Perpustakaan Digital ITB

Beberapa dekade terakhir kebutuhan penyimpanan energi berbasis baterai ion litium meningkat secara signifikan untuk digunakan pada perangkat elektronik mulai dari smartphone hingga kendaraan listrik. Performa dari baterai ion litium umumnya ditentukan oleh kemampuan elektrodanya. Anoda menjadi penting untuk dikembangkan karena menentukan banyaknya Li yang disimpan pada saat proses charging pertama kali. Sehingga dibutuhkan suatu anoda yang memiliki kemampuan untuk dapat menyimpan lebih banyak ion Li untuk meningkatkan kerapatan energi suatu baterai. Salah satu material anoda yang memiliki kapasitas besar adalah silikon yang memiliki kapasitas teoritik 4200 mAh/g, dimana nilai ini sekitar 10 kali kapasitas grafit (372 mAh/g) yang banyak digunakan saat ini. Telah banyak dilakukan kajian secara eksperimen mengenai silikon sebagai anoda baterai, ditemukan bahwa terjadi peningkatan volumetrik yang cukup besar ketika interkalasi sehingga menyebabkan keretakan pada material yang menyebabkan siklus baterai tidak bertahan lama. Selanjutnya digunakan silikon dengan struktur nanowire untuk mengatasi keretakan tersebut. Masalah keretakan telah dapat diminimalisir dengan berkurangnya regangan mekanis karena bentuk nanowire yang membuat ekspansi hanya di arah radial, akan tetapi silikon nanowire (SiNW) masih memiliki kekurangan yaitu konduktivitas elektronik yang kurang baik. Salah satu strategi yang telah dilakukan untuk meningkatkan konduktivitas SiNW adalah dengan memberikan doping. Sebelumnya telah dilakukan studi eksperimen mengenai pemberian doping pada SiNW dan didapatkan performa anoda meningkat dibandingkan dengna SiNW murni terutama konduktivitas elektroniknya, akan tetapi belum ada studi teoritik yang membahas secara komprehensif mengenai hal ini. Oleh karena itu pada tugas akhir ini akan dilakukan tinjauan secara teoritik dengan metoda komputasi untuk menjelaskan pengaruh doping tipe-n pada SiNW terhadap properti difusivitas litium dan konduktivitas elektronik. Pada penelitian tugas akhir ini, kalkulasi dilakukan dengan menggunakan Density Functional Theory (DFT) untuk melihat pengaruh doping tipe-n yaitu arsen (As), fosfor (P), nitrogen (N), dan antimoni (Sb) terhadap energi aktivasi difusi Li dan konduktivitas elektronik pada SiNW. Digunakan perangkat lunak VASP untuk melakukan kalkulasi. Ditinjau 3 situs doping yang mungkin ditempati oleh atom doping yaitu surface (s), intermediate (i), dan core (c), dimana energi pembentukan dopingnya untuk As, P, dan Sb yang relatif tidak berbeda di tiap situsnya. Dilakukan kalkulasi NEB (Nudged Elastic Band) untuk mendapatkan jalur energi minimumnya untuk selanjutnya dihitung energi aktivasi difusi Li pada SiNW. Ditemukan bahwa energi aktivasi difusi Li menurun sebesar 0,12 - 0,48 eV pada jalur difusi masuk ke SiNW dengan pemberian doping dibandingkan dengan pada SiNW murni. Difusivitas Li paling tinggi dengan doping P pada situs i yaitu 4 x 10- 6 cm2/s, yang nilai ini sekitar 106 kali nilai difusivitas pada SiNW murni (8 x 10-12 cm2/s). Peningkatan difusivitas ini disebabkan oleh adanya efek electron-rich pada SiNW yang dibawa oleh atom doping. Secara kualitatif konduktivitas elektronik meningkat dengan melihat pada struktur pita elektronik dari SiNW doping dimana tingkat energi Fermi naik di bawah pita konduksi karenya adanya tambahan elektron. Ditambah lagi dengan bertambahnya jumlah Li pada SiNW akan semakin banyak pita keadaan pada band-gap sehingga akan semakin mendekati sifat konduktor. Dengan dilakukannya penelitian ini diharapkan dapat memberikan prediksi awal untuk dilakukannya penelitian secara eksperimen untuk mengembangkan anoda baterai dengan kapasitas tinggi dan konduktivitas ionik dan elektronik yang baik.