2.1. Baterai Lapisan Tipis
Dalam hasil riset yang dipublikasikan oleh American Chemical Society dalam jurnal ACS Nano, ahli-ahli material yang terdiri dari Liangbing Hu, Hui Wu dan Yi Cui melapisi sebuah kertas biasa pada kedua sisinya dengan lapisan tabung-tabung berukuran nanometer yang terbuat dari karbon. Kemudian lapisan tipis senyawa lithium yang mengandung logam. Dengan desain tersebut maka lapisan lithium berfungsi sebagai elektroda dan lapisan tabung nano berfungsi sebagai penyimpan muatan listrik. Kertas yang digunakan mempunyai fungsi sebagai tumpuan mekanis dan pemisah elektrode. Berdasar hasil pengujian yang dilakukan, baterai kertas setebal 3mm tersebut mempunyai banyak kelebihan jika dibandingkan dengan baterai tipis lainnya, antara lain tebalnya yang jauh lebih tipis, energi densitas yang lebih tinggi, dan tidak mengalami penurunan unjuk kerja setelah pengujian 300 siklus isi ulang. Konsep baterai lapisan tipis sangat sederhana,yaitu dengan membangun lapisan tipis solid anoda, elektrolit padat dan katoda berurutan pada substrat, contohya, Li / LiI / AgI. Dengan menggunakan elektrolit polimer atau gel. Baterai lapisan tipis dapat dihasilkan dengan proses uap vakum fisika, DC sputtrering maupun Rf sputtering yang telah umum digunakan saat ini. Skala ukuran ketebalan lapisan yang di hasilkan berada pada skala mikron. Pertama kali baterai lapisan tipis di hasilkan pada tahun 1982 yang diumumkan dari Hitachi Co, Jepang, namun belum dapat digunakan maksimal karena daya baterai terssebut terlalu kecil untuk digunakan secara kontemporer untuk perangkat listrik sehari-hari. Selama 20 tahun, kemajuan teknologi semikonduktor memungkinkan kita untuk menggunakan perangkat berdaya rendah, seperti CMOS, FE-RAM selain itu, perkembangan terakhir perangkat listrik mikro seperti dapat dipakai komputer, RF ID tag, mikro-mesin dan lain-lain (E. Kartini. Dkk 2010).
Gambar2.1. Skematik baterai lapisan tipis
Membuat baterai lapisan tipis, perlu memalsukan semua komponen baterai, sebagai anoda, elektrolit padat, katoda dan kolektor arus yang dibuat berlapis lapis dengan teknik yang sesuai. Biasanya, logam lithium digunakan untuk anoda disusun oleh deposisi uap vakum panas (VD). elektrolit padat, katoda atau yang biasa digunakan sebagai anoda oksida yang disusun dengan berbagai teknik contohnya, RF sputtering (RFS), RF magnetron sputtering (RFMS). Dalam beberapa kasus deposisi uap kimia (CVD) dan pengendapan semprot elektrostatis (ESD) digunakan. Baru-baru ini, laser berdenyut pengendapan (PLD) sering digunakan terutama untuk bahan katoda. Karena biaya awal untuk pembangunan ruang vakum cluster dan perangkat persiapan mahal, hanya beberapa kelompok , terutama di perusahaan besar Jepang, Perancis dan Amerika Serikat telah berhasil pembuatan baterai film tipis. Baru-baru ini, kelompok di universitas Tohoku Jepang berhasil membuat thin-film baterai hanya dengan teknik PLD berurutan, yang menggunakan hanya satu ruang vakum dan sumber laser. Teknik ini mengurangi biaya awal untuk pengembangan dan akan berguna untuk penelitian lebih lanjut tentang baterai film tipis,
2.2 Implantasi Ion
Implantasi ion merupakan teknik yang dilakukan untuk meningkatkan konduktivitas dari bahan ionik padat yang telah dihasilkan, khususnya untuk material elektrolit. Bahan peng-implant yang dipilh adalah bahan yang kompatibel dengan bahan berbasis elektrolit yang dipergunakan dan diperkirakan akan menaikkan tingkat konduktivitas ionik dari material tersebut setelah terjadi implantasi ion.
Untuk gelas LiPO3 bahan yang dapat diimplantasikan misalnya LiI atau LiBr. Sedangkan untuk tipe gelas berbasis AgPO3 pengimplant berupa AgI dapat dipergunakan (Sakuda, 2008). Dalam prosesnya bahan pengimplan akan diakselerasikan, dengan mempergunakan alat akselelatorion, menuju permukaan elektrolit hingga terjadinya proses implantasi. Bila konsentarinya telah mencukupi, hal ini diharapkan untuk membuka jalur untuk ion lithium (Li+), yang sebagai hasilnya akan meningkatkan tingkat konduktivitas ion material tersebut. Tingginya tingkat konduktivitas ion (ion mobility) merupakan salah satu kriteria kualitas dari bahan yang dipakai untuk elektrolit. Setelah proses imlantasi ion selesai bahan elektrolit akan di uji kembali.
Keuntungan dari metode implantasi ion adalah jumlah ion dapat dikontrol secara tepat, sehingga dapat dibuat hubungan antara jumlah ion implant dan kenaikan konduktivitas ioniknya. Dapat direprodukasi dengan hasil yang sama, dimana hal ini penting dalam menjaga kualitas produksi. Kedalaman ion implant yang dapat dikontrol, juga memudahkan dalam mendesain lapisan tipis elektrolit. Selain itu, proses yang dilakukan pada suhu ruang tidak mengubah properti dari matriks gelas yang implant.
2.3. Teknik Implantasi Ion
Teknik implantasi ion banyak digunakan untuk memodifikasi sifat material dengan cara mendoping ion kedalam paduan matriks.
Gambar 2.2. Skema alat implantas ion.
Keuntungan dari metode ini adalah :
a. Jumlah ion dopan dapat di kontrol secara tepat
b. Proses dilakukan pada suhu ruang
c. Kemurnian ion dopan sangat tinggi.
d. Kedalaman penetrasi dari ion dopan dapat diatur
e. Proses doping dapat dilakukan dengan material yang sama
f. Sangat cocok untuk pengembangan material lapsan tipis.
Dari prinsip teknik implantasi ion dapat ditujukan pada pembuatan elektrolit padat untuk. Matriks yang digunakan adalah fosfat, seperti LiPO3 (kartini, 2008). Gelas teersebut berupa jaringan (network) yang terdiri dari rantai fosfat. Dengan kehadiran ion doping (cation) akan tejadi defek/cacat yang dapat berbentuk ion intersitial atau substitusi (jika ion dopan berdeda dengan cation pada rantai fosfat). Jika ion dopan terus di tambah surplus ion dopantdan membentuk jejak konduksi ion (ion conduction patway). Dengan meningkatnya jumlah ion pada matriks gelas, maka akan terjadi kenaikan konduktifitas ioniknya. Pengembangan elektrolit padat baterai berbasis perak dan lithium, yang digunakan adalah AgPO3 dan LiPO3 yang merupakan material yang memiliki konduktivitas listrik sangat kecil yaitu berada pada orde 10-8 S/cm. Material tersebut di implantasikan dengan energi yang tinggi, sehingga terjadi defect dan juga menghasilkan lintasan ion (pathways), sehingga ion-ion yang diimplantkan sewaktu digunakan sebagai elektrolit padat akan lebih mudah bergerak, dengan demikian konduktivitas bahan gelas tersebut setelah diimplankan akan meningkat.
2.4. DC Sputtering
Sputtering adalah metode deposisi uap secara fisika, yaitu metode deposisi film tipis dengaan cara pemercikan/ sputter, bahan dari target yang kemudian di tanamkan di substrat . proses sputtering ada dua jenis yaitu sputtering DC high voltage dan sputtering RF untuk bahan isolator.
Metode DC sputtering akan digunakan dalam pembuatan lapisan tipis bahan electrolit (LiPO3-LiI enriched), katoda LiXO2 (X=Mn atau Co), serta graphit untuk fabrikasi sel baterai-mikro. Dalam proses ini, bahan elektrolit dan elektroda akan dilapiskan pada permukaan substrat dengan ketebalan 50 mikro-meter atau sesuai dengan yang diinginkan. Untuk tujuan ini ketebalan dari elektroda akan juga mempresentasikan jumlah on lithium (dalam mol Li+ ) yang akan diimplantasikan. Oleh karena itu, ketebalan dari elektroda juga memberikan gambaran tingkat energi (mA.hr)yang dapat disimpan dalam baterai lapisan tipis tersebut.
Gambar2. 3. Struktur teoritis dari lapisan LiXO2 melalui proses DC sputtering.
Pada proses pelapisan DC-sputtering ini muncul bentuk struktru LiXO2 misalkan dengan alur Li terbuka kearah vertikal gambar 3. Hal ini akan memfasilitasi pergerakan on lithum yang akan terjadi selama proses interkalasi/ de-interkalasi dalam kondisi discharge/ charge ketika penggunaan batera (dani,2003)i. Hal ini disebabkan oleh posisi alur lokasi Li+ yang terbuka kearah posisi elektrolit sehingga akan membuka jalan dan memudahkan pergerakan ion lithium menuju dan dari arah elektrolit.
Pengembangan lapisan tipis elektrolit dan elektroda dilakukan dengan teknik pelapisan untuk mendapatkan struktur kisi yang berbentuk kolumnar vertikal, sehingga pergerakan bolak-balik ion Li+ yang dibutuhkan dalam proses charge dan discharge dapat berlangsung dengan mudah tanpa halangan yang signifikan. Dalam proses sputtering ini, gelombang elektromagnetik pada rentang frequensi radio akan dimanfaatkan untuk memodulasi gas pembawa (Ar) yang akan mengakibatkan berpindahnya material target (elektroda/elektrolit) menuju permukaan substrate hingga berbentuk lapisan tipis. Proses ini dilakukan dalam kondisi vakum untuk menjamin kemurnian dari material yang akan membentuk lapisan tipis.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar