Spektroskopi Raman untuk Analisis Baterai Lithium-ion

Baterai lithium-ion adalah teknologi yang menggerakkan kehidupan kita sehari-hari, mulai dari smartphone, laptop, hingga mobil listrik. Agar baterai tetap aman, tahan lama, dan bertenaga, para peneliti harus memahami betul apa yang terjadi di dalamnya. Salah satu cara paling efektif untuk melakukan hal ini adalah dengan Raman Spectroscopy.

Bagaimana peran Raman Spectroscopy untuk aplikasi baterai?

Raman spectroscopy adalah teknik analisis berbasis cahaya laser yang mampu mengenali jenis material secara cepat, detail, dan tanpa merusak sampel. Dengan alat seperti Renishaw inVia™ confocal Raman microscope, para peneliti dapat melihat “sidik jari kimia” dari bahan baterai, bahkan sampai ke level partikel yang sangat kecil.

Mengapa Penting untuk Baterai Lithium-ion?

Baterai lithium-ion terdiri dari berbagai komponen seperti karbon, oksida logam, polimer, hingga cairan elektrolit. Performa dan umur panjang baterai sangat dipengaruhi oleh bagaimana komponen ini tersusun dan bagaimana mereka berubah selama proses pengisian dan pemakaian.

Dengan Raman, peneliti dapat:

1. Mengidentifikasi material dalam anoda (misalnya grafit, hard carbon, acetylene black) dan katoda (misalnya lithium cobalt oxide).
2. Menganalisis struktur karbon, termasuk tingkat keteraturan (order) dan ketidakteraturan (disorder) yang memengaruhi kapasitas penyimpanan energi.
3. Melihat distribusi material di permukaan elektroda dengan peta 2D/3D.
4. Mendeteksi perubahan saat baterai digunakan (operando test), misalnya bagaimana grafit berubah ketika lithium masuk ke dalamnya saat charging.

 Contoh Hasil Analisis Raman

1. Raman dapat memisahkan material yang mirip, seperti berbagai jenis karbon, hanya dengan membandingkan rasio puncak D dan G pada spektrum.
2. Dengan peta Raman, terlihat jelas komposisi anoda.
3. Raman juga mampu mendeteksi bahan pengikat (binder) yang konsentrasinya sangat kecil, bahkan hanya 1% dari total material.

Gambar di atas merupakan peta anoda pada Raman. Peta tersebut menunjukkan grafit (merah), asetil hitam (biru), dan karbon keras (hijau). Kelimpahan relatif mereka masing-masing adalah: 13%, 10%, dan 77%.

Gambar di atas menunjukkan Raman mampu mendeteksi dan mengidentifikasi semua material yang ada, bahkan pada konsentrasi rendah. Spektrum diambil secara in situ dari: SBR (karet stirena-butadiena, pengikat); PVDF (polivinilidena fluorida, pengikat); AB (asetil hitam, anoda); grafit (anoda); LCO (litium kobalt oksida, katoda).

Penggabungan informasi topografi dengan distribusi pembacaan Raman sampel anoda. Gambar menunjukkan penggabungan antara topografi dan grafit alami (natural graphite) pada gambar overlay merah. Gambar di bawahnya menunjukkan penggabungan informasi topografi dan karbon hitam (black carbon) di bagian lembah-nya.

Keunggulan Raman untuk Studi Baterai

1. Non-destruktif – sampel tidak rusak setelah dianalisis.
2. Resolusi tinggi – bisa melihat detail hingga sub-mikrometer.
3. Fleksibel – dapat digunakan untuk sampel padat, cair, bahkan gas.
4. Operando measurement – bisa memantau baterai secara langsung saat di-charge atau dipakai.

Raman spectroscopy adalah “mata” yang membantu ilmuwan melihat apa yang tidak bisa dilihat dengan mata telanjang di dalam baterai. Dengan teknologi seperti Renishaw inVia Raman microscope, pengembangan baterai masa depan dapat dilakukan lebih cepat, lebih aman, dan lebih efisien, mendukung transisi kita menuju dunia yang lebih ramah lingkungan.

Penggunaan Nanoindenter untuk Uji Micropillar di dalam SEM pada Material Suhu Tinggi

Dalam dunia material maju, ada tantangan besar ketika suatu logam harus bekerja di bawah tekanan tinggi sekaligus suhu tinggi. Kondisi ini sering memunculkan fenomena yang disebut time-dependent plasticity atau deformasi plastis yang bergantung pada waktu. Jika tidak dipahami dengan baik, material bisa mengalami kegagala. Fenomena ini biasanya dipelajari dengan spesimen berukuran besar, namun perkembangan teknologi memungkinkan pengujian dilakukan hingga skala mikro, bahkan pada level butiran kristal tunggal.

Salah satu teknik yang kini banyak digunakan adalah uji micropillar dengan nanoindenter di dalam SEM. Dengan metode ini, pilar-pilar kecil berdiameter hanya sekitar 5 mikron dan tinggi 10 mikron dibentuk menggunakan Focused Ion Beam (FIB), lalu ditekan secara terkendali dengan ujung intan datar (diamond flat punch tip). Keunggulan pengujian ini adalah pengamatan in-situ di dalam SEM, sehingga setiap perubahan bentuk, mulai dari munculnya slip steps hingga pecahnya oksida di permukaan bisa dilihat secara langsung sambil merekam data mekaniknya.

Dalam studi yang dilakukan pada superalloy berbasis nikel (IN718), uji micropillar dilakukan pada suhu 650°C. Tiga pendekatan beban diterapkan untuk menggali perilaku plastisitasnya. Pilar pertama diuji dengan pembebanan linier kuasistatik, yang menghasilkan kurva tegangan-regangan khas logam: elastis, lalu mencapai titik leleh, diikuti penurunan beban karena slip. Pilar kedua menjalani uji relaksasi beban, di mana displacement ditahan dalam kondisi plastis. Dari sini terlihat bagaimana dislokasi bergerak lebih mudah akibat energi panas, bahkan menunjukkan kecenderungan cross-slip dan climb. Sementara itu, pilar ketiga dikenai loncatan laju regangan. Hasilnya jelas: semakin tinggi laju regangan, semakin tinggi pula tegangan yang dibutuhkan, menunjukkan adanya sensitivitas waktu dalam mekanisme deformasi.

Gambar uji micropillar superalloy berbasis nikel (IN718) dengan 3 pendekatan beban berbeda

Yang menarik, meskipun ketiga pilar diuji dengan cara berbeda, respons keseluruhannya mirip, dengan tegangan luluh berada di kisaran 500–700 MPa. Namun, justru detail kecil dari uji relaksasi dan loncatan laju regangan itulah yang membuka wawasan lebih jauh mengenai bagaimana dislokasi bergerak di dalam logam pada suhu tinggi.

Dari cerita ini, jelas bahwa nanoindenter dalam uji micropillar bukan hanya sekadar alat ukur kekuatan. Ia adalah jendela yang membuka pandangan kita ke dalam mekanisme paling mendasar dari deformasi material. Dengan teknik ini, peneliti dapat menyusun peta mekanisme deformasi yang mempertimbangkan suhu, tegangan, laju regangan, hingga orientasi kristal. Peta ini sangat penting untuk merancang material generasi berikutnya yang lebih tangguh menghadapi kondisi ekstrem.

FusionScope: Teknologi AFM-SEM untuk Material Modern

Material canggih seperti komposit WC-Co (campuran tungsten carbide dan kobalt) banyak dipakai di industri berat, mulai dari alat pemotong, mesin, hingga pesawat terbang. Material ini terkenal kuat dan tahan aus, tapi sifat unggulnya hanya bisa tercapai jika proses pembuatannya dikontrol dengan sangat baik.

Di sinilah muncul tantangan: bagaimana kita bisa melihat hubungan antara struktur kecil material (mikro hingga nano) dengan sifat mekaniknya, misalnya kekuatan, keuletan, atau sifat magnetik? Metode konvensional sering kali tidak cukup detail (Mikroskop optik, XRD, SEM standar, Hardness test, dll).

Apa itu FusionScope?

FusionScope® adalah sistem mikroskopi terbaru yang menggabungkan dua teknologi utama:

1. SEM (Scanning Electron Microscope): untuk melihat permukaan material dengan detail tinggi.
2. AFM (Atomic Force Microscope): untuk memetakan permukaan hingga skala nanometer.

Dilengkapi pula dengan MFM (Magnetic Force Microscopy): varian dari AFM khusus untuk mendeteksi sifat magnetik pada skala nano. Dengan penggabungan ini, FusionScope memungkinkan peneliti melihat struktur, komposisi, dan sifat magnetik material dalam satu alur kerja tanpa harus memindahkan sampel ke banyak alat.

Kenapa Penting untuk Material?

Pada material seperti WC-Co, sifat akhir ditentukan oleh distribusi fase kobalt (Co) di antara butir tungsten carbide (WC). Jika distribusinya tidak tepat, kekuatan material bisa berkurang atau sifat magnetiknya berubah.

FusionScope membantu:

• Optimasi Proses Produksi: Menghubungkan kondisi pemrosesan dengan sifat akhir material.
• Kontrol Kualitas: Memastikan hasil produksi konsisten.
• Analisis Kegagalan: Mengidentifikasi penyebab kerusakan material.
• Riset Dasar: Mempelajari interaksi antar fase hingga ke tingkat atom.

FusionScope® sebagai navigasi memahami material komposit WC-Co lewat correlated microscopy (AFM-SEM)

Dengan menggabungkan SEM, AFM, dan MFM dalam satu platform, FusionScope memberi kemampuan baru untuk memahami dan mengoptimalkan material modern. Bagi industri maupun penelitian, alat ini bukan hanya mikroskop, tapi juga kunci untuk inovasi, kualitas, dan daya saing di masa depan.

Mengenal Stylus Profilometer: Alat Presisi untuk Mengukur Permukaan

Permukaan suatu material sering kali terlihat halus oleh mata telanjang, namun sebenarnya memiliki tekstur dan detail mikro yang tidak bisa dilihat langsung. Untuk memahami dan mengukur detail tersebut, para peneliti dan industri menggunakan Stylus Profilometer – sebuah alat presisi yang mampu “membaca” profil permukaan dengan akurat.

Apa itu Stylus Profilometer?

Stylus Profilometer adalah instrumen yang menggunakan jarum kecil (stylus) untuk membaca permukaan material. Jarum ini bergerak naik-turun mengikuti kontur permukaan, lalu mengubah gerakan mekanik tersebut menjadi data digital. Dari data ini, kita bisa melihat gambaran nyata topografi permukaan pada skala mikrometer hingga nanometer.

Bagaimana Cara Kerjanya?

• Stylus diletakkan pada permukaan sampel.
• Saat stylus bergerak, setiap perubahan ketinggian permukaan direkam sebagai sinyal.
• Sinyal ini kemudian diproses menjadi grafik 2D atau 3D yang menunjukkan tekstur, kedalaman, maupun kekasaran permukaan.
  
  

  Stylus menyentuh permukaan sampel untuk mencatat perubahan ketinggian dan sifat permukaan	Hasil pembacaan dengan Stylus Profilometer yang disajikan dalam gambar 3D (Gambar menunjukkan daerah garis yang dipindai dengan Stylus dan hasil dalam tabulasi)

Apa Saja yang Bisa Diukur?

Stylus Profilometer mampu memberikan informasi penting seperti:

• Kedalaman goresan dari lapisan tipis (film thickness)
• Kekasaran permukaan (roughness) & kelengkungan
• Langkah tinggi atau perbedaan ketinggian (step height) antar lapisan material
• Profil topografi 2D/3D secara detail

Grafik tegangan film (film stress) dan profil ketinggian wafer (wafer height profile) setelah proses deposisi/pelapisan (coating)

Tabel hasil dari proses analisis deposisi (coating) film

Mengapa & Kapan Kita Memerlukan Stylus Profilometer?

1. Permukaan buram / tidak reflektif

Tidak terpengaruh terhadap sifat sampel yang terlalu kasar, gelap, atau buram karena cara kerjanya yang “menyentuh langsung” sehingga tetap bisa mengukur dengan baik.

2. Pengukuran step height (perbedaan ketinggian) / Film thickness

Sangat cocok untuk pengukuran perbedaan ketinggian sampel dengan beberapa lapisan (thin film dengan beberapa layer).

3. Rentang vertikal luas

Rentang pengukuran step height luas (nanometer hingga ratusan mikrometer).

4. Sampel besar / tidak muat di AFM

Bisa untuk sampel yang tebal dan besar hingga wafer 8”.

5. Kebutuhan standar industri (QC/QA)

Banyak standar ISO/ASTM yang berbasis pengukuran kontak, seperti di manufaktur otomotif, aerospace, dan semikonduktor.

Aplikasi Stylus Profilometer

Stylus Profilometer banyak dipakai di berbagai bidang, misalnya:

• Industri semikonduktor – mengukur lapisan tipis dan pola mikrochip.
• Material maju – analisis kekasaran untuk baterai, lapisan pelindung, atau keramik.
• Industri otomotif & aerospace – memastikan komponen memiliki permukaan sesuai standar keamanan.
• Medis & farmasi – mengevaluasi permukaan implan atau lapisan coating.

(BRUKER Dektak Pro)

🧪 Back to Basics: Understanding Bruker NanoIR and the Fundamentals of AFM-IR Technology

1. 1. Integration of Spectroscopy & Atomic Force Microscopy (AFM-IR)
   Bruker’s NanoIR combines Atomic Force Microscopy with photothermal infrared spectroscopy to map chemical composition at the 20–100 nm scale, far beyond the resolution limit of conventional optical IR (micron scale). It overcomes the limitation of traditional AFM, which only provides surface topography and mechanical properties. 20–100 nm, jauh melebihi resolusi IR optik konvensional (µm) dan mengatasi kekurangan AFM murni yang hanya mendeteksi topografi dan gaya.

2. Why Not Just AFM?

• • Conventional AFM cannot determine molecular identity—only surface shape and mechanical properties. identitas molekul—hanya bentuk dan sifat mekanik permukaan.
• • NanoIR introduces chemical contrast, enabling analysis of “what” the material is made of, not just “where” structures are located. kimiawi, memungkinkan analisis “apa” bahan itu, bukan hanya “dimana” strukturnya berada.

3. Why Not Use Traditional IR?

• • Optical IR is limited by diffraction, typically constrained to micrometer resolution. mikrometer, tidak bisa memetakan bahan nano.
• • NanoIR pushes resolution down to the nanoscale, allowing chemical heterogeneity analysis in nanocomposites, thin films, and polymers. heterogenitas kimia dalam nanokomposit, film tipis, polimer, dan sejenisnya.

4. 4. An Update to the Previous Article
   While our previous article (Dynatech) emphasized NanoIR’s potential in flexible electronics and smart textiles, Bruker NanoIR now also enables: NanoIR Bruker kini juga mampu:

• • Quantitative IR analysis with spectral calibration comparable to full IR spectrometers.
• • Localized chemical mapping of ‘–OH’, ‘–CO’, and ‘–NH’ functional groups in thin films and polymers. lokal,
• • Dynamic tip-sample contact analysis, ensuring consistent and measurable IR signal. area kontak tip‑sample secara dinamis untuk memastikan sinyal IR yang konsisten dan terukur,
• • Advanced software modules for correlating spatial and chemical information, beyond topographic imaging alone. spasial & kimia selain murni tampilan topografi.
  
  

Chemical Identification of Nanocontaminants)

AFM-IR Distinguish Between Stacking Orders of Rhombohedral Graphene)

5. 5. Key Benefit of NanoIR

6. Why It Matters

• • For R&D: Accelerates material innovation by uncovering localized chemical structure in π-polymers and composites.
• • For production: More accurate QC — detects micro-defects or contamination non-destructively.
• • The unique combination of AFM + IR → one instrument, two domains: visualization and chemical identification, without compromise.

Bruker’s NanoIR bridges the critical gap between traditional AFM and IR by enabling true chemical analysis at the nanoscale — something neither technique can achieve on its own. It’s not just an upgrade; it’s a new analytical class designed for advanced research in functional materials, nanocomposites, thin films, and cutting-edge QC environments. kimia analisis di skala nano, yang tidak bisa dicapai oleh keduanya secara terpisah. Ini bukan sekadar upgrade — melainkan alat baru yang menjembatani celah penting antara topografi dan komposisi kimia. Cocok untuk riset lanjutan bahan fungsional, nanokomposit, film tipis, maupun aplikasi QC canggih.

Getting to Know the Nanoindenter: A Tool for Understanding Mechanical Properties of Materials at the Nanoscale

Imagine wanting to know how hard or elastic a material is—at a scale thousands of times smaller than a human hair. This is where the nanoindenter comes into play: an advanced instrument that allows us to "press" on a material's surface at the nanoscale to measure hardness, elasticity, and other mechanical characteristics. nanoindenter berperan, sebuah alat canggih yang memungkinkan kita “menekan” permukaan material pada skala nano untuk mengukur kekerasan, elastisitas, dan karakteristik mekanik lainnya.

Why Is a Nanoindenter Needed?

Traditional methods such as tensile testing or Vickers hardness testing are less effective when examining thin films, nanoparticles, or soft biological materials. These conventional methods require large and specifically shaped samples. However, in fields like semiconductors, hard coatings, or even contact lenses, we often deal with ultra-thin materials or microstructures. This is where the nanoindenter becomes the ideal solution. film tipis, partikel nano, atau material biologis lunak. Masalahnya, metode ini butuh sampel besar dan bentuk spesifik. Tapi dalam dunia semikonduktor, pelapis keras, atau bahkan lensa kontak, kita sering berurusan dengan material super-tipis atau struktur mikro. Di sinilah nanoindenter menjadi solusi.

How the Nanoindenter Works

A nanoindenter operates by pressing a sharp tip (typically conical in shape) into a material’s surface while precisely recording the applied force and penetration depth. From the resulting graph, we can calculate two critical parameters: • Hardness: How much force is required to indent the material. • Elastic Modulus: How stiff or flexible the material is. Technologies like those from Bruker Hysitron enable measurements of forces as small as 2 nanoNewtons and indentation depths as shallow as 0.02 nanometers!

• Hardness (Kekerasan): Seberapa besar gaya dibutuhkan untuk menekan material.
• Elastic Modulus (Modulus Elastisitas): Seberapa lentur atau kaku material tersebut.

Teknologi seperti yang ditawarkan oleh Bruker Hysitron bahkan memungkinkan pengukuran gaya sekecil 2 nanoNewton dan kedalaman serendah 0,02 nanometer!

(Displacement curve on fused quartz (an elastic-plastic material), along with in-situ SPM image after quasi-static nanoindentation showing residual indent impression)

Key Features of Bruker Hysitron Nanoindenter

Bruker enhances the capabilities of its nanoindenter with features such as:

1. 1. Nano-scratch

The indenter tip is dragged under load to measure adhesion, scratch resistance, and delamination in thin films.

2. 2. Nano-wear

Visualization of deformation before and after testing with position accuracy of ±10 nm.

3. SPM imaging

Sebagai visualisasi deformasi sebelum dan sesudah pengujian dengan posisi akurasi ± 10 nm.

4. 4. Extreme Temperature Testing

Mechanical testing in a wide temperature range from -150°C to 800°C, including humid or liquid environments (using environmental stages like xSol).

5. 5. Raman Spectroscopy and Electrochemical Testing dan elektrokimia

Coordinated testing of mechanical properties and chemical composition at the same location, or under electrochemical conditions.

3D nanoscratch image of a low-k film, showing evidence of film failure	Nanowear testing on diamond-like carbon (DLC) coating of a computer hard disk drive using different loads and scratch paths	Bruker SPM technology using the same probe for both mechanical testing and topography imaging

Silicon surface at 800°C with SPM image obtained from XPM (Extreme Performance Module) testing	Raman spectrum taken at the silicon indentation site

Nanoindenter Applications

From semiconductors, lithium-ion battery electrodes, specialty metals, to dental composites and contact lenses, nanoindenters are vital tools in both research and industry. The data they generate are not only essential for developing cutting-edge technology, but are also frequently published in leading scientific journals.

Overcoming the Challenges of Complex Surface Profiling with Renishaw’s LiveTrack Technology

Measuring uneven surfaces has always been a challenge in both science and industry. Sloping, wavy, or changing surfaces during analysis can lead to weak signals, blurry images, or even data loss—a common problem in Raman imaging and surface metrology. Now, thanks to Renishaw’s latest innovation, LiveTrack®, this challenge can be overcome.

LiveTrack technology maintains laser focus automatically and in real time during scanning. This means that even if a sample surface varies in height or is uneven, the system continuously adjusts the sample stage height to keep the focus sharp—without manual intervention or complex sample preparation. By combining precision vertical motion control with optical focus monitoring, LiveTrack maintains focus even under varying temperatures, humidity, or when the sample is moving.

(The sample stage moves up and down automatically to maintain focus)

Imagine mapping graphene on a rough substrate, or monitoring a chemical reaction that causes surface deformation. With conventional methods, you would miss most of the crucial data. But with LiveTrack, all those changes can be captured accurately and in full detail. This technology tracks surface changes both spatially (sloped, wavy) and temporally (during reactions or heating processes).

(Graphene surface grown on a copper substrate)

(Active pharmaceutical ingredient (API) distribution detection in a tablet using 3D Raman LiveTrack)

(2D and 3D Raman images showing surface topography variations of a rat mandible)

Another advantage? No more need to polish or flatten the sample before analysis. This not only saves time but also preserves the integrity of delicate samples—such as forensic evidence, biological tissues, or 3D-printed materials. This system is integrated into Renishaw’s inVia Qontor platform, which is equipped with advanced imaging and automated control systems. The result? High-quality chemical mapping, even on the most complex surfaces. inVia Qontor dari Renishaw, dilengkapi dengan sistem imaging dan kontrol otomatis. Hasilnya? Pemetaan kimia berkualitas tinggi pada permukaan paling kompleks sekalipun.

With LiveTrack®, Renishaw offers not just a technology, but a real solution to improve efficiency and accuracy in research and testing. If you work with challenging samples, this technology could be a game-changer in your lab workflow.

Raman Spectroscopy for Forensics: Analysis of GSR, Narcotics, and Fingerprint Traces

Raman spectroscopy has become a go-to tool in forensic analysis due to its ability to rapidly detect chemical compounds with high precision in a non-destructive manner. Here are three key forensic applications:

1. 1. Gunshot Residue (GSR) Analysis

Raman spectroscopy can detect gunshot residue particles as small as 1 micron directly on the surface of an object, without requiring sample transfer. Compounds such as barium oxide (BaO) and barium carbonate (BaCO₃) can be identified using Renishaw's forensic database, enabling fast and accurate GSR analysis.

(Raman spectrum of IGSR collected from a fired cartridge case)

2. Narcotic Tablet Identification

Raman is used to map the composition of narcotic tablets, such as MDMA in ecstasy, using line focus imaging. With the help of EM-MCR (Empty Modelling – Multivariate Curve Resolution) and MATLAB software, thousands of spectra can be analyzed to reveal the detailed distribution of active compounds and excipients.

(Comparison of the spectrum of a component obtained through empty modelling with a reference spectrum of MDMA)

3. Particle Traces in Fingerprints

By combining optical microscopy and Raman, microscopic particles within fingerprints can be analyzed. Oblique illumination aids in visualizing particles on uneven surfaces such as cans, which are then chemically analyzed using Raman to obtain compositional and size information.

(Accurate detection and analysis of material fragments)

Raman spectroscopy offers fast and precise solutions to various forensic investigation challenges—from bullet residues and narcotics to invisible traces in fingerprints.