i

EDISI PERTAMA

Sintesis Nanokomposit LiFePO4 melalui Flame Spray Pyrolysis Kajian Analisis Pengaruh Ukuran dan Komposisi Nanokomposit

Terhadap Performa Baterai Lithium Hemat Energi

Nur Abdillah Siddiq Jurusan Teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh

Nopember Surabaya

Ahmad Fauzan ‘Adziimaa Jurusan Teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh

Nopember Surabaya

Firqi Abdillah K. Jurusan Teknik Kimia, Institut Teknologi Sepuluh

Nopember Surabaya

Miratul Alifah Jurusan Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya

Nur Fadhilah Jurusan Teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh

Nopember Surabaya

ii

Buku ini dipersembahkan kepada

Kedua orang tua yang telah mendukung secara penuh,

bangsa Indonesia, dan agama Islam

Terimakasih kepada

Dirjen Dikti Kemendikbud Indonesia yang telah mendanai

penelitian ini dalam serangkaian kegiatan Program

Kreatifitas Mahasiswa bidang Penelitian (PKMP) 2013

iii

Dengan mengucap rasa syukur Alhamdulillah, buku ini dapat

terselesaikan dengan memuaskan. Puji syukur ke hadirat Allah SWT

yang telah memberikan tim penulis kesehatan, kesempatan,

nikmatnya iman dan islam, juga ilmu yang barokah. Shalawat serta

salam juga tak lupa semoga tetap tercurahkan kepada Rasulullah SAW,

sang revolusioner dalam bidang ilmu karena telah membawa manusia

dari zaman kegelapan menuju ke zaman yang terang benderang.

Sesungguhnya dalam penciptaan langit dan bumi, dan silih

bergantinya malam dan siang terdapat tanda-tanda bagi orang-orang

yang berakal. (Yaitu) orang-orang yang mengingat Allah sambil berdiri

atau duduk atau dalam keadan berbaring dan mereka memikirkan

tentang penciptaan langit dan bumi (seraya berkata): "Ya Tuhan kami,

tiadalah Engkau menciptakan ini dengan sia-sia, Maha Suci Engkau,

maka peliharalah kami dari siksa neraka.

Terjemahan QS. Ali Imran ayat 190 dan 191

Dua ayat itulah yang memotivasi tim penulis untuk bekerja penuh

dengan dedikasi dan totalitas. Tiadalah Allah menciptakan sesuatu

dengan sia-sia, semua pasti memiliki manfaat, termasuk hal-hal yang

baru diketahui manusia, yakni Nanoteknologi.

Nanoteknologi telah ada saat awal terbentuknya jagat raya,

bagaimana satu sel yang bernama amuba dan protozoa dapat hidup

dengan sistem metabolisme yang lengkap, adalah Allah SWT yang

telah menjadikannya demikian, KUN maka jadilah.

Kata Pengantar

“

“

iv

Melalui buku ini, penulis mengharapkan ghirah keilmuan umat

Islam dapat kembali bangkit. Bagaimana pada zaman pertengahan,

kiblat ilmu pengetahuan dan sains berada di tangan umat Islam.

Betapa kita mendengar Al-Khawarizmi sang pionir al-jabar, Ibnu Sina

sang dokter sejati, Jabir Ibnu Hayyan yang telah menemukan ilmu

kimia, dan masih banyak para genius-genius besar yang berasal dari

umat Islam.

Akhir kata, semoga buku ini dapat memberikan manfaat yang

sebesar-besarnya bagi kemajuan ilmu pengetahuan dan dapat

menjadi solusi terhadap krisis energi yang saat ini semakin mencekik.

Amiin.

Surabaya, 8 Juli 2013

Tim Penulis

v

1.1 KRISIS ENERGI ..................................................................... 2 1.2 BATERAI ............................................................................. 4 1.3 NANOTEKNOLOGI................................................................. 6

2.1 SEJARAH ........................................................................... 12 2.2 MEKANISME KERJA ............................................................ 13 2.3 MACAM-MACAM KATODA BATERAI LITHIUM ........................ 20

3.1 MEKANISME UMUM SINTESIS NANOMATERIAL ...................... 26 3.2 MEKANISME PEMBENTUKAN PARTIKEL ................................. 28 3.3 FLAME SPRAY PYROLYSIS .................................................... 30

4.1 SCANNING ELEKTRON MICROSCOPY (SEM) ........................... 34 4.2 X-RAY DIFFRACTION (XRD) ................................................ 40 4.3 FOURIER TRASFORM INFRA RED (FTIR) ................................ 44

5.1 PENELITIAN-PENELITIAN SEBELUMNYA .................................. 52 5.2 METODE PELAKSANAAN ..................................................... 53 5.3 HASIL PENELITIAN .............................................................. 61 5.3.1. Pengaruh Laju Alir Gas Pembawa ............................ 61 5.3.2 Pengaruh Konsentrasi Glukosa.................................. 71 5.4 KESIMPULAN ..................................................................... 74

Daftar Isi

BAB 1 Pendahuluan………………………………………..……1

BAB 2 Baterai Lithium-ion…………………………………..11

BAB 3 Metode Pembuatan Nanomaterial……………25

BAB 3 Analisis dan Karakterisasi…………………………33

BAB 3 Sintesis Nanokomposit LiFePO4 Melalui

Flame Spray Pyrolysys…………………………..…51

vi

Gambar 1.1 Konsep Mobil Hibrida, .................................................... 3 Gambar 1.2 Skema Prinsip Umum dari Baterai, ................................. 4 Gambar 1.3 Susunan Baterai Kering, .................................................. 5 Gambar 1.4 Pionir nanoteknologi, Richard Feynman (kiri) dan Norio

Tamaguchi (kanan), ........................................................................ 7 Gambar 1.5 Rentang Teknologi Nano 1-100 nm, ............................... 9 Gambar 1.5 Struktur Fullerena (C60), ................................................ 8 Gambar 2.1 lapisan-lapisan pada baterai lithium-ion, ..................... 12 Gambar 2.2 Skema Interkalasi Baterai Lithium (Stark, 2011), .......... 14 Gambar 2.3 Gravimetri kepadatan energi katoda teoritis dan praktis

pada bahan yang berbeda-beda, ................................................. 21 Gambar 2.4 Teoritis dan praktis gravimetri kepadatan energi katoda

yang berbeda bahan, ................................................................... 22 Gambar 2.5 Struktur Kristal LiFePO4, ............................................... 24 Gambar 2.6. Yang berwarna biru adalah logam transisi, merah adalah

lithium-ion, kuning adalah ion P/Si/B (a) Senyawa Lapisan Oksida LiMO2 (b) Senyawa Spinel LiM2O4 (c) Senyawa Olivin LiMPO4 (d) Senyawa Silicate Li2MSiO4 (e) Senyawa Tavorite LiMPO4F (f) Senyawa Borate LiMBO3, ............................................................. 22

Gambar 3.1 Teknis sintesis nanopartikel top-down dan bottom-up, ...................................................................................................... 26

Gambar 3.2 Skema Mekanisme Pembentukan Partikel Flame Assisted Spray Pyrolysis (FASP), Flame Spray Pyrolysis (FSP) dan Vapour-fed Aerosol Flame Synthesis (VAFS) (Strobel, 2007), .......................... 29

Gambar 3.3 Skema Mekanisme Pembentukan Partikel dari Solid – fed Flame Synthesis (Widiyastuti, 2008), ........................................... 31

Daftar Gambar dan Tabel

vii

Gambar 4.1 Hasil mikroskop Cahaya (kiri) dan Hasil Mikroskop Elektron (kanan), .......................................................................... 34

Gambar 4.2 Pantulan pada material, ............................................... 34 Gambar 4.3 Skema SEM, .................................................................. 36 Gambar 4.4 Gambar hasil sinyal pada SEM, 36 Gambar 4.5 Perbedaan Secondary Electrons dan Backscattered

Electrons, ..................................................................................... 37 Gambar 4.6 Mekanisme Kontras pada Elektron Sekunder, .............. 38 Gambar 4.7 Mekanisme Kontras pada Elektron Tersebar, ............... 38 Gambar 4.9 Difraksi Sinar-X (Grant & Suryanayana, 1998, .............. 43 Gambar 4.10 Difraksi Sinar-X (Grant & Suryanayana, 1998), ........... 45 Gambar 4.11 Spektrum absorban dan transmitan, .......................... 48 Gambar 4.12 Morfologi (kiri) dan distrbusi ukuran (kanan) partikel

pada laju alir gas pembawa (a) 1, (b) 2 dan (c) 3 liter/menit, ...... 67 Gambar 5.1 Keunggulan metode Flame Spray Pyrolysis, ................. 53 Gambar 5.2 Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian, .......... 55 Gambar 5.3 Konfigurasi Alat, ........................................................... 58 Gambar 5.4 Prosedur Penelitian, ..................................................... 59 Gambar 5.5. Skema Geometri Reaktor Flame Spray Pyrolysis, ........ 60 Gambar 5.6 Contour suhu pada laju alir gas pembawa (a) 1 (b) 2 dan

(c) 3 liter/menit, ........................................................................... 62 Gambar 5.7 Distribusi suhu berbagai laju alir pada center reaktor

(bidang pengamatan line A) berdasarkan (a) simulasi dan (b) eksperimen, ................................................................................. 63

Gambar 5.8 Vektor kecepatan untuk laju alir gas pembawa (a) 1, (b) 2 dan (c) 3 liter/menit, bidang pengamatan plane A, ..................... 64

Gambar 5.9 Contour soot pada laju alir gas pembawa (a) 1, (b) 2 dan (c) 3 liter/menit, bidang pengamatan plane A, ............................ 65

Gambar 5.10 Perubahan diameter droplet pada beberapa laju alir gas pembawa dan beberapa ukuran awal., .................................. 66

Gambar 5.11 Morfologi (kiri) dan distrbusi ukuran (kanan) partikel

pada laju alir gas pembawa (a) 1, (b) 2 dan (c) 3 liter/menit….…..67

Gambar 5.12 Grafik resident time partikel pada beberapa laju alir gas pembawa, .................................................................................... 68

viii

Gambar 5.13 Grafik X-Ray diffraction pada beberapa laju alir gas pembawa, .................................................................................... 69

Gambar 5.14 Hasil analisa FTIR untuk laju alir gas pembawa (a) 3, (b) 2 dan (c) 1 liter/menit, ................................................................. 70

Gambar 5.15 Hasil analisa SEM dengan perbandingan mol LiFePO4:glukosa sebesar (a) 1:0, (b) 1:0,1, (c) 1:0,15 dan (d) 1:0,25, ..................................................................................................... 71

Gambar 5.16 Hasil analisa X-Ray Diffraction dengan berbagai perbandingan mol LiFePO4:glukosa, ............................................. 72

Gambar 5.17 Hasil analisa FTIR untuk konsentrasi glukosa (a) 1:0 (b) 1:0,15 (c) 1:0,2 dan (d) 1:0,3, ....................................................... 73

Tabel 5.1 Rate volume droplet terhadap laju alir gas pembawa, ..... 61

1

Bab 1 Pengantar

Krisis energi merupakan salah

satu permasalahan utama yang

sedang dihadapi oleh umat

manusia saat ini. Salah satu

solusi untuk mengatasi

permasalahan tersebut adalah

pemakaian energi terbarukan

yang membutuhkan media

penyimpanan berupa baterai.

Aplikasi nanoteknologi pada

baterai terbukti dapat

meningkatkan kapasitas dan

performa baterai.

2

1.1 Krisis Energi Krisis energi adalah kekurangan atau peningkatan harga dalam

persediaan sumber daya energi. Krisis energi biasanya merujuk ke

kekurangan minyak bumi, listrik, atau sumber daya alam lainnya. Krisis

energi yang terjadi di Indonesia meliputi krisis bahan bakar fosil dan

listrik. Para ahli mulai merubah pendapatnya tentang pemanfaatan

sumber energi yang ada di Indonesia. Timbulnya kesadaran akan

sumber bahan bakar fosil yang selama ini merupakan sumber energi

andalan, akan terancam mengalami kelangkaan dalam beberapa

tahun kedepan. Untuk itu, pemanfaatan sumber–sumber energi

alternatif yang baru dan terbarukan harus senantiasa diupayakan

secara intensif untuk menghadapi krisis energi yang semakin terasa

dampaknya.

Pemenuhan energi listrik di Indonesia menuju ambang kritis sejak

tahun 2004, dimana pertumbuhan ekonomi mencapai lebih dari 5%.

Hal ini menyebabkan meningkatnya kebutuhan akan sumber energi

primer terutama listrik. Berdasarkan data historis, sejak tahun 2005,

konsumsi energi final di sektor ketenagalistrikan mengalami

peningkatan dengan laju pertumbuhan rata-rata sebesar 7%

pertahun. Hal ini ditambah dengan jumlah peralatan elektronik yang

dihasilkan pada saat ini yang semakin banyak, seperti handphone,

laptop, dan gadget lainnya.

Penggunaan teknologi ramah lingkungan sangat dibutuhkan

untuk mengatasi permasalah krisis energi. Berikut adalah beberapa

teknologi ramah lingkungan:

a. Teknologi hibrida, yaitu perpaduan penggunaan dua atau lebih

sistem energi untuk mencapai efisiensi penggunaan sumber

3

energi bahan bakar, contoh perpaduan BBM dan baterai pada

kendaraan hibrida

b. Teknologi nano atau nanoteknologi, yaitu teknologi yang salah

satunya dapat mudah dipahami dengan istilah miniaturisasi

teknologi. Kaitannya dengan hemat energi, nanoteknologi dapat

dengan mudah menjawab bahwa dengan semakin kecil ukuran

sebuah piranti maka semakin kecil pula konsumsi energi yang

diperlukan.

Gambar 1.1 Konsep Mobil Hibrida

Selain penggunaan teknologi hibrida dan nanoteknologi,

berbagai usaha yang dilakukan untuk menggantikan bahan bakar fosil

yang tidak terbarukan oleh bahan bakar yang terbarukan seperti

tenaga surya, angin, dan air, menimbulkan biaya yang besar karena

kesulitan dalam penyimpanan energI. Hal ini menyebabkan

dibutuhkannya peralatan penyimpanan energi listrik yang efisien,

bahan bakunya mudah diperoleh, murah, ramah lingkungan dan

memiliki kapasitas penyimpanan yang tinggi

Salah satu alat penyimpan energi listrik yang banyak digunakan

dalam kehidupan sehari-hari adalah baterai. Baterai sebagai

penyimpan energi merupakan pendukung utama dalam aplikasi

4

energi baru dan terbarukan, terutama tenaga surya dan angin.

Beberapa sektor kehidupan bangsa Indonesia sudah menjadikan

baterai sebagai sumber energi yang mobile, misalnya sektor

telekomunikasi baik sipil maupun militer.

1.2 Baterai Baterai yang paling umum digunakan orang disebut sel atau

baterai kering. Baterai ini ditemukan oleh Leclanche yang mendapat

hak paten pada tahun 1866. Baterai adalah alat untuk menghasilkan

listrik dari reaksi kimia (reaksi redoks). Sebuah baterai terdiri dari

sebuah sel atau lebih sel yang dihubungkan secara seri atau paralel.

Sel terdiri atas elektroda negatif, sebuah elektrolit, separator berpori,

ion konduktor, dan elektrode positif.

Gambar 1.2 Skema Prinsip Umum dari Baterai

Elektrolit dapat berbentuk larutan, liquid, pasta atau solid. Ketika

sebuah sel dihubungkan untuk menghasilkan listrik, elektroda negatif

memberikan elektron yang mengalir melalui beban dan diterima oleh

elektroda positif. (Stark, 2011). Berdasarkan konvensi, arah aliran

5

elektron berlawanan dengan arah arus listrik, maka arus listrik

mengalir dari elektroda positif ke elektroda positif.

Susunan baterai yang biasa dijumpai dalam kehidupan sehari-hari

(batu baterai atau baterai kering) diperlihatkan dalam gambar 1.3.

Logam seng bertindak sebagai elektroda negatif dan juga sebagai

wadah untuk komponen baterai yang lain. Elektrode positif adalah

karbon tak reaktif yang diletakan di pusat kaleng,

Gambar 1.3 Susunan Baterai Kering

Baterai ini disebut “kering” karena kandungan air relatif rendah,

meskipun demikian kelembaban mutlak diperlukan agar ion-ion dalam

larutan dapat berdifusi di antara elektroda-elektrode itu.

Jika baterai kering memberikan arus, maka reaksi pada elektrode

negatif melibatkan oksidasi seng. Reaksi pada elektroda positif cukup

rumit, tetapi secara garis besar dapat dinyatakan sebagai berikut.

Anoda : Zn(s) Zn2+(aq) + 2e-

Katoda : 2MnO2(s) + 2NH4+

(aq)+ 2e- Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O(l)

Reaksi keseluruhan : Zn(s)+2NH4+

(aq)+2MnO2(s) Zn2+(aq)+Mn2O3(s)+

2NH3(aq)+ H2O(l)

6

Sebuah baterai kering mempunyai potensial sebesar 1,5 volt dan

tidak dapat diisi ulang. Baterai ini banyak digunakan untuk peralatan

yang menggunakan arus kecil seperti radio dan kalkulator.

Baterai terus mengalami perkembangan dan penyempurnaan

hingga saat ini sejak pertama kali ditemukan. Dimulai dari “Voltaic

pile” pada tahun 1800 yang terdiri dari lempengan tembaga dan seng

sebagai elektroda dan elektrolit berupa kain yang direndam dalam

larutan garam. Kemudian dilanjutkan dengan Daniel sel pada tahun

1836 yang dikembangkan oleh ilmuwan inggris bernama John

Frederick Daniel yang terdiri atas elektrode seng yang dicelupkan

dalam larutan H2SO4. Keduanya kemudian dicelupkan kembali dari

larutan CuSO4 dengan tanah liat sebagai penghalang/barrier. Pada

1881 Camille A. Faure mengembangkan baterai timbal asam dari

Plante dan menjadi cikal bakal aki mobil. Pada tahun 1887, Carl

Gassner mematenkan “sel zinc carbon” yang diketahui sebagai dry sel

pertama karena tidak menggunakan elektrolit cair. Pada tahun 1899,

ilmuwan Swedia Waldmar Junger menemukan baterai alkalin

pertama, elektrode dari nikel dan cadmium sedangkan elektrolit dari

larutan kalium hidrosida. Perkembangan terakhir dari baterai yang

masih diteliti adalah pengembangan baterai lithium atau disebut juga

dengan baterai intercalation.

1.3 Nanoteknologi Pertama kali konsep nanoteknologi diperkenalkan oleh Richard

Feynman pada sebuah pidato ilmiah yang diselenggarakan oleh

American Physical Society di Caltech (California Institute of

Technology), 29 Desember 1959. Pidato tersebut berjudul “There’s

Plenty of Room at the Bottom”. Feynman menggambarkan sebuah

proses dimana kemampuan untuk memanipulasi atom dan molekul

menjadi memungkinkan, menggunakan satu set alat yang tepat.

7

Dalam proses ini terjadi besarnya perubahan fenomena fisik yang

bermacam-macam seperti gravitasi akan menjadi kurang penting,

tegangan permukaan dan daya Tarik ikatan van der Waals akan

menjadi semakin lebih penting, dll.

Istilah nanoteknologi pertama kali diresmikan oleh Profesor

Norio Taniguchi dari Tokyo Science University tahun 1974 dalam

makalahnya yang berjudul “On the Basic Concept of ‘Nano-

Technology’,”.

Gambar 1.4 Pionir nanoteknologi, Richard Feynman (kiri) dan Norio

Tamaguchi (kanan)

Nanoteknologi dan nanosains dimulai pada awal 1980-an dengan

dua perkembangan utama; lahirnya ilmu pengetahuan mengenai

cluster dan penemuan Scanning Tunneling Microscope (STM). Royal

Society dan Royal Academy of Engineering di Inggris telah

mendefinisikan istilah-istilah yang berkaitan sebagai berikut:

Nanosains : studi tentang fenomena dan manipulasi dari

material pada skala atom, yang mana memiliki sifat yang

berbeda dan unik dibandingkan sifat dari skala makro.

Nanoteknologi : desain, karakterisasi, produksi, dan aplikasi

dari struktur, alat, dan sistem dengan mengontrol bentuk dan

ukuran dari material pada skala nano.

8

Perkembangan nanoteknologi menyebabkan penemuan fullerena

pada tahun 1985 dan karbon nanotube beberapa tahun kemudian.

Mikroskop atom (AFM atau SFM) diciptakan enam tahun setelah STM

ditemukan.

Gambar 1.5 Struktur Fullerena (C60)

Nanoteknologi adalah pembuatan dan penggunaan materi atau

devais pada ukuran sangat kecil. Materi atau devais ini berada pada

ranah 1 hingga 100 nanometer (nm). Satu nm sama dengan satu-per-

milyar meter (0.000000001 m), yang berarti 50.000 lebih kecil dari

ukuran rambut manusia. Saintis menyebut ukuran pada ranah 1

hingga 100 nm ini sebagai skala nano (nanoscale), dan material yang

berada pada ranah ini disebut sebagai kristal-nano (nanocrystals) atau

material-nano (nanomaterials).

Skala nano terbilang unik karena tidak ada struktur padat yang

dapat diperkecil lagi. Hal unik lainnya adalah bahwa mekanisme dunia

biologis dan fisis berlangsung pada skala 0.1 hingga 100 nm. Pada

dimensi ini material menunjukkan sifat fisis yang berbeda; sehingga

saintis berharap akan menemukan efek yang baru pada skala nano

dan memberi terobosan bagi teknologi.

9

Gambar 1.5 Rentang Teknologi Nano 1-100 nm

Beberapa efek penting yang dimiliki benda jika ukurannya

diperkecil menuju skala nano adalah sebagai berikut:

Efek Permukaan

Semakin kecil ukuran benda maka permukaan penyusun atom

benda tersebut yang terekspos akan memiliki fraksi yang semakin

besar.

Efek Ukuran

Dalam skala nanometer, sifat baru dan fenomena unik dari bahan

akan muncul. Hal ini diakibatkan karena ukuran dari nanomaterial

menjadi komparabel dengan banyak parameter fisis seperti

ukuran gelombang kuantum, ukuran koherensi dan domain

dimensi yang kesemuaannya menetukan sifat-sifat dari material.

Beberapa terobosan penting telah muncul di bidang

nanoteknologi. Pengembangan ini dapat ditemukan di berbagai

produk yang digunakan di seluruh dunia. Sebagai contohnya adalah

katalis pengubah pada kendaraan yang mereduksi polutan udara,

devais pada komputer, beberapa pelindung terik matahari, kosmetik

10

yang secara transparan dapat menghalangi radiasi berbahaya dari

matahari, pelapis khusus pakaian dan perlengkapan olahraga yang

dapat meningkatkan kinerja dan performa atlit. Hingga saat ini para

ilmuwan yakin bahwa mereka baru menguak sedikit dari potensi

nanoteknologi.

Nanoteknologi saat ini berada pada masa pertumbuhannya, dan

tidak seorang pun yang dapat memprediksi secara akurat apa yang

akan dihasilkan dari perkembangan penuh bidang nanoteknologi di

beberapa dekade kedepan. Meskipun demikian, para ilmuwan yakin

bahwa nanoteknologi akan membawa pengaruh yang penting di

bidang medis dan kesehatan; produksi dan konservasi energi;

kebersihan dan perlindungan lingkungan; elektronik, komputer dan

sensor; keamanan dan pertahanan dunia.

11

Bab 2 Baterai Lithium-ion

Baterai Lithium-ion terus

mengalami perkembangan.

Disinyalir kunci kesuksesan

mobil listrik terletak pada

optimalisasi baterai lithium-

ion. Hingga saat ini, baik para

peneliti dan praktisi masih

terus berusaha meningkatkan

performa dari baterai lithium.

12

2.1 Sejarah Baterai Lithium pertama kali ditemukan oleh M.S. Whittingham

pada tahun 1970 yang menggunakan Titanium(II)Sulfide sebagai

katoda dan logam Lithium sebagai anoda.

Dengan penelitian yang intensif selama lebih dari 20 tahun,

akhirnya pada tahun 1991 Sony tampil sebagai pionir yang mampu

memproduksi secara komersial baterai lithium-ion. Sejak produksi

komersial tahun 1991, produksi baterai lithium-ion mengalami

kenaikan yang sangat pesat karena telah membuat revolusi didunia

elektronik. Hampir semua jenis gadget elektronik seperti handphone,

laptop, kamera bahkan mobil hibrida menggunakan baterai lithium-

ion.

Gambar 2.1 Lapisan-lapisan pada baterai lithium-ion

13

Selain Lithium-ion, ada juga baterai yang disebut baterai lithium.

Baterai Lithium adalah baterai yang umumnya tidak bisa diisi ulang

atau hanya sekali pakai habis, sedangkan baterai Lithium-ion justru

sebaliknya. Perbedaan lain dari kedua baterai tersebut adalah materi

dasarnya. Baterai lithium menggunakan logam murni, sedangkan

baterai Lithium-ion menggunakan campuran lithium yang jauh lebih

stabil dan dapat diisi ulang beberapa ratus kali.

Saat ini negara Jepang merupakan produsen baterai terbesar

yang dimotori oleh Sony, Panasonic, dan Toshiba. Lithium-ion baterai

juga merupakan pemimpin produk beterai yang menguasai 46% atau

sekitar 4 milliar US dollar pangsa pasar pada tahun 2007.

Elektrokimia berbasis lithium menawarkan beberapa ciri yang

menonjol. Salah satunya adalah lithium merupakan unsur logam

paling ringan dan memiliki potensial redoks sangat rendah [E(Li+/Li) =

-3,04 V], yang memungkinkan sel memiliki tegangan tinggi dan

densitas energi besar. Selain itu, ion Li+ memiliki jari-jari ion kecil yang

menguntungkan untuk difusi dalam padatan. Dipadukan dengan umur

siklusnya yang lama dan kecepatan pengisian yang tinggi, sifat ini yang

menyebabkan teknologi ion lithium mampu menangkap pasar

elektronik portabel.

Selain yang disebutkan pada ciri-ciri diatas, baterai ion lithium

merupakan baterai yang ringan dan kompak, beroperasi dengan

tegangan sel -4 V dengan energi spesifik dalam kisaran 100-180

Wh/kg.

2.2 Mekanisme Kerja Sejak diproduksi tahun 1991, baterai lithium-ion tidak mengalami

perubahan signifikan pada mekanisme kerja baterai. Ada 3 elemen

yang berperan dalam proses discharge (dipakai) dan recharge (diisi)

pada baterai lithium-ion komersial, yaitu: elektroda positif yang

14

mengandung LiCoO2, elektroda negatif yang terbuat dari karbon grafit

(C6), dan separator yang terbuat dari lapisan tipis plastik yang dapat

dilalui oleh ion-ion. Pada tipe baterai ini anoda dan katoda adalah

bahan dimana, dan dari mana, ion lithium bermigrasi melalui

elektrolit, kemudian disisipkan (proses interkalasi) dan diekstraksi

(proses deinterkalasi) kedalam elektroda (Gambar 2.2).

Gambar 2.2 Skema Interkalasi Baterai Lithium (Stark, 2011)

Interkalasi adalah suatu penyisipan spesies tamu (ion, atom, atau

molekul) ke dalam antar lapis senyawa berstruktur lapis. Schubert

(2002) mendefinisikan interkalasi adalah suatu penyisipan suatu

spesies pada ruang antar lapis dari padatan dengan tetap

mempertahankan struktur berlapisnya, sehingga keunggulan bahan

anoda dan katoda terletak pada stabilitas kristal dalam proses

interkalasi. Atom-atom atau molekul-molekul yang akan disisipkan

disebut sebagai interkalan, sedangkan yang merupakan tempat yang

akan dimasuki atom-atom atau molekul-molekul disebut sebagai

interkalat. Metode ini akan memperbesar pori material, karena

15

interkalan akan mendorong lapisan atau membuka antar lapisan

untuk mengembang. Pada umumnya bahan mempunyai tiga kategori

model dalam melakukan interkalasi, yaitu interkalasi dalam satu

dimensi, dua dimensi, dan tiga dimensi.

Pada proses discharge atau disaat baterai digunakan, ion Li+

bergerak dari elektroda negatif ke elektroda positif melalui separator,

sehingga elektron bergerak dengan arah yang sama. Aliran elektron

inilah yang menghasilkan energi listrik. Proses sebaliknya terjadi ketika

baterai diisi mengikuti reaksi berikut:

Elektroda Negatif : LiCoO2 –> Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-

Elektroda Positif : xLi+ + xe- + 6C –> LixC6

Reaksi keseluruhannya adalah: xLi+ + xe- + LiCoO2 –> Li2O + CoO

Selama pengisian ulang ion Li+ dipisahkan dan oksidasi Co3+

menjadi Co4+ terjadi. Pasangan Co3+/Co4+ memasok tegangan sel kira-

kira 4,0 V.

Anoda yang umum digunakan adalah grafit, misal: mesocarbon

microbeads, dengan katoda oksida logam lithium, misal: lapisan oksida

yaitu lithium cobalt oxide (LiCoO2) yang telah dikomersialkan, spinel

yaitu lithium manganese oxide, Olivin LiFePO4 yang menjadi pokok

bahasan dalam buku ini, dll. Elektrolit yang umum digunakan adalah

garam lithium, misal: lithium hexafluorophosphate, dalam pelarut

organik, misal: ethylene carbonate-dimethyl carbonate yang

dipisahkan oleh membran.

Baterai lithium yang sudah diproduksi sekarang berbasis polimer,

yaitu komponen selnya terutama elektrodanya merupakan bahan

komposit dengan matrik polimer. Bahan anodanya menggunakan

grafit. Bahan katoda digunakan bahan lithium mangan oxide. Bahan

elektrolitnya berasal dari garam lithium cair, seperti lithium perklorat

atau lithium boron florida. Baterai lithium yang dikembangkan

16

merupakan solid polymer battery (SPB) dengan bahan elektrolit padat

LTAP (Lithium Titanium Alumunium Phosphate).

Selain memiliki beberapa keunggulan dibandingkan bahan

baterai lainnya. Sifat reaktif lithium merupakan kendala dari

pembuatan baterai lithium-ion. Kendala utama yang mempersulit

bahkan merugikan produsen baterai dan konsumen adalah faktor

keamanan.

Dalam pembuatan baterai lithium-ion, tahap akhir sebelum

dipasarkan adalah awal pengisian baterai sekitar 40% dari kapasitas

baterai. Tahap awal charging (pengisian) baterai merupakan tahap

yang sangat rentan kebakaran. Salah satu peristiwa yang terjadi

adalah di Jepang pada tahun 2007 dimana pabrik baterai Panasonic

terbakar saat tahap pengisian baterai. Pada tahun 2006 dan 2008,

Sony menarik lebih dari 10 juta baterai untuk PC-nya karena adanya

kendala keamanan. Di tahap konsumen juga kadang terjadi insiden

akibat baterai lithium-ion. Pada Juni 2006 di Osaka, salah satu

notebook peserta konferensi tiba-tiba terbakar yang mengakibatkan

kebakaran. Hal ini ternyata disebabkan oleh kontaminasi bubuk logam

pada baterai.

Berdasarkan penelitian yang telah banyak dilakukan oleh

produsen baterai, penyebab terjadinya api pada baterai lithium-ion

adalah kontak lithium dengan logam lain, overcharge, dan

pemanasan. Sedikit saja lithium ini kontak dengan serbuk logam akan

menyebabkan api, sehingga dilarang untuk menusuk baterai dengan

paku atau benda lain. Pemakaian charger yang tidak sesuai pada saat

pengisian baterai dengan tegangan diatas yang seharusnya dalam

jangka waktu lama dapat menyebakan kebakaran. Dan pemanasan

diatas 60 derajat juga dapat membahayakan pengguna. Namun, saat

ini baterai telah dilengkapi dengan termometer dan polimer separator

yang dapat mencegah bahaya karena tingginya temperatur.

17

Salah satu kendala yang lain dari baterai lithium-ion selain

keamanan adalah sumber lithium itu sendiri. Saat ini lithium terbanyak

dimiliki oleh negara Chili yang menyimpan cadangan lithium sekitar 3

juta ton atau sekitar 73.2% cadangan dunia. Sedangkan di negara-

negara lain adalah sisanya atau sekitar 26.8% yang setengahnya

dimiliki oleh China. Sehingga, negara-negara produsen baterai lithium-

ion sangat tergantung oleh kondisi politik negara Chili.

Dengan kelebihan dan kekurangan yang dimiliki oleh baterai

lithium-ion, sampai saat ini baterai lithium-ion tetap menjanjikan

untuk energi listrik yang bebas polusi. Dengan kombinasi sumber

energi listrik dari tenaga matahari dan angin, masa depan baterai

lithium-ion yang akan digunakan tdiiap rumah dan kendaraan sebagai

penyimpan energi listrik sangat berperan untuk mengurangi

penggunaan listrik yang bersumber dari bahan fosil.

Toshiba berhasil membuat baterai Lithium-Ion yang cukup diisi

ulang hanya dalam satu menit. Hal ini berbeda dengan batetrai ponsel

pada umumnya yang berkapasitas 700mAh membutuhkan waktu

pengisian ulang dalam dua jam. Baterai ini bisa mengembalikan

kapasitasnya sebanyak 80 persen hanya dalam satu menit dan setelah

seribu kali direcharge hanya kehilangan kapasitas sebesar satu persen.

Kini harga baterai Li-ion masih mahal. Akibatnya, mobil listrik atau

hibrida masin susah dijangkau oleh kebanyakan orang. Sebenarnya,

mobil hibrida yang selama ini dibuat oleh Toyota (Prius) dan Honda

(Civic) masih menggunakan baterai NiMH. Kemampuan lebih baik dari

baterai konvensional yang menggunakan bahan dasar timah hitam.

Toyota sendiri mengaku, faktor yang menyebabkan mobil hibrida

mahal adalah baterai. Karena itulah, perusahaan mobil terbesar di

Jepang ini terus menggenjot Prius bisa dijual 1 juta unit per tahun di

seluruh dunia agar harganya nanti bisa ditekan.

18

Dengan makin gencarnya berbagai perusahaan membuat baterai

Li-ion, dikabarkan, baik Toyota maupun Honda segera akan beralih ke

baterai jenis tersebut. Namun, yang cukup menarik, Mitsubishi yang

sudah beberapa kali memamerkan mobil listrik murni di Indoneia,

iMiEV, sudah mengguankan baterai Li-ion.

Dengan makin banyaknya perusahaan otomotif menawarkan

kendaraan bertenaga listrik dan hibrida (ramah lingkungan), baik

mobil maupun motor, membawa harapan baru bagi pengembangan

baterai Li-ion. Tak hanya harganya yang diperkirakan akan jadi lebih

murah karena diproduksi secara massal, kemampuan kerja makin baik

pula.

Kini banyak perusahaan besar dan kecil di negara maju, seperti

Jerman, Perancis, Jepang, dan Amerika Serikat, mengembangkan Li-

ion. Bahkan, lembaga riset dan perguruan tinggi ikut

mengembangkannya. Maklum, selain kendaraan bermotor yang

jumlahnya sangat banyak, perlengkapan elektronik pengguna Li-ion

juga semakin banyak.

Seperti sekarang ini, dikarenakan harga minyak semakin naik,

upaya pengembangan dan pemanfaatan Li-ion makin gencar. Tidak

hanya mobil yang ditawarkan dengan tenaga listrik murni atau hibrida,

tetapi juga sepeda motor.

Di lain hal, penggembangan penggerak, seperti motor listrik

untuk menjalankan mobil dan motor, juga semakin maju. Motor listrik

mampu menghasilkan tenaga yang besar. Putarannya juga lebih tinggi.

Kemampuan mobil dan motor pun tidak berbeda jauh

dibandingkan dengan menggunakan motor bakar. Malah, dalam

mengelola atau memanfaatkan energi, mobil dan motor listrik lebih

efisien. Penampilan mobil yang murni mengandalkan energi listrik

atau baterai Li-ion juga makin menarik, sporty dan gaya.

19

Masalah yang masih menganjal dalam pengembangan Li-ion

adalah pembuatannya masih harus dalam bentuk sel-sel dengan

jumlah banyak. Padahal, untuk mobil diperlukan ukuran besar agar

bisa menghasilkan tenaga yang besar. Ukuran merupakan tantangan

yang masih sulit diatasi produsen Li-ion karena ini nanti menyangkut

masalah produksi dan akhirnya adalah harga.

Sebagai contoh, Volvo harus menggunakan 3.000 sel Li-ion yang

terdiri dari baterai dengan ukuran AA untuk mobil konsepnya, 3CC,

yang menghasilkan tenaga 105 PS. Kalau dibuat dengan ukuran besar

dengan menggunakan bahan kobalt, menyebabkan unit cepat panas

dan selanjutnya menimbulkan kebakaran atau ledakan.

Pengembangan baterai Lithium-ion kini juga mulai

memanfaatkan teknologi nano atau mencari materi yang mampu

menghasilkan kinerja lebih baik. Berdasarkan hasil penelitian, dengan

teknologi nano, Li-ion bisa diisi 10 kali lebih cepat dari baterai sejenis

sekarang ini. Meski begitu, baterai ini tetap saja ditemui

kelemahannya.

Contohnya, Altarinano, sebuah perusahaan kecil di Reno,

Nevada, Amerika Serikat telah menggunakan material elektroda yang

disebut titanet berukuran nano. Kemampuannya menghasilkan

tenaga 3 kali lebih besar dari Li-ion yang ada sekarang dan bisa diisi

penuh hanya selama 6 menit. Masalahnya, kapasitas energinya

setengah sel Li-ion normal. Padahal bisa diisi ulang sampai 2.000 kali

selama 20 tahun atau empat kali umur baterai Li-ion sekarang.

Kelompok peneliti di MIT (Massachussets Institute of

Technology) juga telah berhasil mengembangkan kabel berukuran

nano untuk Li-ion ultra tipis dengan densitas energi tiga kali Li-ion

biasa, sedangkan di Perancis, Li-ion dikembangkan dengan

nanostruktur. Malah, ada para ahli yang mencoba menggunakan

emas.

20

2.3 Macam-macam Katoda Baterai Lithium Diantara tiga komponen utama baterai yang berupa katoda,

anoda, dan elektrolit. Bahan katoda merupakan bahan yang paling

mahal dan salah satu komponen terberat dalam baterai, sehingga

dibutuhkan penelitian intensif untuk fokus pada katoda.

Dalam teknologi baterai ion lithium, tegangan sel dan

kapasitasnya sangat ditentukan oleh bahan katoda yang juga

merupakan faktor pembatas dalam laju migrasi Li

Sejak tahun 1980 ketika LiCoO2 menjadi katoda komerisal untuk

baterai lithium-ion, logam-logam transisi yang dapat menjadi

interkalat merupakan subjek penelitan utama dalam studi katoda

baterai lithium-ion. Struktur merupakan acuan untuk

mengkategorisasikan katoda, bahan katoda konvensional mencakup

senyawa lapisan oksida LiMO2 (M adalah logam yang dapat berupa Co,

Ni, Mn, dll), senyawa spinel LiM2O4 (M = Mn, dll), dan senyawa olivin

LiMPO4 (M = Fe, Mn, Ni, Co,dll). Sebagian besar penelitian yang

dilakukan berkisar pada bahan-bahan dan turunannya.

Struktur interkalasi bahan baru seperti silikat, borat dan tavorit

juga mendapatkan perhatian yang intensif dalam beberapa tahun

terakhir. Dalam optimasi dan pengembangan baterai lithium-

ion,terdapat beberapa kriteria yang harus dipertimbangkan yakni:

(1) kepadatan energi,

(2) tingkat kapasitas,

(3) kinerja cycling,

(4) keamanan,

(5) biaya.

Kepadatan energi ditentukan dengan kapasitas reversibel

material dan tegangan operasi, yang sebagian besar ditentukan oleh

bahan kimia intrinsik seperti pasangan redoks efektif dan konsentrasi

21

lithium maksimum bahan aktif. Untuk tingkat kapasitas dan stabilitas

cycling, mobilitas elektronik dan ion adalah faktor penentu utama,

meskipun morfologi partikel juga faktor penting karena sifat

anisotropik dari struktur dan bahkan memainkan penting peran dalam

beberapa kasus. Oleh karena itu, optimasi bahan biasanya terbuat dari

dua aspek penting, yakni untuk mengubah intrinsic kimia dan

memodifikasi morfologi (sifat permukaan, ukuran partikel, dll) dari

bahan.

Gambar 2.3 Gravimetri kepadatan energi katoda teoritis dan praktis

pada bahan yang berbeda-beda

Gambar 2.3 membandingkan gravimetri kepadatan energi

katoda teoritis dan praktis pada bahan yang berbeda-beda yang saat

ini di banyak diteliti. Sementara beberapa bahan seperti LiFeBO3 dan

LiFeSO4F sudah mendekati kepadatan energi teoretisnya, sementara

untuk bahan lain, termasuk lapisan oksida konvensional dan senyawa

22

spinel, perbedaan yang signifikan pada kepadatan energi masih ada

antara teoritis dan praktis.

Untuk bahan-bahan tertentu seperti olivin LiFePO4, perbaikan

properti yang signifikan telah dicapai selama dekade terakhir dengan

bantuan teknologi baru yang telah dikembangkan.

Gambar 2.4. Yang berwarna biru adalah logam transisi, merah adalah

lithium-ion, kuning adalah ion P/Si/B (a) Senyawa Lapisan Oksida LiMO2 (b)

Senyawa Spinel LiM2O4 (c) Senyawa Olivin LiMPO4 (d) Senyawa Silicate

Li2MSiO4 (e) Senyawa Tavorite LiMPO4F (f) Senyawa Borate LiMBO3

Diantara banyaknya bahan polyanion, Olivin LiFePO4 paling

banyak diteliti dikarenakan sifat elektrokimianya yang memuaskan,

23

berharga murah, tidak beracun, stabilitas termal yang bagus dan

ramah lingkungan.

Bahan ini mendapatkan perhatian intensif dikarenakan stabilitas

bawaan dalam kelompok polyanion, yakni kemampuan untuk

menunda atau mengurangi hilangnya oksigen yang terjadi pada

lapisan senyawa oksida dan senyawa spinel.

Bagaimanapun, harganya yang murah, tahan lama dan sifatnya

yang ramah lingkungan menjadikan katoda dengan bahan ini sangat

potensial untuk bahan katoda yang dapat dikomersialisasi. Namun,

kendala terletak pada konduktivitas intrinsic dari bahan ini yang masih

rendah, hal ini ditambah dengan pengurangan ukuran pelapisan

dengan karbon dapat meningkatkan biaya sintesa katoda ini dengan

sangat drastis.

LiFePO4 atau lithium iron phosphate dengan struktur seperti

senyawa olivin (gambar 2.5) adalah salah satu bahan yang banyak

digunakan dalam penelitian aplikasi baterai Li. Lithium memiliki

elektron valensi +1, besi +2 dan phosphate -3. Atom besi berada

ditengah dikelilingi dengan enam atom oksigen membentuk bentuk

oktahedron FeO6. Atom phosphor dari phosphat dengan empat atom

oksigen membentuk tetrahedron dengan phosphor ditengah.

Kerangka zigzag dibentuk oleh oktahedral FeO6 yang memakai

bersama atom O disisi pojok dengan tetrahedral PO4. Ion lithium

terletak dalam struktur zigzag oktahedral. Oktahedral FeO6

dihubungkan melalui pemakaian bersama edge dari sisi bc. Group LiO6

membentuk rantai linier oktahedral paralel axis b. Oktahedral FeO6

berbagi edge dengan dua oktahedral LiO6 dan satu tetrahedron PO4.

Dalam ilmu crystallografi, struktur ini termasuk dalam space group

Pmnb dari sistem kristal orthorhombic.

LiFePO4, secara teoritis, memiliki kapasitas muatan 170

mAh/g dan voltage open – circuit sebesar 3,45 V. Struktur kristal olivin

24

memiliki parameter kisi a = 0,6008, b = 1,0334 dan c = 0,4693. Dari

stuktur itu ada terowongan satu dimensi yang dibentuk oleh edge

shared Li oktahedral dimana Li+ bermigrasi melalui terowongan ini.

Hambatan utama untuk mencapai kapasitas teoritis adalah

konduktifitas elektronik intrinsik dan kecepatan difusi ion Li+ yang

rendah. (Zhang, 2012)

Gambar 2.5 Struktur Kristal LiFePO4

Phosphat dari kristal LiFePO4 menstabilkan keseluruhan

kerangka, memberikan stabilitas thermal dan performa cycling yang

baik. Berbeda dari dua material katode yang lama (LiMnO4 dan LiCoO2)

ion lithium dari LiFePO4 bergerak dalam free volume satu dimensi dari

kisi – kisi. Selama charge/discharge, ion lithium masuk/keluar dalam

LiFePO4 sedangkan ion Fe direduksi/dioksidasi. Proses ini reversible.

Reaksi yang terjadi selama pemuatan dan pelepasan dari baterai

lithium adalah LiFe(II)PO4 Fe(III)PO4 + Li+ + e-

Gambar 2.4 Struktur Kristal

LiFePO4

25

Bab 3 Metode Pembuatan Nanomaterial

Nanoteknologi saat ini

berada pada masa

pertumbuhannya dan tidak

seorang pun yang dapat

memprediksi secara akurat

apa yang akan dihasilkan dari

perkembangan penuh bidang

nanoteknologi di beberapa

dekade kedepan. Beberapa

terobosan penting telah

muncul di bidang

nanoteknologi. Oleh karena

itu,mengetahui metode

pembuatan/sintesis

nanomaterial menjadi sangat

penting bagi para ilmuan dan

praktisi.

26

3.1 Mekanisme Umum Sintesis Nanomaterial Ada dua metode yang dapat digunakan dalam sintesis

nanomaterial, yaitu secara top-down dan bottom-up. Top-down

merupakan pembuatan struktur nano dengan memperkecil material

yang besar, sedangkan bottom-up merupakan cara merangkai atom

atau molekul dan menggabungkannya melalui reaksi kimia untuk

membentuk nano struktur (Greiner 2009). Sintesis nanopartikel

dengan metode top-down dan bottom-up dapat dilihat pada Gambar

3.1.

Gambar 3.1 Teknis sintesis nanopartikel top-down dan bottom-up

Dalam pendekatan top-down, pertama bulk material

dihancurkan dan dihaluskan sedemikian rupa sampai berukuran

nanometer. Kemudian dari partikel halus yang diperoleh, dibuat

material baru yang mempunyai sifat-sifat dan performa yang lebih

baik dan berbeda dengan bulk material aslinya. Contoh metode top-

down adalah penggerusan dengan alat milling, sedangkan teknologi

bottom-up yaitu menggunakan teknik sol-gel, presipitasi kimia, dan

aglomerasi fasa gas (Dutta dan Hofmann 2005). Pendekatan top-down

dapat meliputi teknik pembuatan devais elektronik dari

semikonduktor silikon yang dibentuk sesuai pola tertentu. Dengan

pendekatan ini, dapat dibuat IC yang berukuran 1 cm2 berisikan

27

bermilyar-milyar transistor untuk komponen hardisk dengan kapasitas

penyimpanan terabyte.

Pendekatan top-down juga dapat dilakukan dengan teknik MA-

PM (mechanical alloying-powder metallurgy) atau MM-PM

(mechanical milling-powder metallurgy), dimana material

dihancurkan sampai menjadi bubuk dan dilanjutkan dengan

penghalusan butiran partikelnya sampai berukurun puluhan

nanometer. Kemudian, bubuk yang telah halus disinter (dibakar)

dengan kondisi tertentu sehingga didapatkan material final yang

memiliki sifat-sifat dan performan yang sangat unggul berbeda

dengan bulk material aslinya. Sebagai contoh, nanobaja diperoleh dari

penghalusan partikel bubuk besi dan karbon dengan teknik MA

sampai berukuran 30 nm, kemudian disinter pada suhu mendekati

suhu eutectoid (A1: 723°C) pada tekanan 41 MPa dalam suasana gas

nitrogen. Nano baja berstruktur halus (mencapai beberapa puluh nm)

memiliki kekuatan dan umur 2 kali lipat. Teknologi ini sangat

sederhana dan tidak memerlukan peralatan tertentu untuk

pembuatannya. Teknologi top-down lebih populer dibandingkan

teknologi bottom-up. Top-down dikenal sebagai "nanosizing", dalam

kata lain top-down adalah proses yang memecah kristal partikel besar

menjadi potongan-potongan kecil (Gulsun et al. 2009).

Dalam pendekatan bottom-up, material dibuat dengan

menyusun dan mengontrol atom demi atom atau molekul demi

molekul sehingga menjadi suatu bahan yang memenuhi suatu fungsi

tertentu yang diinginkan. Misalnya, kumpulan atom karbon didesain

sedemikian rupa sehingga membentuk struktur heksagonal sehingga

menghasilkan berlian yang memiliki kekuatan yang sangat tinggi. Pada

saat yang bersamaan, sekumpulan atom karbon dapat disusun

membentuk struktur segienam rombik sehingga menjadi arang yang

sangat lunak sekali. Dengan nanoteknologi dimungkinkan membuat

28

berlian buatan sesuai yang kita inginkan. Dewasa ini telah berhasil

ditemukan struktur karbon yang lain seperti karbon 60 (fullerena),

carbon nano tube dll yang memiliki kekuatan dan fungsi yang sangat

istimewa dan dapat diaplikasikan dalam berbagai bidang.

Penjabaran dari metode sintesis nanomaterial diantaranya

sintesis plasma, wet-phase processing, flame spray pyrolysis,

presipitasi kimia, sol-gel processing, pengolahan mekanik, sintesis

mechanicochemical, high-energy ball milling, chemical vapour

deposition dan ablasi laser (Park 2007). Beberapa metode lainnya

adalah co-precipitation, ultrasound irradiation, elektrokimia, dan

sintesis hidrotermal (Kosa et al. 2009). Penelitian Sun et al. (2010)

berhasil membuat nanopartikel kalsium menggunakan teknik spray

drying dengan penggunaan two-liquid nozzle.

3.2 Mekanisme Pembentukan Partikel Berbagai reaktor flame telah digunakan dan diklasifikasikan

berdasarkan kondisi dari prekursor yang disuplay. Pada prekursor

liquid dapat dibagi menjadi Vapour-Fed Aerosol Flame Synthesis

(VAFS), Liquid Fed Aerosol Flame Synthesis (LAFS), dan flame spray

pyrolysis (FSP).

Vapour-Fed Aerosol Flame Synthesis (VAFS) adalah pembakaran

(atau hydrolysis) dari prekursor volatile dalam hydrocarbon, hidrogen

atau flame halida. Partikel dibentuk setelah konversi prekursor melalui

nukleasi dari fase gas dan tumbuh melalui reaksi permukaan dan/atau

koagulasi dan berikutnya bergabung membentuk large particle. VAFS

digunakan dalam industri untuk pembentukan silika, alumina dan

titania. Namun, ketersediaan prekursor volatile dengan harga yang

layak membatasi VAFS hanya untuk beberapa bahan material.

Liquid Fed Aerosol Flame Synthesis (LAFS) lebih serbaguna karena

prekursor non-volatile bisa dipakai. Biasanya larutan prekursor, emulsi

29

atau slurry dispray dan dikonversi menjadi produk partikel. Penguapan

sempurna akan membentuk partikel padat sedangkan penguapan

tidak sempurna akan membentuk hollow particles dan shell-like

particles. Spraying dilakukan dengan mengatomisasi larutan melalui

bantuan udara atau pipa ultrasonik.

Gambar 3.2 Skema Mekanisme Pembentukan Partikel Flame Assisted Spray

Pyrolysis (FASP), Flame Spray Pyrolysis (FSP) dan Vapour-fed Aerosol Flame

Synthesis (VAFS) (Strobel, 2007)

Tergantung pada komposisi larutan, evaporasi prekursor dibantu

oleh sumber panas dari luar, dapat digolongkan menjadi tiga macam

mekanisme pembentukan partikel yaitu. Untuk prekursor yang dapat

terbakar, larutan organik dengan enthalpy tinggi akan digunakan

sebagai sumber nyala dan menjaga pembakaran. Proses ini disebut

sebagai flame spray pyrolysis (FSP). Untuk prekursor inorganik dengan

enthalpy rendah (contohnya aqueous), eksternal flame digunakan

sebagai sumber panas dalam bentuk hot wall. Proses ini disebut

flame-assisted spray pyrolysis (FASP). (Strobel, 2007)

30

Pada prekursor solid, mekanisme yang terjadi berbeda. Ada tiga

kemungkinan dalam pembentukan partikel menggunakan partikel

submicron – micron sebagai prekursor, yaitu : nanopartikel,

nanopartikel dan partikel dengan ukuran mengecil dan partikel yang

relatif tidak berubah ukurannya. Nanopartikel dimulai dari

menguapan prekursor solid untuk menghasilkan uap atau monomer –

monomer (molekul – molekul). Partikel terbentuk disebabkan oleh

nukleasi dari uap ketika supersaturation terjadi baik oleh peningkatan

konsentrasi uap atau karena penurunan suhu. Partikel pertama yang

terbentuk oleh proses nukleasi disebut cluster – cluster. Cluster –

cluster ini selanjutnya tumbuh melalui koagulasi dengan cluster atau

partikel lainnya dan kondensasi dengan monomer.

Adakalanya supersaturation terjadi ketika evaporasi dari

prekursor partikel tidak sempurna, menghasilkan ukuran bimodal.

Terdiri dari partikel submicron – micron dengan ukuran lebih kecil dari

ukuran awal dan nanopartikel yang timbul dari sintesis partikel fase

gas.

Partikel dengan ukuran yang relatif tidak berubah terjadi ketika

partikel awal tidak mengalami evaporasi. Hal ini disebabkan karena

suhu lingkungan cukup rendah untuk menginisiasi terjadinya

evaporasi. (Widiyastuti, 2008).

3.3 Flame Spray Pyrolysis Metode flame spray pyrolysis merupakan salah satu metode

sintesis partikel melalui proses aerosol. Aerosol adalah partikel kecil

(solid atau liquid) yang tersuspensi di dalam gas.

Diantara proses fase gas yang lain, sintesis material

menggunakan flame tidak membutuhkan tambahan sumber energi

untuk mengkonversi prekursor seperti halnya plasma, laser atau

elektris heated walls sehingga inverstasi lebih rendah dan dapat

31

discale up. Energi proses flame untuk membentuk partikel dihasilkan

dari reaksi kimia. Kemudian, energi yang dilepaskan dipindahkan

dengan cepat melalui radiasi dan konveksi yang mana sangat penting

untuk sintesis partikel nano. (Strobel, 2007)

Gambar 3.3 Skema Mekanisme Pembentukan Partikel dari Solid – fed Flame

Synthesis (Widiyastuti, 2008)

Suhu di dalam flame reactor lebih rendah dari plasma reactor

namun lebih tinggi dari hot – wall, evaporation – condensation, dan

laser reactor. Flame reactor relatif mudah konstruksinya dibandingkan

dengan sistem yang lain.

Ada dua macam tipe reaktor flame. Difusi dan premix. Dalam

flame difussion, reaktan tidak berkontak satu dengan yang lain sampai

keluar burner yang terletak di dalam reaktor. Difusi ini menghasilkan

nyala pada daerah dimana fuel dan oksigen atau udara kontak satu

sama lain. Dalam premixed flame, fuel dan sumber oksigen (udara

misalkan) bercampur lebih dulu. Setelah keluar burner keduanya

32

terbakar. Tipe flame ini cukup berbahaya karena fuel dan sumber

oksigen bersatu dalam satu line menuju burner.

Keuntungan dari reaktor flame adalah :

a. Oksida – oksida sederhana dengan mudah dapat dihasilkan

dalam waktu yang pendek (dalam beberapa detik)

b. Sistem sederhana dan relatif tidak mahal untuk dibuat dan

dioperasikan

c. Dapat digunakan pada prekursor yang volatile atau tidak

volatile

d. Kemurnian tinggi

e. Range ukuran partikel yang dapat dibuat besar

Kerugian dari reaktor flame adalah :

a. Pembentukan agglomerate pada banyak kondisi

b. Distribusi ukuran partikel yang besar

c. Profil aliran dan temperatur yang tidak seragam

d. Sulit digunakan untuk menghasilkan banyak material

terutama yang mudah teroksidasi seperti golongan nitrit,

borit dll

e. Properties partikel dipengaruhi dengan signifikan oleh

pencampuran dari prekursor

(Kodas, 1999)

Meskipun ada banyak hipotesa mengapa pelapisan bahan katoda

dapat meningkatkan performa bahan, mekanisme terperici masih

belum dapat diketahui dan masih berada dalam penyelidikan yang

intensif.

33

Bab 4 Analisis dan Karakterisasi

Untuk dapat

mengidentifikasi produk

yang dihasilkan pada

penelitian nanomaterial,

karakterisasi dan analisis

menjadi sangat diperlukan.

Pada umumnya, percobaan

mengenai nanomaterial

dapat dikarakterisasi dan

dianalisis melalui SEM, XRD

dan FTIR

34

4.1 Scanning Elektron Microscopy (SEM) Elektron memiliki resolusi yang lebih tinggi daripada cahaya.

Cahaya hanya mampu mencapai 200nm sedangkan elektron bisa

mencapai resolusi sampai 0,1 – 0,2 nm. Pada gambar 4.1, diberikan

perbandingan hasil gambar mikroskop cahaya dengan elektron.

Gambar 4.1 Hasil mikroskop Cahaya (kiri) dan Hasil Mikroskop Elektron

(kanan)

Disamping itu dengan menggunakan elektron akan mendapatkan

beberapa jenis pantulan yang berguna untuk keperluan karakterisasi.

Jika elektron mengenai suatu benda maka akan timbul dua jenis

pantulan yaitu pantulan elastis dan pantulan non elastis seperti pada

gambar dibawah 4.2.

Gambar 4.2 Pantulan pada material

35

Pada sebuah mikroskop elektron (SEM) terdapat beberapa

peralatan utama antara lain:

1. Pistol elektron, biasanya berupa filamen yang terbuat dari

unsur yang mudah melepas elektron misal tungsten.

2. Lensa untuk elektron, berupa lensa magnetis karena elektron

yang bermuatan negatif dapat dibelokkan oleh medan

magnet.

3. Sistem vakum, karena elektron sangat kecil dan ringan maka

jika ada molekul udara yang lain elektron yang berjalan

menuju sasaran akan terpencar oleh tumbukan sebelum

mengenai sasaran sehingga menghilangkan molekul udara

menjadi sangat penting.

Prinsip kerja dari SEM adalah sebagai berikut:

1. Sebuah pistol elektron memproduksi sinar elektron dan

dipercepat dengan anoda.

2. Lensa magnetik memfokuskan elektron menuju ke sampel.

3. Sinar elektron yang terfokus memindai (scan) keseluruhan

sampel dengan diarahkan oleh koil pemindai.

4. Ketika elektron mengenai sampel maka sampel akan

mengeluarkan elektron baru yang akan diterima oleh

detektor dan dikirim ke monitor (CRT).

Secara lengkap skema SEM dijelaskan oleh gambar 4.3.

Ada beberapa sinyal yang penting yang dihasilkan oleh SEM. Dari

pantulan inelastis didapatkan sinyal elektron sekunder dan

karakteristik sinar X sedangkan dari pantulan elastis didapatkan sinyal

backscattered elektron. Sinyal -sinyal tersebut dijelaskan pada gambar

dibawah 4.4.

36

Gambar 4.3 Skema SEM

Gambar 4.4 Gambar hasil sinyal pada SEM

37

Perbedaan gambar dari sinyal elektron sekunder dengan

backscattered adalah sebagai berikut: elektron sekunder

menghasilkan topografi dari benda yang dianalisa, permukaan yang

tinggi berwarna lebih cerah dari permukaan rendah. Sedangkan

backscattered elektron memberikan perbedaan berat molekul dari

atom – atom yang menyusun permukaan, atom dengan berat molekul

tinggi akan berwarna lebih cerah daripada atom dengan berat molekul

rendah. Contoh perbandingan gambar dari kedua sinyal ini disajikan

pada gambar dibawah ini.

Gambar 4.5 Perbedaan Secondary Elektrons dan Backscattered Elektrons

Mekanisme kontras dari elektron sekunder dijelaskan dengan

gambar 4.6. Permukaan yang tinggi akan lebih banyak melepaskan

elektron dan menghasilkan gambar yang lebih cerah dibandingkan

permukaan yang rendah atau datar.

Sedangkan mekasime kontras dari backscattered elektron

dijelaskan dengan gambar 4.7, ini yang secara prinsip atom – atom

dengan densitas atau berat molekul lebih besar akan memantulkan

lebih banyak elektron sehingga tampak lebih cerah dari atom

berdensitas rendah. Maka teknik ini sangat berguna untuk

membedakan jenis atom.

38

Gambar 4.6 Mekanisme Kontras pada Elektron Sekunder

Gambar 4.7 Mekanisme Kontras pada Elektron Tersebar

Namun untuk mengenali jenis atom dipermukaan yang

mengandung multi atom para peneliti lebih banyak mengunakan

teknik EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). Sebagian besar alat SEM

dilengkapi dengan kemampuan ini, namun tidak semua SEM punya

39

fitur ini. EDS dihasilkan dari Sinar X karakteristik, yaitu dengan

menembakkan sinar X pada posisi yang ingin kita ketahui

komposisinya. Maka setelah ditembakkan pada posisi yang diinginkan

maka akan muncul puncak – puncak tertentu yang mewakili suatu

unsur yang terkandung. Dengan EDS kita juga bisa membuat

elemental mapping (pemetaan elemen) dengan memberikan warna

berbeda – beda dari masing – masing elemen di permukaan bahan.

EDS bisa digunakan untuk menganalisa secara kunatitatif dari

persentase masing – masing elemen. Contoh dari aplikasi EDS

digambarkan pada gambar 4.8.

Gambar 4.8 Contoh Aplikasi dari EDS

Aplikasi dari teknik SEM – EDS dirangkum sebagai berikut:

1. Topografi: Menganalisa permukaan dan teksture (kekerasan,

reflektivitas dsb)

40

2. Morfologi: Menganalisa bentuk dan ukuran dari benda

sampel

3. Komposisi: Menganalisa komposisi dari permukaan benda

secara kuantitatif dan kualitatif.

Sedangkan kelemahan dari teknik SEM antara lain:

1. Memerlukan kondisi vakum

2. Hanya menganalisa permukaan

3. Resolusi lebih rendah dari TEM

4. Sampel harus bahan yang konduktif, jika tidak konduktor

maka perlu dilapis logam seperti emas.

4.2 X-Ray Diffraction (XRD) Difraksi sinar-X pertama kali ditemukan oleh Max von Laue tahun

1913 dan pengembangannya oleh Bragg, merupakan salah satu

metode baku yang penting untuk mengkarakterisasi material.

Hamburan sinar-X dihasilkan jika suatu elektroda logam ditembakkan

dengan elektron-elektron dengan kecepatan tinggi dalam tabung

vakum. Suatu kristal dapat digunakan untuk mendifraksi berkas sinar-

X dikarenakan orde dari panjang gelombang sinar-X hampir sama atau

lebih kecil dengan orde jarak antar atom dalam suatu kristal

(Zulianingsih, 2012).

Karakterisasi menggunakan metode difraksi merupakan metode

analisa yang penting untuk menganalisa suatu kristal. Karakterisasi

XRD dapat digunakan untuk menentukan struktur kristal

menggunakan sinar-X. Metode ini dapat digunakan untuk

menentukan jenis struktur, ukuran butir, konstanta kisi, dan FWHM.

Sinar-X merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang

gelombang diantara 400-800 nm (Smallman & Bishop, 1999).

Sinar-X merupakan gelombang elektromagnetik bertenaga tinggi

berkisar antara sekitar 200eV sampai dengan 1 MeV, terletak antara

41

ultra-ungu dan sinar-γ. Sinar ini dihasilkan ketika partikel bermuatan

listrik, misalnya elektron, yang bergerak dengan kecepatan tinggi

ditumbukkan pada logam berat. Pada peristiwa ini tenaga kinetic

partikel elektron berubah menjadi radiasi elektromagnetik. Panjang

gelombang radiasi yang dipancarkan bergantung pada tenaga kinetic

elektron.

Selain radiasi Bremsstrahlung, elektron yang ditumbukkan ke

logam berat akan menghasilkan radiasi sinar-X dengan gelombang

cemiri. Proses terjadinya sinar-X cemiri adalah sebagai berikut.

Tumbukan antara elektron bebas yang dipercepat dengan atom

sasaran menghasilkan transfer tenaga. Elektron bebas yang

ditumbukkan memberikan tenaganya kepada elektron orbit atom

sasaran. Apabila tenaga yang ditransfer cukup besar, terjadi peristiwa

ionisasi. Tenaga ionisasi elektron terluar hanyalah sekitar 100 eV dan

tenaga ionisasi elektron dari kulit K sekitar 120 keV. Tetapi sinar-X

memiliki kebolehjadian yang lebih besar berinteraksi dengan elektron

di kulit K daripada dengan elektron di kulit atom yang lebih luar

(Suharyana, 2012).

Misalkan sebuah elektron di kulit K terionisasi sehingga terdapat

sebuah kekosongan elektron di kulit K. Tempat yang kosong ini segera

diisi oleh elektron yang berada pada keadaan tenaga yang lebih tinggi,

misalnya elektron di kulit L atau M yang disertai dengan pancaran

sebuah photon. Jika elektron pengisi kekosongan berasal dari kulit L

maka sinar-X yang dihasilkan dinamakan sinar-x Ka. Sedangkan jika

berasal dari kulit L dinamakan sinar-X Kb, dan bila berasal dari kulit M

dinamakan sinar-X Kg(Suharyana, 2012).

Ketika kulit L terdapat sebuah lubang elektron karena

ditinggalkan oleh elektron yang berpindah ke kulit K, maka sebuah

elektron dari kulit M, N atau O akan bertransisi mengisi lubang

tersebut. Kelebihan tenaga elektron yang berpindah dipancarkan

42

dalam bentuk sebuah photon yaitu radiasi sinar-X cemiri. Bila elekron

yang mengisi berasal dari kulit M maka sinar-X yang terjadi dinamakan

sinar-X La, sedangkan jika berasal dari kulit N dinamakan sinar-X Lb.

Untuk keperluan difraksi, sinar-X yang dipergunakan hanyalah

yang memiliki panjang gelombang tertentu saja, biasanya dipilih yang

paling intens yaitu sinar-X

Ka. Sinar ini dapat dipilah dari sinar-X Bremsstrahlung serta sinar-

X Kb menggunakan monokromator. Material monokromator yang

sering digunakan analah Kristal tunggal Ge atau C. Sinar-X dengan

panjang gelombang tunggal akan memberikan data difraksi yang

sangat bagus. Namun, harga monokromator relatif sangat mahal. Cara

lain yang lebih murah untuk mendapatkan sinar-X cemiri dengan

panjang gelombang tunggal adalah dengan memasang filter, yaitu

logam tipis dengan ketebalan tertentu. Jenis filter logam yang

diperlukan bergantung pada sumber radiasi sinar-X yang digunakan.

Perlu dituliskan di sini, penggunaan filter memang murah, dapat

menghalangi sinar-X namun kerugiannya adalah intensitas menjadi

berkurang (Suharyana, 2012)

Komponen utama XRD yaitu terdiri dari tabung katoda (tempat

terbentuknya sinar-X), sampel holder dan detektor. Pada XRD yang

berada di lab pusat MIPA ini menggunakan sumber Co dengan

komponen lain berupa cooler yang digunakan untuk mendinginkan,

karena ketika proses pembentukan sinar-X dikeluarkan energi yang

tinggi dan menghasilkan panas. Kemudian seperangkat komputer dan

CPU.

XRD memberikan data-data difraksi dan kuantisasi intensitas

difraksi pada sudut-sudut dari suatu bahan. Data yang diperoleh dari

XRD berupa intensitas difraksi sinar-X yang terdifraksi dan sudut-sudut

2θ. Tiap pol ayang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal

yang memiliki orientasi tertentu. (Widyawati, 2012).

43

Suatu kristal yang dikenai oleh sinar-X tersebut berupa material

(sampel), sehingga intensitas sinar yang ditransmisikan akan lebih

rendah dari intensitas sinar datang. Berkas sinar-X yang dihamburkan

ada yang saling menghilangkan (interferensi destruktif) dan ada juga

yang saling menguatkan (interferensi konstrktif). Interferensi

konstruktif ini merupakan peristiwa difraksi seperti pada Gambar 2.5

(Grant & Suryanayana, 1998).

Gambar 4.9 Difraksi Sinar-X (Grant & Suryanayana, 1998)

Berdasarkan Gambar 4.9 dapat dituliskan suatu persamaan yang

disebut dengan hukum Bragg.

Persamaan tersebut adalah :

Beda lintasan (δ) = n λ

δ = DE + EC’

δ = 2EC’

δ = 2EC sinθ ,

EC = d

δ = 2 d sinθ

sehingga beda lintasannya

44

n λ = 2 d sinθ

Dengan λ merupakan panjang gelombang, d adalah jarak antar

bidang, n adalah bilangan bulat (1,2,3, …) yang menyatakan orde

berkas yang dihambur, dan θ adalah sudut difraksi.

Suatu material jika dikenai sinar-X maka intensitas sinar yang

ditransmisikan akan lebih rendah dari intensitas sinar datang, hal ini

disebabkan adanya penyerapan oleh material dan juga

penghamburan oleh atom-atom dalam material tersebut. Berkas

sinar-X yang dihamburkan ada yang saling menghilangkan karena

fasenya berbeda dan ada juga yang saling menguatkan karena fasenya

yang sama. Berkas sinar-X yang menguatkan (interferensi konstruktif)

dari gelombang yang terhambur merupakan peristiwa difraksi. Sinar-

X yang mengenai bidang kristal akan terhambur ke segala arah, agar

terjadi interferensi konstruktif antara sinar yang terhambur dan beda

jarak lintasnya maka harus memenuhi pola nλ (Taqiyah, 2012).

4.3 Fourier Trasform Infra Red (FTIR) Pada dasarnya Spektrofotometer FTIR (Fourier Trasform Infra

Red) adalah sama dengan Spektrofotometer IR dispersi, yang

membedakannya adalah pengembangan pada sistim optiknya

sebelum berkas sinar infra merah melewati contoh. Dasar pemikiran

dari Spektrofotometer FTIR adalah dari persamaan gelombang yang

dirumuskan oleh Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) seorang

ahli matematika dari Perancis. Fourier mengemukakan deret

persamaan gelombang elektronik sebagai persamaan berikut :

f(t)=

dimana :

- a dan b merupakan suatu tetapan

- t adalah waktu

- ω adalah frekwensi sudut (radian per detik)

45

( ω = 2 Π f dan f adalah frekwensi dalam Hertz)

Dari deret Fourier tersebut intensitas gelombang dapat

digambarkan sebagai daerah waktu atau daerah frekwensi.

Perubahan gambaran intensitas gelobang radiasi elektromagnetik dari

daerah waktu ke daerah frekwensi atau sebaliknya disebut

Transformasi Fourier (Fourier Transform).

Gambar 4.10 Difraksi Sinar-X (Grant & Suryanayana, 1998)

46

Berikut adalah keterangan dari setiap penyusun piranti FTIR.

1. Sumber Sinar

Radiasi infra merah dihasilkan dari pemanasan suatu sumber

radiasi dengan listrik sampai suhu antara 1500 dan 2000 K. Sumber

radiasi yang biasa digunakan berupa lampu Nernst Glower, Globar dan

Kawat Nikrom. Nernst Glower merupakan campuran oksida dari

zirkon (Zr) dan yitrium (Y) yaitu ZrO2 dan Y2O3, atau campuran oksida

thorium (Th) dan serium (Ce). Nernst Glower ini berupa silinder

dengan diameter 1 sampai 2 mm dan panjang 20 mm. Pada ujung

silinder dilapisi platina untuk melewatkan arus listrik. Nernst Glower

mempunyai radiasi maksimum pada panjang gelombang 1.4 μm atau

bilangan gelombang 7100 cm.

Globar merupakan sebatang silikon karbida (SiC) biasanya

dengan diameter 5 mm dan panjang 50 mm. Radiasi maksimum

Globar terjadi pada panjang gelombang

1,8-2,0 m atau bilangan gelombang 7100 cm-1. Kawat Nikhrom

merupakan campuran nikel (Ni) dan Krom (Cr). Kawat ini berbentuk

spiral dan mempunyai intensitas radiasi lebih rendah dari Nernst

Glower dan Globar tetapi umurnya lebih panjang.

2. Tempat Sampel

Wadah sampel atau sel tergantung dari jenis sampel. Untuk

sampel berbentuk gas digunakan sel gas dengan lebar sel atau panjang

berkas radiasi 40 m. Hal ini dimungkinkan untuk menaikkan

sensitivitas karena adanya cermin yang dapat memantulkan berkas

radiasi berulang kali melalui sampel.

Wadah sampel untuk sampel berbentuk cairan umumnya

mempunyai panjang berkas radiasi kurang dari 1 mm biasanya dibuat

lapisan tipis (film) diantara dua keping senyawa yang transparan

terhadap radiasi infra merah. Senyawa yang biasa digunakan adalah

natrium klorida (NaCI), kalsium fluorida (CaF2), dan kalsium iodida

47

(CaI). Dapat pula dibuat larutan yang kemudian dimasukkan ke dalam

sel larutan.

Wadah sampel untuk padatan mempunyai panjang berkas radiasi

kurang dari 1 mm (seperti wadah sampel untuk cairan). Sampel

berbentuk padatan ini dapat dibuat pelet, pasta, atau lapisan tipis.

Pelet KBr dibuat dengan menggerus sampel dan kristal KBr (0.1 - 2.0

% berdasar berat ) sehingga merata kemudian ditekan (ada kalanya

sampai 8 ton) sampai diperoleh pelet atau pil tipis. Pasta (mull) dibuat

dengan mencampur sampel dan setetes bahan pasta sehingga merata

kemudian dilapiskan diantara dua keping NaCl yang transparan

terhadap radiasi infra merah. Bahan pasta yang biasa digunakan

adalah parafin cair. Lapis tipis dibuat dengan meneteskan larutan

dalam pelarut yang mudah menguap pada permukaan kepingan NaCI

dan dibiarkan sampai menguap.

3. Monokromator

Pada pemilihan panjang gelombang infra merah dapat digunakan

filter, prisma atau grating. Sehingga memungkinkan sebagian sinar

melewati sampel dan sebagian melewati blanko (reference). Setelah

dua berkas tersebut bergabung kembali kemudian dilewatkan ke

dalam monokromator.

Untuk tujuan analisis kuantitatif, biasa digunakan filter seperti:

filter dengan panjang gelombang 9,0 μm untuk penentuan

asetaldehida, filter dengan panjang

gelombang 13,4 μm untuk o-diklorobenzena, dan filter dengan

panjang gelombang 4,5 μm untuk dinitrogen oksida. Ada juga filter

yang mempunyai kisaran 2,5 sampai 4,5 μm, 4,5 sampai 8 μm, dan 8

sampai 14,5 μm.

4. Detektor

Setelah radiasi infra merah melewati monokromator kemudian

berkas radiasi ini dipantulkan oleh cermin-cermin dan akhirnya

48

ditangkap oleh detektor. Detektor pada spektrofotometer infra merah

merupakan alat yang bisa mengukur atau mendeteksi energi radiasi

akibat pengaruh panas. Berbeda dengan detektor lainnya ( seperti:

phototube) dimana pengukuran radiasi infra merah lebih sulit karena

intensitas radiasi rendah dan energi foton infra merah juga rendah.

Akibatnya sinyal dari detektor infra merah kecil sehingga dalam

pengukurannya harus diperbesar.

Terdapat dua macam detektor, yaitu:

- Termokopel (thermocouple)

- Bolometer

5. Rekorder

Sinyal yang dihasilkan dari detektor kemudian direkam sebagai

spektrum infra merah yang berbentuk puncak-puncak absorpsi.

Spektrum infra merah ini menunjukkan hubungan antara absorpsi dan

frekuensi atau bilanqan gelombang atau panjang gelombang. Sebagai

absis adalah frekuensi (Hertz, detik-1) atau panjang gelombang (µm)

atau bilangan gelombang (cm-1) dan sebagai ordinat adalah

transmitan (%) atau absorban.

Gambar 4.11 Spektrum absorban dan transmitan

Berikut ini adalah langkah-langkah untuk membaca hasil FTIR

1. Tentukan sumbu X dan Y-sumbu dari spektrum. X-sumbu dari

spektrum IR diberi label sebagai "bilangan gelombang" dan

jumlahnya berkisar dari 400 di paling kanan untuk 4.000 di

paling kiri. X-sumbu menyediakan nomor penyerapan. Sumbu

49

Y diberi label sebagai "transmitansi Persen" dan jumlahnya

berkisar dari 0 pada bagian bawah dan 100 di atas.

2. Tentukan karakteristik puncak dalam spektrum IR. Semua

spektrum inframerah mengandung banyak puncak.

Selanjutnya melihat data daerah gugus fungsi yang diperlukan

untuk membaca spektrum.

3. Tentukan daerah spektrum di mana puncak karakteristik ada.

Spektrum IR dapat dipisahkan menjadi empat wilayah.

Rentang wilayah pertama dari 4.000 ke 2.500. Rentang

wilayah kedua dari 2.500 sampai 2.000. Ketiga wilayah

berkisar dari 2.000 sampai 1.500. Rentang wilayah keempat

dari 1.500 ke 400.

4. Tentukan kelompok fungsional diserap di wilayah pertama.

Jika spektrum memiliki karakteristik puncak di kisaran 4.000

hingga 2.500, puncak sesuai dengan penyerapan yang

disebabkan oleh NH, CH dan obligasi OH tunggal.

5. Tentukan kelompok fungsional diserap di wilayah kedua. Jika

spektrum memiliki karakteristik puncak di kisaran 2.500

hingga 2.000, puncak sesuai dengan penyerapan yang

disebabkan oleh ikatan rangkap tiga.

6. Tentukan kelompok fungsional diserap di wilayah ketiga. Jika

spektrum memiliki karakteristik puncak di kisaran 2.000

sampai 1.500, puncak sesuai dengan penyerapan yang

disebabkan oleh ikatan rangkap seperti C = O, C = N dan C = C.

7. Bandingkan puncak di wilayah keempat ke puncak di wilayah

keempat spektrum IR lain. Yang keempat dikenal sebagai

daerah sidik jari dari spektrum IR dan mengandung sejumlah

besar puncak serapan yang account untuk berbagai macam

ikatan tunggal. Jika semua puncak dalam spektrum IR,

termasuk yang di wilayah keempat, adalah identik dengan

50

puncak spektrum lain, maka Anda dapat yakin bahwa dua

senyawa adalah identik.

51

Bab 5 Sintesis Nanokomposit LiFePO4

Melalui Flame Spray Pyrolysys

Metode Flame Spray

Pyrolisis digunakan karena

dapat menghasilkan partikel

dengan range ukuran

micrometer hingga

nanometer, proses sintesis

yang satu tahap, dapat

menghasilkan partikel tunggal

maupun multikomponen,

prosesnya relatif cepat dan

dapat diterapkan dalam

industri

52

5.1 Penelitian-Penelitian Sebelumnya Penelitian sintesis partikel LiFePO4 telah dilakukan oleh Hamid

dkk (2012) dengan dua tahapan. Tahap pertama dengan metode

flame untuk mensintesis FePO4.xH2O dari prekursor Fe (III)

Acetylacetonate dan tri-butylphosphate dengan pelarut toluen.

Selanjutnya dilakukan tahap kedua dengan metode solid state

reaction untuk menghasilkan LiFePO4/C dari reaktan FePO4 dan Li2CO3

dan sumber carbon berupa glukosa. Produk yang dihasilkan

menunjukkan peningkatan kapasitas dibandingkan dengan material

yang sama yang dihasilkan dari metode canggih lain karena adanya

reduksi ukuran.

Liu (2009) menggunakan tiga tahapan sintesis yaitu ball mill,

spray drying dan thermal treatment. Prekursor terdiri dari

FePO4.4H2O, LiOH.H2O dan citric acid sebagai sumber karbon.

Diperoleh produk dengan peningkatan konduktivitas elektronik yang

tinggi dan cycle ability yang panjang.

Waser (2011) mensintesis partikel Core–shell nano LiFePO4

dengan metode flame spray pyrolysis (FSP) dari LiFePO4 dan dicoating

in-situ downstream melalui auto thermal carbonization (pyrolysis) dari

swirl-fed C2H2 dalam atmosfer O2. Diperoleh kristal LiFePO4 dengan

electrochemical performance yang lebih baik. LiFePO4 yang dicoating

carbon menunjukkan superior cycle stability dan higher rate capability.

Pada penelitian ini akan disintesis partikel komposit LiFePO4/C

dengan metode satu tahap flame spray pyrolysis (FSP). Prekursor yang

digunakan adalah FeCl2, LiOH dan (NH4)2HPO4 yang lebih murah

dibandingkan dengan prekursor lain.

53

5.2 Metode Pelaksanaan Penelitian ini dilakukan dengan pendekatan eksperiment.

Pendekatan eksperiment dilakukan untuk mempelajari pengaruh

kondisi operasi pembentukan partikel dengan metode flame spray

pyrolysis terhadap performa dari LiFePO4 yang dipengaruhi oleh

ukuran dan komposisi komposit.

Metode Flame Spray Pyrolisis digunakan karena metoda ini dapat

menghasilkan partikel dari micrometer hingga nanometer (ukuran

nanometer sangat penting karena berpengaruh terhadap

konduktivitas Lithium, bahwa semakin kecil ukuran partikel maka

konduktivitas listriknya semakin besar), proses sintesis yang satu

tahap, dapat menghasilkan partikel tunggal maupun multikomponen,

prosesnya relatif cepat dan dapat diterapkan dalam industri. Jadi

digunakan metode Flame Spray Pyrolysis untuk mensintesis

nanokomposit LiFePO4 seperti pada gambar 5.1.

Gambar 5.1 Keunggulan metode Flame Spray Pyrolysis

Kondisi operasi seperti suhu dan tekanan pada proses ini

berkaitan erat terhadap proses pembentukan partikel yang

selanjutnya mempengaruhi morfologi, kristalinitas dan ukuran

produk. Beberapa penelitian flame spray pyrolysis menggunakan

umpan gas (Strobel, 2007), liquid (Widiyastuti, 2007) dan solid

54

(Widiyastuti, 2009) telah dilakukan. Pada umpan gas, diperoleh

partikel dengan ukuran nanometer dan dengan menggunakan umpan

liquid dan solid diperoleh ukuran mikrometer sampai nanometer

tergantung pada suhu operasi yang digunakan.

Umpan liquid pada proses aerosol menarik untuk dipelajari

karena mudah dalam mengontrol ukuran, proses reaksi dan

pembentukan partikel berjalan satu tahap. LiFePO4 merupakan

partikel yang sedang dikembangkan sebagai bahan baterai lithium.

Beberapa metode sudah dikembangkan seperti ball mill dan

microwave heating (Song, 2007), spray pyrolysis (Konarova, 2008) dan

flame spray pyrolysis (Waser, 2011). Namun demikian, perlu

penelitian lebih lanjut untuk memahami proses pembentukan partikel

LiFePO4 dalam proses flame spray pyrolysis. Selain tekanan operasi,

laju alir bahan bakar dan oksidizer, laju alir gas pembawa memiliki

peran penting dalam proses pembentukan partikel.

Bahan yang digunakan:

LiOH (98% berat, Merck Jerman)

FeSO4.7H2O (99% berat, Merck Jerman)

(NH4)2HPO4 (99% berat, Merck Jerman)

HNO3 (65% berat, Merck Jerman) 0,1 M

Glukosa

Aquadest

Gas LPG

Udara bebas

55

Gambar 5.2 Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian

Peralatan eksperimen:

Flowmeter (KUFLOC RK 1200, Jepang) berfungsi sebagai

pengukur laju aliran gas oksigen, gas pembawa serta fuel gas.

Ultrasonic nebulizer (OMRON NE-U17, Jepang) berfungsi

sebagai penghasil droplet larutan yang akan dispray menuju

zona pembakaran.

56

Cyclone (homemade) berfungsi untuk memisahkan droplet

yang berukuran relatif besar dari larutan prekursor.

Burner (homemade) berfungsi sebagai sumber panas. Burner

ini tersusun dari tiga tube konsentris dengan center tube

sebagai tempat masuknya prekursor sedangkan dua tube

pada bagian tepi sebagai tempat masuknya fuel gas (LPG) dan

udara bebas.

Electrostatic presipitation (homemade) berfungsi menangkap

partikel yang dihasilkan pada proses flame.

Water Trap (homemade) berfungsi untuk menampung

kondensat dan menangkap partikel yang masih lolos dari ESP.

Vakum pump (Vacuum pump, TW-1,5D, 0,25 HP)berfungsi

untuk menarik gas hasil proses flame.

Compressor udara (Hitachi, 0,75OU-8,5S, USA) untuk

menghasilkan udara dengan tekanan yang lebih tinggi.

Prosedur Penelitian:

1. Penelitian diawali dengan membuat larutan prekursor

dengan melarutkan LiOH.2H2O, FeCl2 dan (NH4)2HPO4

dalam air sebagai pelarut dalam suasana asam.

2. Dicampurkan dengan glukosa sebagai variabel bebas

untuk analisis komposisi, variable bebasnya adalah

konsentrasi glukosa dengan persentase 0%, 0,1%, 0,15%,

0,20% dan 0,25% terhadap persentase prekursor.

3. Larutan kemudian diaduk hingga homogen pada

temperatur ruang sebelum dinebulasi.

4. Larutan prekursor dinebulasi menggunakan ultrasonic

nebulizer sehingga menghasilkan droplet dari larutan

prekursor yang telah disiapkan.

57

5. Droplet dibawa menuju diffusion flame oleh udara

sebagai pembawa gas. Sementara udara bebas digunakan

untuk proses pembakaran.

6. Gas pembawa dan udara bebas dialirkan pada pipa luar

dengan perbandingan laju alir yang telah ditetapkan.

Variabel-variabel yang digunakan sebagai variable bebas

adalah laju alir gas pembawa yakni 1 L/menit, 2L/menit

dan 3L/menit. Variabel terikat adalah ukuran

nanokomposit LiFePO4.

7. Gas hasil pembakaran didinginkan sehingga terbentuk

kondensat yang ditampung dalam cold trap.

8. Partikel yang dihasilkan pada eksperimen ini terkumpul

dalam powder collector dilapisi dengan glukosa sehingga

diperoleh komposit LiFePO4/C. Jadi setiap keadaan

terdapat sample yang dilapisi glukosa dan sample yang

tidak dilapisi glukosa, sehingga keseluruhan terdapat 10

sampel.

9. Dilakukan analisa morfologi, ukuran dan derajat

kristalnya. Untuk derajat kristalnya menggunakan XRD (X-

ray Diffraction) X’Pert RINT 2200 V Philiph CuKα

(λ=1,5418 Å). Sedangkan untuk morfologi, ukuran partikel

dengan menggunakan SEM (scanning elektron

microscope) Zeiss Evo MA LS series dan bantuan program

imageMIF.

58

Gambar 5.3 Konfigurasi Alat

59

Gambar 5.4 Prosedur Penelitian

Dimensi reaktor burner

Diameter Prekursor Inlet : 1,5 cm

Diameter Fuel Inlet : 2,8 cm

Diameter Udara Inlet : 3,6 cm

Panjang : 80 cm

Diameter Reaktor : 9 cm

60

Gambar 5.5. Skema Geometri Reaktor Flame Spray Pyrolysis

Variabel Penelitian

Variabel penelitian ini adalah laju alir gas pembawa dan

konsentrasi glukosa. Variabel-variabel yang digunakan sebagai

variable bebas adalah laju alir gas pembawa yakni 1 L/menit, 2L/menit

dan 3L/menit. Variabel terikat adalah ukuran nanokomposit LiFePO4.

61

Untuk analisis komposisi, variable bebasnya adalah konsentrasi

glukosa dengan persentase 0%, 0,1%, 0,15%, 0,20% dan 0,25%

terhadap persentase prekursor.

Analisis

Morfologi partikel yang dihasilkan melalui flame spray pyrolysis

dianalisis menggunakan SEM (scanning elektron microscope) (Zeiss

Evo MA LS ,Cambridge, England). Diameter rata-rata serta distribusi

ukuran partikel hasil SEM dihitung menggunakan program Image MIF

dengan jumlah partikel sekitar 200 partikel. Sedangkan untuk

menganalisis kristalinitas partikel digunakan XRD (X Ray Difraction)

(Panjang Gelombang Cu-Kα 1,54 A0, 40 kV, 30 mA, tipe JEOL XRD

6000, X’pert Philips, Netherland) Philips.

5.3 Hasil Penelitian

5.3.1. Pengaruh Laju Alir Gas Pembawa Pengaruh laju alir gas pembawa dilakukan melalui eksperimen

dan simulasi. Untuk mengetahui pengaruh laju alir gas pembawa,

variabel gas pembawa sebesar 1, 2 dan 3 liter/menit. Droplet

polidisperse mengikuti distribusi Rosin Ramler. Banyaknya droplet

yang terbawa pada beberapa laju alir gas pembawa tercantum pada

Tabel 5.1.

Tabel 5.1 Rate volume droplet terhadap laju alir gas pembawa

Laju alir gas pembawa

(liter/menit)

Rate volume droplet

(m3/s)

1 6,25 x 10-9

2 15,89 x 10-9

3 20,48 x 10-9

62

Gambar 5.6 Contour suhu pada laju alir gas pembawa (a) 1 (b) 2 dan (c) 3

liter/menit

Laju alir LPG dan oksidizer ditetapkan sebesar 0,5 liter/menit

dan 2,5 m3/jam berturut-turut. Berdasarkan hasil simulasi yang

ditunjukkan oleh Gambar 4.7 dapat dilihat bahwa semakin besar laju

alir dari gas pembawa maka semakin kecil pula suhu pembakaran.

K

(a) (b) (c)

63

Gambar 5.7 Distribusi suhu berbagai laju alir pada center reaktor (bidang

pengamatan line A) berdasarkan (a) simulasi dan (b) eksperimen

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18

200

400

600

800

1000

1200

Suhu (

K)

Panjang Reaktor (m)

1 liter/menit

2 liter/menit

3 liter/menit

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

500

1000

1500

2000

2500

Suhu (

K)

Panjang Reaktor (m)

1 liter/menit

2 liter/menit

3 liter/menit

(a)

(b)

64

Gambar 5.7 menunjukkan bahwa peningkatan suhu pada reaktor

semakin pelan dengan semakin tingginya laju alir gas pembawa.

Keduanya disebabkan oleh semakin besarnya jumlah droplet yang

dibawa oleh gas pembawa menyebabkan panas yang diperlukan

untuk menguapkan droplet dalam flame semakin besar. Hasil

pengukuran suhu secara eksperimen menunjukkan hasil kualitatif

yang sama namun berbeda pada nilai kuantitatif yang disebabkan

karena simulasi pengaruh laju alir gas pembawa dengan

menggunakan model spesies transport single reaction sedangkan

pada kondisi aktual reaksi yang terjadi tidak berlangsung secara single

reaction.

Gambar 5.8 Vektor kecepatan untuk laju alir gas pembawa (a) 1, (b) 2 dan

(c) 3 liter/menit, bidang pengamatan plane A

Berdasarkan pada Gambar 5.8 dapat dilihat bahwa vektor

kecepatan tidak dipengaruhi oleh beda laju alir gas pembawa. Hal ini

disebabkan karena laju alir gas pembawa jauh lebih kecil jika

m/s

(a) (b) (c)

m/s

(a) (b) (c)

65

dibandingkan dengan laju alir LPG ataupun laju alir oksidizer sehingga,

peningkatan jumlah laju alir gas pembawa relatif tidak mempengaruhi

laju pembakaran.

Gambar 5.9 Contour soot pada laju alir gas pembawa (a) 1, (b) 2 dan (c) 3

liter/menit, bidang pengamatan plane A

Berdasarkan pada Gambar 5.9 untuk contour soot pada

berbagai laju alir gas pembawa, diperoleh bahwa semakin besar laju

alir gas pembawa area terbentuknya soot semakin lebar.

Gambar 5.10 menunjukkan perubahan diameter droplet

pada beberapa laju alir dan initial size. Peningkatan laju alir gas

pembawa, menyebabkan suhu flame semakin rendah sehingga laju

(a) (b) (c)

fraksi mol

66

penguapan semakin kecil. Ukuran awal dari droplet juga memiliki

pengaruh terhadap laju penguapan. Semakin kecil ukuran awal

droplet semakin cepat pula laju penguapan sehingga ukuran droplet

semakin cepat mengecil. Hal ini sesuai dengan penelitian yang

dilakukan oleh Widiyastuti (2007).

Gambar 5.10 Perubahan diameter droplet pada beberapa laju alir gas

pembawa dan beberapa ukuran awal.

Gambar 5.11 merupakan morfologi (kiri) dan distribusi

ukuran (kanan) partikel yang dipengaruhi oleh laju alir gas pembawa.

Ukuran partikel dihitung dari hasil analisa SEM sehingga diameter

yang dimaksud adalah diameter feret. Berdasarkan Gambar 4.12

diperoleh bahwa partikel produk memiliki ukuran polidisperse

(standart deviasi > 1), hal ini disebabkan oleh distribusi suhu dan

ukuran droplet awal yang polidisperse. Semakin besar laju alir

semakin besar pula ukuran partikel yang disebabkan semakin

0,000 0,001 0,002 0,003 0,004

0,0

5,0x10-6

1,0x10-5

1,5x10-5

2,0x10-5

2,5x10-5

3,0x10-5

dp (

m)

Panjang Reaktor (m)

1 liter/min

2 liter/min

3 liter/min

67

rendahnya suhu pemanasan dan waktu tinggal partikel yang semakin

cepat. Suhu yang rendah dan penguapan yang singkat akan

menghasilkan ukuran partikel yang lebih besar. Namun, berdasarkan

Gambar 5.12 yang menunjukkan waktu tinggal yang hampir sama

antara laju alir 1, 2 dan 3 liter/menit, maka dapat disimpulkan pada

proses ini, pengaruh suhu lebih dominan dibandingkan dengan

pengaruh laju alir gas pembawa.

Gambar 5.11 Morfologi (kiri) dan distrbusi ukuran (kanan) partikel pada laju

alir gas pembawa (a) 1, (b) 2 dan (c) 3 liter/menit

100 1000 10000

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Fra

ksi

Ju

mla

h

Diameter (nm)

dp = 159 nm

σ = 1,701

dp = 340 nm

σ = 1,358

dp = 506 nm

σ = 1,526

100 1000 10000

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Fra

ksi

Jum

lah

Diameter (nm)

400 nm

(a)

400 nm

(b)

100 1000 10000

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Fra

ksi

Jum

lah

Diameter (nm)

400 nm

(c)

Simulasi

ukuran awalSimulasi

ukuran akhir

Eksperimen

Simulasi

ukuran awalSimulasi

ukuran akhir

Simulasi

ukuran awalSimulasi

ukuran akhir

Eksperimen

Eksperimen

68

Dari distribusi antara hasil eksperimen dan simulasi tampak

bahwa pada laju alir gas pembawa 3 liter/menit menunjukkan hasil

yang hampir sama. Hal ini karena pada laju alir gas pembawa 3

liter/menit partikel terbentuk melalui proses penguapan air dalam

droplet yang sesuai dengan simulasi yaitu dengan menganggap dalam

droplet hanya terjadi proses penguapan air.

Gambar 5.12 Grafik resident time partikel pada beberapa laju alir gas

pembawa

Partikel yang diperoleh memiliki morfologi bulat, tidak seragam,

sebagian teragglomerate. Pada laju alir gas pembawa 3 liter/menit

permukaan partikel lebih halus dibandingkan dengan laju alir gas

pembawa 1 dan 2 liter/menit. Pada laju alir gas pembawa 2

liter/menit, permukaan partikel tidak rata dan menunjukkan adanya

pelelehan atau serbuk lebih kecil yang semakin banyak pada laju alir

gas pembawa 1 liter/menit . Hal ini dimungkinkan karena semakin

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

Res

iden

t ti

me

(s)

Jarak dari burner (m)

1 liter/min

2 liter/min

3 liter/min

69

rendah laju alir gas pembawa semakin tinggi suhu pembakaran

seperti ditunjukkan dari hasil simulasi (Gambar 5.6) yang

menyebabkan sebagian droplet mengalami lisis.

Gambar 5.13 menunjukkan hasil analisa XRD partikel yang

terbentuk. Dari hasil analisa XRD, diperoleh partikel dengan bentuk

amorf. Pada laju alir yang semakin kecil, maka suhu semakin tinggi

yang menyebabkan partikel sebagian mulai mengkristal yang

ditunjukkan semakin tajamnya peak yang diperoleh.

Gambar 5.13 Grafik X-Ray diffraction pada beberapa laju alir gas pembawa

Untuk mengetahui gugus fungsi yang ada dalam partikel

selanjutnya dilakuakan analisa FTIR. PO4 memiliki absorption band

yang kuat pada wavenumber sekitar 1000 dan 550 cm-1 dengan

rincian absorption band pada sekitar 900 cm-1 sampai 1000 cm-1

merupakan sifat dari getaran stretching simetri dan asimetri dari

group P-O. Range 300-600 cm-1 merupakan range simetri dan asimetri

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Inte

nsi

ty [

a.u

.]

1 liter/menit

2 liter/menit

3 liter/menit

LiFePO4 ICDD 40-1499

(02

0)

(011

)

(12

0)

(10

1)

(12

1)

(211

)(1

31

)

(111

)

(03

1)

(14

0)

(01

2) (

22

1) (

04

1)

(11

2)

(22

2)

(40

0)

(14

2)

(33

1)(1

60

)

(311

)

70

banding dari ikatan O-P-O (Chen, 2009). Tetrahedral ion PO43-

memiliki frekuensi vibrasi streatching fundamental 1600 cm-1 (Yang,

2009) dan 2000 cm-1 (Cimdina, 2012). Absorption band P-O-H berada

pada kisaran 3000 cm-1 (Eisazadeh, 2010).

Gambar 5.14 Hasil analisa FTIR untuk laju alir gas pembawa (a) 3, (b) 2 dan

(c) 1 liter/menit

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Wavenumbers (cm-1)

% T

ran

smit

ten

ce

16

44

,66

10

26

,15

23

61

,23

33

97

,62

91

5,2

2

68

6,9

2

16

47

,35

33

88

,46

10

18

,71

01

4,8

7

(a)

(b)

(c)

34

17

,73

19

50

,53

23

59

,61

H

O

P

H

O

P

H

O

P

O

P

O

O

3-

O

O

P

O

O

3-

O

O

P

O

O

3-

O

O

P

O

O

3-

O

O

P

O

O

P

O

P

Wavenumbers (cm-1)

% T

ran

smit

tan

ce

71

Berdasarkan Gambar 5.14 adanya absorption band P-O-H

dimungkin karena adanya impurities H3PO4 dalam partikel. Walaupun

FTIR tidak mampu mendeteksi adanya impurities dalam jumlah yang

kecil (level ppm) namun lebih sensitive dibandingkan dengan XRD

(Zaghib, 2008). Semakin kecil laju alir gas pembawa, absoption band

dari PO4 semakin banyak yang berarti semakin bebas pula molekul

bervibrasi. Bebasnya vibrasi ini berkaitan dengan kristalinitas yang

semakin tinggi yang sesuai dengan hasil XRD pada Gambar 5.13.

5.3.2 Pengaruh Konsentrasi Glukosa

Gambar 5.15 Hasil analisa SEM dengan perbandingan mol LiFePO4:glukosa

sebesar (a) 1:0, (b) 1:0,1, (c) 1:0,15 dan (d) 1:0,25

(a) (b)

(c) (d)

1 μm 1 μm

1 μm 1 μm

72

Gambar 5.16 Hasil analisa X-Ray Diffraction dengan berbagai perbandingan

mol LiFePO4:glukosa

Pada analisa pengaruh konsentasi glukosa ditetapkan besar laju

alir LPG sebesar 0,5 liter/menit, laju alir oksidizer 2,5 m3/jam dan laju

alir gas pembawa sebesar 1 liter/menit. Berdasarkan Gambar 5.15 dan

Gambar 5.16 dari hasil analisa SEM dan X-Ray Diffraction. Partikel yang

1: 0

1: 0,15

1: 0,20

1: 0,25

1: 0,10

LiFePO4 ICDD 40-1499

10 20 30 40 50 60 70 80 90

2

Inte

nsi

ty [

a.u

.]

(02

0)

(011

)(1

20

)(1

01)

(12

1)

(211

)(1

31)

(111

)

(031)

(14

0)

(01

2)

(22

1)

(041)

(11

2)

(222

)

(40

0)

(142)

(33

1)

(160)

(311

)

73

diperoleh memiliki morfologi bulat halus dan polidisperse. Semakin

besar konsentrasi glukosa semakin banyak partikel yang berbentuk

serbuk. Pada analisa X-Ray Diffraction, bertambahnya glukosa

menurunkan kristalinitas dari partikel. Bertambahnya glukosa sebagai

sumber carbon menyebabkan semakin bertambah pula carbon yang

tergantung. Carbon yang bersifat amorf, semakin bertambahkan maka

akan mengurangi kristalinitas dari partikel.

Gambar 5.17 Hasil analisa FTIR untuk konsentrasi glukosa (a) 1:0 (b) 1:0,15

(c) 1:0,2 dan (d) 1:0,3

16

44

,66

23

61

,23

33

97

,62

91

5,2

2

68

6,9

2

10

26

,15

10

23

,33

16

47

,94

33

77

,18

10

26

,04

16

47

,67

33

55

,88

16

37

,34

33

62

,49

10

15

,84

(a)

(b)

(c)

(d)

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Wavenumbers (cm-1)

% T

ransm

itta

nce

H

O

P

O

P

O

P

O

P

O

O

3-

O

H

O

P

H

O

P

H

O

P

O

P

O

O

3-

O

O

P

O

O

3-

O

O

P

O

O

3-

O

O

P

O

O

3-

O

O

P

O

O

P

O

Wavenumbers (cm-1)

% T

ransm

itta

nce

74

Berdasarkan hasil FTIR yang ditunjukkan pada Gambar 5.17.

Penambahan glukosa menyebabkan adanya transmittance dari gugus

PO4 yang hilang yang disebabkan karena adanya atom carbon pada

susunan kristal sehingga menyebabkan vibrasi dari gugus PO4

berkurang. Pada semua konsentrasi glukosa tidak ditemukan adanya

peak dari gugus C-C, C=C ataupun C=O yang menandakan semua

glukosa sudah terkonversi menjadi carbon.

5.4 Kesimpulan Dari penelitian yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan

hal-hal sebagai berikut:

1. Semakin tinggi laju alir gas pembawa suhu pembakaran

semakin rendah dan partikel yang terbentuk semakin besar

2. Semakin tinggi laju alir gas LPG suhu pembakaran semakin

besar dan partikel yang terbentuk semakin kecil

3. Partikel yang terbentuk bersifat amorf

4. Sintering dan penambahan glukosa dapat meningkatkan

performa elektrokimia partikel

75

Daftar Pustaka

Chew, S.Y., Patey, T.J., Waser, O., Ng, S.H., Buchel, R., Tricoli, A.,

Krumeich, F., Wang, J., Liu, H.K., Pratsinis, S.E., Novak, P.,.

2008. Thin Nanostuctured LiMn2O4 Film by Flame Spray

Deposition an In Situ Annealing Method. Journal of Power

Sources, Vol. 189, hal. 449 – 453.

Doan, T. N. L., Bakenov Z., Taniguchi, I.,. 2010. Preparation of Carbon

Coated LiMnPO4 Powders by a Combination of Spray Pyrolysis

with Dry Ball-Milling Followed by Heat Treatment, Advanced

Powder Technology. Vol. 21, hal. 187 – 196.

Ellis BL, Nazar LF. 2012. Sodium and sodium-ion energy storage

batteries, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci.,

http://dx.doi.org/10.1016/j.cossms. 2012.04.002

Grant, N. M., & Suryanayana, C. 1998. X-Ray Diffraction : A Partical

Approach. New York: Plennum Press.

Hamid, N.A., Wennig, S., Hardt, S., Heinzel, A., Schulz, C., Wiggers, H.

2012, High-capacity Cathodes for Lithium-ion Batteries from

Nanostructured LiFePO4 Synthesized by Highly-flexible and

Scalable Flame Spray Pyrolysis. Journal of Power Sources, Vol.

216, hal. 76 – 83.

Huang Y., Ren, H., Peng, Z., Zhou, Y. 2009. Synthesis of LiFePO4/Carbon

Composite from Nano-FePO4 by a Novel Stearic Acid Assisted

Rheological Phase Method. Electrochimica Acta, Vol. 55, hal.

311 – 315.

76

Kammler, H. K., Mädler, L., Pratsinis, S. E. 2001. Flame Synthesis of

Nanoparticles. Chemical Engineering Technology, Vol. 24, No.

6, hal. 583 – 596.

Kodas, T. T dan Smith, M. H. 1999. Aerosol Processing of Materials.

New York : John Wiley & Sons, Inc.

Liu, J., Wang, J., Yana, X., Zhanga, X., Yang, G., Jalbout, A. F., Wang, R.

2009. Long-term Cyclability of LiFePO4/carbon Composite

Cathode Material for Lithium-ion Battery Applications.

Electrochimica Acta, Vol. 54, hal. 5656 – 5659.

Pollet, BG, Staffel, I, Shang, JL, 2012. Current status of hibrida, battery

and fuel sel electric vehicles: From electrochemistry to market

prospects, Electrochim. Acta,

http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2012.03.172

Reist, Parker C. 1993. Aerosol Science and Technology. Singapore :

McGraw – Hill, Inc.

Song, M. S., Kang Y. M., Kim, J. H., Kim, H. S., Kim, D. Y., Kwon H. S.,

Lee, J. Y. 2007. Simple and Fast Synthesis of LiFePO4-C

Composite for Lithium Rechargeable Batteries by Ball-Milling

and Microwave Heating. Journal of Power Sources, Vol. 166,

hal. 260 – 265.

Smallman, R., & Bishop, R. 1999. Modern Physics Metallurgy and

Materials Engineering. Oxford: Butterworth-Heinemann.

Stark, Michael Andreas. 2011. Synthesis of Nanosized,

Electrochemically Active Lithium Transition Metal Phosphates,

Disertasi Doktor, Ulm University, Ulm.

Strobel, R., Pratsinis, S.E, .2007, Flame Aerosol Synthesis of Smart

Nanostructured Materials. Journal of Materials Chemistry,

Vol. 17, hal. 4743 – 4756.

Suharyana. 2012. Dasar-Dasar Dan Pemanfaatan Metode Difraksi

Sinar-X. Surakarta: Universitas Sebelas Maret.

77

Taqiyah, R. 2012. Perbandingan Struktur Kristal dan Morfologi Lapisan

Tipis Barium Titanat (BT) dan Barium Zirkonium Titanat (BZT)

yang ditumbuhkan dengan Metode Sol-Gel. Surakarta: Skripsi,

Fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret.

Waser, O., Buchel, R., Hintennach, A., Novák, P., Pratsinis, S. E. 2011.

Continuous Flame Aerosol Synthesis of Carbon-coated Nano-

LiFePO4 for Li-ion Batteries. Journal of Aerosol Science, Vol.

42, hal. 657 – 667.

Widiyastuti. 2008. Control of Particle Morphologies amd

Characteristics in Aerosol Processes, Thesis Doktor, Hiroshima

University, Hiroshima

Widyawati, N. 2012. Analisa Pengaruh Heating Rate terhadap tingkat

Kristal dan Ukuran Butir Lapisan BZT yang Ditumbuhkan

dengan Metode Sol Gel. Surakarta: Universitas Sebelas Maret.

Yang, K., Lin, Z., Hu, X., Deng, Z., Suo, J. 2011. Preparation and

Electrochemical Properties of a LiFePO4/C Composite Cathode

Material by a Polymer – Pyrolysis –Reduction Method.

Electrochimica Acta, Vol. 56, hal. 2941 – 2946.

Zhang, Y., Huo, Q., Du, P., Wang, L., Zhang, A., Song, Y., Lv, Y., Li, G.

2012. Advances in New Cathode Material LiFePO4 for Lithium

Ion Batteries. Synthetic Metals. Vol. 162, hal. 1315 – 1326.

Zulianingsih, N. 2012. Analisa Pengaruh Jumlah Lapisan Tipis BZT yang

ditumbuhkan dengan Metode Sol Gel terhadap Ketebalan dan

Sifat Listrik (Kurva Histerisis). Surakarta: Universitas Sebelas

Maret.