TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 30 (2) 2012 : 51-56 ISSN : 0125-9121
Konduktifitas Li4Ti5O12/C dari Variasi Temperatur Sintering dan Coating Carbon BAMBANG PRIHANDOKO, ACHMAD SUBHAN, NANDANG DAN ETTY M. WIGAYATI Pusat Penelitian Fisika - LIPI, PUSPIPTEK Tangerang Selatan
[email protected] Diterima : 7 September 2012
Revisi : 22 Oktober 2012
Disetujui : 29 Oktober 2012
ABSTRAK : Bahan aktif anoda Li4Ti5O12/C mempunyai keunggulan dalam memperpanjang life time dan kemampuan charge dan discharge baterai lithium. Pembuatan Li4Ti5O12/C telah dilakukan dengan bahan baku Li2CO3 (Merck), TiO2 (Merck) dan LiOH.H2O (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 9000C selama 1 jam. Hasil uji XRD menunjukkan keberadaan TiO2 anatase dari seluruh sampel. Sintering menghasilkan banyak bahan lain sebagai pengotor. Hasil serbuk Li4Ti5O12/C diuji juga konduktifitas dengan metoda EIS. Konduktifitas meningkat menurut tingginya suhu sintering dan berada dikisaran 10-4S/cm. KATA KUNCI : Li4Ti5O12/C, anoda, tapioka, pirolisa, konduktifitas, baterai lithium. ABSTRACT : Anode active material Li4Ti5O12/C has an advantage to increase the life time and the ability to charge and discharge lithium batteries. Preparation of Li4Ti5O12/C has been carried out with raw materials Li2CO3 (Merck), TiO2 (Merck) and LiOH.H2O (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 9000C for 1 hour. XRD test results indicate the presence of anatase TiO2 entire sample. Sintering produces many other materials as impurities. The results of powder Li4Ti5O12/C also tested the conductivity of the EIS method. Conductivity increased by high temperature sintering and dikisaran 10-4S/cm.. KEYWORDS : Li4Ti5O12/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 10000 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
Konduktifitas Li4Ti5O12/C…..
Bambang Prihandoko
Li4Ti5O12 yang merupakan bahan keramik lithium-titanimum oxide, lebih dikenal dengan lihtium titanate,
memiliki struktur spinel face-centered cubic dalam space groups Fd 3 m . Struktur ini dapat diamati di Gambar 2.
(a)
(b) Gambar 2. Struktur spinel (a) Li4Ti5O12 [2] (b) Lix Mn2O4 [3].
Struktur kristal Li4Ti5O12 mempunyai struktur spinel yang mempunyai kesamaan dengan struktur spinel Lix Mn2O4. Rumus spinel keduanya mempunyai kesamaan rumus Li4/3M5/3O4 dimana penambahan 1/3 pada atom lithium merupakan nilai maksimum yang diharapkan dapat menghasilkan karakter yang maksimum. Li4Ti5O12 memiliki sifat konduktifitas yang berubah pada suhu tinggi. Dengan perbedaan hampir orde 106 (~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 Li4Ti5O12 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 Li4Ti5O12 telah dilakukan dengan bahan baku Li2CO3 (Merck), TiO2 (Merck) dan LiOH.H2O (Germany). Setelah melalui penimbangan sesuai stokiometri dan pencampuran, bahan campuran ini dikalsinasi 7000C selama 1 jam. Serbuk hasil kalsinasi dicampurkan dengan tepung tapioka dengan perbandingan 1:1. Tepung tapioka dimanfaatkan sebagai sumber carbon black pada pelapisan serbuk Li4Ti5O12 melalui proses pirolisa inert gas nitrogen. Proses pirolisa dilakukan secara in – situ atau bersamaan dengan proses sintering pada variasi suhu, yaitu 800, 850 dan 9000C 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 Li4Ti5O12 , karena serbuk Li4Ti5O12 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
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Li4Ti5O12 TiO2 anatase
0
800 C
Insensitas Intensitas
Volume 30 (2) 2012 : 51-56 ISSN : 0125-9121
0
850 C
0
900 C
Gambar 3. XRD patron Li4Ti5O12 dengan variasi suhu sintering.
Sudut fase [theta]
Fase yang nampak pada Gambar 3 adalah Li4Ti5O12 dan TiO2 anatase. Hanya saja kehadiran TiO2 anatase bervariasi. Pada suhu sintering 8500C keberadaan TiO2 anatase sangat kecil. Saat serbuk hasil sintering suhu 8000C fase TiO2 anatase masih ada, walaupun tidak besar, kemudian pada suhu 8500C seakan menghilang. Dan pada suhu 9000C TiO2 anatase muncul kembali dengan kuantitas besar, hampir menyamai Li4Ti5O12 . Sehingga serbuk dengan suhu sintering 800 dan 9000C mempunyai 2 fase Kristal, yaitu Li4Ti5O12 dan TiO2 anatase. Tetapi serbuk dengan suhu sintering 8500C dapat dikatakan hanya mempunyai satu fase kristal, yaitu Li4Ti5O12. Carbon yang terlapisi pada serbuk tidak nampak pada XRD patron, tetapi visualnya nampak pada perubahan warna Li4Ti5O12. Oleh karena itu carbon yang terbentuk pada pelapisan permukaan Li4Ti5O12 mempunyai struktur amorf, sebagaimana pelapisan di beberapa literature [5,7]. Pengaruh kehadiran fase Kristal dapat diamati pada Gambar 4.
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 9000C hampir sama berbentuk eksponensial, dimana keduanya mempunyai dua fase kristal. Sedangkan kurva dari serbuk dengan suhu 850 0C berbentuk kurva maksimal yang sangat berbeda dengan dua kurva lainnya. Kehadiran fase struktur Kristal mempunyai dampak
53
Konduktifitas Li4Ti5O12/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.
Rt3 Rb3
Rt2
Rb1
Rt1
Rb2
Gambar 5. Grafik cole – cole dari serbuk dengan variasi suhu sintering. Grafik cole – cole dari serbuk dengan suhu sintering 800 dan 9000C membentuk setengah elipsoida, yaitu antara tahanan bahan Rb3 dan tahan total Rt3 dari bahan ketiga dan Rb1 dan Rt1 dari bahan kesatu. Bahan kedua dengan suhu sintering 8500C tidak terlihat jelas dikarenakan jarak antara Rb2 dan Rt2 sangat kecil. Bentuk grafik ini juga memperlihatkan kehadiran dua fase struktur kristal yang mempunyai Rb dan Rt masing – masing berbentuk setengah lingkaran. Kedua setengah lingkaran yang saling beirisan membentuk setengah elipsoida. Tahanan bahan dari serbuk dengan suhu sintering 9000C menjadi terkecil sekitar 400 Ohm, karena pengaruh kematangan lapisan karbon di permukaannya. Tahanan komposit Li4Ti5O12\C didominasi oleh tahanan karbon yang mempunyai konduktifitas sekitar 0,1 S/cm pada suhu pirolisa 9000C [8]. Sedangkan selisih antara tahanan bahan Rb3 dan tahan total Rt3 masih besar dan lebih besar serbuk dengan suhu sintering 8500C. Tahanan pergerakan elektron dari serbuk ketiga masih besar dan juga konduktifitas electron masih kecil. Serbuk dengan suhu sintering 8500C dan tahanan sekitar 100 Ohm mempunyai konduktifitas electron lebih besar. Walaupun impedansi dari serbuk dengan suhu sintering 8500C 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 8500C mempunyai nilai hampir konstan terhadap perubahan frekuensi, sedangkan yang lainya berubah. Perubahan impedansi selaras dengan ketidaksamaan fase struktur kristal pembentuk komposit Li4Ti5O12\C. Namun impedansi total serbuk ketiga terkecil dan konduktifitas total serbuk ketiga mempunyai nilai terbesar sekitar 10-4 S/cm, lihat Gambar 7.
54
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 30 (2) 2012 : 51-56 ISSN : 0125-9121
Gambar 7. Konduktifitas dari Li4Ti5O12\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 Li4Ti5O12, bahkan menghasilkan bahan aktif lithium titanat terlapis karbon (Li4Ti5O12\C). 2. Proses in-situ pelapisan dan sintering pada suhu 8500C selama satu jam menghasilkan satu fase kristal Li4Ti5O12\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) 1109–1112. [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) 7079–7083 [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) 1757–1768 [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) 7242-7247
55
Konduktifitas Li4Ti5O12/C…..
56
Bambang Prihandoko
