RbIJ)

Jurnal SainsMateri Indonesia IndonesianJournal ofMaterialsScience

PEMBUATAN

Vol. 1 No.2. Pebruari 2000, hal.. 26 -31 ISSN.. 1411-1098

DAN KARAKTERISASI SEL BATERAI SEKUNDER BAHAN SUPERIONIK (Ag/RbAg4I5/RbIJ) N. Effendi, A. K. Jahja danS.Pumama P3IB-BATAN; Serpong,Tangerang15314,Indonesia

ABSTRAK PEMBUA TAN DAN KARAKTERISASI SEL BA TERAI SEKUNDER BAHAN SUPERIONIK Ag/RbAg4I5/RbI]" Bahan elektrolit padatanberbasisperak RbAg41stelah digunakan sebagaielektrolit untuk pembuatan sebuah sel baterai sekunder (rechargeable) dengan Ag sebagai anoda dan RbI) sebagai katoda. Telah dilakukan pengukuran karakteristik pengisian-peluwahan (charge-discharge)dan polarisasiterhadap bateraipada kondisi tekanan atmosfir biasa dan temperatur mango Dapat disimpulkan bahwa konfigurasi gel Ag/RbAg4Is/ RbI) dapat berfungsi sebagai baterai sekunder. Sel dapat berfungsi dengan baik pada rapat arus hingga 230 ~A!cm2. Kala kunci: Sintesis, baterai sekunder, karakterisasi, Ag/RbAg4I,/RbI)

SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF THE SUPERIONIC-BASED SECONDARY BATTERY CELL Ag/RbAg4I/RbI]o The solid electrolite material silver based,RbAg41, had beenused as electrolite in making a secondary rechargeable battery cell with silver (Ag) as the anode and rubidium tri-iodide (Rbi]) as the cathode. The charge-discharge characteristics measurements and the battery polarization in normal atmospheric pressure, at ambient temperature had beencarried out. It can be deduced that the cell configuration Ag/RbAg4I,/RbIJ has performed as a secondary battery. The cell performed well with current density up to 230 ~A/cm2.

Key words..Synthesis,Characterization,SecondaryBattery,AgiRbAg4ls/Rbl)Cell Configuration

PENDAHULUAN Kegiatan penelitian baterai padatan dewasa ini diarahkan untuk memperoleh sumber tenaga listrik baru terutama untuk aplikasi khusus, misalnya baterai mikro untuk dipasang pada devais mikrochip rangkaian terpadu (IC), kartu kredit, baterai primer usia panjang yang handal untuk implantasi pada alat pemacu jantung, program antariksa, dan pada instrumen kedirgantaraan dan militer yang membutuhkan sifat-sifat fisis khusus [1]. Sudahsejak lama kegiatan penelitian baterai sekunder terfokus pada bahan elektrolit RbAg4Is' disebabkan oleh konduktivitas ionik elektrolit ini merupakansalah satuyang tertinggi pada temperatur ruang diantara berbagai bahan elektrolit [2]. Salah satu lagi kemungkinan aplikasi khusus elektrolit RbAg4Issebagaibateraiunggulan ialah, bateraitermal, yaitu baterai untuk aplikasi khusus pada rentang operasi temperatur tinggi, dan sekaligus bisa dipakai pada banyak siklus, dengancara pengisian kembali (recharging). Baterai termal berfungsi sebagaisumberpower atau sumber tenaga listrik cadangan, pada kondisi dimana sumber listrik utama konvensional mengalami gagal-fungsi pada lingkungan temperatur tinggi. Dengan perkataan lain

26

ABSTRACT

sistim ini merupakan suatu special purpose system. Bahan elektrolit RbAg4Is memiliki beberapa keunggulan untuk aplikasi sebagaibaterai term ai, antara lain stabilitas termal padarentang temperaturyang lebar, memiliki output listrik yang tahan goncangan serta relatif steady terhadap perubahantemperatur [3]. Karakteristik unjuk kerja suatu sistim sel baterai mencakup beberapa parameter, antara lain berat sel, tebal sel,diametersel,teganganOCV (voltaserangkaian terbuka), waktu operasi sel dihitung dari OCV sampai mencapai voltasepada ~lutut~ kurva peluwahan,kapasitaspeluwahan dandensitas enersi. Sebelum suatu konfigurasi atausistim sel dapatdinyatakan layak "operasi", parameter-parameter ini mutlak untuk diketahui, juga sebagai indikator apakah sistim mampu berfungsi sebagaimanadiharapkan pada saat mendesain sistim tersebut. Oari parameter-parameter ini dapat ditarik suatu kesimpulan menyeluruh mengenai unjukkerja sistim, sehingga dapat men4ukung diagnostik clan penyempurnaan unjuk kerja sistim sel baterai. Penelitian sistim sel baterai Ag/RbAg4Is/RbI3 telah dilakukan sebelumnya oleh peneliti lain [4,5]. Namun

Pembuatandan KarakterisasiSetBaterai SekunderBahanSuperionik(Ag/RbAg)IRbI) (Nurdin Effendi) temperatur operasiyang dilaporkan masih agak tinggi yaitu sekitar 150-300 °C, dengan penggunaan hanya sebagai baterai primer (satu kali pakai). Anode Ag digunakan sebagaielektrode negatif pactaRbAg41ssebabseluruh arus listrik pactaelektrolit ini dibawa oleh kation Ag+. Elektrode positif(katode) sebaiknya terkompleksi (complexed)untuk mereduksi aktifitasnya, karena unsur lepas 12cenderung untuk mendegradasielektrolit melalui reaksi : 12+ RbAg41s~

RbI)+ 4 AgI

Sehingga untuk mengatasi kemungkinan terjadinya reaksi degradasi,telah dipilih senyawa Rbl)sebagaibahankatode. Pactapenelitian ini , fokus penelitian ditujukan pacta aplikasi sistim sel sekunder berbasis elektrolit RbAg41s sebagaisumberenersibaru terutamapactatemperaturruang, mengingat situasi ekonomi bangsa yang sedang dalam situasikrisis dewasaini menuntuthasilguna suatupenelitian lebih bersifat ~merakyat~. Sel bateraiAgiRbAg4Is/Rbl)juga terbukti memiliki keunggulan komparatifterhadap sistim sel baterailainnya, yaitu memiliki dayatahanjangkapanjang (orde belasantabun) terhadapdegradasi,artinya unjuk kerja sel tidak mengalami perubahanyang berarti setelah sekian lama dioperasikan atau disimpan dalam kondisi tertentu [3]. Pada laporan ini disajikan aplikasi elektrolit RbAg41ssebagaielektrolit sel baterai padatansekunder rechargeable (dapat diisi ulang) menggunakankatode RbI) daDanode Ag. Karena keterbatasansaranapenelitian yang ada di laboratorium piranti penyimpan enersi (energy storage devices lab) P31B, untuk sementara penelitian ini hanya melaporkan unjuk kerja sistim selpactajangka pendek

Setelah dikonversi menjadi perbandingan berat, kedua bahan dicampur. Campuran kedua bahan digerus dalam mortar sampai halus dan dipres menjadi pelet. Kemudian dilakukan sintering dalam petri disk pada temperatur 100°C selama4jam. Selesaisintering bahandigerus kembali dan dibuat pelet berdiameter sekitar 13rom. Anoda perak (Ag) dibuat dengan menjadikan pelet denganukuran yang sarnadenganukuran katoda RbIJ' yaitu dengandiameter 13rom.

Pengukuran konduktivitas ionik Cuplikan serbuk untuk pengukuran konduktivitas dicetak dalarn bentuk pelet dengan alatpres dengantekanan sebesar700kgcm-2.Diperoleh pelet silindris, denganukuran geometris pelet tertentu, ialah teball, 70 mm dan diameter 13,0mm. Kemudian pelet elektrolit maupun pelet elektroda dipoles untuk memperoleh kontak ohmik yang baik; selain itu juga dioleskan cat peTak pengkonduksi pacta kedua permukaancuplikan peletsehingga diperoleh kontak ohmik yang lebih baik. Pengukuran impedansi arus bolak-balik dilakukan dengan menggunakan alat LCZ meter (Hioki 353IZ-Japan) presisi tinggi pactarentang frekuensi 45 Hz1,5 MHz serta rentang temperatur antara 250 K -423 K. Kemudian konduktansi G yang diperoleh daTipengukuran dikonversi menjadi data konduktivitas dengan menggunakan data-data geometri cuplikan.

Set baterai sekunder

Pada konstruksi sel khusus baterai sekunder tire (orde beberapajam). anode/elektrolit/katoda, maka sebagai bahan anoda tidak Hasil-hasil penelitian untuk ordejangka menengah ada pilihan lain selain perak (Ag), karena pembawa muatan daDjangka panjang akan dilaporkan secaraterpisah pacta pada bahan elektrolit adalah ion Ag+. Preparasibahankatode tulisan lain. Hasil-hasil pengukuran karakteristik unjuk kerja Rbi) telah dilakukan seperti pada paragrafiii diatas. Ketiga sel baterai disajikan bersama dengan parameter-parameter komponen relet ini kemudian dilekatkan bersama-sama,lalu unjuk kerja sel, OCV, kapasitas peluwahan clan densitas dibungkus dalam sebuah silinder pyrex clandibalut dengan energi. resin, setelah ditambah bahan konduktor pada sisi-sisi luarnya. Sel komposit ini kemudian dikarakterisasi dengan

METODA EKSPERIMEN

Preparasi cuplikan elektrolit Serbuk elektrolit RbAg4Isdisintesis melalui reaksi kimia padatan. Bahan kimia tingkat kemumia pro analisis (p.a.) RbI daDAgI dicampur kemudian digerus daDdicetak dalam bentuk pelet. Kemudian dipanaskan selama 24 jam dalam tabung pyrex pactatemperatur 480 K lalu dikuens. Preparasi cuplikan berikut karakterisasi struktur telah dibahas dengan rinci pacta laporan sebelumnya [6].

Preparasi katode RbIJ daD aDoda Ag Katoda RbI) dipreparasi denganmetoda metalurgi reaksi RbI + 12~ RbI) dengan perbandingan molar I: 1.

pengukuran polarisasi, pengukuran tegangan pada pemuatan dengan ares tetap dalam waktu tertentu, serta karakterisasi bentuk profil peluwahan (discharge) dalam waktu tertentu dengan beban tertentu.

HASIL DAN PEMBAHASAN Konduktivitas ionik Pacta Gacmbar 1. disajikan respon frekuensi konduktivitas ionik sel komposit RbAg4Is pactatemperaturtemperatur 250 K, 300 K, 323 KJ373 K, daD423 K. Efek frekuensi sudut (0 =21tfterhadapkonduktivitas arus bolakbalik riil O'acsangat"significant" pacta temperatur tinggi daDmenjadi berkurang pactatemperatur rendah. 27

Jurnal SainsMateri Indonesia IndonesianJournal o/Materials Science

0.. -I

I

IeQ

-

:973J(~

~A

..~

I

0.'

300K-".

tJ)

..2

l

i

.

,

.\ --a

250K-. D.D

-0.1

I

--_:--:'2Sk_t:~ -"'",,""'-

~ ~

b

RbA9.ls

I

"'

0_3,

Vol. 1 No.2. Pebruari 2000, hal.. 26 -31 ISSN.. /411-/098

1

1

2

1

1

I~. 1

1

log,",

(Hz)

Gambar 1. Responfrekuensi konduktivitas arus bolak-balik RbAg.Is pada berbagai temperatur, yaitu: 250 K, 300 K, 323 K, 373 K, dan 423 K.

Dengan mengekstrapolasi ekor frekuensi rendah arus bolak-balik crDC padakurva Gambar 1 kearah frekuensi Dol (untuk rentang frekuensi 45 Hz < co< 10kHz), maka dapat diperoleh konduktivitas arus searahcuplikan yang besarnya bervariasi terhadap temperamr. Gambar 2 menunjukkan plot konduktivitas arus searahyang besarnyabervariasi terhadaptemperaturdalam format Arrhenius; khusus pada temperatur mang, besar konduktivitas ini adalah sekitar 0,040-1 cm-l.

TeganganOCV suatusel bateraipadatanmerupakan

salah satu parameter utama yang menjadi bahan pertimbangan baik tidaknya unjuk kerja suatu sel baterai. Besaranini merupakanteganganterminal yang diukur dalam kondisi beban tak-hingga pada kedua ujung (terminal) baterai. Idealnya besaran ini identik dengan gaya-geraklistrik (emf) sel baterai tersebut, namun dalam prakteknya OCV suatuselberbedadenganemfteoretikkarena beberapa alasan,antara lain kenaikan resistensi (tahanan) dalam sel disebabkan oleh reaksi antara elektroda clan pengumpul ataukolektor arus,peluwahan internaldikarenakankonduksi elektron, clan sebagainya. OCV suatu sel berubah untuk jenis pasangananoda-katodayang berbeda.TeganganOCV untuk sel ini ditentukan sebesar 620 m V pada polarisasi biasa clandari Gambar 3 tampak bahwa tegangan ini stabil terhadap perubahan temperatur, bila dibandingkan pada polarisasi terbalik yang menunjukkan anomali yang menonjol pada temperatur sekitar 80 DC. Menurut basil penelitiantermodinamika [7], maka bilangan transportuntuk pasanganAg/I2 ialah 687 m V, sehingga harga diatas dapat dianggapwajar untuk konfigurasi sel baterai sekunderripe ini.

¥

"eu ~ 0-

0

cn E

Gambar 3. Variasi tegangan rangkaian terbuka (OCV) terhadap temperatur set baterai sekunder Ag/RbAg.I,/RbI, ,untuk poJarisasi biasa dan potarisasi terbalik,

Gambar 2. Kurva pencocokan data konduktivitas dalam format Arrhenius

Karakteristik

peluwahan (discharge) daD umur

siklus sel baterai sekunder

Teganganrangkaian terbuka daD siCatpolarisasi set baterai sekunder. PadaGambar 3 disajikan profil teganganrangkaian terbuka (open circuit voltage, OCV) pada polarisasi biasa clanterbalik.

28

:2,X'-A~

Sel elektrokimia terdiri dari anoda, elektrolit dan katoda. Fungsi sel ialah untuk menghasilkan arus searah melalui bebanpada rangkaian eksternal,dan menghasilkan arus ion pada rangkaian internal. Sel sekunder ialah sel yang dapatdipakai ulang beberapakali untuk mengkonversi energikimia menjadi energilistrik, dalam hal ini reaktanpada sel sekunder dapat dibentuk ulang menggunakan sumber

Pembuatandan KarakterisasiSetBateraiSekunderBahanSuperionik(Ag/RbAg/IRbI.,) (Nurdin Effendi) luar untuk pengisian ulang at au recharging. Proses pengisian-peluwahan ini disebut satusiklus, dan urnurnnya suatu gel padatan dapat diisi ulang ratusan kali. Ketidaketisienan pada pengisian dapat rnenyebabkan perubahan karakteristik peluwahan pada tiap siklus, sehingga unjuk kerja pada setiap siklus akan bergantung pada ukuran, rnateri dan bentuk geornetris gel. Pengisian gel baterai sekunder dilakukan dengan alat charger dengan aliran arus searahkonstan sebesar0, 1 rnA. Setiapsiklus terdiri dari selang waktu yang tetap yaitu 20 rnenit untuk pengisian dan 20 rnenit untuk pengukuran peluwahan atau discharge. Arus pengisian diupayakan tetap kecil untuk rnenjaga agar tegangan sirkuit tertutup tidak rnelebihi tegangan dekornposisi. Dalarn hal ini diperoleh profil peluwahan karakteristik gelsekunderseperti disajikan pada Garnbar 4. Terjadi penurunan tegangan gradual disebabkan oleh peluwahan pada setiap siklus, namun cenderung untuk berkonvergensi pada harga yang sarna setelahselang waktu tertentu. Pada Tabell disajikan data karakteristik teknis gel baterai sekunder.

Kurva peluwahan pada Gambar 4 tidak menunjukkan perubahan yang berarti pada selang beberapa siklus, sehingga reversibilitas sel baterai sekunder AgiRbAg4Is/ RbI) dapat dianggap baik. Padagambar5 disajikan kurva peluwahan sel baterai sekunderpada arus tetap 160-,275- dan 279 ~A dan pada temperatur kamar. Semua kurva untuk siklus pertama. Kapasitas peluwahan didetinisikan sebagai arus tetap (I charge) x waktu yang dibutuhkan tegangan untuk mencapai 'lutut' kurva (~) (gambar 5) [8].

Tabell. Karakteristik teknis dan Unjuk Kerja set baterai sekunder(Ag/RbAg,I,/ Rbi,)

Gamba, 5. Kurva peluwahan set baterai sekunder pada berbagaiarusi.

200

I

I

I

I

I

I

I

Set: Ag/RbA9.I!RbI3 175 .siklus 500 0 siklus 400 y siklus 300

'""' >

E

'-/

150

QJ

..c '25 Q)

. lv.....

.c

., ()

;;

~ 0 >

200

.siklus

100

E '-" I::

C .I::

1GG

I~V

~ ;J

500

..

.I..Ponglsl.n

400

300

...P,lu..hon

c

c ..

-.

20

>

50

... .. ...0

600 581:A91RbAg~151Rb13 ..

a. 200

-o.,V \.OT:VV "i'8ai;:!t!nmnl""

75

700

0

\

~

" c

v siklus

,>

100

(0'

. c

0

.. .

a -100

0

5

10 15 20 25 3D 35 40 45 50 Waklu (menit)

U1Jllolltlllllltllllllllllllllllt,Io'"IIIIIII"'tloIlIIllt1lhllll

0

20

40

60

80

100

120

Waktu i (menit)

Gambar4. Kurva profil peluwahansel bateraisekunderpada

Gambar 6. (a) Kurva tegangan pengisian-peluwahan (charge-discharge) sel baterai sejcunderAg/RbAg.I,/RbI3 terhadap waktu, dengan arus peluwahan tetap sebesar 10 mA. (b) kondisi variasi arus peluwahanterhadapwaktu

berbagai siklus ?Q

Jurnal Sains Materi Indonesia Indonesian Journal o/Materials Science

Vol. 1 No.2. Pebruari 2000, hat.. 26 -31 ISSN.. 1411-1098

Pada kurva gambar 5 harga tl dapat langsung diestirnasi, yaitu masing-masing 25 menit untuk I 0hargo = 279 mA; 9,8 menit (275 mA) clan 14 menit (160 mA). Dengan demikian diperoleh kapasitas peluwahan (discharge capacity) masing-masing 37- 45 -clan 116 !.lAh. Densitas enersi didet'inisikan sebagai panjang plateau waktu pada kurva voltase peluwahan (gambar 5) yang paling stabil dikalikan dengan arus tetap dikalikan dengan besar voltase pada plateau dibagi dengan berat baterai. Kurva yang paling stabil terjadi pada arus tetap loh275 mA, dengan estimasi panjang plateau sekitar 40', berat sel sekitar 1,0 gram clan voltase rata-rata pada sejajar plateau 520 m V, diperoleh harga

contoh, baterai termal berbasis sulfat Li2SO4' memiliki karakteristik operating time 15 menit, kapasitaspeluwahan 14,66 mA-hr dan densitas enersi 29,30 I.1W-hr/gr, pacta kondisi berat sel0,773 gr, arus peluwahan tetap 80 mA dan densitas arus maksimal 678,4 I.1A/cm2[8]. Walaupun demikian perlu diingatkan bahwa data ini absah untuk jangka waktu pemakaianyang relatif singkat (orde beberapa jam), sedangkanunjuk kerja sistim padajangka waktu yang lebih lama lagi (orde bulanan atau tahunan) masih hams dibuktikan pacta waktu mendatang, dan hal ini menjadi tugas penelitian ini dimasa depan.

51 !.lW-hr/gr. Pada gambar 6 disajikan kurva pengisian-peluwahan sel baterai terhadap waktu untuk satu siklus, dengan arus peluwahan tetap sebesar 10 !.lA.

KESIMPULAN

Potensial dekomposisi Pacta sel baterai sekunder (- )Ag/RbAg4Is/ RbI3(+) dialirkan arus yang berbeda pada beban (load) tetap, dengan tegangan sel dapat diukur. Pactagambar 7, disajikan variasi arus terhadap tegangan, daTi perubahan kemiringan (slope) maka tegangan dekomposisi dapatdiperkirakan sebesar0,64 V. Namun hila diasumsikan bahwa arus yang sangat rendah tidak menyebabkan reaksi elektrokimia, maka tegangan dekomposisi bisa lebih besar lagi, yaitu sekitar 1,0 -1,25 V. Rapat arus maksimal yang dapat ditanggung oleh batterai daDtetap berfungsi dengan baik ialah 0,279 mA/7tr2= 279 ~A/(7t)(0,65)2 =230 ~A/cm2. Dalam hal ini 0,279 mA ialah arus tetap IChmaksimal pactapercobaan ini (gambar 5), daD jari-jari sel baterai 0,65 rom. Hasil-hasil yang telah ditabulasikan pada label 1, nampak memuaskan hila dibandingkan dengan basil yang actadi literatur .Sebagai

,-.. -< ,

E

Berdasarkan hasil-hasil penelitian diatas dapat disimpulkan bahwa penelitian telah mampu menghasilkan sistim baterai sekunderdengan konfigurasi sel Ag/RbAg4Is/ RbI) yang mampu berfungsi dengan baik sebagai baterai sekunder. Kesimpulan ini diambil dengan membandingkan parameter unjuk kerja yang diperoleh dengan parameter unjuk kerja baterai termal berbasissulfat. Diperoleh parameterunjukkerja sel baterai, yaitu kapasitas peluwahan (discharge capacity) sekitar 37-, 45 -dan I 161.1Ahpactaseratus siklus pertama. Karakteristik peluwahan sel memiliki pola yang tidak berubahsetelah lima ratus kali pengisian(siklus); namun pactasiklus yang semakin banyak, drop tegangan akan semakin cepat. Secara kualitatif, actakorelasi antara arus pengisian tetap (Ic) dengan lebar plateau atau waktu operasi sel stabil, hal ini masih hams ditindak lanjuti lagi dengan analisis kuantitatif di masa mendatang. Hasil pengamatan juga menunjukkan bahwa sel masih dapat berfungsi dengan baik pactarapat arushingga 230 I.1A/cm2.

UCAPAN TERIMA KASIH Kepada Prof. DR. Marsongkohadi, anggota peergroup panel ilmu bahan dan anggota senior Dewan Riset Nasional (DRN) diucapkan banyak terimakasih untuk konsultasinya. Kepada Dewan Riset Nasional (DRN) diucapkan banyak terima kasih untuk pembiayaan penelitian ini melaluijalur RUT V.

II!

.. ~

-<

DAFT AR ACUAN [1]. CHANDRA S. danA. Laskar(eds),,SuperionicSolid\' andSolidElectrolytes ',AcademicPress,New York, 191-X>

[2]. WIEDERSICHH.,andW.V.Johnston,J:Phys.Chern. Solid\'.30,(1969),475-482 [3]. SARMA RVGK daDRADHAKRISHNA S., ,MateriGambar 7. Arus terhadap tegangan untuk set baterai sekunder

30

alsfor SolidStateBatteries',World Scientific Publ., Singapore,1988

Kembali ke Jurnal