Konduktifitas Li 4 Ti 5 O 12 /C dari Variasi Temperatur Sintering dan Coating Carbon

Transkripsi

1 TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 30 (2) 2012 : ISSN : Konduktifitas Li 4 Ti 5 O 12 /C dari Variasi Temperatur Sintering dan Coating Carbon BAMBANG PRIHANDOKO, ACHMAD SUBHAN, NANDANG DAN ETTY M. WIGAYATI Pusat Penelitian Fisika - LIPI, PUSPIPTEK Tangerang Selatan Bamb012@lipi.go.id Diterima : 7 September 2012 Revisi : 22 Oktober 2012 Disetujui : 29 Oktober 2012 ABSTRAK : Bahan aktif anoda Li 4 Ti 5 O 12 /C mempunyai keunggulan dalam memperpanjang life time dan kemampuan charge dan discharge baterai lithium. Pembuatan Li 4 Ti 5 O 12 /C telah dilakukan dengan bahan baku Li 2 CO 3 (Merck), TiO 2 (Merck) dan LiOH.H 2 O (Germany) serta memanfaatkan tepung tapioka sebagai sumber carbon black melalui proses pirolisa inert gas nitrogen. Prose pirolisa dilakukan secara in situ dengan proses sintering pada variasi suhu, yaitu 800, 850 dan C selama 1 jam. Hasil uji XRD menunjukkan keberadaan TiO 2 anatase dari seluruh sampel. Sintering menghasilkan banyak bahan lain sebagai pengotor. Hasil serbuk Li 4 Ti 5 O 12 /C diuji juga konduktifitas dengan metoda EIS. Konduktifitas meningkat menurut tingginya suhu sintering dan berada dikisaran 10-4 S/cm. KATA KUNCI : Li 4 Ti 5 O 12 /C, anoda, tapioka, pirolisa, konduktifitas, baterai lithium. ABSTRACT : Anode active material Li 4 Ti 5 O 12 /C has an advantage to increase the life time and the ability to charge and discharge lithium batteries. Preparation of Li 4 Ti 5 O 12 /C has been carried out with raw materials Li 2 CO 3 (Merck), TiO 2 (Merck) and LiOH.H 2 O (Germany) as well as utilize starch as a source of black carbon through pyrolysis process inert nitrogen gas. Pyrolisis process is done in - situ by the sintering process at temperature variation, ie 800, 850 and C for 1 hour. XRD test results indicate the presence of anatase TiO 2 entire sample. Sintering produces many other materials as impurities. The results of powder Li 4 Ti 5 O 12 /C also tested the conductivity of the EIS method. Conductivity increased by high temperature sintering and dikisaran 10-4 S/cm.. KEYWORDS : Li 4 Ti 5 O 12 /C, anode, tapioca, pyrolisis, conductivity, lithium battery 1. PENDAHULUAN Perkembangan riset material baterai lithium menunjukkan bahwa anoda lithium titanat dan katoda lithium posfat mempunyai efisiensi sampai 90% dan lifetime mendekati cycle, lihat Gambar 1. Perpaduan kedua material ini menunjukkan kemajuan riset material baterai lithium terakhir ini. Pasangan material ini akan menjadi calon pembentuk baterai lithium dalam aplikasi mobil listrik. Gambar 1. Grafik efisiensi dari titanat dan posfat terhadap referensi. 51

2 Konduktifitas Li 4 Ti 5 O 12 /C.. Bambang Prihandoko Li 4 Ti 5 O 12 yang merupakan bahan keramik lithium-titanimum oxide, lebih dikenal dengan lihtium titanate, memiliki struktur spinel face-centered cubic dalam space groups 2. Fd 3 m. Struktur ini dapat diamati di Gambar (a) (b) Gambar 2. Struktur spinel (a) Li 4 Ti 5 O 12 [2] (b) Li x Mn 2 O 4 [3]. Struktur kristal Li 4 Ti 5 O 12 mempunyai struktur spinel yang mempunyai kesamaan dengan struktur spinel Li x Mn 2 O 4. Rumus spinel keduanya mempunyai kesamaan rumus Li 4/3 M 5/3 O 4 dimana penambahan 1/3 pada atom lithium merupakan nilai maksimum yang diharapkan dapat menghasilkan karakter yang maksimum. Li 4 Ti 5 O 12 memiliki sifat konduktifitas yang berubah pada suhu tinggi. Dengan perbedaan hampir orde 10 6 (~10-3 s/cm) pada suhu tinggi (>600 K) dibandingkan pada suhu kamar (~10-8 S/cm). Kenaikan yang sangat tajam ini diinterpretasikan akibat pembentukan fasa disorder pada suhu tinggi, dimana lithium secara random terdistribusi[4]. Dalam meningkatkan konduktifitas Li 4 Ti 5 O 12 telah banyak dilakukan pelapisan karbon pada butir serbuk[5,6,7]. Sumber carbon yang digunakan pada umumnya adalah gula[5], namun ada juga menggunakan glycin sejenis selulosa[7]. Pada penelitian ini tepung tapioka digunakan sebagai sumber karbon. 2. METODOLOGI PENELITIAN Pembuatan Li 4 Ti 5 O 12 telah dilakukan dengan bahan baku Li 2 CO 3 (Merck), TiO 2 (Merck) dan LiOH.H 2 O (Germany). Setelah melalui penimbangan sesuai stokiometri dan pencampuran, bahan campuran ini dikalsinasi C selama 1 jam. Serbuk hasil kalsinasi dicampurkan dengan tepung tapioka dengan perbandingan 1:1. Tepung tapioka dimanfaatkan sebagai sumber carbon black pada pelapisan serbuk Li 4 Ti 5 O 12 melalui proses pirolisa inert gas nitrogen. Proses pirolisa dilakukan secara in situ atau bersamaan dengan proses sintering pada variasi suhu, yaitu 800, 850 dan C selama 1 jam. Hasil sintering diamati struktur kristalnya dengan XRD. Metoda EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) digunakan terutama untuk menguji konduktifitas bahan. Namun hasil grafik EIS juga dapat diolah untuk melihat kehadiran fase bahan yang mempengaruhi bentuk grafik cole cole. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Setelah proses in-situ sintering dan pirolisa dengan variasi suhu, serbuk yang dihasilkan berwarna hitam yang sebelumnya berwarna putih. Warna hitam memberikan signal kehadiran karbon pada serbuk Li 4 Ti 5 O 12, karena serbuk Li 4 Ti 5 O 12 mempunyai warna putih setelah proses sintering. Hal ini menunjukkan proses pelapisan berjalan dengan baik. Pengamatan XRD dilakukan untuk mengetahui fase atau struktur kristal yang terbentuk. XRD patron menurut suhu sintering terdaat pada Gambar 3. 52

3 TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 30 (2) 2012 : ISSN : C Li 4 T i5 O 12 TiO 2 anatase Intensitas Insensitas C C Gambar 3. XRD patron Li 4 Ti 5 O 12 dengan variasi suhu sintering. Fase yang nampak pada Gambar 3 adalah Li 4 Ti 5 O 12 dan TiO 2 anatase. Hanya saja kehadiran TiO 2 anatase bervariasi. Pada suhu sintering C keberadaan TiO 2 anatase sangat kecil. Saat serbuk hasil sintering suhu C fase TiO 2 anatase masih ada, walaupun tidak besar, kemudian pada suhu C seakan menghilang. Dan pada suhu C TiO 2 anatase muncul kembali dengan kuantitas besar, hampir menyamai Li 4 Ti 5 O 12. Sehingga serbuk dengan suhu sintering 800 dan C mempunyai 2 fase Kristal, yaitu Li 4 Ti 5 O 12 dan TiO 2 anatase. Tetapi serbuk dengan suhu sintering C dapat dikatakan hanya mempunyai satu fase kristal, yaitu Li 4 Ti 5 O 12. Carbon yang terlapisi pada serbuk tidak nampak pada XRD patron, tetapi visualnya nampak pada perubahan warna Li 4 Ti 5 O 12. Oleh karena itu carbon yang terbentuk pada pelapisan permukaan Li 4 Ti 5 O 12 mempunyai struktur amorf, sebagaimana pelapisan di beberapa literature [5,7]. Pengaruh kehadiran fase Kristal dapat diamati pada Gambar 4. Sudut fase [theta] Frekuensi [Hz] Gambar 4. Grafik sudut fase dan frekuensi menurut variasi suhu sintering. Gambar 4 merupakan grafik hasil pengujian EIS yang menampilkan sudut fase bahan dalam fungsi frekuensi. Bentuk kurva dari masing masing serbuk dengan variasi suhu sintering menunjukkan perbedaan yang mencolok. Kurva dari serbuk dengan suhu 800 dan C hampir sama berbentuk eksponensial, dimana keduanya mempunyai dua fase kristal. Sedangkan kurva dari serbuk dengan suhu C berbentuk kurva maksimal yang sangat berbeda dengan dua kurva lainnya. Kehadiran fase struktur Kristal mempunyai dampak 53

4 Konduktifitas Li 4 Ti 5 O 12 /C.. Bambang Prihandoko pada grafik di Gambar 4 dan mendukung penjelasan Gambar 3. Kehadiran fase Kristal dapat juga diamati pada grafik cole cole di Gambar 5. R t3 R t2 R t1 R b3 R b1 R b2 Gambar 5. Grafik cole cole dari serbuk dengan variasi suhu sintering. Grafik cole cole dari serbuk dengan suhu sintering 800 dan C membentuk setengah elipsoida, yaitu antara tahanan bahan R b3 dan tahan total R t3 dari bahan ketiga dan R b1 dan R t1 dari bahan kesatu. Bahan kedua dengan suhu sintering C tidak terlihat jelas dikarenakan jarak antara R b2 dan R t2 sangat kecil. Bentuk grafik ini juga memperlihatkan kehadiran dua fase struktur kristal yang mempunyai R b dan R t masing masing berbentuk setengah lingkaran. Kedua setengah lingkaran yang saling beirisan membentuk setengah elipsoida. Tahanan bahan dari serbuk dengan suhu sintering C menjadi terkecil sekitar 400 Ohm, karena pengaruh kematangan lapisan karbon di permukaannya. Tahanan komposit Li 4 Ti 5 O 12 \C didominasi oleh tahanan karbon yang mempunyai konduktifitas sekitar 0,1 S/cm pada suhu pirolisa C [8]. Sedangkan selisih antara tahanan bahan R b3 dan tahan total R t3 masih besar dan lebih besar serbuk dengan suhu sintering C. Tahanan pergerakan elektron dari serbuk ketiga masih besar dan juga konduktifitas electron masih kecil. Serbuk dengan suhu sintering C dan tahanan sekitar 100 Ohm mempunyai konduktifitas electron lebih besar. Walaupun impedansi dari serbuk dengan suhu sintering C lebih besar dari serbuk ketiga, sebagaimana di Gambar 6. Gambar 6. Impedansi sebagai fungsi dari frekurensi dengan variasi suhu sintering. Impedansi dari serbuk dengan suhu sintering C mempunyai nilai hampir konstan terhadap perubahan frekuensi, sedangkan yang lainya berubah. Perubahan impedansi selaras dengan ketidaksamaan fase struktur kristal pembentuk komposit Li 4 Ti 5 O 12 \C. Namun impedansi total serbuk ketiga terkecil dan konduktifitas total serbuk ketiga mempunyai nilai terbesar sekitar 10-4 S/cm, lihat Gambar 7. 54

5 TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 30 (2) 2012 : ISSN : Gambar 7. Konduktifitas dari Li 4 Ti 5 O 12 \C dengan variasi suhu sintering. 4. KESIMPULAN Beberapa kesimpulan yang dapat diambil adalah : 1. Proses in-situ pelapisan dan sintering dapat dilakukan tanpa adanya reaksi karbon dengan Li 4 Ti 5 O 12, bahkan menghasilkan bahan aktif lithium titanat terlapis karbon (Li 4 Ti 5 O 12 \C). 2. Proses in-situ pelapisan dan sintering pada suhu C selama satu jam menghasilkan satu fase kristal Li 4 Ti 5 O 12 \C dengan tahanan electron terkecil sekitar 400 Ohm dan konduktifitas total 7x 10-5 S/cm. 3. Pengujian konduktifitas dengan metoda EIS dapat mengamati pengaruh fase struktur Kristal yang terbentuk dari proses pembuatan melalui pengolahan data berbasis fungsi frekuensi. DAFTAR PUSTAKA [1]. G.J. Wanga, J. Gaoa, L.J. Fua, N.H. Zhaoa, Y.P. Wua, T. Takamura, Preparation and characteristic of carbon-coated Li4Ti5O12 anode material, Short communication, Journal of Power Sources 174 (2007) [2]. Hailei Zhaoa, Yue Li, Zhiming Zhu, Jiu Lin, Zhihong Tiana, RonglinWang, Structural and electrochemical characteristics of Li4 xalxti5o12 as anode material for lithium-ion batteries, Electrochimica Acta 53 (2008) [3]. Tao Yuan, Rui Cai, Ke Wang, Ran Ran a, Shaomin Liu b, Zongping Shao, Combustion synthesis of high-performance Li4Ti5O12 for secondary Li-ion battery, Ceramics International 35 (2009) [4]. Kuang-Che Hsiao*. Shih-Chieh Liao, jin-ming Chen, Microstructure effect on the electrochemical property of Li4Ti5O12 as an anode material for lithium-ion batteries, Electrochimica Acta 53 (2008)

6 Konduktifitas Li 4 Ti 5 O 12 /C.. Bambang Prihandoko 56