PENINGKATAN KONDUKTIFITAS ION OKSIGEN
DARI ELEKTROLIT PADAT PADA SISTEM
SOLID OXIDE FUEL CELLs.
Oleh :
Erfin Y Febrianto, Priyo Sardjono, Rika Suriamah
Pusat Penelitian Fisika – LIPI
Komplek Puspiptek Serpong –Tangerang
E mail :
erfin@lipi.fisika.net
ABSTRAK
Elektolit padat merupakan salah satu bagian yang sangat penting dari suatu sistem sel bahan bakar , khususnya pada sel bahan bakar padat ( SOFC ). Banyak bahan padat yang dapat dijadikan sebagai elektrolit padat, masalahnya bahan tersebut masih pempunyai konduktifitas ionik yang relatif rendah. Pada kesempatan ini ,telah dilakukan penelitian terhadap peningkatan nilai konduktifitas ion oksigen dari elektrolit padat tersebut. Penelitian dilakukan pada elektrolit padat SOFC dengan bahan dasar Bismut Oksida ( Bi2 O3 ) yang didoping dengan CaO pada beberapa variasi komposisi penambahan yaitu 15, 20 25 dan 30 % mole CaO kemudian disinter pada temperatur 850 0C selama 7 dan 10 jam.
Hasil penelitian memperlihatkan bahwa dengan penambahan Calsium Oksida sebagai dopan pada lektrolit padat Bi2 O3 , terjadi peningkatan konduktifitas ionik Bi2 O3 mencapai sekitar 100 kali dari kondiuktifitas ionik awal.
Key Word : Solid Electrolyte, SOFC. Bismuth Oxide. Doping., Ionic Conductivity
ABSTRACT
The solid electrolyte as one of the most important part of the fuel cells, especially for solid oxide fuel cells ( SOFCs). Bismuth Oxide is one of the material used as solid electrolyte material in SOFCs, the problem is pure bismuth oxide has relatively low ionic conductivity. The paper described the effect of addition CaO on oxygen ionic conducrtivity of the bismuth based solid electrolyte. Addition of CaO with variation composition such as: 15, 20, 25 and 30 mole%. and sintered at 8500C during 7 and 10 hours. The experiment showed that the addition of CaO, greatly affected the oxygen ionic conductivityof bismuth oxide. The higher the value of its oxygen ionic conductivity, indicated by rapid increase of oxygen ionic conductivity by a factor 100.
PENDAHULUAN :
Fuel Cells atau sel bahan bakar adalah suatu alat pengkonversi energi dari energi potensial kimia menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia antara bahan bakar dengan oksidan. Sel bahan bakar tersebut terdiri dari dua buah elektroda yaitu anoda dan katoda yang dipisahkan oleh sebuah lapisan elektrolit. Bahan bakar yang berupa hidrogen bila diinjeksikan ke dalam anoda akan teroksidasi melepaskan elektron ke sirkuit luar. Oksidan yang dimasukkan ke dalam katoda mengalami reduksi dan menerima elektron dari sirkuit luar. Aliran elektron dari anoda ke katoda melalui sirkuit luar menghasilkan arus listrik. Elektrolit berfungsi sebagai penghantar ion oksigen antara kedua elektroda tersebut (Minh,1993; Azad et al., 1994). Dewasa ini elektrolit berbahan dasar keramik lebih banyak menggunakan oksida padat sehingga lazim disebut dengan sel bahan bakar oksida padat atau Solid Oxyde Fuel Cells yang sering disingkat dengan SOFC’s, dengan bahan dasar tersebut Fuel Cell yang
dibuat mampu beroperasi pada suhu yang lebih tinggi (Minh,1993).
Bismut seskuioksida (Bi2 O3) digunakan dalam penelitian ini sebagai bahan dasar elektrolit padat. Bismut
seskuioksidamurni mempunyai konduktivitas yang lebih tinggi dibanding oksida-oksida lainnya, namun dalam keadaan murni tersebut konduktivitasnya masih terlalu rendah untuk dijadikan sebagai bahan elektrolit sehingga masih perlu ditambahkan oksida-oksida logam lain agar diperoleh sifat-sifat elektrolit padat seperti yang diharapkan sebagai komponen sel bahan bakar. CaO mempunyai sifat-sifat yang diperlukan sebagai dopan, antara lain titik lelehnya tinggi, stabil, dan mampu mensubstitusi Bi2O3.
Bismut seskuioksida merupakan padatan berwarna kuning pucat dan sangat mudah tereduksi menjadi logam Bi dalam pemanasan dengan karbon atau hidrogen. Karbon monooksida dapat mereduksinya menjadi BiO (Taylor, 1960).
Bismut seskuioksida murni mempunyai dua bentuk kristal yang stabil yaitu α-Bi2O3 yang berstruktur
kristal monoklin yang stabil pada suhu di bawah 730 oC serta memiliki konduktivitas yang rendah. Pada suhu
yang tinggi yaitu di atas 730 oC Bi
2O3 berubah fasanya menjadi fasa δ-Bi2O3 yang stabil sampai mendekati titik
lelehnya yaitu 825 oC dan mengkristal dalam struktur kubik fluorit. Padatan tersebut mampu menghantarkan ion
oksigen dengan sangat baik (Nunn et al., 1999; Hallstedt et.al., 1997). Fasa tersebut mengandung kisi anion kosong sebanyak 25 % sehingga mempunyai konduktivitas ion oksigen yang sangat tinggi (~1 S cm-1 pada suhu
mendekati titik lelehnya). Lemahnya ikatan antara bismut dengan oksigen meningkatkan mobilitas dari ruang kosong dalam kisi-kisi kristalnya (Azad et al., 1994). Perubahan fasa-fasa Bi2O3 ditampilkan dalam diagram fasa
pada Gambar 1
Kelemahan fasa δ-Bi2O3 sebagai bahan dasar elektrolit padat yaitu fasa tersebut hanya stabil dalam kisaran
2 3
Sejumlah penelitian telah membuktikan bahwa tingginya konduktivitas Bi2O3 pada fasa δ tersebut dapat
dipertahankan pada suhu rendah dengan cara menambahkan dopan berupa kation logam (Febrianto dkk., 2000). Lebih khusus lagi yaitu dengan dopan kation divalen dari logam golongan alkali tanah seperti kalsium, stronsium, dan barium. Berbagai variasi komposisi oksida logam alkali tanah yang ditambahkan ke dalam sistem bismut oksida, menghasilkan kenaikan konduktivitas yang cukup tajam pada kisaran suhu 600 – 800 oC (Azad
et al.,1994; Febrianto dkk., 2000). Pemberian dopan tersebut juga menyebabkan transformasi menjadi fase rhombohedral yang konduktivitasnya lebih tinggi, namun mudah terdekomposisi pada suhu 700 oC (Azad et al.,
1994).
Berdasarkan data difraksi sinar-X dari penelitian-penelitian sebelumnya diketahui bahwa setelah penambahan dopan, struktur Bi2O3 berubah dari monoklin menjadi tiga macam bentuk kristal yaitu kubik pusat
muka, kubik pusat badan, dan rhombohedral (Azad et al.,1994; Hallstedt et.al., 1997). Diketahui juga bahwa fasa rhombohedral mempunyai konduktivitas ionik oksigen yang paling tinggi dibanding fasa-fasa lainnya. Substitusi secara parsial ion Bi3+ oleh ion Ca2+ menyebabkan terjadinya penataan ulang atom-atom yang ada (Azad et al.,
1994).
METODOLOGI.
Untuk mengamati peningkatan daya hantar ion oksigen dari suatu elektrolit padat , telah dilakukan penelitian terhadap elektrolit padat bismut oksida ( Bi2O3 ) yang ditambah dengan senyawa Calsium Oksida.
Metode yang dilakukan dalam penelitian ini terdiri dari dua tahapan proses yaitu proses pembuatan elektrolit pada Bi2O3 dan proses pengukuran atau penghitungan nilai hantaran ion oksigen dari elektrolit padat yang
dibuat. Dalam pembuatan elektrolit padat Bi2O3, ditambahkan senyawa Calsium Oksida sebagai dopan Bi2O3
dengan variasi komposisi : 15, 20, 25 dan 30 % CaO. CaO yang digunakan diambilkan dari senyawa Ca(OH)2 .
Kedua bahan dicampur dengan menggunakan ultrasonic homogenizer untuk mendapatkan campuran yang benar-benar homogen. Setelah pencampuran selesai, campuran dikeringkan dan dilakukan proses kalsinasi pada suhu 700 0C selama 1 jam. Selanjutnya campuran digiling dan diayak dengan ayakan 200 mesh. Campuran yang
sudah halus dicetak dengan menggunakan alat cetak Dry Press. Setelah proses pencetakan selesai , dilakukan
preoses sintering pada suhu 850 0C dengan waktu penehanan 7 jam dan 10 jam. Sampel yang sudah disinter
dialkukan karakterisai atau mengukuran nilai konduktifitas ionic dan struktur kristalnya. Gambar 2 memperlihatkan rangkaian alat pengukur konduktifitas metode DC
anoda
katoda
Gambar 2 Skema rangkaian alat pengukuran konduktivitas metode DC dengan R adalah pengukur tahanan.
Diagram alir dari proses percobaan seperti ditampilkan pada gambar 3. dibawah ini. DC source termokopel pemanas R sampel
Bi
2O
3Ca (OH)
2aq
Dicampur / diaduk
Disaring
dikeringkan
kalsinasi
Penghalusan
Pembentukan pelet
Sintering
Pengukuran Konduktifitas Ion
HASIL DAN PEMBAHASAN.
Hasil penelitian berupa pengukuran daya hantar / konduktifitas ion oksigen untuk sample uji pada berbagai
komposisi dan waktu penahanan sintering ditampilkan pada gambar 4, 5 dan 6 dibawah ini.
Gambar 4. Konduktifitas Ion Oksigen untuk Bismut Oksida murni
Pengukuran konduktivitas sampel dengan komposisi CaO dan waktu sintering 7 jam 0,00E+00 2,00E-02 4,00E-02 6,00E-02 8,00E-02 1,00E-01 1,20E-01 1,40E-01 1,60E-01 1,80E-01 2,00E-01 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 t (0C) σ( Scm -1 )
CaO 15% CaO 20% CaO 25% CaO 30%
Gambar 5. Hasil pengukuran konduktifitas ion oksigen untuk Bi2O3 dengan penambahan
Pengukuran konduktivitas sampel dengan komposisi CaO dan waktu sintering 10 jam
0,00E+00 2,00E-02 4,00E-02 6,00E-02 8,00E-02 1,00E-01 1,20E-01 1,40E-01 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 t (0C) σ (Sc m -1) Ca 25% Ca 30%
Gambar 6. Hasil pengukuran konduktifitas ion oksigen untuk Bi2O3 dengan penambahan CaO dan waktu
penahanan 10 jam
Dari gambar 4 diatas terlihat hasil pengukuran daya konduktifitas ion oksigen dari bismuth oksida murni. Dari hasil pengukuran tersebut terlihat bahwa konduktifitas ion oksigen mulai menunjukkan kenaikan dari temperatur sekitar 450 0C, terus naik sampai temperatur sekitar 650 0C yaitu sampai mencapai konduktifitas ion
oksigen sebesar 7 x 10-4 / Ω cm . Pengukuran dilakukan hanya sampai temperatur sekitar 650 0C karena sudah
hampir mendekati titik leleh dari bismuth oksida murni. Selanjutnya pengukuran dilakukan untuk elektrolit padat bismuth oksida yang diperkuat dengan Calsium Oksida sebagai dopan nya pada beberapa komposisi dan waktu penahanan pada waktu sintering, seperti ditampilkan pada gambar 5 dan gambar 6.
Gambar 5 merupakan hasil pengukuran kondutifitas ion oksigen untuk elektrolit padat Bismuth Oksida yang diperkuat dengan Calsium Oksida dengan penambahan 15, 20, 25 dan 30 % berat CaO, yang disinter pada temperatur 850 0C selama 7 jam. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa kenaikan konduktifitas ion oksigen
untuk semua komposisi mulai dari temperatur sekitar 450 0C. Untuk komposisi penambahan 20 % berat Ca O
pada temperatur sekitar 580 0C konduktifitas ion oksigennya adalah 2 x 10-2 / Ω cm. Sedangkan untuk
komposisi yang lainnya nilai 2 x 10 –2 / Ω cm ini dicapai pada temperatur sekitar 650 0C. Nilai konduktifitas ion
oksigen ini telah mencapai hampir 100 kali nilai konduktifitas ion oksigen pada elektrolit padat bismuth oksida tanpa penambahan apa-apa pada temperatur yang sama. Nilai konduktifitas ion oksigen ini pada gambar 5 diatas pemperlihatkan peningkatan terus seirng dengan kenaikan temperatur operasinya. Sehingga samapai pada temperatur sekitar 8000C nilai konduktifitas ion oksigennya mencapai 1,9 x 10 –1 / Ω cm. Untuk penahanan
waktu sintering 7 jam ini, konduktifitas ionic tertinggi didapatkan pada komposisi penambahan 20 % berat CaO Sementara pada gambar 6 yang menampilkan hasil pengukuran konduktifitas ion oksigen dari elektrolit padat bismuth oksida yang diperkuat dengan Calsium Oksida pada variasi komposisi penambahan CaO 25 dan 30 % berat CaO yang disinter pada temperatur 850 0C selama 10 jam, menunjukkan gejala hasil penelitian yang
sama, dimana dalam interval temperatur 600 – 650 0C nilai konduktifitas ion oksigennya sudah mencapai 2 x 10 –2 / Ω cm. Pada penahan sintering selama 10 jam ini sampel dengan komposisi penambahan 15 dan 20 % berat
CaO tidak dapat diamati karena sampel nya meleleh. Hasil terbaik didapatkan pada komposisi penambahan 30 % berat CaO yaitu sebesar 1,25 x 10 -2 / Ω cm
Dari gambar 5 dan 6 diatas terlihat bahwa komposisi penambahan CaO sangat berpengaruh terhadap peningkatan nilai konduktufitas ion oksigen dari elektrolit padat bismuth oksida, begitu juga untuk waktu penahanan nya, dimana dengan semakin lama waktu penahanan pada saat sintering, bismut oksida dengan % penambahan CaO yang besar memperlihatkan peningkatan nilai konduktifitas ion oksigen. Hal ini dapat didentifikasikan bahwa tingkat reaksi antara bismut oksida dan CaO semakin baik, dan untuk komposisi penambahan yang kecil, dengan makin lamanya waktu penahanan menyebabkan sample menjadi leleh.
KESIMPULAN.
Dari pembahasan dan penjelasan diatas, dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Penambahan senyawa Calcium Oksida (CaO) pada elektrolit padat Bismut Oksida dapat meningkatkan nilai konduktifitas ion oksigennya.
2. Banyaknya CaO yang ditambahkan berpengaruh terhadap besarnya peningkatan nilai konduktifitas ion oksigen tersebut.
3. Peningkatan nilai konduktifitas ion oksigen tersebut dapat pencapai hingga 100 kali dari bismut oksida murni.
4. Konduktifitas ion oksigen untuk bismut oksida murni pada temperatur sekitar 650 0C adalah sekitar 7 x
10 –4 / Ω cm.
5. Konduktifitas ion oksigen untuk bismut oksida yang diperkuat dengan CaO pada temperatur 650 0C
adalah sekitar 2 x 10 –2 / Ω cm
6. Konduktifitas ion oksigen tertinggi ditunjukkan pada penambahan 20 % CaO yang disinter pada temperatur 850 0C selama 7 jam yaitu sebesar 1,9 x 10 –1 / Ω cm.
DAFTAR PUSTAKA.
1. Azad, A.M., Larose, Akbar, 1994, Bismuth Oxide-based Solid Electrolytes for Fuel Cells, Journal of
Material Science, Department of Materials Science and Engineering, Ohio State University, USA. 2. Coffey, G.W., L.R. Pederson, P.C. Rieke, and E.C. Thomson, 1999, Bismuth-based Solid Electrolyte
Systems, Public Annual Reports, Pacific Northwest National Laboratory, Washington, USA.
3. Febrianto, E Y., Takiyah Salim, dkk, 1998, Pengaruh Penambahan Y2O3 terhadap Konduktivitas Ionik dari Elektrolit Padat Berbasis Bi2O3, Puslitbang Fisika Terapan, LIPI, Serpong, Tangerang.
4. Febrianto, Erfin Yundra, 2000, Kapita Selecta Bahan Keramik, Diktat Kuliah Bahan Keramik, Institut
Teknologi Indonesia, Serpong.
5. Febrianto, E.Y., Udin Kh, dkk, 2000, Penggunaan Senyawa Er2O3 sebagai Dopan pada Sintesis Elektrolit Padat Fuel Cells Berbasis Bi2O3, Puslitbang Fisika Terapan, LIPI, Serpong, Tangerang
6. German, Randall M., 1988, Fundamentals of Sintering, Engineering Science and Mechanics
Department, Pennsylvania State University, USA.
7. Hallstedt, B.; Risold, D.; Ludwig, J. G. J. Thermodynamic Assessment of Bi2O3-CaO System, Am.
Ceram. Soc. 1997, 80, 2629-2636.
8. Kittle, Charles, 1986, Introduction to Solid State Physics, John Willey and Sons Inc, New York.
9. Minh, Nguyen Q., 1993, Ceramics Fuel Cells, J. Am. Ceram. Soc, 76, pp 563 - 567.
10. Nunn, S.D. and E.A. Payzant, 1999, Bismuth Oxide Solid Electrolyte Oxygen Separation Membranes, Fossil Energy Program Annual Progress Report.
11. Taylor, F. Sherwood, 1960, Inorganic and Theoretical Chemistry, 10th edition, Heinemann, London.
