JURNAL FISIKA DAN APLIKASINYA
VOLUME
3. NOMOR. 1
JANUARI 2007
Preparasi dan Karakterisasi Karbon Aktif Magnetik Nanopori ./uru8Qn
Aripin* Fislka. FMlPA. UniwrsiIoa Holuoleo
Kampus Buml 1Hdhtuma AntIuonoIm Kimdarl 93232
IDtIsarl Bahan eIektroda karbon aktif magnet.ik (KAM) dengan ukuran oanopori dad baban baku kerIas tisue sebagai sumber karbon dan FeClll.4HIlO sebagai prekursor magnet.ik: telah dikmnbangkan. Ukman oanopori KAM diperlukan untuk mempen:epat difusi eJektrolit melewati elektroda. sebingga nmrnaksjmgmImu Impasjtausj apesifik BOLC. KAM dipbolisis pada leJDperatur 4OOG C. 6OOvC. dan 700"C selama 1jam. Luas perrrmJman spesifik, volume pori total karbon dan diameter pori mra-rata KAM difentukan dengan isothenn adsorpsi nibogen menggutl1Ikan Sur:Iiwe Area Analyzer Now-lOOO. HasiI menunjukkan bahwa luas pemmJman spesifik dan diameter pori rata-rata karbon aktif magnetik bedumt-tumt adaIab 8IdaJa 700 mll/i sampai di atas 1200 mll/g dan antam 1 om sampai di atas 15 DID.
SOO'"c.
KATA .IlUNCI:
L
karbon aktIflllllglletik (KAM), karbonasi, Iuas pemmkaan spesifik, diameter pori fII1B.ra1a
n.
PENDAHVLlJAN
DASAR TEORI
A. MetudeBET
Karbon aktif dan mang (karbon beIpori) secara telmis merupakan baban penting dan te1ab diguuakan sebagai baban elektroda EDLC [1-3]. Elektroda karbon aktif memi1iki Iuas permukaan spesifik besar sehingga cocok untuk proses adsorpsi dan deadsorpsi ion-ion elektrolit tanpa reaksi elektrokimia dan bahan ini adalah konduktif secara elektronik. yang memunglrinkao sildus pengisian dan pengosongan mualan diJaknkan secam lengkap dan cepat. Meskipun karbon aktif dan karbon beIpori telah digunakan, tempi belum memberikan unjuk ke1ja maJcsimaJ sebagai baban eIektroda EDLC. Hal ini dihubungkan terhadap masalab banyak EDLC yang tersedia sekarang menggunakan baban elektroda karbon Ironvesionall yang hanya mengandung ukuran mikropori. MiJao. pori udak mudah dibasahi elektrolit dan permukaan yang terIindung daJam mikropori tidak: dimanfaatkan untuk menyimpan muatan. Selanjutnya. jika daJam situasi dimana mikropori dibasabi elektrolit, gemkan ion dalam pori kecil ini terJalu Iambat. Kedua. resistansi kontak antara partikel serbuk karbon dan antara 1apisan aktif dan plat pengumpul arus sangat besar. sehingga dapat menuronkan kapasi1ansi BOLe. Pengembangan elektroda karbon aktif magnetik (KAM) yang mempunyai ukoran pori yang ~ besar dan resistansi kontak reodab sangat diperlukan dan penting untuk mempercepat difusi ele1drolit melewati elektroda, sehingga memabirmnnkan 1mpasitansi spesifik EDLC. Tujuan penelitian ini adalab mempersiapkan dan meoentn1can struktur permukaan karbon aktif magnetik nanopori.
Pengukman isoterm adsorpsi mempunyai bebempa peuggunaan terutama untuk menentokan luas pennnkaan adsorbeD. Luas pennukaan padatan meliputi luas permukaan intemal (mikroskopik) dan Iuas permukaan ekstemsl (makroskopik). Pada sistem adsorpsi gas-padat biasanya dinyatakan oleh isotenn adsorpsi dengan Upe-tipe antara lain; tipe Langmuir. Freundlich, BET. modifikasi tipe BET dan modifikasi tipe Freundlich. Pada pengukuran luas pmnnkaan zat padat digunakan isotenn multilapisan. Isotenn yang umum. digunakan pada adsorpsi multilapisan ditunmkan oleh Stepher Bnmaeur, Paul Emmett dan Edward Teller yang disebut isothmm BET [4]. Metoda ini menganggap bahwa molekul padatan yang paling atas berada da1am kesetimbangan dinmnis, Ini berarti jika permukaan banya dilapisi oleh satu molekul saja, maim mo1ekulmolekul gas ini berada da1am kesetimbangan dengan fiIse uap padatan. Jika terdapat dua atau lebih lapisan, maim lapisan temtas yang berada pada kesetimbangan dengan fase uap padatan. Bentuk isoterm teIgantung pada JJUK:am gas adsOIbat, sifilt adsorben, struktur pori. Gejala yang diamati pada adsmpsi isoterm berupa adsorpsi lapisan molekul tunggal. adsorpsi lapisan molekul gaucla dan kondensasi daJam kapiler. Penunman persamaan adsorpsi BET didasarkan pada teori kinetik gas (teori Langmuir) untuk n lapisanImulti 1apisan. Teori ini mengasumsikan bahwa : 1. Laju adsorbsi sarna dengau laju desOIbsi
2. Tumbukan antar molekul diabaikan antara molekul dengan (adsorbat-adsorb) bersifat elastis.
3. Tumbukan -E-MAIL:
[email protected]
@ Jurusan F"uika FMlPA ITS
pennDIman
4. Pmmukaan adsorben bersifilt homogen. 070108-1
J. FIs. DAN APL., VOL. 3, No. I, JANUARJ 2007
AlUPJN
Persamaan BET dapat dituIis sebagai berikut :
~DTr===~--------------------~
_4f)OUC
= _1_+ c-l J!... W(r:- 1) Wmc Wmcpo 1
-o-soooc
(I)
m
_400°C
o -o-700 C
deogan p1Po = tekanan relatif, W = berat gas yang disemp (adsorben) pada tekanan relatif p/po, Wm = berat gas nitr0gen yang membentuk lapisan monolayer pada pemm1man zat padat, C = tetapanlkonstanta BET. B. Jari-Jarl Pori o~~~--~~--.-~~--~~~ 1 0.8 0.6
Pengamatan gejala kondensasi kapilaritas dalaIn proses ad-
o
sorpsi akan membantu dalam penentuan-jari-jari dan volume pori. Kondensasi kapiler terjadi saat tekanan diturunkan dan molekul gas adsorben tidak segera lepas dati daIam pori Bebingga tidak seperti pada permukaan yang da1ar. Berdasarlcan asumsi tersebut dan penerapan persamaan Gibss-Duhem pada . saat kesetimbangan (temperatur konstan), Diaka radius pori dapat diketahui dengan mengetahui besamya radius meni&kus yang teJbentuk. Persamaan mengenaijari-jari meniskus temebut diturunkan oleh Kelvin sebagai berikut [4] : (2) dengan rm = mdius meni&kus dari adsorben yang tedmndensasi daIam pori (A), v L = volume molar adsorbat dalam keadaan cair (34.68 em3 /mol),-y = tegangan permukaan Irondensat (8.88 1O-3 N/m), R = tetapan gas (8,314 l/mol K = 0,082 atmJtr/mol K), T = temperatur absolut (K). Ukuran pori digolongkan menjadi tiga kelompok yaitD makropori mempunyai diameter rata-rata Icbm dati SO om, mesopori dengan diameter 2 - SO DID dan mikropori mempunyai diameter rata-rata kurang dati 2 DID. Selanjulnya mikropori dibagi menjadi dua kelompokyaitu supermikmpori mempunyai diameter rata-rata 0,7 - 2,0 DID dan ultramikropori mempunyai diameter kumng dati 0,7 DID.
m.
METODOLOGI PENEUTIAN
Serbuk karbon aktifmagnetik disintesis meoggunakan kertas tissue sebagai sumber karbon dan FeCl2.4H20 sebagai prekursor magnetik. Serbuk disintesis menmut proseduryang
dikerjakan sebelumnya [5]. Kertas tissue dicelupkan 1m daIam larutan dati c:ampuran 10 g FeCl2.4H20 dan 30 m1 aquades sampai jenuh. Kertas tissue yang teJah dicelupkan dikeringkan di udam luar. Lima jenis kertas tissue dicelnpkan Ire da1am Iautan (KAM) kemudian dipirolis pada 400°C, SOOOc, 600°C, dan 700°C seIama 1 jam berturut-tumt ditandai dengan KAMl, KAM2, KAM3, dan KAM4. Kemudian produk piroUsis didinginkan dan dicuci untuk mengbiJangkan ageDagen aktivasi. Selanjutnya KAM berpori dikering1mn se1ama 1 jam pada 115°C dan kemudian disimpan daIam desikator. Luas permukaan dan porositas KAM dikarakterisasi menggonakan eksperimen adsorpsi gas volumetrik. Eksperimen
....
Tekanan Relatlf (PlPo)
Oambar 1: .Isotherm adsorpsi nitrogen untuk KM pada wriasi tomperatur piroJisis.
ini ditampilkan menggunakan Surface Area Analyzer Nova1000 di BATAN Yogyakarta. Dalam eksperimen adsorpsi, N2 sebagai adsorbat dan temperatur pada 77 K dikontrol mengguuakan dengan kamar nitrogen cair. Teori BTUIIl1Ue1; Emmet don TeNer (BET) digunakan untuk mengbitung luas pernmlgum KAM. Luas permn1man (8) dihitnng dati plot BET daIam rentang tekamm relatifO,OI sampai 0,15. Volume (V) pori IOOib keen dati 30 DID da1am diameter djtentukan dati perhitungan nitrogen yang terserap pada tekanan relatifO,93 I. Diameter pori rata-rata (D) dibifimg dati D =4VIS, dan sistem pori dianggap sebagai kapiler selinder.
IY. BASIL DAN DISKUSI
Oambar 1 menunjukkan isotherm adsoIpSi nitrogen KM untuk variasi temperatur pirolisis. Ordinat adalab gas yang teradsorpsi per gram oleh KM dan absis adalah tekanan re~ latif PlPo, adsorptif dalam hal ini adalah N2, dimana Po adalah tekanan uap jenuh N2 pada temperatur eksperimen. Jenis isOtherm KAM untuk temperatur pirolisis pada 400°C, SOO°C, 6000C, dan 700°C merupakan karakteristik sampel tipe kombinasi mikropori dan messopori [6]. Isotherm jenis ini adalahjenis zat padat mikropori dimana hanya teIjadi pada adsmpsi lapisao tunggal. Pengisian mikropori terjadi pada tekanan rendah I 0,1 P/Po, dan pengisian makropori terjadi pads tekanan 0,1 p/po sampai 0,93 P/Po. Gambar 2 memmjukkan luas penDilkaan spesifik untuk KAM pada berbaga.i temperatur piroUsis. Luas pennukaan spesifik KAM diperoleh dengan anaUsis BET. Besamya nilai luas permnkaan apesifik untuk KAM ada1ah berkisar antara 700 m 2 /g dan di atas 1200 m2/g. Luas permukaan spesifik bertambab, jib tempemtur piroUsis ctinaikan dari 400°C sampai 7000C. Perilaku ini dihu\11 m gkan terbadap polaritas permukaan yaitn jumlah gugus-gugus fungsional yang berhubungan dengan gugus)au.\. boksil pada permolcaan ba.ban KAM berlommg jika tempeP-
070108-2
J. Fls. DAN APL., VOL. 3, No. I, JANUARl2007
ARIPIN
1300
1201)
~
a
IItHl
~
..:.=
..
!8
11/1111
WI
CI.
I
= ] a...=
""i
WI
i
sm,~
.
j I
CI.
;
'00
:::I
..J Iifl9
.1iJ{l
-lim
!'OO
600
')'1)1
Temperature plroUsls (uC)
Gambar 2: Luas pennukaan spesifik KAM untuk variasi temperatur pirolisis !,tlJ ... 11jl'
---IIUI"lC'
"
~
"'~UIt)C'
i <
'60
-.
"I
=>
'-111
~
121 ....
~
.;:
..=
__ (,Olf'c' --711I1"C'
.
,m' ~ ;
NO
ter pori untuk: KAM dapat digolongkan sebagai mikropori dan messopori (nanopori) dengan diameter pori berkisar berkisar antara 10m dan di atas 15 om. Berdasarkan distribusi ukuran pori dari KAM yang diperoleh dari hasil penelitian ini yaitu kombinasi mikropori dan messopori, maka jika bahan ini digunakan sebagai bahan elektroda EOLC memungkinkan dapat meningkatkan kapasitansi EOLe. Ukuran pori kombinasi mikropori dan messopori sangat cocok untuk: pemakaian elektrolit encer H2SO4 dan elektrolit LiCI04. Ion H+ dari elektrolit H2 S04 mempunyai ukuran sangat Irecil ~hiogga dapat dengan mudah mengambil bagian dalam proses penyisipan berulang-ulang ke dalam pori KAM. Ion sQ4- dari 6(S02- .(H2 0)6) dan 12(S02- .(H20h2) berturut-turut mempunyai diameter ratarata sekitar 0,409 om dan 0,533 om [5]. Sedangkan elek- .. trolit LiCI04 terpisah menjadi ion Li+ dan CI04- dengan diameter rata-rata masing-masing sekitar I; 19 om dan 0,49 om [2]. Jika distribusi ukuran pori KAM hanya mikropori, maka ion-ion akan berdifusi lambat memasuki pori. Pori dengan ukuran mikropori hanya berhubungan terhadap satu atau dua diameter ion sQ4-, sehingga hanya menyediakan satu atau dua ion S04- untuk: menjangkau permukaan pori KAM. Jika distribusi ukuran pori KAM merupakan kombinasi mikropori dan mesopori, ion-ion elektrolit memasuki messopori akan berlipat-lipat, sehiogga elektroda akan mudah dibasahi elektrolit dan permukaan yang ter1indung dalam mikropori akan dimanfaatkan untuk: menyimpan muatan. Selanjutnya, jika dalam situasi dimana messopori dibasahi elektrolit, gerakan ion dalam pori kecil ini akan cepat.
~
CI.
Ei
=
~
(j.,~ ~
i
,
41> ..
V.
SIMPULAN
21' .., ! I' .... ----.---------y--
"
.-----.~T
i (,
" " " " - , . .: - - - - ,
N
III
12
14
I~
Diameter Pori (nm)
Gambar 3: Distribusi ukuran pori KAM untuk variasi temperatur pirolisis
atur pirolisis dinaikao [5]. Polaritas permukaan bahan KAM menmun, jika temperatur pirolisis dinaikan. Gambar 3 menunjukkan distribusi ukuran pori KAM untuk: variasi temperatur pirolisis. Pori dalam KAM tersebar dalam bentuk: dan ukuran yang sangat lebar. Berdasarkan IUPAC, ukuran diame-
[I] Endo, M., Takeda, T., Kim, Y.J., Khoshiba, K., Ishii, K., Carbon Science 1, 117-128.C (2001). [2] Lazano-Castello, D., Cazorla-Amoros, D., Linares-Salano, A., Shirashi, S., Kurihara, H., Oya, A.. Carbon Science 41 17651775 (2003). [3] Chemiola, J., Yushin, G., Dash, R.K., Hoffman, E.N., Fisher, J.E., Barsoum, M. W., and Gogotsi, Y., J. Electrochem. and Solidstate Letter 8, A357 - A360 (2005).
Karbon yang mengandung magnetik (KM) telah dibuat dengan menggunakan kertas tissue sebagai sumber karbon, FeCI 2 .4H2 0 sebagai prelrursor magnetik dan temperatur pirolisis. Metode ini telah berhasil mengembangkan luas permukaan spesifik yang besar dan kombinasi struktur mikropori dan mesopori (nWlopori). Luas permukaan spesifik KAM berkisar antara 700 m2/g dan di atas 1200 m2 /g. Ukuran diameter pori berkisar antara I om dati di atas 15 om. Luas permukaan spesifik bertambah, jika temperatur pirolis dinaikan yang dihubungkan terhadap penguranganjumlah gugus-gugus fungsional dari gugus karboksil pada permukaan bahan KAM. Bahan KAM dengan karakteristik ukuran mesopori sangat bermanfaat untuk: aplikasi praktis daI8m EOLC.
[4] Gregg, SJ., and Sing, K.S.W., Adsorption, Surface Area and Porosity (Academic Press Inc. London. 1982). [5) Aripin, J.of Solid State Science and Technology Letters 13, 1922 (2006). [6) Sing, K.S.W., Everett, D.H., Haul, R.A.W., Moscou, L., Pierotti, R.A., Rouquerol, J.Pure Appl Chern. 57, 603-619 (1985).
070108-3
VOLUME
JURNAL FlSlKA DAN APLIKASINYA
3, NOMOR I
JANUARI
2007
Pengaruh Penambahan LiCI04 pada Pembuatan Komposit Anoda Grafit Bermatrik Polimer Bambang
~ko,·
Etty Marti Wigayati, dan Nurhayati
Pusat PeneliliDn FIsiko - LIP] Komplek PUSPIPTEK Tangerang - Banten Ij314
IntIsari Telah dilakukan penelitian tentang pengaruh penambaban LiCl04 pada pembuatan komposit anoda graftt bennatrik. polimer. Komposit anoda grafit digunakan sebagai komponen baterai lithium. Komposit bermatriks polimer ini berbentuk lembaran tipis dan dapat diperoleh melalui proses pembuatan dengan metode lape casting yang menggunakan perangkat doctor blade. Ketipisan komposit anoda yang diperoleh berkisar sekitar 60 IJID. Penambaban LiCl04 dilaklllcan daIam 0, 2,4, 6, 8 dan 10% berat dati campumn baban keramiImya, yaitu serbuk grafit dan karbon black. Penambaban ini temyata tidak mempengaruhi pada proses pembuatan dan basillembarannya tetap tipis dan memta, tidak ada penggumpalan Hasil pengamaflm XRD menunjukkan keberadaan lithium perklorat hidrat yang disebabkan adanya reaksi antara uap air dan LiCl04. Komposisi nilai konduktivitas 1islrik bemilai optimum diperoleh pada penambahan 4% LiCl04. Konduk:tivitas listrik komposit anoda meningkat dengan penambahan LiCI04 dan mem:apai nilai optimum pada penambahan 4% LiCI04 yaitu sebesac 3,8 X 10- 6 Scm-I untuk nilai konduktivitas total dan sebesar 9,5 X 10-5 Scm- I untuk nilai konduktivitas elektron. KATA KUNCI: grafit, IIIHlda.,
baterai litbium
I. PENDAHULUAN
Baterai Lithium yang dapat diisi ulang dari berbagai jenis tipe yang ada, telah berkembang sangat pesal untuk diperkenaIkan di pasaran, seperti diaplikasikan pada: handphone, laptop, kamera handycam babkan sebagai penggerak mobil listrik. Baterai lithium rechargeable memiliki beberapa keunggulan yaitu memiliki densitas energi dan tegangan yang tinggi, lebih tahan lama dan ramah lingkungan. Berbeda dari jenis baterai rechargeable lainnya yaito Ni-Cd, Ni-MH yang tidak nmiah liogkungan karena mengandung bahan bemcun. Dalam kondisi discharge dan recharge baterai lithium bekerja menurut fenomena interkalasi, ion lithium berimigrasi dari katoda meialui elektrolit ke anoda demikian sebaliknya tanpa terjadi perubahan struktur kristal dari bahan anoda dan katoda. Ion-ion lithium bergerak secara spontan dari elektroda negatif ke elektroda positif selama discharge yang menyebabkan peoyimpanan energi. Proses perpindahan iOD lithium dari katoda ke anoda dan sebaliknya dapat dilihat di Gambar I.
Reaksi redoks tersebut adalah :
Anoda Katoda
xe + Cgra/it + xLi+ .= LizC (1) xLiMn204 ;:;: xLi+ + 2Mn02 + xe (2)
Dalam proses migrasi yang berjalan secara difusi, reaksi secara reversible dari kondisi charging atau pengisian ulang dan discharging atau kODdisi pemakaian. Proses elektrokimia ini mengbasilkan tegangan antara 3,6
kimia terjadi
·E-MAIL:
[email protected];
[email protected]
@ Jurusan Fisika FMIPA ITS
Gambar I:
~ proses interkalasi dalam batemi
lithium [1]
sampai 4,2 Volt. Tegangan yang dihasilkan ini jauh lebih besac dibandingkan baterai accu atau metal hydrid. Proses terjadinya interkalasi dapat digambarkan dalam Gambar 2. Keunggulan bahan anoda dan katoda lerletak pada stabilitas kristal dari bahan aooda dan katoda. Bahan anoda yang seriog digunakan sebagaikomponen sel baterai litbium rechargeable adalah grafitlkarlxm dan logam lithium. Kedua material memenuhi syarat sebagai suatu material yang mempunyai host untuk proses ioterkalasi. Adapun perbandingan kemampuan masing-masiog OOpat dilihat di Tabel 1. Loga.m lithium sangat reaktif, oleh karena ito teJ:jadioya ledakan sangat mungkin terjadi. Masalah ini dapat diatasi dengan adanya tekhoologi ion-lithium. Pada baterai jenis ini elektroda negatif bukan dari logam lithium tapi dari bahan yang lebih aman seperti grafit atau karbon yang 00pat mengioterkalasi ion Iithiwn. Kemampuan grafit sangat 070109-1
BAMBANG PRIHANDOKO, cIkk.
J. Fis. DAN APL., VOL. 3, No. I, JANUARI 2007
(bl
(0)
(e)
Gwnbar 2: Proses interkalasi dalwn beberapa fuse [2]
Gambar 4: Gndik Nyquist deugan menunjukkan adanya impedansi Warburg [3]
Gambar 3: Rangkaian sel eleldrokimia sederhana [3].
jauh dibandingkan dengan logam lithium, walaupun kapasitas tooritis lithium hampir tiga kali dibandingkan grafit, namun kenyataannya kapasitas grafit masih lebih besar dibandingkan logam lithium. Sclain data di atas, logam lithium sangat reaktif dan mudah meledak bila terkena api. Graftt mudah diperolch dengan harga yang jauh lcbih murah.
dengani=A Jika niIai impedansi real (Z') diproyeksikan pada sumbu-X dan niIai impedansi imajioer (Z'') diroyeksikan pada sumbuY, maka akan diperoleh grafik seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Grafik pada Gambar4 disebut grafik Nyquist. Pada grafik terlihat nilai impedansi Warburg yang ditunjukkan oleb garis 45° pada ftekuensi rendah. Impedansi Warburg disebabkan oleb transfer muatan ke dan dari elektroda. Dari Persamaan 3, maka impedansi sebuah sel elektrokimia [3] adaIah:
IZI = y'Zf2 + iZ"2 U. DASAR TEORI
Pergerakan elektron dan ionik dalam baterai lithium dapat diamati secara elektrokimiawi dengan menggunakan metoda EIS (Electrochemical Impedance Spectrometry). Impedansi elektrokimia biasa diukur dengan menggunakan sebuah tegangan AC (U) pada sebuah sel elektrokimia dan mengukur arus listrik yang melalui sel. Secara normal sebuah sel elektrokimia mirip dengan sebuah hambatan. Contohnya larutan elektrolit berkelakuan sebagai sebuah hambatan obmik. Kapasitor juga merupakan element pentiog dalam impedansi elektrokimia spektroskopi- electrochemical impedance spectroscopy (E1S). Roang diantara elektroda dan Iarutan secara ideal berkelakuan sebagai sebuah kapasitor yang disebut kapasitansi keping ganda elektrik-elecrical double layer capacitance. Besar impedansi kapasitor adaIah I/wC, dan sudut fase
(5)
Maka notasi impedansi komplek untuk sebuah sel elektrokimia [3] adaIab :
1 Z = Rtotal - wC dl
(6)
Untuk mendapatkan nilai Rtot, maka kita hams mendapatkan Z"= 0 dengan cam melakukan ekstrapolasi membentuk setengah Iiogkaran seperti pada gambar di atas. Dari nilai Z = Rtot ini, kita dapat menentukan konduktifitas bahan dengan menggunakan persamaan : f
R=pA
(7)
dengan:
90° [3].
Z= _1_ wC
(3)
Sel elektrokimia sederhana berkelakuan seperti sebuah hambatan dan sebuah kapasitor. R""l merupakan hambatan ohmik dari elektrolit dan edt merupakan kapasitansi keping ganda. Pada frekuensi tioggi, besar impedansi sel seperti ini sarna dengan Rtot dengan sudut beda fase 0°. Pada frekuensi rendah impedansi akan bergantung pada frekuensi dan memiliki beda fuse 90°. Pada frekuensi intermediat sudut fase akan berharga antara 0° dan _90 0
Notasi untuk impedansi kompleks [3] adaIah:
Z=Z'+iZ"
R = Resistivitas bahan (ohm) p = Hambatanjenis bahan (ohm.m) f = Tebal bahan (m) A = Luas penampang bahan (m2 ) I
J
Dikarenakan a = 1/ p , maka rumus Persamaan 7 menjadi: f
p= AR
(8)
dengan 0= konduktifitas (O-1.m- 1) atau (S/m) lmpedansi komplek akan digunakan untuk menguji interaksi antara k~nen elektroda dan elektrolit dalam kemampuan migrasi dari elektron dan ioniknya dalam penelitian ini
(4)
070109-2
BAMBANo PRmANDox.o. dkk.
J. Fls. DAN APL •• VOL. 3. No.1. JANUAlU 2007
TABEL I: Pabedaan kcmampuan bahan anoda carbon dan Iogam lithium [2] Cbai8Ctelisti.cs Capasity 1'beonmcal density (g em-B)
Pna:tical density with CODductive diluent 1'beonmcal ~ (mAbg- 1 ) Pmctical Capasity (mAb g-l)
C8IbOB
MefalIic Lithium
2.2S (gmphitic carbon)
0.53
1.60
0.53
373 3862 316 772 (8S% active material) (5-fold axcess Li) 837 2047 506 409
1'beonmcal Capasif¥ (mAb g-B) Pmctical Capasity (mAh g-8) 1'rrwtical Capasity ndio Rate CapabIlIty (AA-sIze)* Avemgo cell vohagc M Average dnUn at 1 h{mA) Average dnUn ratio Cumulative Energy (AA-4ze)*
1.24 3.6 300
METODOLOGI pENEuTIAN
llC1C4B:P
Diparw4can300cc mlllit
UCla.
600 216
1.56
1200 2.59
0312
600 200
83
Metoda yang digunakan dalam pembentukan kemmik lembaran tipis adaIah metode tape casting. 18pe casting merupakan suatu telmik pembuatBn yang khusus membentuk keramik dalam bentuk lembaran tipis dengan penmOOum yang luas dan balus. Pembeotllkan sample atau proses tape casting dila1mkan dengan menggunakan pemngkat doctor blade. Kemmik lembaran tipisyang dihasilkan dengan menggunakan
ce1ama~
2.6 100 3.00
Cell capasity (mAh) Energy per cycle (Wh) Cycle life CumuJativo eneJBY (kWh) CumuJativo &meIJY mtio
m.
Ratio (C/LI)
proses tape casting bersifat lentur seperti karet mempW1,m pennu1mao yang halos danrata. Lembamn basil produk dapat dibuat sebagai baban konduktor, resistor dan kapasitor dalam bentuk lapisan. Proses pembuatBn sample diawa1i dengan persiapan ba· han baku yaitu lithium perkblomt (LiClOd climasuklean ke dalam cawan keramik Ulban suhu tinggi untuk dipanaskan pada electrical fumice dengan suhu 300°C dengan waktu pcnab8nan selama 20 menit. Setelah ito bahan yang sudah dimumi1mn diletak:kan dalam mortar dan didinginkan daIam pikadorvacum. Setelah bahan dingin dan mengems kemudian digems atau di1mlnskan di da1am mortar agar m~adi serbuk LiClO" betwama putib. . Pemunbaban LiClO" dilaknkan dalam 0, 2, 4, 6, 8 dan 10% berat dari campuran baban keramilmya, yaitu serbuk graftt dan karbon blaek. Sedangkan perbandingan grafit dan carbon black adaJab S% berat. Polimer yang diguoakan adaJab EVA dengan plasticizer PEG 400. Proeses pembnatan seleDgkapnya dapat dilibat pada Paten Indonesia tahun 2006 [4, 5]. Lembaran anoda diamati dengan menggnnakan no dan alat Solartron 1260 Gain Phase Analyzeryang meropakan alat pengukman impedaosi kompleks.
DipwiDihaluskm
., SamJie IIIIDda
Gambar 5: Aim pemumian LiCl04 dad UIISUI' bidmt.
No HASIL DAN DISKUSI Lembamn anoda yang dihasilkan mempunyai pennu1mao yang rata, tidak ada butimn yang muncuL Hal iDi IIlCIlUqjukan bahwa proses aglumurasi dari filler pada matrik tidak terjadi. Se1uruh fiOer menyebar dengan merata.Dengan demikian penmnbahan LiClO" tidak mempengarubi prosesperbbuatan lembaran anoo. grafi.t. Tebat lembaran anoda berkisar sek· itar 60 pm. Bahan LiCIO" ada1ah baban kimia yang san-
070109-3
J. Fls. DAN APL., VOL. 3, No. I, JANUARl2007
BAMBANG PR.mANooKO. dA:t.
......
··01.· .. ~:
.... .. ~
, .... II.
I .....
-:·-.. ..,u ~-... -·; ..I·
,--·.11-
Ii
"." : .1=-:="::.'1._ .~
" , tl-..L~..,..o
"I _ _
;::.... J;:"';
,
.. u
In
.--c.""\ r
~
.
_;,,_
Gambar 6: Patron XRD dari Iembanm anoda dengan variasi 0% dan 8% bemt LiClO4 •
berat LiCl04 • Nilai d ini tidak dipunyai pada patron tanpa penambaban UCl04• Nilai d tersebut meJlUI\iukan keberadaan lithium perk10rat hidrat (UCl04.3H20 ). Penyempan atau reaksi dengan uap air masih terjadi. Namun intensitas dati niIai d tersebut sangat kecil, sehingga tidak terlihat dengao. kasat mala. Hal ini menunjukan kadar penyetapanpuo sangat keciL Pengaruh penyerapan uap air ini dapat diamati pada pengqjian konduktifttas Ustrlk lembaran anoda. Jjka pengaruhnya eukup kuat, maim gem.kan ion hydrogen dati uap air akan terIihat jeJas. Pengujian kondnktifitas Iistrik dilaJqdcan dengao metoda impedansi komplek ( EIS ). Basil pengujian konduktiftas dilakn1mn dengan metoda EIS yang mendapatkan basil
~ • e -.• ~ IS ~--.----------,
J
-.,;.
'''In.-I,.
IS
41! ... ~ I~
- ,
"0.&
i: ~~
O~--r-~~~--~--~--~ o 6 10
seperti Oambar 7.
•
Gambar 7: Grafik HubuDgan penambaban LiClO4 dengan konduJdifitas elektron
Patron XRD yang dihasilkan dati seluruh variasi penambahan UCI04 tidal< menunjukan perbedaan yang signifilmn Oleh karena itu dua basil XRD eli Oambar 6 dapat mewakili basil - basil tersebut Patron XRD di atas yaitu antara tanpa dan 8% berat penambaban UCl04 tidak mcnunjokan perl» daan clair pengJihatan kasat mata kita. Namun basil ideotifikasi data patron XRD memperJihaflcan sedikit perbedaan, yaitu pada nilai deli 2.57, 2.40 dan 2.22 dati penambaban 8%
Grafik impedansi komplek dati seluruh lembaran dengan selumh variasi penambaban UCl04 memperlihatkan garis lengkung dengao. berakhir pacta sumbu x. Gejala Warbwg . tidak terjadi pads seIuruh basil pengqjian sample. Dengan demikian pergeralam electron pacta lembaran sangat dominant. Pengaruh uap air tidak terlihat pada grafik tersebut. Oleh karena itu lembaran basil pembua1an dengan filler graftt sangat bait untuk digunakan sebagai elektroda, atau anoda. Perhitungao konduktifitas lembaran dUakukan dengan membuat ekstrapolasi setengah lingkaran pacta ~ masing grafik di Gambar I. Ekstrapolasi tersebut dibuat seperti di Gambar 4 untuk memperoleh nilai tahanan bahan dan tabanan electron, serta tabanan total
070109-4
. l
J. Fis.
DAN
BAMBANG PRiHANDOKO, dirk.
APL., VOL. 3, No. I, JANUARl2007
s:oo~~~~~~~~~~t0f7T-~? ~
'~l!iJ Mr¥~~*~"+t4~'l"l\tP~"'t't~
" =,oo~~~44~¥+¥+~+HFft~~~~~
. .!!
,... 50)
+---'~~~~~~"",*~~H
:·1
1:).)
1~
:.'p)
:~
~
l~
4-~1J
4{I'J
g.1~
5~1J
r;,~~
,,~
00 10 80 90 100 110 120 130 140150 100 110
:1))
0
100
rReall""")
-"'"PF.~tt~± e ~ -; ]1) p:.-:+,':,'!+='It;-'!
oS
~~~~~+4++~~~~~~~~~~
.!
;,. ,"o+--+~~B~¥~¥+±+tt-iff'~+.fj 50
;,
7'j
~
~
100 '110 - 1;0 130
1J')
1:'~· 1€Jj -1~ ;00 fg.~ :i-J
r ... cotmt
-.
-;':0 ~+,-"~~~~*",,,"~..,..p.~~~~~~ oil .m'~ ~¥1~4~~~~4~~F~ffi~ ~
Z',Nllohml
Z'ROIIldq
Gambar 8: Gmfik basil pengukuran impedunsi dengan variasi penambahan LiCI04
TABEL II: Hasil pengujiankonduktifitas sampel Sampel LiCl04 T A R total Relel:tron Ktotal Kelektrcm (%) (10- 2 em) (cm2 ) (Ohm) (Ohm) (10- 6 Slcm) (10- 6 Stem) I 0 0,60333 3.7719 590.5 340 0,27088 0,47045 2 2 0,90367 3.7119 158.5 68.5 1.5115 3.4975 2.0630 3.7719 ISO 54.5 3,6463 10,036 3 4 4 6 2.1040 3.7719 180 64 3,0989 8.7158 1.2020 3.7719 139.5 53 2,2844 6.0':27 5 8 6 10 1.0023 3.7719 122 43 2,1781 6.1797
Ekstrapolasi yang dilalrukan di gambar di alas akan mendapatkan nilai R atau impedansi rill. K.emudian basil R ini dimasukan dalam tabel untuk dilakukan perhitungan konduktifitas. Tabel basil pengukuran dan perhitungan konduktifitas sampel diperoleh seperti pada Tabel 2.
V.
SIMPVLAN
Kesimpulan yang dapat diambil adalah : 1. Penambahan ini temyata tidak mempengaruhi pada proses pembuatan
\
~
2. Hasil pengamatan XRD menunjukkan keberadaan lithium perklorat hidrat yang disebabkan adanya reaksi antara uap air dan LiCI04. Hasil konduktivitas listrik untuk masing-masing komposit anoda seperti pada Tabel 2. Konduktifitas komposit anoda meningkat dengan peDlUnbahan LiCI04 dan mencapai nilai optimum pada penambahan 4% LiCI04 dengan nilai konduktifitas total 3,8332 x 10- 6 S ern-I dan konduktifitas elektron 9.51198 x 10"'-5 S erne-I. konduktifitas menurun dengan penambahan LiCI04 berikutnya.
3. Komposisi dimana nilai kondulrtivitas listrik bemilai opt:itJlum diperoleh pada penambahan 4% LiCI04 • Konduktivitas listrik komposit anoda meningkat dengao penambahan LiCI04 dan mencapai nilai optirinun pada penambahan 4% LiCI04 yaitu sebesar 3,8 x 10-5 Scm-I untuk nilai konduktivitas t9tal dan sebesat 9,5 X 10-6 Scm-1untuk nilai konduktivitas elektron.
BAMBANG PRnIANDoKO, dJdc.
J. FIS. DAN APL., VOL. 3, No. I, JANUAR12007
[1] Kiehne, ILA. , Battery 7echnology HIIIIIlbook (MIneI Dekbr Inc, Gertmqr, 1989). [2] Munshi, M.Z.A., &ntlbook ojSoIJd StIlle lItIlterie - Capcdtors (World Scientific. Singapore. 1995). [3] Website. So~ (2002) [4] Bambaag Pn1umdolm elm Etly Marti Wigayati, lt1m6rIattm EIek-
tnJda LiIhlum Mangan Olaida don Grqfit, Palen Indonesia (2001)
[51 Bambaog p,jbando!m, Penmnbaht.zn UCl04 potlo PembutIItm EleIdrotJa Lithium M1mgon Olaida don Grq/iJ, Palen Jndone. sia(2OO6).
1
070109-6
