksi murah (Eko
Widiatmoko,2009).

28. 16
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
Gambar 2.8 Graphene yang dihasilkan dari graphene oksida
c. Dispersi dalam Cairan
Pada metode ini, cairan yang digunakan adalah larutan surfaktan
SDBS (sodium dodecylbenzene sulfonate). Saat dilarutkan, grafit terlepas
dengan sendirinya karena sifatnya yang hidrofobik. Setelah itu, dilakukan
pengendapan dan pengeringan sehingga graphene dapat dikumpulkan. Jenis
larutan yang dapat digunakan untuk metode ini memiliki kriteria grafit tidak
larut dalam pelarut tersebut. Namun sampai saat ini, larutan yang digunakan
adalah larutan surfaktan SDBS.
Graphene yang dihasilkan memiliki tebal sekitar 150 nm, dan
memiliki konduktivitas 1500 S/m. Nilai konduktivitas yang rendah ini
disebabkan masih menempelnya molekul surfaktan sehingga mengganggu
jalannya elektron dan menurunkan konduktivitas. Walaupun demikian, cara
ini memiliki keunggulan bahwa memerlukan sedikit biaya dan hasil
produksi cukup banyak.
Metode ini sangat cocok diterapkan jika graphene yang dihasilkan
digunakan untuk elektroda transparan dan untuk sensor dimana tidak
membutuhkan tingkat konduktivitas terlalu tinggi.
d. Pertumbuhan Epitaksial
Metode pertumbuhan epitaksial adalah metode yang menggunakan
substrat sebagai bibit pertumbuhannya sehingga ikatan antara lembaran
graphene bagian bawah dengan substrat dapat memengaruhi sifat-sifat
lapisan karbon. Berdasarkan substratnya, pertumbuhan epitaksial dibedakan
menjadi penumbuhan dengan CVD Logam (Chemical Vapor Deposition)
dan Penumbuhan dari Silikon Karbida.

29. 17
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
1) Penumbuhan dengan CVD Logam
Metode CVD adalah salah satu teknik deposisi, yang dipandang
sebagai teknik yang cocok untuk membuat graphene dalam skala luas
karena kesederhanaan metode dan murah. Dalam teknik ini terjadi
dekomposisi hidrokarbon seperti metana, etilena, asetilena dan benzene
pada lapis logam semisal Ni, Cu, Co atau Ru. Proses ini terjadi pada
suhu tinggi yaitu sekitar 800o
C – 1000o
C yang akan menjadi lapis
graphene (Anton Prasetyo,2012:380). Mekanisme penumbuhan
graphene pada logam :
a) Logam (Cu dan Ni) bersuhu suhu 1000o
C direaksikan dengan gas
(metana + hidrogen), alasan digunakan logam Cu dan Ni karena
logam ini dapat dikikis dengan etsa sehingga graphene yang
dihasilkan tidak terikat pada substrat logam. Etsa adalah peristiwa
pengikisan bagian permukaan logam dengan menggunakan asam
kuat.
b) Suhu diturunkan sampai suhu ruang sehingga atom karbon
mengendap di permukaan logam menjadi graphene.
c) Graphene yang telah ditumbuhkan pada logam tersebut
dipindahkan ke substrat PMMA (Polymethyl Metcrylate)
sedangkan logamnya dietsa hingga habis. Alasan digunakannya
PMMA karena dapat dikikis habis dengan aseton sehingga
graphene yang terbentuk tidak terikat pada PMMA.
Graphene yang ditumbuhkan dengan metode ini memiliki
mobilitas pembawa muatan yang tinggi karena substrat tempat
tumbuhnya telah dikikis habis dan jumlah graphene yang dihasilkan
dalam skala cukup besar.
Tetapi kelemahan pada metode ini adalah biaya produksi yang
besar, logam harus dipanaskan sampai suhu 1000o
C, dan prosesnya
yang cukup lama. Hasil graphene dengan metode ini dapat diterapkan
untuk touch screens, fleksibel LED, fleksibel OLED, dan solar cell.

30. 18
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
2) Penumbuhan dengan Silikon Karbida
Pada metode ini menggunakan bahan kristal silika karbida
(SiC). Substrat kristal tunggal SiC atau butiran polikristalin SiC
komersial dipanaskan pada suhu tinggi pada kisaran 1200°C -1600°C.
Dasar dari teknik ini adalah perbedaan laju sublimasi dari silikon dan
grafit, di mana silikon lebih mudah mengalami sublimasi, sehingga
silikon akan tersublimasi dan karbon akan tertinggal di permukaan,
yang selanjutnya akan mengalami penataan ulang dan membentuk
graphene (Z.H. Ni, 2008).
Keunggulan dari metode ini adalah substrat SiC dapat langsung
digunakan sebagai piranti elektronik dan menghasilkan graphene
berkualitas tinggi karena tidak menggunakan pelarut. Selain itu,
dihasilkan graphene berkualitas tinggi karena atom Si tidak bereaksi
dengan karbon. Sedangkan kelemahan dari metode ini adalah biaya
produksi yang tinggi karena mahalnya harga substrat dan memerlukan
suhu yang tinggi mencapai 1500o
C.
Graphene yang dihasilkan dengan menggunakan metode ini
dapat diaplikasikan menjadi transistor, jumper atau interconnect sircuit,
dan memory card.
3. Sifat Graphene
Dari sifat-sifat graphene kita dapat memanfaatkan material graphene
tersebut. Ada beberapa sifat yang dimiliki oleh graphene, antara lain sifat
elektronik graphene, sifat mekanik graphene, sifat optik graphene, sifat termal
graphene, sifat permukaan graphene, sifat magnet graphene.
a. Sifat Elektronik Graphene
Sifat elektronik pada graphene dapat ditinjau melalui bagaimana
sifat dari mobilitas pembawa muatannya, konduktivitas, band gap serta
kurva dispersinya. Susunan atom graphene merupakan susunan heksagonal
dua dimensi dari atom karbon. Oleh karenanya, graphene memiliki
mobilitas elektron diprediksi pada suhu kamar pada tingkatan 106
cm2
/Vs

31. 19
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
dan secara eksperimental dapat diketahui bahwa mobilitas elektronnya
adalah 15.000 cm2
/Vs (Anton Prasetyo, 2012:383). Pada pojok-pojok zona
Brillouin pertama,ditunjukkan pada gambar 2.9 energi elektron pada pita
konduksi tepat bertemu dengan pita valensi membentuk kerucut, sehingga
band gapnya bernilai nol (Fadli Rohman, 2012:97). Pada tempat ini
dinamakan titik Dirac, nilai energi berbanding lurus dengan momentum,
sehingga massa efektif elektron adalah nol. Dengan massa efektif yang nol
maka graphene mempunyai mobilitas yang tinggi serta konduktivitasnya.
Gambar 2.9 Kurva dispersi graphene
b. Sifat Optik Graphene
Graphene bersifat transparan meskipun tetap memiliki kerapatan
yang cukup tinggi, yaitu sebesar 0,77 mg/m2
. Satu lapis dari graphene
menyerap hanya 2,3% dari cahaya yang masuk. Hal ini mengakibat masih
dapat dilihat dengan mata walaupun material ini merupakan material yang
sangat tipis dengan ketebalannya sebesar satu atom karbon. Namun, untuk
melihatnya diperlukan penumbuhan graphene di permukaan pada wafer
silicon berupa silicon oxide (Fadli Rohman, 2012:97). Cahaya ini akan
memberikan sinar pada permukaan tersbut dan permukaan graphene dapat
terlihat melalui pantulan dari cahaya tersebut. Kombinasi berbagai sifat
misalnya nilai konduktivitas tinggi, sifat elektronik yang unik dan
penyerapan cahaya rendah membuat bahan ini sebagai calon yang ideal

32. 20
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
bahan film konduktif transparan. Sehingga hal ini sangat menarik perhatian
dari peneliti untuk menggunakan sifat unik graphene untuk aplikasi
teknologi di luar aplikasi FET graphene. Dan karena sifat tersebut maka
graphene juga berpeluang sebagai material pengganti Indium Tin Oksida
(ITO) (Anton Prasetyo, 2012:384).
c. Sifat Termal Graphene
Graphene memiliki konduktivitas termal yang sangat besar.
Pengukuran ini dilakukan pada suhu kamar dengan hasil bahwa
konduktivitas graphene lebih besar dibandingkan dengan material dengan
struktur karbon yang lain seperti karbon nanotube serta grafit. Besar
konduktivitas termalnya berkisar > 5.000 W/m/K di mana jauh 5 kali lebih
besar dibandingkan dengan grafit (1000 W/m/K) (Fadli Rohman, 2012:98).
Bahkan Graphene memiliki konduktivitas termal 50 persen lebih tinggi
dibandingkan karbon nanotube, juga 10 kali lebih tinggi dibandingkan
logam, seperti tembaga dan aluminium.
d. Sifat Permukaan Graphene
Luas permukaan dari graphene diprediksi sekitar 2600 m2
/g,
sedangkan dari pengukuran dengan metode Brunauer-Emmett-Teller (BET)
didapatkan hasil bahwa material graphene mempunyai luas permukaan
spesifik pada rentang 270 – 1550 m2
/g. Dan dengan luas permukaan yang
besar dan juga bentuk dua dimensi maka graphene mempunyai kemampuan
menyerap yang sangat baik, sehingga berpeluang digunakan sebagai
material penyimpan, misalnya hydrogen ataupun sebagai material sensor
(Anton Prasetyo, 2012:384).
C. Aplikasi Graphene Pada Lithium-Ion Battery
Saat ini kita mengenal baterai isi ulang yang berbasis pada material
Lithium (Li). Seperti halnya superkapasitor, bahwa permintaan baterai Li-Ion dari
tahun ke tahun selalu meningkat dan juga permintaan akan kemampuan
menyimpan energi yang lebih lama dan juga siklus hidup yang meningkat, itu
semua berkaitan dengan perkembangan dunia industri elektronika dan

33. 21
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
telekomunikasi yang berkembang sedemikian cepat. misalnya telepon selular,
komputer tablet ataupun mobil listrik. Baterai Li-ion adalah baterai dapat
menyimpan energi listrik dalam jangka waktu yang panjang, dan salah satu faktor
yang mempengaruhi sifatnya adalah kualitas bahan elektroda (anoda/katoda), di
samping faktor lainnya. Dan salah satu usaha untuk memperbaiki performa dari
baterai, maka salah satu jalannya adalah memperbaiki kualitas dari elektroda yang
digunakan.
Graphene merupakan material yang memiliki memiliki mobilitas elektron
sekitar 15000 cm2
/Vs, sehingga konduktivitas listriknya baik dan bersifat
konduktor, konduktivitas termal yang baik yaitu > 5000 W/m/K, serta sangat
transparan karena setipis satu atom, material ini sekarang sudah dikembangkan
dan dapat diaplikasikan di Lithium-Ion Battery. Sudah dijelaskan sebelumnya
bahwa Lithium-Ion Battery terdapat dua buah elektrode yaitu anoda dan katoda.
Graphene memiliki peran sebagai anoda pada Lithium-Ion Battery yaitu untuk
meningkatkan beberapa parameter pada Lithium-Ion Battery seperti yang sudah
dijelaskan sebelumnya yaitu kapasitas energi listrik yang disimpan, kerapatan
energi listriknya, kekuatan mekaniknya, aman (tidak beracun), tahan lama serta
pembuatannya mudah. Peningkatan beberapa parameter pada Lithium-Ion Battery
menggunakan graphene tersebut bukan hanya dilakukan secara eksperimen namun
ada pula peneliti yang melakukan perhitungan melalui simulasi atau komputasi.
Hailiang Wang dan tim penelitiannya membuat suatu material hybrid untuk anoda
pada Lithium-Ion Battery yang terdapat graphene di dalamnya yaitu nano partikel
Mn3O4-Graphene Oxide. Pembuatan material anoda dari graphene ini melalui dua
tahapan. Tahap pertama mensintesis nanopartikel Mn3O4 terlebih dahulu
kemudian menumbuhkannya pada lembaran RGO (reduced graphene oxide) lihat
Gambar 2.11. Hasil dari eksperimen ini cukup signifikan peningkatan kapasitas
energi dengan lama pemakaian dan kestabilan siklusnya yang bagus karena
interaksi yang sangat dekat antara substrat graphene dan nanopartikel Mn3O4 yang
sudah ditumbuhkan pada graphene. Kepadatan energi yang diperoleh mencapai
~900 Ah/kg. Material ini menjadi kandidat material untuk anoda pada Lithium-Ion

34. 22
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
Battery yang memiliki kapasitas energi yang tinggi, harganya murah, serta ramah
lingkungan (Hailiang Wang, 2010).
Gambar 2.10 Morfologi graphene yang sudah ditumbuhi Mn3O4 (Hailiang
Wang, 2010)
Selain material hybrid Mn3O4-graphene, ada pula peneliti yang membuat
anoda dari material campuran Si-graphene. Pada pembuatan material ini, tahap
awal adalah mensintesis graphene-oxide (GO) terlebih dahulu dari grafit dengan
menggunakan metode Hummers. GO yang dihasilkan kemudian dibentuk menjadi
material lembaran graphene di mana lembaran ini terdapat cacat berupa
kekosongan atom karbon di beberapa clusternya. Dapat dilihat pada gambar 2.12
lembaran-lembaran graphene yang berlubang/kosong dapat diisi dengan lithium
sampai 200 mAh/g dalam waktu kurang dari 2 menit. Para peneliti merancang
campuran Si-graphene dengan kapasitas yang tinggi yang mampu beroperasi pada
tingkat charge-discharge yang tinggi dengan menumbuhkan nanopartikel Si (20-
50nm) antara lembaran graphene. Untuk self-supporting, fleksibel elektrode
ditunjukkan untuk memberikan kapasitas reversibel 1100 mAh/g pada 8A/g,
setara dengan discharge penuh dalam 8 menit, atau 3200 mAh/g pada tingkat 1
A/g, dapat diulang sampai 99,9% antar siklus selama lebih dari 150 siklus (Xin
Zhao, 2011).

35. 23
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
Gambar 2.11 Skema material komposit Si-Graphene. (Xin Zhao, 2011)
Ada pula penelitian yang membuat anoda yang terbuat dari silikon dan
graphene juga yang terdiri dari banyak lapisan graphene dan silikon seperti yang
dilihat pada gambar 2.13. Lapisan graphene dan silikon dibuat berlapis-lapis
(multilayer) dengan sisi terluar adalah tembaga sebagai elektroda pada anoda
tersebut. Terdapat 5 lapisan bolak-balik graphene silikon yang mempertahankan
kapasitas muatan yang unggul pada 30 siklus charge-discharge. Pada 30 siklus,
anoda graphene silikon ditahan 59 persen dari kapasitas awalnya (Liwen Ji, 2012).
Gambar 2.12 Skema lapisan-lapisan silikon dan graphene penyusun anoda.
(Liwen Ji, 2012)
Qi Guo dan timnya membuat penelitian dengan campuran timah oksida
SnO2/graphene sebagai material anoda yang reversibelnya tinggi. Campuran
timah oksida SnO2/graphene disintesis melalui metode wet chemical sederhana
dengan menggunakan graphene oksida dan SnCl2.2H2O sebagai bahan baku.
Graphene dengan tingkatan reduksi yang tinggi dalam campuran dapat
menghasilkan konduktivitas yang tinggi dan kapasitas discharge yang tinggi pula.

36. 24
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
Nanopartikel SnO2 dengan ukuran sekitar 5 nm yang merata pada susunan
graphene.
Campuran SnO2/graphene menunjukkan kinerja elektrokimia yang luar
biasa seperti kapasitas reversibel yang tinggi, stabilitas siklus yang baik dan
kinerja discharge tingkat tinggi yang baik. Pada awalnya kapasitas discharge dan
charge masing-masing 1995,8 mAh/g dan 1923,5 mAh/g. Setelah 40 siklus,
kapasitas reversibel discharge masih dipertahankan sekitar 1545,7 mAh/g pada
densitas arus 1 A/g, ini menunjukkan bahwa campuran SnO2/graphene merupakan
bahan anoda alternatif yang menjanjikan digunakan untuk penyimpanan tinggi
baterai lithium ion (Qi Guo, 2013).
Dari keterangan di atas, dapat kita ketahui bahwa adanya material
graphene ini dapat meningkatkan kapasitas energi yang ada pada anoda di
Lithium-Ion Battery. Material tersebut juga memberikan keuntungan yang lain
yaitu tahan lama karena memiliki kekuatan material yang besar, harga yang murah
serta memiliki tingkat kestabilan yang tinggi.

37. 25
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
BAB III
PENUTUP
A. Kesimpulan
Berdasarkan pembahasan makalah Seminar Fisika yang telah diuraikan
dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
1. Graphene memiliki sifat mobilitas elektron sekitar 15000 cm2
/Vs sehingga
konduktivitas listriknya tinggi dan bersifat konduktor, konduktivitas termalnya
berkisar >5000 W/m/K, luas permukaannya antara 270 – 1550 m2
/g serta
mempunyai transparansi yang tinggi dengan menyerap 2,3% dari cahaya yang
masuk sehingga terlihat bening.
2. Prinsip kerja Lithium-Ion Battery yaitu pada proses pemakaian listrik
(discharging) dan pengisian (charging).
a. Pada proses pemakaian listrik (discharging) elektron dari anoda mengalir
ke katoda melalui kabel konektor sedangkan lithium yang berada pada
sistem (di dalam baterai) lepas dari anoda karena kekurangan elektron
untuk berpindah menuju katoda melalui elektrolit.
b. Pada proses pengisian (charging), elektron dari katoda mengalir menuju
anoda sedangkan ion lithium dalam sistem berpindah dari katoda menuju
anoda melalui elektrolit.
3. Graphene memiliki peran sebagai anoda pada Lithium-Ion Battery yaitu untuk
meningkatkan beberapa parameter pada Lithium-Ion Battery seperti kerapatan
energi listrik serta jangka pakai.
B. Saran
Berdasarkan pembahasan makalah, ada beberapa saran yang dapat
dikemukakan antara lain :
1. Membahas aplikasi-aplikasi graphene yang lainnya, seperti film konduktif
transaparan, superkapasitor dan graphene flash memory.

38. 26
Fb : Pakgurufisika
www.pakgurufisika.blogspot.com
DAFTAR PUSTAKA
Castro Neto, A. H. et.al,(2009). The electronic properties of graphene, Rev.
Modern Physics ,Journal of The American Physical Society
Guo, Qi, et. Al. (2013). SnO2/Graphene Composite as Highly Reversible Anode
Materials for Lithium Ion Batteries. Journal of Power Sources
Ji, Liwen, et. al.,(2012). Graphene/Si multilayer structure anodes for advanced
half and full lithiumion cells, Journal of Nano Energy
Manjunatha, H; Suresh, G.S; Venkatesha, T.V,(2011). Electrode materials for
aqueous rechargable lithium batteries, Journal of Solid State
Electrochem
Ni Z.H, et.al, (2008), Raman Spectroscopy of Epitaxial Graphene on a SiC
Substrate, Physical Review
Oates, Krysten,(2010). Lithium-ion Batteries : Commercialization History and
Current Market, Foresight Science and Technology
Prasetyo, Anton. (2012) .Graphene.Bandung:Institut Teknologi Bandung.
Raza, Hassan. (2012). Grapehen Nanoelectronics. New York : Springer
Rohman, Fadli. (2012) .Aplikasi Graphene Untuk Lithium Ion
Battery.Bandung:Institut Teknologi Bandung.
Wang, Hailiang et. al.(2010). Mn3O4-Graphene Hybrid as a High Capacity Anode
Material for Lithium Ion Batteries, Journal of American Chemical
Society
Widiatmoko, Eko., (2009) Graphene : Sifat, Fabrikasi, dan Aplikasinya, Artikel
Ilmiah,. (http://102fm-itb.org/uploads/Graphene.pdf)
Xu, Bo, et. al.(2012) Rencent Progress in cathode materials research for
advanced lithium ion batteries, Journal of Materials Science and
Engineering R,
Zhao, Xin, et. al.,(2011). In-Plane Vacancy-Enabled High-Power Si-Graphene
Composite Electrode for Lithium-Ion Batteries, Journal of Advanced
Energy Materials,