Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi
ISSN 2407-4845
Pengaruh Penambahan Blowing Agent CaCO3 terhadap Porositas dan Tegangan Listrik pada A6061 Foam sebagai Air Electrode dalam Al-Air Battery *
Yudy Surya Irawan , Rio Prasetya Halim, Agung Sugeng Widodo Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang, Jl. MT Haryono 167, Malang 65145 E-mail:
[email protected] Abstract This research revealed the effect of CaCO3 as blowing agent of aluminum A6061 foam on porosity and voltage of A6061 – Air battery. Casting method was used to produce aluminum air electrode by adding CaCO 3 powder with weight % of 1, 3, and 5 and alumina powder as foam stabilizer. Ratio of alumina powder to CaCO3 powder was 1:2. Aluminum A6061 foam as air electrode of battery was cut from the A6061 foam cast in dimensions of 5 mm thick and 30 mm diameter. Porosity test was conducted using Archimede’s principle. Voltage of Al-air battery was measured in 10 minutes and recorded every 30 seconds. It was found that the adding of CaCO3 powder increased the porosity of A6061 foam but has lower homogeneity in each specimen for specimen with added CaCO3 powder above 3% of weight. From voltage testing, it was found that proper porosity of A6061 foam produced high voltage. A6061 foam cell with porosity of around 20% produced the highest voltage of 1,1 volt in 10 minutes. Keywords: Aluminum, Blowing Agent, Porosity, Voltage, Al-Air Battery . PENDAHULUAN Krisis energi merupakan salah satu dari 10 terbesar permasalahan dunia yang harus segera dipecahkan untuk menunjang kelangsungan dan kestabilan kehidupan manusia di dunia [1]. Salah satu kebutuhan energi adalah dalam bentuk energi listrik yang mayoritas menjadi kebutuhan masyarakat. Di Indonesia, kebutuhan listrik disediakan oleh perusahan nasional PT. PLN (Perusahaan Listrik Negara) yang mana membangkitkan listrik menggunakan pembangkit listrik berbasis bahan bakar minyak dan batu bara. Kurtubi menyatakan bahwa cadangan minyak bumi di Indonesia sekitar 3,9 miliar barel dan diprediksi akan habis dalam 12 tahun lagi bila Indonesia tidak dapat menemukan ladang minyak bumi baru [2]. Mengingat kondisi inilah saat ini penelitian-penelitian tentang pengembangan sumber energi baru atau terbarukan diperlukan. Sumber-sumber energi baru maupun terbarukan sudah cukup lama terbarukan mulai dari energi surya, tenaga angin, panas bumi, biomassa hingga sel
bahan bakar. Selain itu penelitian-penelitian tentang pengembangan teknologi baterai juga terus berkembang, mengingat baterai selain dapat menghasilkan energi juga dapat menjadi media penyimpan energi. Salah satu teknologi baterai yang masih dalam tahap pengembangan adalah teknologi baterai alumnium-udara atau Aluminum-Air Battery. Baterai aluminium-udara adalah baterai yang menghasilkan energi listrik dari reaksi elektrokimia yang mana aluminium berfungsi sebagai katoda sedangkan udara sebagai anoda baterai. Dalam baterai ini reaksi kimia yang terjadi pada katoda dan anoda menghasilkan listrik dari aliran elektronnya. Baterai jenis ini termasuk sumber energi yang ramah lingkungan, mengingat tidak menggunakan bahan bakar fosil untuk menghasilkan energi listrik. Salah satu konstruksi penting dalam baterai aluminium-udara ini adalah katoda udara (air electrode) yang dapat berupa logam berongga (metal foam). Logam berongga ini mengandung udara dalam hal ini oksigen sebagai bahan dasar dalam reaksi
1
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi
ISSN 2407-4845
METODE PENELITIAN Bahan yang digunakan sebagai elektrode udara untuk baterai aluminium-udara adalah: (1) aluminium paduan komersial A6061 untuk bahan aluminium foam. Tabel 1 menunjukkan komposisi kimia aluminium paduan A6061 dalam prosentase berat, (2) kalsium karbonat dengan prosentase berat 1, 3, dan 5, (3) serbuk alumina (Al2O3) yang digunakan sebagai penstabil pembentukan rongga/foam dalam aluminium foam. Sebagai penstabil, alumina digunakan dengan perbandingan berat terhadap kalsium karbonat sebesar 1:2. Kalsium karbonat dicampur dengan serbuk alumina menggunakan sebuah twin cell pada mesin bubut yang diputar dengan kecepatan putar 240 rpm selama 30 menit.
elektrokimia baterai aluminium-udara atau baterai logam-udara (metal-air battery) pada umumnya. Baterai aluminium-udara merupakan salah satu baterai yang mempunyai energi spesifik teoritis tertinggi (8135 Wh/kg), kapasitas spesifik yang tinggi (2,98 Ah/gram) dan tegangan listrik teoritis sebesar 2,71 Volt. Reaksi oksidasi dalam anoda baterai aluminium-udara dapat dinyatakan dalam persamaan (1) berikut [3] : __ __ Al 3OH Al(OH) 3 3e ; - 2,31Volt (1) Sedangkan reaksi reduksi yang terjadi dalam katoda baterai aluminium-udara tertulis dalam persamaan (2): __ __ O2 2H2O 4e 4OH ; 0,40 Volt (2) Persamaan (3) menunjukkan total reaksi yang terjadi pada sebuah baterai aluminium-udara. 4Al 3O2 6H2O 4Al(OH) 3 ; 2,71Volt (3) Namun, dalam penerapan baterai aluminiumudara ini terdapat banyak tantangan diantaranya adalah tegangan baterai yang secara praktis masih relatif rendah sekitar 1.3 Volt. Hal ini disebabkan karena aluminium dan elektroda udara tidak dapat berfungsi pada potensi termodinamika secara teoritisnya berhubung terdapat reaksi lain yang terjadi antara aluminium dan air [4]. Dalam penelitian ini dikembangkan sel baterai aluminium-udara dari sisi pengembangan elektroda udara dengan menggunakan proses manufaktur dan bahan material yang memiliki potensi ekonomi yaitu proses pengecoran dan penggunaan blowing agent kalsium karbonat CaCO3 yang dapat menghasilkan pori seperti yang pernah dilakukan oleh para peneliti [5][6][7][8]. Dalam makalah ini dengan proses pengecoran logam aluminium paduan A6061 dengan variasi kalsium karbonat didapatkan sel berongga yang mengandung oksigen dan dilakukan pengukuran pada porositas elektroda serta tegangan listrik pada sel baterai aluminiumudara. Aluminium paduan A6061 salah satu aluminium paduan yang memiliki aplikasi dan kekuatan mekanis yang medium terutama saat tertekan dalam wadah baterai pada aplikasinya nanti dan menunjukkan hasil coran berongga. Alumina (Al2O3) juga digunakan sebagai agen penstabil pembentukan foam oleh kalsium karbonat [9].
Tabel 1 Komposisi kimia aluminium A6061 (% berat) Al Mg Si Fe Cu Zn 99.384 0.907 0.694 0.435 0.209 0.190 Mn 0.094
Cr 0.036
Pb 0.021
Ti 0.013
Ni 0.008
Sn 0.004
Dalam pembuatan elektroda udara berbahan aluminium A6061, metode pengecoran stir casting digunakan. Aluminium A6061 dilebur pada suhu 900C menggunakan dapur listrik. Suhu aluminium A6061 cair diturunkan menjadi 750C saat penuangan kalsium karbonat dan alumina sebagai bahan pembuat rongga. Tahap pencampuran pertama dilakukan secra manual selama 2 menit. Kemudian pada tahap kedua proses stir casting diterapkan dengan kecepatan putar 550 rpm selama 2 menit. Dalam proses tersebut pembentukan rongga terjadi di dalam dapur listrik selama 10 menit kemudian didinginkan di dalam cetakannya pada suhu ruang. Dari hasil pengecoran dengan penambahan blowing agent yang bervariasi, spesimen dipotong untuk membentuk sel elektroda udara berbahan aluminium dengan ukuran diameter 60 mm dan tebal 5 mm sebanyak 3 keping untuk setiap variasi penambahan blowing agent. Pemotongan dilakukan menggunakan gergaji dengan media pendingin dan dipotong pada bagian coran secara acak dari bagian tengah ke atas yang menghasilkan pori terbanyak. Dari setiap hasil
2
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi
pemotongan tersebut kemudian diuji porositas dengan menggunakan metode Archimedes [10]. Dalam pengujian tegangan listrik yang dihasilkan oleh sel baterai aluminium-udara dengan elektroda udara aluminium A6061. Sel baterai tersusun dari dua pelat akrilik yang mengapit katoda aluminium berongga, lapisan kapas sebagai penyerap elektrolit NaCl, pelat tembaga. Larutan elektrolit NaCl yang digunakan memiliki konsentrasi 0,6 M. Larutan NaCl tersebut ditempatkan dalam instalasi infus dan saluran elektrolit akan mengaliri lapisan kapas dengan debit 0,14 ml/detik yang mana reaksi elektrokimia antara katoda aluminium berongga dan anoda tembaga terjadi. Tegangan listrik yang dihasilkan oleh katoda dan anoda tersebut diukur menggunakan multitester. Pengukuran tegangan listrik dilakukan setiap 30 detik hingga menit ke-10. Komposisi kimia berupa kandungan aluminium dan kalsium dalam setiap elektroda udara berbahan aluminium A6061 diuji menggunakan metode XRF. Hasil pengujian ini digunakan sebagai bahan pembahasan perilaku tegangan listrik yang dihasilkan elektroda.
ISSN 2407-4845
(a)
HASIL DAN PEMBAHASAN Dari hasil pemotongan terhadap hasil pengecoran untuk membuat elektroda udara A6061 didapatkan total 9 keping elektroda dengan diameter 60 mm dan tebal 5 mm yang mana setiap variasi penambahan kalsium karbonat didapatkan tiga keping. Gambar 1 dan 2 menunjukkan masing-masing elektroda udara A6061 yang digunakan dalam sel baterai aluminium-udara. Tampak bahwa hasil pemotongan untuk penambahan kalsium karbonat 1% relatif lebih sirkular daripada spesimen yang lain mengingat hasil A6061 yang berongga memiliki kerapuhan yang semakin meningkat seiring dengan peningkatan penambahan kalsium karbonat. Selain itu tampak bahwa porositas lebih banyak pada spesimen dengan penambahan kalsium karbonat 1% berat daripada yang lainnya.
(b) Gambar 1 Foto makro 6 elektroda udara Aluminium A6061 dengan variasi % berat penambahan kalsium karbonat (garis hitam menunjukkan dimensi diameter 60 mm) (a) 1%, (b) 3%. Hasil foto makro ini diperkuat dengan hasil uji porositas untuk masing-masing elektroda yang diilustrasikan pada Gambar 3. Dari grafik dalam Gambar 3 juga dapat diketahui bahwa semakin banyak penambahan kalsium karbonat porositas cenderung menurun, hal ini diduga disebabkan juga oleh semakin meningkatnya kandungan alumina seiring penambahan kalsium karbonat.
3
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi
ISSN 2407-4845
Hasil pengujian tegangan listrik yang dihasilkan oleh sel baterai aluminium-udara dengan berbagai elektroda udara A6061 ditunjukkan dalam Gambar 4. Secara umum, tampak bahwa terjadi reaksi elektrokimia sehingga menghasilkan tegangan listrik minimal sekitar 400 mV. Namun tampak perilaku yang menonjol pada elektroda dengan porositas sekitar 20% hasil pengecoran dengan penambahan kalsium karbonat 3% yang dapat menghasilkan tegangan listrik hingga 1103 mV pada detik ke-600. Gambar 5 menunjukkan hubungan antara porositas elektroda udara A6061 dan tegangan listrik yang dihasilkan. Dari Gambar 4 tampak bahwa penambahan kalsium karbonat dan alumina tidak memberikan dampak yang jelas dalam peningkatan tegangan listrik. Namun dari
Gambar 2 Foto makro 3 elektroda udara Aluminium A6061 dengan penambahan kalsium karbonat 5% berat (garis hitam menunjukkan dimensi diameter 60 mm). Alumina yang lebih banyak membuat kestabilan pembentukan porositas menjadi berkurang. Selain itu, diketahui bahwa variasi porositas semakin besar seiring penambahan kalsium karbonat yang mana menunjukkan homogenitas rongga semakin menurun. Dalam lingkup penelitian ini didapatkan penambahan kalsium karbonat 1% berat dan alumina 0.5% berat menghasilkan porositas yang paling besar dan lebih homogen.
Gambar 4 Hubungan antara tegangan listrik dan waktu pengukuran untuk setiap elektroda.
Gambar 3 Hubungan antara prosentase penambahan kalsium karbonat dan porositas elektroda udara berbahan aluminium A6061.
Gambar 5 Hubungan antara tegangan listrik dari porositas elektroda pada detik ke-600 (menit ke-10).
4
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi
Gambar 5 tampak bahwa semakin tinggi porositas elektroda udara hingga sekitar 23 persen, tegangan listrik yang dihasilkan semakin meningkat. Namun, tegangan listrik semakin menurun untuk porositas elektroda udara A6061 yang lebih tinggi dari 23 persen. Untuk elektroda dengan porositas hingga 23 persen, semakin tinggi porositas maka semakin luas luasan reaksi antara aluminium dan udara dengan media larutan elektrolit NaCl. Namun hal ini tidak berlaku untuk spesimen dengan porositas yang lebih tinggi, mengingat untuk terjadinya reaksi elektrokimia dalam sel baterai aluminiumudara adalah adanya udara dalam ronggarongga elektroda dan yang terutama adalah tersedianya kandungan aluminium yang tinggi. Oleh karena itu perlu kajian komposisi kimia dari elektroda udara yang telah digunakan dalam penelitian ini. Gambar 6 menunjukkan hasil uji komposisi kandungan unsur aluminium dan kalsium pada elektroda udara. Tampak bahwa berdasarkan hasil proses stir casting dan pemotongan untuk elektroda udara dapat diketahui bahwa semakin tinggi penambahan kalsium karbonat dan alumina maka kandungan aluminium semakin berkurang dan kandungan kalsium semakin meningkat yang juga dapat mengurangi jumlah reaksi elektrokimia pada sel baterai aluminium-udara. Seperti diilustrasikan pada Gambar 4 dan 5 bahwa elektroda udara A6061 yang meng-
ISSN 2407-4845
hasilkan tegangan listrik tertinggi memiliki porositas sekitar 20% hasil pengecoran dengan penambahan kalsium karbonat 3% dan pada elektroda tersebut mengandung jumlah aluminium terbanyak dan kalsium minimal dibandingkan elektroda yang lain seperti ditunjukkan dalam Gambar 6. Dengan kondisi porositas sekitar 20% dan kandungan aluminium yang tinggi serta kalsium yang minimal inilah, elektroda udara A6061 dapat menghasilkan tegangan listrik yang maksimal. Untuk elektroda yang semakin tinggi porositasnya menghasilkan tegangan listrik yang lebih rendah diduga dikarenakan oleh kandungan aluminium yang lebih rendah dan kalsium yang lebih banyak akibat penambahan kalsium karbonat saat proses pengecoran bahan elektroda. Selain itu, rendahnya tegangan juga dapat dipengaruhi oleh debit, konsentrasi dan jenis larutan elektrolit. Penelitian lanjutan masih perlu dilakukan untuk meningkatkan keberlanjutan dan stabilitas sel baterai jenis ini. Meskipun demikian, dari penelitian ini dapat diketahui bahwa sel baterai aluminium A6061-udara ini dapat menghasilkan tegangan listrik maksimal 1103 mV atau 1.1 Volt dengan menggunakan elektroda udara A6061 hasil proses stir casting dengan blowing agent kalsium karbonat 3% dan alumina sebagai penstabil rongga. Tegangan listrik yang dihasilkan dalam penelitian ini mendekati hasil penelitian terakhir tentang sel baterai jenis ini yang menggunakan elektroda udara aluminium dengan proses manufaktur yang lebih mahal dan menghasilkan tegangan listrik 1.3 Volt [4]. KESIMPULAN Dari hasil penelitian ini didapatkan kesimpulan sebagai berikut: 1. Penambahan blowing agent CaCO3 pada aluminium A6061 menghasilkan elektroda udara dengan porositas yang semakin menurun dan variasi porositas yang semakin tinggi yang disebabkan adanya penambahan alumina sebagai penstabil rongga. 2. Porositas elektroda yang rendah menghasilkan tegangan listrik yang kecil karena kandungan oksigen dalam pori di elektroda sebagai bahan reaksi elektrokimia sedikit.
Gambar 6 Kandungan Aluminium dan Kalsium pada elektroda udara berbahan Aluminium A6061 hasil pengujian dengan metode XRF.
5
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi
ISSN 2407-4845
Metals with Directional Pores”, Progress in Materials Science, Vol.52, No.7, pp.1091-1173. [6] Kevorkijan, V. (2010). “Low Cost Aluminium Foams Made by CaCO3 Particulates”, Metallurgical & Materials Engineering, Vol.16(3) pp.205-219. [7] Aboraia, M., Sharkawi, R., Doheim, M.A. (2011).“Production of Aluminium Foam and The Effect of Calcium Carbonate as A Foaming Agent” Journal of Engineering Sciences, Assiut University, Vol.39., No.2 pp.441-451. [8] Irawan, Y.S., Akhyari, K.B., Oerbandono, T., “Porosity and Specific Compressive Strength of Aluminum A6061 Foam Produced by Metal Casting with CaCO3 Powder as Blowing Agent” Proceeding of th The 5 Annual Basic Science International Conference, Februari 11-12, 2015, Ed. Lukman Hakim, Malang, 2015, pp.46-49. [9] Srivastava, V.C., Sahoo, K.L., (2007).“Processing, Stabilization and Applications of Metallic Foam. Art of Science”. Materials Science-Poland, Vol.25, No.3, pp.733-753. [10] Taylor, R.P., McClain, S.T., Berry, JT. (1999).“Uncertainty Analysis of MetalCasting Porosity Measurements using Archimedes’ Principle”. International Journal of Cast Metal Research, Vol.11, No.4, pp.247-257.
3. Semakin tinggi porositas hingga 20% pada elektroda udara A6061 dengan kandungan aluminium yang tinggi dapat menghasilkan tegangan listrik maksimal. 4. Jika porositas elektroda lebih besar dari 20% maka tegangan listrik yang dihasilkan menurun dikarenakan kandungan aluminium yang dibutuhkan untuk reaksi elektrokimia semakin menurun dan kandungan kalsium karbonat yang semakin banyak. 5. Reaksi elektrokimia pada sel baterai aluminium-udara dipengaruhi oleh porositas elektroda A6061, kandungan Aluminium dan minimalnya unsur kimia lain yang dapat mengurangi kecepatan reaksi elektrokimia antara aluminium dan udara. 6. Dalam lingkup penelitian ini tegangan listrik maksimal sebesar 1.1 Volt dapat dihasilkan oleh sel baterai aluminiumudara dengan diameter 60 mm tebal 5 mm dengan bahan elektroda udara A6061 hasil proses stir casting dengan penambahan blowing agent 3% dan alumina sebagai penstabil pori. DAFTAR PUSTAKA [1] Jardine, Nick, (2011), The 10 Biggest Problems in The World According to The EU, Business Insider, http://www. businessinsider.com/the-10-biggestproblems-in-the-worldaccordingto-the-eu-2011-10?IR=T&op=1, tanggal akses: 27 April 2014. [2] Pikiran Rakyat Lintar Media. (2012). Akibat Salah Kelola, Cadangan Minyak RI Tinggal 12 Tahun, Jakarta: Pikiran Rakyat Lintas Media (PRLM). http://www.pikiranrakyat.com/node/183564. Tanggal akses: 15 Maret 2015. [3] Hamlen, R.P. and Atwater, T.B. (2001) rd Handbook of Batteries, 3 edition (eds. D. Linden and T. Reddy), McGraw-Hill, New York, pp.38-44. [4] Zhang, J.G., Bruce, P.G.,and Zhang, X.G. (2011). Handbook of Battery Materials (eds. C. Daniel and J.O. Besenhard, Wiley-VCH Verlag & Co.KGaA, Weinheim, p.790. [5] Nakajima, H. (2007).”Fabrication, Properties and Application of Porous
6
