PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN...

13
55 PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN NEUTRON PADA MATERIAL PENYIMPAN ENERGI Evvy Kartini ABSTRAK PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN NEUTRON PADA MATERIAL PENYIMPAN ENERGI. Kebutuhan energi yang semakin meningkat khususnya di bidang industri dan transportasi sudah tidak dapat dihindari lagi. Peningkatan polusi, kerusakan lingkungan, dan global warming dikarenakan tingginya emisi karbon dioksida sudah sangat meresahkan dunia. Hal ini dikarenakan eksploitasi dan eksplorasi dari bahan bakar minyak fosil, yang tidak dapat diperbaharui. Oleh karena itu, pemerintah mendukung adanya pemanfaatan energi yang dapat diperbaharui, dan ramah lingkungan. Salah satunya adalah penggunaan mobil listrik yang ramah lingkungan yang menggunakan baterai sebagai sumber energinya. Selain ramah lingkungan, diharapkan model transportasi ini dapat juga mengurangi penggunaan bahan bakar minyak yang sangat terbatas. Karena baterai khsususnya baterai ion lithium yang merupakan sumber utama energi mobil listrik dan juga digunakan pada berbagai peralatan elektronik dan rumah tangga, penelitian baterai ion lithium sangat dibutuhkan. Masalah utama yang diteliti adalah material komponen baterai seperti elektroda, elektrolit dan separator. Penelitian terforkus pada pencarian material elektroda atau elektrolit baru yang lebih aman, efisien dan kapasitas lebih tinggi. Salah satu elektroda yang sering diteliti adalah LiCoO 2 . Material ini merupakan model untuk katoda memiliki kapasitas tinggi, berstukutur lapisan dan relatif stabil. Untuk mengetahui model struktut kristal LiCoO 2 , teknik nuklir seperti hamburan neutron sangatlah diperlukan. Kelebihan teknik nuklir ini adalah dapat mendeteksi keberadaan ion lithium di dalam struktur kristal tersebut. Untuk penelitian ini, telah dilakukan percobaan dengan menggunakan instrumen High Resolution Powder Diffractometer (HRPD) yang terletak di Neutron Scattering Laboratory, PTBIN, BATAN. Hasil pengukuran dianalisis menggunakan program Rietveld Analysis (RIETAN). Parameter hasil pengukuran diantaranya ukuran Kristal, struktur, fasa, panjang kisi atom dll, yang diperoleh dari hasil fitting. Program komputasi ini juga dapat digunakan untuk menggambarkan model dari struktur Kristal 3 dimensi, dimana keberadaan ion lithium dapat diperkirakan lokasinya. Dapat disimpulkan di sini bahwa komputasi dapat digunakan dalam aplikasi hamburan neutron untuk menganalisa material penyimpan energi seperti elektroda pada baterai ion lithium yang sangat potensial untuk diaplikasikan. Kata kunci: Lithium ion baterai, Hamburan neutron, Rietveld Analysis PENDAHULUAN Latar Belakang Kebutuhan energi akan terus meningkat seiring dengan perkembangan teknologi, khususnya di bidang transportasi dan industri. Keberlangsungan suplai energi merupakan hal yang sangat penting bagi perkembangan nasional yang berkelanjutan. Di lain pihak, peningkatan emisi CO 2 karena exploitasi dan explorasi energi konvensional, sangat mengkhawatirkan akan terjadinya kerusakan lingkungan Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir -BATAN Serpong, e-mail: [email protected]

Transcript of PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN...

Page 1: PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/0853-9812-2012-0551.pdfPeran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material

55

PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN NEUTRON

PADA MATERIAL PENYIMPAN ENERGI

Evvy Kartini∗∗∗∗ ABSTRAK

PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN NEUTRON PADA MATERIAL PENYIMPAN ENERGI. Kebutuhan energi yang semakin meningkat khususnya di bidang industri dan transportasi sudah tidak dapat dihindari lagi. Peningkatan polusi, kerusakan lingkungan, dan global warming dikarenakan tingginya emisi karbon dioksida sudah sangat meresahkan dunia. Hal ini dikarenakan eksploitasi dan eksplorasi dari bahan bakar minyak fosil, yang tidak dapat diperbaharui. Oleh karena itu, pemerintah mendukung adanya pemanfaatan energi yang dapat diperbaharui, dan ramah lingkungan. Salah satunya adalah penggunaan mobil listrik yang ramah lingkungan yang menggunakan baterai sebagai sumber energinya. Selain ramah lingkungan, diharapkan model transportasi ini dapat juga mengurangi penggunaan bahan bakar minyak yang sangat terbatas. Karena baterai khsususnya baterai ion lithium yang merupakan sumber utama energi mobil listrik dan juga digunakan pada berbagai peralatan elektronik dan rumah tangga, penelitian baterai ion lithium sangat dibutuhkan. Masalah utama yang diteliti adalah material komponen baterai seperti elektroda, elektrolit dan separator. Penelitian terforkus pada pencarian material elektroda atau elektrolit baru yang lebih aman, efisien dan kapasitas lebih tinggi. Salah satu elektroda yang sering diteliti adalah LiCoO2. Material ini merupakan model untuk katoda memiliki kapasitas tinggi, berstukutur lapisan dan relatif stabil. Untuk mengetahui model struktut kristal LiCoO2, teknik nuklir seperti hamburan neutron sangatlah diperlukan. Kelebihan teknik nuklir ini adalah dapat mendeteksi keberadaan ion lithium di dalam struktur kristal tersebut. Untuk penelitian ini, telah dilakukan percobaan dengan menggunakan instrumen High Resolution Powder Diffractometer (HRPD) yang terletak di Neutron Scattering Laboratory, PTBIN, BATAN. Hasil pengukuran dianalisis menggunakan program Rietveld Analysis (RIETAN). Parameter hasil pengukuran diantaranya ukuran Kristal, struktur, fasa, panjang kisi atom dll, yang diperoleh dari hasil fitting. Program komputasi ini juga dapat digunakan untuk menggambarkan model dari struktur Kristal 3 dimensi, dimana keberadaan ion lithium dapat diperkirakan lokasinya. Dapat disimpulkan di sini bahwa komputasi dapat digunakan dalam aplikasi hamburan neutron untuk menganalisa material penyimpan energi seperti elektroda pada baterai ion lithium yang sangat potensial untuk diaplikasikan. Kata kunci: Lithium ion baterai, Hamburan neutron, Rietveld Analysis PENDAHULUAN Latar Belakang

Kebutuhan energi akan terus meningkat seiring dengan perkembangan

teknologi, khususnya di bidang transportasi dan industri. Keberlangsungan suplai energi merupakan hal yang sangat penting bagi perkembangan nasional yang berkelanjutan. Di lain pihak, peningkatan emisi CO2 karena exploitasi dan explorasi energi konvensional, sangat mengkhawatirkan akan terjadinya kerusakan lingkungan

∗ Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir -BATAN Serpong, e-mail: [email protected]

Page 2: PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/0853-9812-2012-0551.pdfPeran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material

Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 (55-67)

56

dan global warming. Oleh karena itu, pengembangan energi alternatif, dan kebutuhan akan sumber energi yang dapat diperbarui, ramah lingkungan, aman, dan murah, sangatlah penting. Pentingnya pengembangan EBT, juga dilakukan oleh Negara-negara maju, seperti AS yang telah menggelontorkan dana sebesar US$ 317,8 juta atau sekitar Rp. 2,86 trilliun untuk mengembangkan energi baru terbarukan dan ramah lingkungan di Indonesia. Program dijalankan untuk mengurangi ketergantungan pada bahan bakar minyak, perlindungan kekayaan alam dan pelestarian lingkungan. Tujuannya untuk mengurangi produksi carbon dengan cara menurunkan emisi gas rumah kaca menjadi 26% pada 2020, sambil mempertahankan pertumbuhan ekonomi sebesar 7% per tahun [1]. Kebutuhan akan energi dalam berbagai bentuk telah menjadi perhatian industri juga pengguna. Aplikasi universal dan sangat luas dari energi listrik merupakan alasan utama untuk memilih energi alternatif, karena mudah di transfer ke dalam bentuk energi lainnya. Pemanfaatan energi listrik harus memenuhi persaratan sebagai energi yang ramah lingkungan. Hal ini merupakan peluang dan tantangan dalam pengembangan teknologi baterai. Teknologi Baterai untuk Transportasi

Salah satu peranan teknologi baterai pada sektor transportasi adalah penggunaan

kendaraan listrik (Electriv Vehicle /EV) dengan kapasitas dari 17 sampai 40 MWh, yang memenuhi persaratan sumber energi ramah lingkungan serta akan mengurangi polusi [2]. Manufaktur baterai kendaraan listrik (Electric Vehicle Battery-EV) sekarang ini telah didominasi oleh banyak perusahaan di Asia, seperti Jepang, Korea, China, dengan partner Mitsubishi, Toyota, RVa, dan BOSCH. Di Eropa, oleh Perancis dengan Ford, dan USA dengan GE motor. Secara global, dorongan untuk manufaktur teknologi baterai EV, telah menarik berbagai kalangan investor, seperti China menggelontorkan dana $ 300 millyar, dan AS $ 100 millyar. Pertumbuhan yang signifikan telah terjadi dari pemasaran baterai EV, di seluruh dunia.

Gambar 1. Mobil Listrik [3]

Dalam pengembangan Teknologi Baterai, banyak peluang dan tantangan yang utamanya muncul dari capaian terkini teknologi baterai (current status of battery technology). Karena itu, pemahaman pada teknologi baterai sangatlah penting sebelum model bisnis dikembangkan dan diaplikasikan. Pemahaman secara ilmiah dari lithium ion-baterai, dan hal-hal yang terkait dengan performa dan biaya dari berbagai material atau bahan kimia yang tersedia di pasaran sangatlah penting untuk dikaji [3].

Page 3: PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/0853-9812-2012-0551.pdfPeran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material

Peran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material Penyimpan Energi (Evvy Kartini)

57

Gambar 2. Specific energy dan densitas energi dari berbagai sistem baterai.[3]

Lithium ion (Li-ion) batteries sangatlah menarik untuk digunakan dalam kendaraan listrik (EV) karena kerapatan energi tinggi per unit masa, volume dan biaya. Baterai berbasis kimia Li-ion tiga kali lebih tinggi kerapatannya dibanding dengan baterai berbasis nickel-metal hydride dan nickel cadmium, selain dari itu, pasangan elektroda lebih bervariasi. Pemanfaatan katoda berbasis lithium cobalt oxide (LCO) dan lithium iron phosphate (LFP) banyak digunakan untuk baterai EV, karena memiliki energi spesifik (Watt-hour per kilogram) versus densitas energi (watt-hour per liter) lebih tinggi dari sistem lainnya. Masih banyak material yang dapat digunakan untuk pengembangan baterai ion lithium.

Gambar 3. Berbagai macam Lithium Ion baterai

Page 4: PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/0853-9812-2012-0551.pdfPeran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material

Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 (55-67)

58

PERUMUSAN MASALAH Dasar Performa dari Baterai Li-ion

Gambar 4. Skema Li-ion baterai.

Prinsip operasi baterai ion lithium sangat sederhana, jika baterai dalam keadaan

discharge, Li+ions berpindah dari anoda ke katoda secara difusi melalui elektrolit. Jika reaksi anoda dan katoda reversible, sebagaimana untuk paduan interkalasi, baterai dapat direcharge dengan dengan membalikkan arus. Perbedaan pada potensial elektrokimia dari lithium menentukan besarnya tegangan (voltase). Tanda panah pada Gambar. menunjukkan reaksi discharge dimana ion Li berdifusi dari anoda lithium metal untuk mengisi kekosongan interkalasi di katoda. Elektron yang dihasilkan, dikonduksikan lewat rangkaian luar.

Tabel 1. Komponen penting dan kata kunci pada baterai.

Anoda Elektroda yang beroperasi pada tegangan rendah. Li-ion meninggalkan anoda ketika baterai discharge dan memasuki anoda ketika baterai charge. Hampir semua komersial cell menggunakan graphite sebagai anoda.

Katoda Elektroda yang beroperasi pada tegangan tinggi. Li-ion memasuki katoda pada saat baterai discharge dan meninggalkan ketika charge. Pilihan dari material katoda merupakan faktor yang sangat penting dalam design baterai.

Elektroda Material padat dimana li-ion dan elektron bereaksi, menghasilkan listrik. Sebuah baterai terdiri dari dua elektroda, anoda dan katoda.

Elektrolit Cairan yang mengisi ruang antara katoda dan anoda (separator). Elektrolit harus mampu mentransfer Li-ion tapi bukan elektron. Elektrolit adalah campuran dari cairan organic dan garam lithium.

Densitas Energi Jumlah energi, yang diukur per joule per watt-hours, dibagi dengan volume baterai, diukur dalam liter.

Spesifik Energi Jumlah energi, diukur dalam joule atau watt-hours, dibagi masa baterai dalam kilogram.

Kapasitas Jumlah lithium yang dapat disimpan dalam material baterai per masa, diukur dalam miliampere-hours per gram. Energi sama dengan kapasitas dikalikan tegangan.

Page 5: PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/0853-9812-2012-0551.pdfPeran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material

Peran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material Penyimpan Energi (Evvy Kartini)

59

Salah satu faktor penting dalam menentukan energi baterai, adalah pemilihan material untuk katoda dan anoda. Gambar 4 menunjukan tegangan versus kapasitas dari beberapa material katoda. Material katoda yang tergambar adalah lithium manganese oxide spinnel (LiMn2O4), lithium cobalt oxide (LiCoO2), lithium iron phosphate (LiFePO4), and lithium nickel-cobalt-manganese oxide (LiNi 1/3Mn 1/3Co 1/3O2). Perkalian voltage dan capacity menghasilkan energi; karena itu semakin tinggi voltage, semakin tinggi capacity akan menghasilkan energi yang lebih tinggi. Energi dihitung persatuan volume atau masa, seperti spesifik energi atau kerapatan energi (energy density). Energi tersebut sangat ditentukan oleh pemilihan material. Berarti ‘faktor material maju untuk baterai’ sangatlah penting.

Pada kebanyakan baterai komersial menggunakan graphite carbon sebagai anoda. Secara signifikan lebih banyak perkembangan pada material katoda. LiCoO2 (LCO) secara histori pemula dari teknologi baterai lithium ion, densitas energi tinggi dan sudah dikomersialisasikan. LCO digunakan oleh Panasonic pada laptop dan peralatan elektronik portabel. Li2MnO4 (LMO) juga sudah banyak dipelajari, digunakan oleh LG dan AESC. Densitas energi lebih rendah dari LCO. Li3FePO4 (LFP) memiliki tegangan dan energi lebih rendah, tetapi memiliki keuntungan yaitu ramah lingkungan dan lebih murah. Iron-phosphate battery diproduksi oleh A123 dan AESC.

Gambar 5. Voltage dari berbagai material katoda versus capacity. Kebutuhan Pasar (Market Demand)

US Advanced battery company (USABC) mengembangkan goal atau capaian untuk misalnya kendaraan listrik. Teknologi masa kini merekomendasikan: persyaratan daya (power requirement), energi dan biaya tidak terlalu jauh. Gap antara aplikasi EV battery dan biaya produksi masih sangatlah tinggi. Issue penting lainnya, adalah safety (keamanan). Karena lithium ion sangatlah reaktif dan solvent separator

Page 6: PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/0853-9812-2012-0551.pdfPeran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material

Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 (55-67)

60

sangat mudah terbakar. LFP menunjukkan lebih resistant terhadap bahaya reaksi kimia, dibanding material katoda lain. Tujuan utama lainnya adalah persaratan ekosistem yang ramah lingkungan. Sehingga EV ekosistem merupakan persaratan dalam pemilihan material. Biaya dan berat baterai (battery weight) perlu diperhitungkan. Untuk berbagai kendaraan dan EV market diperlukan berbagai daya (power), seperti mobil sport dan SUV memerlukan daya tinggi, sedangkan mobil sedan daya yang lebih rendah. Energi yang dibutuhkan untuk kendaraan menempuh jarak 100 miles. [4].

Gambar 6. Digram Sel Baterai untuk pemanfaatan listrik

Material Baterai

Sebagaimana dituangkan dalam diagram sel baterai, pemahaman dari sebuah baterai, tidak hanya pada material elektroda dan elektrolit, tetapi juga pada casing atau wadah, sealed, binder, foil, laminating dan lain-lain. Performa baterai tentu saja tergantung materialnya, dan sangat menentukan biaya produksi. Setiap komponen baterai berbiaya dan memerlukan biaya manufaktur. Pada makalah ini akan difokuskan penerapan teknik nuklir yaitu hamburan neutron pada material katoda LCO dan elektrolit padat berbasis gelas XI-XPO3 (X=Li, Ag).

Katoda Material katoda sangatlah mahal, dihasilkan oleh berbagai perusahaan seperti

Hitachi, Panasonic dan Sanyo. LCO dibuat melalui proses sintesa, dimana cobalt dibakar untuk menghasilkan oxida, kemudian lithium dicampur melalui reaksi kimia.

Battery Cell (e.g. Coin type,

Cylinder, Thin Film Battery)

Cathode (e.g. LiCoO2)

Anode (e.g. graphite)

Electrolyte (e.g. LiPf6)

Separator (e.g.PP.PE)

Casing (e.g. Al)

Mining/ Extraction (e.g. Li, Co)

Processing / Synthesis

Mining / Extraction

(e.g. Li, P, F)

Processing / Synthesis

Page 7: PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/0853-9812-2012-0551.pdfPeran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material

Peran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material Penyimpan Energi (Evvy Kartini)

61

LMO melalui proses pemanasan garam lithium dengan manganese oxide pada suhu 500oC dan kemudian 900-1200oC. Kemudian dicampur dengan lithium hydroxide atau sulfida yang dipanaskan pada suhu 850oC. LFP dibuat dari iron phosphate material. Untuk meningkatkan daya digunakan nanophosphate material. PERAN IPTEK NUKLIR Teknik Hamburan neutron

Salah satu IPTEK nuklir yang penting dalam riset material adalah teknik ‘Hamburan Netron’. Netron yang hanya dapat dihasilkan dari sumber ‘reaktor atau spalasi’ sangatlah powerfull dan memiliki berbagai keunggulan dibandingkan dengan teknik karakterisasi lainnya. Netron yang tak bermuatan, memiliki daya tembus tinggi dan tak merusak pada material. Netron termal dengan panjang gelombang sekitar 1.8 Ǻ sebanding dengan jarak antar atom pada kisi kristal, sehingga mudah mengkaji ‘keberadaan atom (where atom is?) dan apa yang dilakukan atom (what atoms do?)’. Teknik hamburan netron sangat penting dalam mempelajari struktur kristal dan dinamika ion pada material baterai. Pemahaman iptek nuklir ini sangatlah penting dalam pengembangan material maju untuk teknologi baterai dan merupakan kunci keberhasilan dari pengembangan teknologi baterai. Sebagai contoh pemanfaatan teknik nuklir di Jepang, khususnya pada pusat penelitian Japan Proton Accelerator Research Complex (JPARC), oleh 60% industri baterai. Teknologi Nuklir untuk Material Baterai

Peran teknologi nuklir dalam teknologi baterai sangatlah penting, khsusuSnya dalam kajian pemahaman fenoma yang terjadi pada material elektroda dan elektrolit yang mengandung ion lithium. Atom ringan ini, menjadi penentu jumlah energi spesifik atau kapasitas yang ada dalam satu sel baterai. Dengan teknik Difraksi netron, struktur atom dari komponen baterai dapat diketahui. Karena pentingnya teknologi nuklir ini dalam penelitian material baterai, sehingga perlu dilakukan kerjasama intensif dengan berbagai kalangan univeristas atau lembaga penelitian baik di dalam maupun luar negeri. Kombinasi pemanfaatan teknologi nuklir dan teknologi baterai yang merupakan keunikan BATAN.

Kerjasama di tingkat internasional dalam pengembangan teknologi baterai dengan berbagai institusi luar negeri telah dilakukan dengan: Ibaraki Univeristy dan Tohoku University, Jepang, National University of Singapore, Univeristy Kebangsaan Malaysia dan Indian Institute of Technology, Mumbai, India. Dalam bidang teknologi nuklir, telah lama bekerja sama dengan ANSTO, Australia; KEK dan JPARC, Jepang; BENSC, HMI, Berlin dan CRL, Canada.

Page 8: PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/0853-9812-2012-0551.pdfPeran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material

Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 (55-67)

62

Karakterisasi Material Elektroda LiCoO2 dengan HRPD

Salah satu pemanfaatan teknik hamburan neutron adalah untuk mengkaji struktur Kristal di dalam material elektroda seperti katoda LiCoO2. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan instrument High Resolution Powder Diffractometer (HRPD) yang berada di Neutron Scatterng Laboratory (NSL), PTBIN, BATAN. Detail eksperimen dapat dilihat pada A. Fajar dkk, Atom Indonesia Vol.36 No.10 (2010) [5]

Gambar 7. Peralatan hamburan neutron HRPD di NSL, PTBIN, BATAN

Analisa Struktur Kristal dengan Program Rietveld Analysis (RIETAN)

Untuk menganalisa data Kristal struktur LiCoO2, digunakan program yang telah dikembangkan oleh Rietveld. Dengan membandingkan profile hasil pengukuran dan berbagai input parameter mengenai Kristal struktur yang difit, akan diperoleh data penghitungan dan komparasi hasil dengan modelyang dibangun. Salah satu contoh data hasil pengukuran Rietveld [A. Fajar et al.] untuk LiCoO2 sebelum dan sesudah dimilling.

Page 9: PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/0853-9812-2012-0551.pdfPeran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material

Peran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material Penyimpan Energi (Evvy Kartini)

63

Gambar 8. Pola Difraksi Neutron Katoda LiCoO2 hasil pengukuran HRPD [6]

Tabel 2. Hasil Refienment pada material Katoda LiCoO2 [6,7]

Page 10: PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/0853-9812-2012-0551.pdfPeran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material

Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 (55-67)

64

Dapat pula dibangun model dari Kristal struktur LiCoO2 seperti dalam gambar di bawah ini.Struktur Kristal suhu tinggi LiCoO2- berbentuk struktur lapisan (R-3m) yang sangat cock untuk material katoda. Li+ ion ditempatkan pada struktur seperti lorong (a tunnel like structure) yang memudahkan ion Lithium bergerak sepanjang struktur Kristal dan pindah kea rah anoda melalui elektrolit. Model ini hanya dapat dibangun melalui difraksi neutron, sedangkan untuk difraksi sinar-x tidak dapat mendeteksi kehadiran ion Lithium, yang merupakan sumber utama Lithium ion baterai, karena termasuk atom ringan. Difraksi sinar-x lebih baik untuk mendeteksi atom berat seperti Co dibanding Li dan O, seperti tampak pada gambar Fourier map.

Gambar 9. Model kristal LiCoO2 hasil pemodelan dengan difraksi neutron [6]

Dapat disimpulkan di sini, bahwa kombinasi teknik nuklir dan komputasi sangat penting di dalam riset material baterai, khususnya untuk menganalisa keberadaan ion lithium.

Tabel 3. Coherence length, scattering length and cross section [7]

Atom f (fm) (sinθ=0) b (fm) σa (barn) Li 8,40 -1,90(2) 70,5(3) Co 76,00 2,49(2) 37,18(6) O 22,50 5,803(4) 0,00019(2)

Page 11: PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/0853-9812-2012-0551.pdfPeran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material

Peran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material Penyimpan Energi (Evvy Kartini)

65

Gambar 10. Hasil Fourier map dari LiCoO2 perbandingan x-ray dan neutron [7] KESIMPULAN

Dapat disimpulkan pentingnya penelitian material energi terbarukan yang ramah lingkungan untuk mengatasi masalah energi dan lingkungan hidup. Pemanfaatan baterai pada mobil listrik dan juga pada peralatan elektronika lainnya sudah merupakan kebutuhan yang tidak dapat dihindari lagi. Oleh karena itu, penelitian material baterai khususnya baterai ion lithium sangatlah penting, agar diperoleh performa baterai yang lebih tinggi kapasitasnya, siklus hidupnya, juga aman dan ramah lingkungan. Peran teknik nuklir sangatlah penting di dalam penelitian baterai ion lithium, karena dapat menunjukkan keberadaan ion lithium pada struktur kristalnya. Pemahaman dari model struktur Kristal ini dapat memberikan gambaran bagaimana kerja baterai sehingga dapat dikembangkan material baru yang lebih baik. Peran komputasi secara langsung dimanfaatkan baik dalam wkatu pengukuran, juga analisa data serta pemodelan struktur kristalnya. Kombinasi teknik nuklir dan komputasi dalam penelitian material baterai sebagai sumber energi terbarukan merupakan hal unik dan tidak dapat dipisahkan lagi. DAFTAR PUSTAKA 1. Sumber Koran Tempo, 16 Mei 2012. 2. KARTINI, EVVY, “Orasi Profesor Riset Evvy Kartini”, BATAN (2010). 3. JUSTIN AMIRAULT ET AL., “The Electric Vehicle Battery Landcape

Opportunities and Challenges”, Center for Enterpreneurship, University of California, Berkeley.

4. Sumber US DOE. 5. A.FAJAR DKK, Atom Indonesia 36 (10) (2010). 6. KARTINI, EVVY, Laporan Final Insentif , KMNRT, (2010) 7. A.FAJAR DKK, Jurnal Sains Materi (2009).

Page 12: PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/0853-9812-2012-0551.pdfPeran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material

Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 (55-67)

66

DISKUSI

MIKE SUSMIKANTI 1. Dalam kaitannya dengan telah dibangunnya molecular dynamic dengan sistem

cluster di PPIN, apakah fuel charging dapat menggunakan molecular dynamic? 2. Fungsi distribusi radial (radial distribution function) dapat menyatakan keadaan

solid dan liquid. Bagaimana halnya dengan radial distribution function dalam aplikasi fuel charging?

EVVY KARTINI 1. Prinsipnya ya, MD dapat digunakan dalam analisa data material atau sel baterai

dalam keadaan charge dan discharge (insitu). Pembuatan model disesuaikan dengan keadaaan eksperimen dan parameter material baterai yang digunakan.

2. Ya, Radial distribution function (RDF) dapat menggambarkan keadaan struktur material dalam keadaan solid dan likuid. RDF dapat juga menganalisa data keadaan struktur pada-setelah charging. yang diperlukan faktor struktur S(Q) hasil percobaan dg xrd atau neutron.

IRWAN ARY DHARMAWAN Apa yang terjadi dengan hamburan inelastik, apakah karena adanya absorbsi elektron? EVVY KARTINI Hamburan inelastik adalah pengukuran faktor struktur bahan, dimana telah terjadi perubahan energi neutron yang masuk dan setelah menmebus di absorbsi oleh material. perubahan tersebut dideteksi oeleh detektor, yang menunjukkan sifat dinamika dari material tersebut. contoh: dispersi phonon atau magnon, juga exsitasi boson. NENI Apa saja yang dapat diteliti oleh hamburan neutron? bagaimana dengan SANS ? EVVY KARTINI Teknik hamburan neutron dapat diguakan untuk menganalisa struktur (ala HRPD), stress-strain (PD), radiografi neutron , cluster dan ukuran partikel (SANS), juga struktur baterai dalam keadaan charge discharge dsb.

Page 13: PERAN KOMPUTASI DALAM APLIKASI TEKNIK HAMBURAN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/0853-9812-2012-0551.pdfPeran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material

Peran Komputasi dalam Aplikasi Teknik Hamburan Neutron pada Material Penyimpan Energi (Evvy Kartini)

67

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Nama : Prof. Dr.rer.nat. Evvy Kartini Instansi / Unit Kerja : BATAN / PTBIN Pekerjaan / Jabatan : Peneliti Utama / Profesor Riset Riwayat Pendidikan : S1-Fisika ITB (1988), S2-S3- Fisika TU Berlin, Jerman

(1996) Pengalaman Kerja :-Visiting scientists di berbagai fasilitas internasional,

diantaranya: HMI, Berlin; KEK, Japan; JPARC, Japan; IMRAM Tohoku University, Japan; NUS, Singapore; IIT, Mumbai, India; Ansto, Australia ; ISIS, UK; Chalk River Lab dan McMaster University, Canada, dll.

- International Committee member pada Asian Oceania Neutron Scattering Association (November 2011)

- Delegasi Indonesia untuk Innovation Technology Dialogue, Nanotechnology for energy efficiency, APEC, Rusia (June 2012)

- International Committee Member pada Asian Society of Solid State Ionics, Tohoku University, Japan (July 2012)

- Delegasi Indonesia dan memimpin Technical meeting on Energy Storage , di IAEA,, WIena, September 2012

- Koordinator Kerjasama Riset dengan Bragg Institute, Ansto, Australia (October 2012)

- Peneliti Utama pada program riset kompetitif RUT (1998-2000), RUTI (2005-2007), Insentif (2008-2011), SINAS (2012) dari KMNRT

Organisasi Profesional : MRS-Ina; Asian Society Solid State Ionic, HFI, AONSA Publikasi Ilmiah yang pernah disajikan/diterbitkan :

- Solid State Ionics (2005, 2009, 2010); Journal of Japan Physical Society (2010); Physica B (2006,2007); Journal of Applied Physics A (2003); Journal of Non Crystalline Solids (2002); Physical Review B (1998,2001).

- Chapter 7 of Solid State Ionics Book; Book of Proceeding of Solid State Ionics (2006, 2010, 2012)

- Sebagai salah satu Innovator Technology (Penemu Indonesia) pilihan majalah TEMPO (2012)