Pembuatan Tabung Elektrolit Padat Superionik p"-AlZO 3 Untuk Si.\"temSellonik
(Safei Purnama)
PEMBUATAN TABUNG ELEKTROLIT SUPERIONIK
PADAT
J3"AI203
UNTUK SISTEM SEL IONIK Safei Purnama, Anthonius S, P.Purwanto, Azis K. Jahja daD Santiani PuslitbangIptek Bahan (P311i)-BATAN KawasanPuspiptek,Serpong,Tangerang,15314
ABSTRAK PEMBUATAN TABUNG ELEKTROLIT PADAT SUPERIONIK ~"-AI2OJ UNTUK SISTEM SEL IONIK.Pembuatan tabung elektrolit padat superionik f3"-A1ZO) untuk sistem set superionik telah dilakukan. Pembuatan dilakukan dengan cara mencapur bahan-bahan; NazO, AIZO), LiO, daD MgO yang dicetak berbentuk tabung dengan metoda kompaksi bertahap, daD kemudian diikuti dengan pemanasanpada daerah temperatur 13500 C sampai 15000C selama 2 jam. Hasil pengukuran cuplikan dengan diiraktometer sinar-X menunjukkan bahwa bahan AI2O) dengan penambahan bahan MgO sampai 3% berat menghasilakan elektrolit padat ~-AIZO) dengan struktur ~"-AlzO), yang juga menaikkan kekerasan pada bahan tersebut. Sedangkan cuplikan basil sinter menUnjukkan struktur bahan ~».AI2O) yang tidak berubah pada temperatur kamar sampai temperatur 4000 C. Besarnya konduktivitas listrik bahan elektrolit padat ~»-A1ZO)yang diukur dengan metoda dua probe sekitar 0,14 (0 cm)-l. Besar tegangan yang diukur daTi gel superionik diperoleh sekitar 1,5 V. Kata kunci: Tabung elektrolit, superionik, sistem gel ionik.
ABSTRACT THE FABRICATION OF THE p" AL203 SUPERIONIC SOLID ELECTROLYTE TUBE FOR IONIC CELL SYSTEM. As starting materials for the 13"A~O) superionic solid electrolyte tube, a mixture consisting of NaO, AI2O), LiO, and MgO has been prepared. The forming of the material into a tube-torm was achieved by compaction process. The mixture is then heated in temperatures of 13500 C to 15000 C tor about 2 hours. X-ray diffraction analysis shows that the resulting material, after being doped with a 3-weight "10MgO dopant, clearly has a room-temperature j3"-AI2O3 solid electrolyte room-temperature crystal-structure and an increased hardness. The effect of temperature on the material's crystalline-structure was studied by x-ray diffraction method, which reveals that the j3"-AI2O3phase was stable in the room-temperature to 4000 C. The ionic conductivity of j3"-AI2O3measured by a two-probe method is 0.14 O"lcm"l. The cell-system configuration was Na-anode/electrolyte/S-cathode. The voltage measured by OCV method of the superionic cell was 1.5 volt.
Key words: Electrolyte tube, superionic,ionic cell system.
PENDAHULUAN Susunan suatu sistem sel superionik terdiri dari elektrolit padat superionik dan elektroda, bahan elektrolit padat ini biasanya ditempatkan diantara dua elektroda yakni katoda dan anoda yang melalui bahan elektrolit tersebut yang dapat dilalui oleh ion-ion sehingga merupakan gerakan muatan dalam suatu luas permukaan tertentu pada bahan tersebut yang disebut arus. Elektrolit berbentuk tabung mempunyai pennukaan yang lebih luas bila dibandingkan luas pennukaan yang berbentuk pelet (tablet), sehingga interaksi elektrokimia yang terjadi pada elektrolit berbentuk tabung lebih banyak yang akan menghasilkan arus atau energi yang relatif lebih besar. Sehingga untuk bagian komponen dari suatu sistem sel superionik perin dilakukan pembuatan tabung elektrolit beta-alumina. Bahan campuran berupa serbuk dilakukan
pembentukan dengan alai kompaksi dengan tekanan tertentu sehingga dihasilkan bentuk padat sebelum dilakukan sintering. Dalam pembentukan dapat dilakukan dengan dua cara yakni cara slip casting daD carakompaksi bertahap. Dalam metodeslip caL\'tingini diperlukan bahan tambahan yakni bahan perekat dan bahan biner yang terbuat daTibahan organik atau non organik, sedangkan untuk metode kompaksi bertahap diperlukan alai kompaksiyang mempunyai tekanan sarna ke setiap bahan tabung yang akan dicetak. Pada penelitian ini pembuatan tabung elektrolit padat superionik dilakukan dengan metode kompaksi bertahap. Setelahtabung elektrolit dilakukan sintering pada suhu 13500C sampai 15000C selama 2jam. Tabung basil sintering dilakukan kontrol kualitas dengan menganalisis struktur kristal dengan difraksi sinar-X, strukturmikro dengan Scanning
179
~
Prosiding Pertemuan l1miah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002
ISSN 1411-2213
Electron Microscope (SEM}, besarkonduktivitas listrik diukur dengan metodedua probe, disain rancanganawal sel superionik dan analisis awal pada elektrolit tabung tersebut pada sistem sel superionik beta alumina. Hasil yang diharapkan daTi kegiatan penelitian ini adalah didapat pengetahuan dan teknik proses pembuatan tabung elektrolit beta alumina yang dapat berfungsi dalam sistem sel superionik beta alumina.
13500C sampai 15000C selama 2 jam, daD kemudian dikarnkterisasidengandifraksi sinar-x untuk mengetahui struktur kristal ( rasa yang terbentuk), mikroskop elektron untuk mengetahui strukturmikro, kekerasan Vlcker.\'untuk mengetahui kekerasannya, pengukuran konduktivitas listrik dengan metode dua probe, daD pengukuran besar tegangan daD arus pada sistem set ionik dengan metoda Open Circuit Voltage (OCl;? .
METODE KERJA
BASIL DAN PEMBABASAN
Pembuatan tabung konduktor ionik betaalumina dengan proses metalurgi serbuk, secara skernatikditunjukkan padadiagram alir Gambar I. Ballan dasar yang digunakan adalah serbuk sebanyak90,55 % berat, serbuk Na2Osebanyak0,75 % berat, serbuk Li2O sebanyak8,7 % berat,daDbahantarnballan serbuk MgO sebanyakantara 0% sampai 3 % berat.
Setelah selesai proses pembuatan tabung elektrolit padat superionik !3"-Alz°:l' dilakukan karakterisasi pada bahan tersebut, Gambar 2. merupakanbasilpola dipraksisinar-xbahan~°:lyang ditambahMgO yangtelah disintel:
'M1 M;
."1 ;
" Gambar 1. Skemapembuatantabung beta-alumina.
180
a I
.~
'M1 I ...]i .'
Untuk mengetahui pengaruh MgO pada bahan beta-alumina dilakukan awal penelitian dengan menambahakanMgO sebesar0 sampai 3 % berat, yang dibuat berbentuk pelet lain di analisis sifat fisika dan sifat mekaniknya. Bahan serbuk tersebut dicampur didalam beaker gelas dan diaduk dengan menggunakan magnetik bar didalam media alkohol sampai campuran homogen. Setelah terjadi campuran yang diharapkan menjadi homogen dan cairan alkohol sudah mulai menguap, sehingga didapat larutan yang hampir menggering . Selanjunya bahan tersebut, kemudian dikalsinasi di dalam tungku pemanaspada suhu 6500C selama 2jam, lain didinginkan dan kemudian dilakukan pengerusan sehingga didapat serbuk yang halos. Untuk pembentukan tabungbeta-alumina dilakukan kompaksi (pre.\'s)secara bertahap, supaya pada setiap sisi tabung yang relatip tinggi mempunyai tekanan yang sarna sehingga didapat kerapatan yang sarna. Hasil pengompakan berbentuk tabung disinter pada suhudaTi
1
~
:
~
~~!': ~"c,A S
I
-) I 1M -I .,jl
I ) ,II,
,~-..,
,
l
f
~
Cl
~! ' i >' "A>, "" &0. ""
~ ..r ~;I ~ ~ ,;~\~
11 ~ II iVvvv~j~)~,
II A ~~! l\t~
~'""""'" ..""; ' ,
Gambar lb. Pola difraksi sinar-x bahan beta alumina denganMgO 1%
I
"
..'G
It
It'-;-;-
M
Gamba,.2c. Pola difraksi sinar-x bahan beta alumina denganMgO 3%
Pengaruh MgO pada strukturmikro bahan f:I"A12Oypada Gambar3. Dan pengaruhMgO pada
Pembuatan Tabung Elektrolit Padat Superionik p"-AlZO.f Untuk Sistem Sel Jonik (Safei Purnama)
kekerasan bahan (3" A12O) terdapat pacta kurva
Gambar4.
suhusinterpada bahancampuran ~" Al2O3dapat berpengaruh pacta terbentuknya struktur krista1 yang sempurna, untuk itu dilakukan variasi suhu sinter antara 13500C sarnapai 15000C pactabahan tersebutdan basil difraksi sinar-x terlihatpada Gambar5. Sedangkanbesar..' konduktivitas listrik bahan hasi1 sinter pactaberbagai suhu telihat pacta Gambar6.
Gambar 3a. Tanpa PenambahanMgO.
400., 4(X)-
~,
~,
250-'
200' 1~.
100
-,,'
"
~ ",\~Iy...I~~ Gambar lb. Dengan Penambahan MgO 10/0.
0.: "","",'"
5
n I
~
,I
"I
f""I'
',"",'"
10 15 ~
I "
PI
,I \'N~.:
'I'"
',',.
""
3)
35 4J
","
",""
45 S)
,'"
"""1""
S5 8)
I
~
~
2e(~) Gambar 5b, Bahan j3"Al,O, setelah sinter 1400. C, selama2 jam ~~ ~. 700.
~.
~ «X)
::! Gambar 3c. Dengan PenambahanMgO 3%.
i\ ,.~
iiJJWA\f'f/~
{ffl\~ 1 II
0 :t:;'.~,~~~"".,.~~.,.~~...~...;:::;..IJ\h, 5
10 15 31 ~
J) ~
C) ~
S) ~
II
~
70
29(~ Gambar 5c. Bahan (3"AlzO3 setelah sinter I SOO. C,
selama2 jam.
Gambar 4. Kurva PenambahanMgO terhadapkekerasan bahan [3"-Al20 3
Tabung yang dihasilkan setelah melalui proses kompaksi daD sinter pada suhu 15000C terdapat pada Gambar 7. Pada Gambar 8 menunjukkan gambar desain sel ionik pertama daD akan dilakukan uji coba ujuk kerjanya dan pada Gambar 9 adalah basil uji coba sel ionik dengan metode OCV. Hasil analisis Gambar 2. Pola difraksi sinar-x bahan A~O3 yang ditambah bahan MgO 0% sampai 3%, daTi basil pengamatan menunjukkan masih
181
Prosiding PertemuanIlmiah Ibnu Pengetahuandan TeknologiBahan 2002 Serpong,22 -23 Oktober2002 terbentuk rasa /3-Al2O3, rasa /3'-Al2O3 walaupun puncaknya tidak terlalu banyak dibandingkan puncak difraksi rasa /3"Al203' Pada pola difraksi bahan yang tidak ditambah MgO masih terdapat rasaa.-Al203 atau bahan dasar Al2O3yang dicampurkan, Pada Gambar 3 adalah strukturmikro bahan elektrolit padat /3"Al2O3 dimana bahan dengan penambahanMgO mempunyaiukuran butir relatifkecil, hat ini terjadi karena bahan MgO mempunyai kemampuan memobilisasi pori-pori pada butir (serbuk) ketika proses sinter, dan pori-pori tersebutbergerak ke permukaan atau barnsbutir, sehingga butir-butir tanpa
~~-+-.~-
t
-,
0
50
100
..
~
150
200
250
300I
350
400
remper_1lI( C)
Gambar 6. Konduktivitas listrik bahanbasil .\'mterpacta berbagaisuhu
Gambar 7. Tabung beta-aluminabasil ,rintering
182
45
ISSN1411-2213 Tegangan sel ionik p"AI2O: Pada T = 270 C
0
~ C
1.4 1.2 1
IU CI 0.8 C IU
0.6
CI
0.4
I-
0.2 0
GI
0
100
200
300
400
Waktu
1M enlt)
Gambar 9. Besar tegangangel ionik
pori-pori relatip lebihkecil dibandingkan ada pori-pori pada butir tersebut. Sifat mekanik pada bahan elektrolit padat ~" Al20 ~yang ditambahkan MgO mempunyai kekerasan lebih tinggi yang terdapatpada Gambar 4, dimana bahan yang ditambah dengan MgO akan mengurangi poripori yang terdapat pada butir dan batas butir sehingga bahan dengan MgO sedikit akan menyebabkanporinya lebih banyak dan menyebabkan kekerasannya rendah atau lebih rapuh dibandingkan pori pada butir lebih sedikit. Dari data difraksi sinar-X Gambar 5., menunjukkan pola difraksi sinar-X untuk bahan yang disinter (dipanaskan) pada suhu 13500C mempunyai intensitas puncak difraksi yang relatip rendah dibandingkan dengan latar belakang, hal ini menunjukkan struktur kristal pada tabung tersebut belum terbentuk secara sempuma. Sedangkan tabung elektrolit padat yang dipanaskan pada suhu 15000C selama 2 jam, puncak-puncak difraksi sinar-X relatip lebih tinggi dibandingkan lantar belakang, hal ini pembentukan struktur kristal pada bahan tersebut relatip sudah sempuma. Hasil pengukuran konduktivitas listrik pada Gambar 6., bahan dengan penambahan MgO sebanyak 3 % berat membunyai konduktivitas relatif lebih besar pada pengukuran sampai 1500 C daD pada suhu diatasnya terjadi penurunan. Pengukuran bahan pada suhu sampai 1500C relatifbaik karena pori-pori yang biasanya menyimpan air lebih sedikit daD pada suhu diatasnya dipengaruhi oleh ukuran butir yang terbentuk atau banyak batas butir pada bahan. Dengan ditambahkannya MgO daD akan mengurangi pori-pori pada butir akan meningkatkanbesar konduktivitas listrik ionik pada bahan tersebut, akan tetapi dengan ditambahnya bahan lain yaitu MgO akan menurunkan konduktivitas listrik apabila bahan tersebutberada pada daerah konduksi ,daDtidak berpengaruh pada bahan tersebut hila bahan tersebut ada pada daerah bukan konduksi yaitu spinel blok AI2O~. Pada Gambar 10 adalah desain sel superionik daD akan dilakukan uji coba ujuk kerjanya.
Pemhuatan TabungElektrolit Padat Superionik p"-AlzO3 Untuk SistemSellonik (Safei Purnama)
KESIMPULAN
2.
3.
Bahan elektrolit padat ~" Al20;1bentuk tabung telah berhasil dibuat dengan metode kompaksi bertahap dan sintering. Penambahanbahan MgO sampai dengan 3 % berat akan mengurangi porositas (pori) pada bahan ~" A12°;l sehingga terjadi kenaikan kekerasan bahan dan konduktivitas listrik bahan. suhu sintering diatas 15000 C akan terbentuk struktur yang lebih baik dibandingkan suhu sintering dibawahnya.
4. Porositas (batas butir) berpengaruh pada densitas bahan dan dapat dihilangkan bila lama waktu pemanasan (soaking time) dinaikkan.
DAFTARPUSTAKA [1).
CHANDRA,S, Principles and Applications Superionic Solid, North- Holland Publishing
Company,(1981). CHOWDARI,B. VR, LIU,Q., CHEN, L,. Recent Advances in Fast Ion Conducting Materials and Devices, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., Singapure,(1990). [3]. MORRIS, MARLENE C., et. al., Powder Diffraction Data, National Bureau of Standar, USA, (1976). [4). MC. CaLM, I.J., Ceramic Sciencefor Materials Technologists,Leonard Hill, (1983). [2).
[5). AGRAWAL, D.C., MAJUDER, S.B., RAMAN!, G. Y., Coated Powders for Ceramic.\' and Composites, Key Engineering Material 56-57, (1991),165-182. [6). ZU-XIANG LIN., Studyon Beta" Alumina Solid Electrolyte and Beta Battery in SIC, World [7). Scientific Publishing Company,(1990). [8). PATRICK S. NICHOLSON., Processing for Superionic Ceramic, World Scientific Publishing Company,(1990). [9). ZHENG MINHUI and ZHONG KAI., Preparing Fine .4lumina Powder by Homogeneou.\' Precipitation Method for Fabricatingb"A/}O3' World Scientific Publishing Company, (1990). [10). CROMPTON, T.R, MSc., B.Sc.,Battery Reference Book, Butterworth-Heinemann Ltd., GreatBritain, (1995).
Ke Daftar Isi 183
