Konduktifitas Li
4Ti
5O
12/C dari Variasi Temperatur Sintering dan Coating
Carbon
BAMBANGPRIHANDOKO, ACHMADSUBHAN, NANDANG DANETTYM. WIGAYATI
Pusat Penelitian Fisika - LIPI, PUSPIPTEK Tangerang Selatan
Bamb012@lipi.go.id
Diterima : 7 September 2012 Revisi : 22 Oktober 2012 Disetujui : 29 Oktober 2012 ABSTRAK : Bahan aktif anoda Li4Ti5O12/C mempunyai keunggulan dalam memperpanjang life time dan kemampuan charge
dan discharge baterai lithium. Pembuatan Li4Ti5O12/C telah dilakukan dengan bahan baku Li2CO3 (Merck), TiO2 (Merck) dan
LiOH.H2O (Germany) serta memanfaatkan tepung tapioka sebagai sumber carbon black melalui proses pirolisa inert gas
nitrogen. Prose pirolisa dilakukan secara in – situ dengan proses sintering pada variasi suhu, yaitu 800, 850 dan 9000C selama 1 jam. Hasil uji XRD menunjukkan keberadaan TiO2 anatase dari seluruh sampel. Sintering menghasilkan banyak bahan lain
sebagai pengotor. Hasil serbuk Li4Ti5O12/C diuji juga konduktifitas dengan metoda EIS. Konduktifitas meningkat menurut
tingginya suhu sintering dan berada dikisaran 10-4S/cm.
KATA KUNCI : Li4Ti5O12/C, anoda, tapioka, pirolisa, konduktifitas, baterai lithium
.
ABSTRACT: Anode active material Li4Ti5O12/C has an advantage to increase the life time and the ability to charge and
discharge lithium batteries. Preparation of Li4Ti5O12/C has been carried out with raw materials Li2CO3 (Merck), TiO2
(Merck) and LiOH.H2O (Germany) as well as utilize starch as a source of black carbon through pyrolysis process inert
nitrogen gas. Pyrolisis process is done in - situ by the sintering process at temperature variation, ie 800, 850 and 9000C for 1
hour. XRD test results indicate the presence of anatase TiO2 entire sample. Sintering produces many other materials as
impurities. The results of powder Li4Ti5O12/C also tested the conductivity of the EIS method. Conductivity increased by high
temperature sintering and dikisaran 10-4S/cm..
KEYWORDS : Li4Ti5O12/C, anode, tapioca, pyrolisis, conductivity, lithium battery
1. PENDAHULUAN
Perkembangan riset material baterai lithium menunjukkan bahwa anoda lithium titanat dan katoda lithium posfat mempunyai efisiensi sampai 90% dan lifetime mendekati 10000 cycle, lihat Gambar 1. Perpaduan kedua material ini menunjukkan kemajuan riset material baterai lithium terakhir ini. Pasangan material ini akan menjadi calon pembentuk baterai lithium dalam aplikasi mobil listrik.
memiliki struktur spinel face-centered cubic dalam space groups
Fd
m
3
. Struktur ini dapat diamati di Gambar 2.(a) (b)
Gambar 2. Struktur spinel (a) Li4Ti5O12 [2] (b) LixMn2O4 [3].
Struktur kristal Li4Ti5O12 mempunyai struktur spinel yang mempunyai kesamaan dengan struktur spinel
LixMn2O4. Rumus spinel keduanya mempunyai kesamaan rumus Li4/3M5/3O4 dimana penambahan 1/3 pada atom
lithium merupakan nilai maksimum yang diharapkan dapat menghasilkan karakter yang maksimum. Li4Ti5O12
memiliki sifat konduktifitas yang berubah pada suhu tinggi. Dengan perbedaan hampir orde 106 (~10-3 s/cm) pada suhu tinggi (>600 K) dibandingkan pada suhu kamar (~10-8 S/cm). Kenaikan yang sangat tajam ini diinterpretasikan akibat pembentukan fasa disorder pada suhu tinggi, dimana lithium secara random terdistribusi[4]. Dalam meningkatkan konduktifitas Li4Ti5O12telah banyak dilakukan pelapisan karbon pada butir
serbuk[5,6,7]. Sumber carbon yang digunakan pada umumnya adalah gula[5], namun ada juga menggunakan glycin sejenis selulosa[7]. Pada penelitian ini tepung tapioka digunakan sebagai sumber karbon.
2. METODOLOGI PENELITIAN
Pembuatan Li4Ti5O12 telah dilakukan dengan bahan baku Li2CO3 (Merck), TiO2 (Merck) dan LiOH.H2O
(Germany). Setelah melalui penimbangan sesuai stokiometri dan pencampuran, bahan campuran ini dikalsinasi 7000C selama 1 jam. Serbuk hasil kalsinasi dicampurkan dengan tepung tapioka dengan perbandingan 1:1. Tepung tapioka dimanfaatkan sebagai sumber carbon black pada pelapisan serbuk Li4Ti5O12 melalui proses
pirolisa inert gas nitrogen. Proses pirolisa dilakukan secara in – situ atau bersamaan dengan proses sintering pada variasi suhu, yaitu 800, 850 dan 9000C selama 1 jam. Hasil sintering diamati struktur kristalnya dengan XRD. Metoda EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) digunakan terutama untuk menguji konduktifitas bahan. Namun hasil grafik EIS juga dapat diolah untuk melihat kehadiran fase bahan yang mempengaruhi bentuk grafik cole – cole.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah proses in-situ sintering dan pirolisa dengan variasi suhu, serbuk yang dihasilkan berwarna hitam yang sebelumnya berwarna putih. Warna hitam memberikan signal kehadiran karbon pada serbuk Li4Ti5O12 ,
karena serbuk Li4Ti5O12mempunyai warna putih setelah proses sintering. Hal ini menunjukkan proses pelapisan
berjalan dengan baik. Pengamatan XRD dilakukan untuk mengetahui fase atau struktur kristal yang terbentuk. XRD patron menurut suhu sintering terdaat pada Gambar 3.
Gambar 3. XRD patron Li4Ti5O12dengan variasi suhu sintering.
Fase yang nampak pada Gambar 3 adalah Li4Ti5O12dan TiO2anatase. Hanya saja kehadiran TiO2anatase
bervariasi. Pada suhu sintering 8500C keberadaan TiO2anatase sangat kecil. Saat serbuk hasil sintering suhu
8000C fase TiO2anatase masih ada, walaupun tidak besar, kemudian pada suhu 850 0
C seakan menghilang. Dan pada suhu 9000C TiO2anatase muncul kembali dengan kuantitas besar, hampir menyamai Li4Ti5O12. Sehingga
serbuk dengan suhu sintering 800 dan 9000C mempunyai 2 fase Kristal, yaitu Li4Ti5O12dan TiO2anatase. Tetapi
serbuk dengan suhu sintering 8500C dapat dikatakan hanya mempunyai satu fase kristal, yaitu Li4Ti5O12. Carbon
yang terlapisi pada serbuk tidak nampak pada XRD patron, tetapi visualnya nampak pada perubahan warna Li4Ti5O12. Oleh karena itu carbon yang terbentuk pada pelapisan permukaan Li4Ti5O12 mempunyai struktur
amorf, sebagaimana pelapisan di beberapa literature [5,7]. Pengaruh kehadiran fase Kristal dapat diamati pada Gambar 4.
Gambar 4. Grafik sudut fase dan frekuensi menurut variasi suhu sintering.
Gambar 4 merupakan grafik hasil pengujian EIS yang menampilkan sudut fase bahan dalam fungsi
In
te
ns
ita
s
In
se
nsit
as
8000C 8500C 9000C Li4Ti5O12 TiO2anatase Frekuensi [Hz] Su d u t fa se [ th eta ]grafik cole – cole di Gambar 5.
Gambar 5. Grafik cole – cole dari serbuk dengan variasi suhu sintering.
Grafik cole – cole dari serbuk dengan suhu sintering 800 dan 9000C membentuk setengah elipsoida, yaitu antara tahanan bahan Rb3 dan tahan total Rt3 dari bahan ketiga dan Rb1 dan Rt1 dari bahan kesatu. Bahan kedua
dengan suhu sintering 8500C tidak terlihat jelas dikarenakan jarak antara Rb2 dan Rt2 sangat kecil. Bentuk grafik
ini juga memperlihatkan kehadiran dua fase struktur kristal yang mempunyai Rb dan Rt masing – masing
berbentuk setengah lingkaran. Kedua setengah lingkaran yang saling beirisan membentuk setengah elipsoida. Tahanan bahan dari serbuk dengan suhu sintering 9000C menjadi terkecil sekitar 400 Ohm, karena pengaruh kematangan lapisan karbon di permukaannya. Tahanan komposit Li4Ti5O12\C didominasi oleh tahanan
karbon yang mempunyai konduktifitas sekitar 0,1 S/cm pada suhu pirolisa 9000C [8]. Sedangkan selisih antara tahanan bahan Rb3 dan tahan total Rt3 masih besar dan lebih besar serbuk dengan suhu sintering 8500C. Tahanan
pergerakan elektron dari serbuk ketiga masih besar dan juga konduktifitas electron masih kecil. Serbuk dengan suhu sintering 8500C dan tahanan sekitar 100 Ohm mempunyai konduktifitas electron lebih besar. Walaupun impedansi dari serbuk dengan suhu sintering 8500C lebih besar dari serbuk ketiga, sebagaimana di Gambar 6.
Gambar 6. Impedansi sebagai fungsi dari frekurensi dengan variasi suhu sintering.
Impedansi dari serbuk dengan suhu sintering 8500C mempunyai nilai hampir konstan terhadap perubahan frekuensi, sedangkan yang lainya berubah. Perubahan impedansi selaras dengan ketidaksamaan fase struktur kristal pembentuk komposit Li4Ti5O12\C. Namun impedansi total serbuk ketiga terkecil dan konduktifitas total
serbuk ketiga mempunyai nilai terbesar sekitar 10-4 S/cm, lihat Gambar 7. Rb3 Rb1 Rb2 Rt3 Rt1 Rt2
Gambar 7. Konduktifitas dari Li4Ti5O12\C dengan variasi suhu sintering.
4. KESIMPULAN
Beberapa kesimpulan yang dapat diambil adalah :
1. Proses in-situ pelapisan dan sintering dapat dilakukan tanpa adanya reaksi karbon dengan Li4Ti5O12, bahkan
menghasilkan bahan aktif lithium titanat terlapis karbon (Li4Ti5O12\C).
2. Proses in-situ pelapisan dan sintering pada suhu 8500C selama satu jam menghasilkan satu fase kristal Li4Ti5O12\C dengan tahanan electron terkecil sekitar 400 Ohm dan konduktifitas total 7x 10-5 S/cm.
3. Pengujian konduktifitas dengan metoda EIS dapat mengamati pengaruh fase struktur Kristal yang terbentuk dari proses pembuatan melalui pengolahan data berbasis fungsi frekuensi.
DAFTAR PUSTAKA
