KARAKTERISASI ELEKTROLIT PADAT CuI PADA SISTEM BA TERAI Cu/CuI/FeSz ~

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III

Serpong,

20- 21 Oktoher 1998

ISSN 1410-2897

KARAKTERISASI

ELEKTROLIT

PADAT CuI PADA SISTEM

BA TERAI

Cu/CuI/FeSz

~

S3b

Safei Pomama1, Nordin Effendil, Rochim Soratman2

I PPSM-BATAN. PUSPIPTEK. SERPONG 2 Jurusan mesin-ITB. BANDUNG

4

r-/

~

ABSTRAK

KARAKTERISASI ELEKTROLIT PADAT Cui PADA SISTEM BATERAI Co/CuI/FeSt" Tujuan penelitian adalah mengetahui karakterisasi elektrolit padat CuI pads sistem baterai. Pengukuran sistem baterai tersebut dilakukan dengan metoda Open Circuit Voltage. Hasil pengukuran pads sistem baterai Cu/Cul/FeS2 tersebut memberikan voltase pads temperatur 450 °C sekitar ]80 mY, sedangkan rapat arus selama recharge sekitar 1,5 rnA/cm2 selama 3,5 jam. Bahan CuI bersifat superionik konduktor yang baik pads temperatur 450 °c, sehingga mengahsilkan voltage yang tinggi.

ABSTRACT

Cui SOLID STATE ELECTROLYTE CHARACTERISATION ON Cu/CuI/FeSl BATTERY SYSTEM. The research purpose knows the characteristic of CuI solid state electrolyte on battery system. The measurement metode for battery system was Open Circuit Voltage. The measurement results of voltage and current density on Cu/CuI/FeSl battery system at 450 .C was 180 m V. and current discharge was 1.5 mA cm-2 during 3.5 hours. CuI is good superionic conductors at temperature 450 .C. and than the high voltage result.

Kata kunci : Elektrolit padat CuI. Sistem baterai .

PENDAHULUAN

bennacam-macam, yakni 1 dimensi (ion berpindah satu

persatu), d-"a dimensi, dan tiga dimensi.

Pada penelitian ini digunakan bahan CuI sebagai bahan elektrolit padat sedangkan Cu dengan FeS, masing-masing sebagai elektroda positif dan negatif pada sistem baterai tersebut. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui kerja sistem baterai tersebut sebagai fungsi daTi temperatur dan untuk mengetahui potensial yang dihasilkan daTi sistem baterai Cu/CuI/FeS,

TEORI

Sistem baterai yang terdiri dari dua elektroda yang

ditempatkan pada ujung-ujung sebuah elektrolit

konduktor ionik, akan menghasilkan perbedaan potensial

E pada terminalnya (Gambar. I). Potensial ini dinyatakan sebagai potensial absolut yang tidak dapat ditentukan secara kuantitatif melalui pengukuran. Bila elektrolit konduktor ionik ditempatkan diantara dua buah elektroda denganpelbedaan potensial kimia 8. daD 82 (Gambar-l), maka potensial elektrokimia pada sel tersebut menurut Kiukkola daD Wagner [ 1] adalah :

E=lziF

I

&~ tj ds = iz1F tj (S2 -SJ (1)

dengan I z I adalah harga absolut daTi valensi ion yang bergerak dalam elektrolit. F adalah bilangan Faraday, dan t = I untuk konduktor ionik murni.

I

Secara teori, potensial yang dihasilkan dapat ditulis sebagai berikut :

Pada saat ini banyak dilakukan penelitian sistem baterai barn yang mempunyai kapasitas sumber energi

yang lebih besar dan memiliki ketahanan pada

temperatur rendah daD tinggi. Penelitian daD pengem-bangan telah dilakukan pacta sistem barn sel bahan bakar dan baterai temperatur tinggi yang digunakan pada masa yang akan datang sebagai sumber tenaga. Salah satunya adalah bahan konduktor superionik.

f1(' (fa\'t ionic conductor.'!) atau .S'I(~ (.\'uperionic

conductor) didefinisikan sebagai bahan dengan

konduktivitas ionik yang tinggi (0> 1020-1 cm-l) [1,2). Bahan dengan konduktivitas listrik seperti itu umumnya diperoleh pacta lelehan garam, tetapi beberapa bahan

mempunyai sifat konduktivitas listrik yang tinggi

dibawah titik lelehnya.

Oari basil penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa bahan-bahan yang mempunyai konduktivitas listrik ionik tinggi yakni bahan yang mengandung ion dari grnp IA alan lB. Konduktivitas listrik yang tinggi diketahui pada ballaD berbasis perak (Ag) daD tembaga (Cu) [I). Walaupun struktur SIC

bermacam-macam type [3,4), tetapi secara umum struktur

utamanya adalah sebagai berikut :

I. Kernngka struktur dibentuk oleh satu set ion-ion yang dapat bergerak diantara posisi tetap dari kisi-kisi. Besar ceiah-celah yang terdapat dalam jaringan lebih besar dibandingkanjumiall ion-ion yang bergerak.

2. Faktor okupasi yang menggambarkan keraptan ataU jumlah ion yang bergerak pada bentuk struktur bahan

(sistem kristaJ).

3. Bentuk Struktllf bahan menyebabkan perpindahan ion

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi /II

Serpong,

20 -21 Oktober 1998

_{ISSN1410-2897}

E, =(t2- E,)/lzIF

(2)

METODA

=-L\G/lzIF

E =t.,E,

₍₃₎

~I

~

Sistem baterni yang dipelajari memplUlyai susunan Cu/CuIlFeS2, dalam bentuk pelet dengan diameter tertentu. Bahan yang berbentuk serbuk dikompakkan dengan tekanan rata-rata 200kg/cm2, sedangkan bahan yang berbentuk butiran sebelum dikompakkan digems terlebih dabulu sehingga berbentuk serbuk.

Tabel I. Bahan elektrolit dan elektroda yang berben-tuk pelet.

Elektradal

(anada)

Elektroda2

(katoda)

Potensial

Setelah berbentuk pelet, selanjutnya dilakukan

pemanasan pada temperatur sekitar 400°C selarna I jam.

Pelet hasil pemanasan kemudian dipoles permukaannya

dengan ampetas dari mulai ampelas kasar sampai halos, laIu dengan diamond pasta yang dicampur tubrikan, supaya kontak antara pelet atau etektroda dengan elektrolit cukup baik. Gambar 2 menunjukkan penam-pang wadah sistem baterai dalam proses pemanasan. DaIam eksperimen ini dilakukan pengukuran sistem baterai Cu/CuI/FeS2 untuk mengetahui voltase dan arus sebagai fungsi dari temperatur, yang dihasilkan dalam proses charge dan discharge.

C2

J arak

Skema sebuah sel elektrokimia Gambar

Reaksi yang terjadi pacta sistem baterai yang tersusun seperti pacta gambar 1, adalah sebagaj berikut:

pacta anoda pacta katoda reaksi sel total

a

b

(4)

M-e- ~ M+

.X + e- ~ X-: M++ X. H MX

c

Sistem baterai dipengaruhi pula oleh konsentrasi pereaksi serra produk reaksi, sehingga hal terakhir ini

dapat berpengamh pacta potensial sistem baterai, dimana

potensial tersebut dapat dihitung dengan

meng-gunakan suatu persamaan yang diturunkan oleh Walter

Nemst. Persamaan tersebut melukiskan hubungan antara

potensial sel eksperimen. Ek' dengan potensial standar

E

d

a = tempat daTi bahan kuningan b = pirex berfungsi sebagai isolator c = penekan tembaga

d = sekat isolator dari bahan alumina RT

E=E.-k

II

Z F In Q

Untuk reaksi sel diatas;

(5)

Gambar 2. Penampang tempat sistem baterai pada proses pemanasan dan pengukuran.

Karakterisasi

sistem

baterai tersebut

ditentukan

melalui

pengukuran

:

1) Voltase nominal yang merupakan karakteristik

suatu sistem, Vn = f(sistem).

2) Voltase tanpa beban ( 0.0: load voltage) yang

bergantung pada sistem

daD temperatur, Vo = f

(sistem,

T) .

3) Voltase

discharge bergantung

pada arus .

Ve=f

Safei Purnama dkk.

Prosiding Pertemuan Ilmiah ..\'ains Materi III

..\'erpong, 20- 21 Oktober 1998

_{ISSN 1410-2897}

(sisteln, T. ld) clan tegangan charge pada sistem baterai .5econdary, V L = f( sistem. T, IL)padavariasi temperatur antara 27°C clan 450 °C.

Bahan elektrolit clan elektroda dianalisis dengan difraktometer sinar-X daD diferensial termal analisis (DTA).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengukuran voltase daD ams listrik pacta sistem baterai Cu/CuI/FeS2 ditunjukkan dalam Tabel2. Pada sistem Cu/CuI/FeS2 mulai terjadi kenaikan voltase pada temperatur 3600C (Gambar 3a) dimana elektrolit CuI mulai mengalami pembahan rasa dari fasa-y ke fasa-J3 (Gambar 4a), daD pacta temperatur 450°C, bahan CuI menjadi superionik (fasa-a) sehingga terjadi kenaikan voltase dengan cepat. Pada saat tersebutterjadi gerakan ion-ion Cu dari anoda ke katoda .Oibawah temperatur 450"C dari data konduktivitas listrik terlihat bahwa lnasih terdapat elektron bebas daD hole yang menyebabkan voltase tersebut menjadi negatip. Gambar 3b menun-jukkan kurva kerapatan ams yang dihasilkan oleh sistem

baterai Cu/CuI/FeSr dimana kerapatan ams sebesar 2,5

mA/cm2 dihasilkan selama 1 ()() menit atau 1,5 jam lebih. Gambar 3c daD 3d menunjukkan kurva charge daD di.\.charge pacta siklus pertama sedangkan Gambar 3e daD 3fmenunjukan kurvachargedan discharge pacta siklus kedlla .Hasil pengukuran ditunjukan pada Tabel3

Tabel 2 Besar voltage .arus, dan tahanan pada sistembaterai Cu/Cul/FeS," T (OC) V (mY) i

*

R (mA) (0Iun) 0 -Sistem 27 450 (~uICuLiFeSt 0 180 6.8 26,5

Tahel]. Aesar Volatse dan Arus selama charge dan di.vchar,Re pada sistem Cu/CuI/FeS,.

15 30 eo 90 120

Waklu (no:nit)

Gambar 3c. Proses charge siklus pertama

I

~

vawa~ "C mV 450 Vakhir _(mY) I. (mA) Siklus Proses Charge 1.5 V 1.5mA 28,2 149 Discharge 450 147 44 5.1 Charge 0.34 mV 4.51 mA 450 44 93 2 Discharge 450 93 56 7,3

Hasil pengukuran bahan CuI dan FeSz dengan DSC dan DT A. menul1jukkan tetjadinya perubahan rasa

Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi III

Serpong, 20 -21 Oktober 1998

ISSN1410-2897

sebagai berikut, uotuk bahao CuI (Gambar 4a) pada temperatur sekitar 380 °C dari fasa-y ke fasa-p, daD pada temperatur sekitar 400 °C dari fasa-p ke rasa-a. Sedaogkan uotuk bahao elektroda FeS2 (Gambar 4b) terjadi perubahan rasa pada temperatur 148°C dari

fasa-150 125 100 -+'-Q 75

~

~ 50

J

135

1~~~5;;7;;;

'1~-~~

Waktu(~nit) Ciambar Je Proses charge siklus kedua

.£4r

i3t

.2

-:;

f3 ke rasa-a. .

Perubahan rasa pada bahan CuI daD FeS2 menyebabkan terjadinya disorder pada struktur yang akan berkontribusi pada konduktivitas listrik (ionik) pada bahan superionik tersebut.

Perubahan fasa-/3 ke fasa-a dalam bahan CuI terjadi pada temperatur sekitar 400 .C, yang menye-babkan disorder pada struktur daD eksitasi atom Co yang terdistribusi pada struktur CuI (grup ruang F 4 3 m) dengan bilangan okupasi yang relatip besar yaitu sekitar 0,25 pada model struktur 16e. Oleh karena itu, perpindallan atom Cu didalam struktur CuI ditemngkan dengaIl adanya vibrasi termal, dimana amplitudo vibrasi bertambah besar dengan naiknya temperatur. Pada saat temperatur tinggi terjadi vibrasi asimetri anharmonis [2], yang disebabkan oleh posisi atom yang non centrosymmetric yang menimbulkan vibrasi termal anisotropik daD disorder pacta struktur yang menimbulkan anharmonis. Pola difraksi sinar-x pacta temperatur 350. C (Gambar 5a) menunjukkan adanya dua rasa , yakni fasa-y daD fasa-f3 yang menimbulkan disorder pada struktur, daD demikian juga pada temperatur 450.C (Gambar 5b) terdiri dari

fasa-f3 daD fasa-<X., dengan intensitas hamburan difus cukup besar, sehingga sulit untuk menganalisa dengan model struktur 16e pacta posisi (x,x,x).

Hasil pengukuran pacta sistem baterai Cu/Cul/

:I) ~ 00 ,~ 120 135 150

Waktu(menit)

:;ambar 3f. Proses discharge siklus kedua ,.."'" ...,

~.~,

.,

Gambar 5a. PoJa difraksi sinar-X bahan CuI pada ~ 3500 C. ""L 4(XXJO 3mJ 30000 ~ Gambar 4a. Data DSC bahan CuI

2OOOOj 1~ ~-~..~ -'... IIXXJO

,_.,. "--

_SOX) 20 25 30 35 40 45 50 55 29

,.--~;

~~--,-j :!!.~ v

,.." .

,..

...'.._~ '.

Gambar 5b. Pola difraksi sinar-X bahan Cui pada T = 450. C.

Gambar 4b. Data DT A bahan Fe2S

Safei Purnama dkk.

382

--k

I .. -,- -r -, . , .

, .

-~-

...

5--" _{" ..}" -::- -:; -'" . " .. " " " .'

-~r~H~:'.~

---~-lc~-,,~

-~---~=---~~~~~X ~

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III

Serpong,

20- 21 Oktober 1998

ISSN 1410-2897

seharusnya Pt/Cu/CuI/FeSjPt" Pada sistem tersebut transport kation bergerak dari Cu -CuI -FeS2, akan tetapi terjadi pula dari Cu ke FeS2" Hal ini menimbuIkan hambatan gerakan muatan atau arus pada sistem, dan pada permukaan kolektor Cu timbul rongga kecil yang akan meningkatkan resistan di permukaan FeS2 -Cu "

KESIMPULAN

Sistem baterai sederhana dengan menggunakan elektrolit padat CuI bekerja baik diatas subu kritis T, Tc = 400 DC, dengan voltase sekitar 180 mV pada tem-pera-tur 450 °C, daD kerapatan arus, dapat dicapai 1,5 mA/cm2 selama 3,5 jam.

DAFTARPUSTAKA

[1 J. CHANDRA.S., Superionic

Solids,

Principle and

Applications, North Holland Publish,Co.,

Ams-terdam,

NewYorl<.,

Oxford, 1981.

[2}. SADAO HOSffiNO, Structure and dynamics of

Solid State

ionics, North-Holland

Solid State

Ionics

48(1991)

179-201.

[3J. MZ.A. MUNSffi, PH.D., Handbook

World

Scien-tificPublishingCo.Pte.Ltd.,

1995.

[4J. B. YR. CHOWDARl,

S. the Internasional

Seminar

Solid State Singapore.

.S.RADHAKRISNA, A.DAUD, Solid State

Materi als, Narosa Publishing House, 1991,

Singapore.

.B. V.R.CHOWDARI,

QINGQUO LIU, LIQUAN

CHEN, Recent

Advances

in fast ion Conducting

materials

and devices,

World Scientific Publishing

Co. Pte.Ltd., 1990, Singapore.

FeS2 dengan cara OCV ( Open Circuit Voltage)

ditunjukkan pada Gambar 3a, daD daTi basil tersebut didapat potensiallistrik terbesar pada temperatur sekitar 450°C,yakni 180mV Potensial listrik pada sistim Cu/ CulIFeS2 mulai menunjukkan kenaikan pada temperatur diatas 3800 C, sedangkan dibawah temperatur tersebut sistem masih menunjukan angka nol daD negatip. Hal ini disebabkan adanya perubahan konduktivitas elektronik daD ionik pada elektrolit CuI dengan adanya perubahan temperatur .

Dari data dapat dijelaskan terjadinya perubahan konduktivitas listrik yang dapat berpengaruh sistim baterai Cu/CuIlFeS2. Pacta temperatur kamar sampai temperatur sekitar 3600 C, konduktivitas listrik disebabkan oleh konduk-tivitas ektronik, yang menyebabkan voltase negatip, daD setelah diatas temperatur 3600 C terjaQi ketidak aturan kation daD anion karena terjadinya perubahan rasa dari fasa-y ke fasa-J3. Pada range temperatur ini, potensial listrik disebabkan 01eh konduktivitas ionik daD elektronik. Pada temperatur

diatas 400" C, potensial listrik disebabkan oleh

konduktivitas ionik saja. Hal ini ditunjukkan oleh data difraksi sinar-x pada temperatur 4500 C dimana back ground nya cukup tinggi yang menunjukkan adanya hamburan difus daD menghasilkan potensiallistrik yang tinggi diantara kedua sistem elektroda .

Hasil pengukuran rapat arus adalah sebagai berikut; rapat arus pada permulaan sekitar 3,8 mAlcm2, lalu turun menjadi 2,5 lnA/cm2 setelah 1 jam, dan setelah 3 jam kemudian menjadi 1,7 mAlcm2. Danjuga pada sikIus berikutnya rapat arus cepat sekali turun. Hal ini disebabkan oleh sistem kolektor arus atau muatanpada sistem baterai tersebut yakni Cu/Cu/Cul/ FeS2/Cu yang

[5]