PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SEL BATERAI - Digilib

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