Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20- 21 Oktoher 1998 ISSN 1410-2897

KARAKTERISASI ELEKTROLIT PADAT CuI PADA SISTEMBA TERAI Cu/CuI/FeSz ~

S3b

Safei Pomama1, Nordin Effendil, Rochim Soratman2I PPSM-BATAN. PUSPIPTEK. SERPONG

2 Jurusan mesin-ITB. BANDUNG4r-/

~ABSTRAK

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

ABSTRACT

Cui SOLID STATE ELECTROLYTE CHARACTERISATION ON Cu/CuI/FeSl BATTERY SYSTEM. Theresearch purpose knows the characteristic of CuI solid state electrolyte on battery system. The measurement metode for batterysystem was Open Circuit Voltage. The measurement results of voltage and current density on Cu/CuI/FeSl battery system at450 .C was 180 m V. and current discharge was 1.5 mA cm-2 during 3.5 hours. CuI is good superionic conductors at temperature450 .C. and than the high voltage result.

Kata kunci : Elektrolit padat CuI. Sistem baterai .

PENDAHULUAN bennacam-macam, yakni 1 dimensi (ion berpindah satupersatu), d-"a dimensi, dan tiga dimensi.

Pada penelitian ini digunakan bahan CuI sebagaibahan elektrolit padat sedangkan Cu dengan FeS,masing-masing sebagai elektroda positif dan negatif padasistem baterai tersebut. Tujuan penelitian ini adalah untukmengetahui kerja sistem baterai tersebut sebagai fungsidaTi temperatur dan untuk mengetahui potensial yangdihasilkan daTi sistem baterai Cu/CuI/FeS,

TEORI

Sistem baterai yang terdiri dari dua elektroda yangditempatkan pada ujung-ujung sebuah elektrolitkonduktor ionik, akan menghasilkan perbedaan potensialE pada terminalnya (Gambar. I). Potensial ini dinyatakansebagai potensial absolut yang tidak dapat ditentukansecara kuantitatif melalui pengukuran. Bila elektrolitkonduktor ionik ditempatkan diantara dua buah elektroda

denganpelbedaan potensial kimia 8. daD 82 (Gambar-l),maka potensial elektrokimia pada sel tersebut menurutKiukkola daD Wagner [ 1] adalah :

E=lziF

I

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

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

I

Secara teori, potensial yang dihasilkan dapatditulis sebagai berikut :

Pada saat ini banyak dilakukan penelitian sistembaterai barn yang mempunyai kapasitas sumber energiyang lebih besar dan memiliki ketahanan padatemperatur rendah daD tinggi. Penelitian daD pengem-bangan telah dilakukan pacta sistem barn sel bahanbakar dan baterai temperatur tinggi yang digunakanpada masa yang akan datang sebagai sumber tenaga.Salah satunya adalah bahan konduktor superionik.

f1(' (fa\'t ionic conductor.'!) atau .S'I(~ (.\'uperionicconductor) didefinisikan sebagai bahan dengan

konduktivitas ionik yang tinggi (0> 1020-1 cm-l) [1,2).Bahan dengan konduktivitas listrik seperti itu umumnyadiperoleh pacta lelehan garam, tetapi beberapa bahanmempunyai sifat konduktivitas listrik yang tinggidibawah titik lelehnya.

Oari basil penelitian yang telah dilakukanmenunjukkan bahwa bahan-bahan yang mempunyaikonduktivitas listrik ionik tinggi yakni bahan yangmengandung ion dari grnp IA alan lB. Konduktivitaslistrik yang tinggi diketahui pada ballaD berbasis perak(Ag) daD tembaga (Cu) [I). Walaupun struktur SICbermacam-macam type [3,4), tetapi secara umum strukturutamanya adalah sebagai berikut :I. Kernngka struktur dibentuk oleh satu set ion-ion yangdapat bergerak diantara posisi tetap dari kisi-kisi. Besarceiah-celah yang terdapat dalam jaringan lebih besardibandingkanjumiall ion-ion yang bergerak.2. Faktor okupasi yang menggambarkan keraptan ataUjumlah ion yang bergerak pada bentuk struktur bahan

(sistem kristaJ).3. Bentuk Struktllf bahan menyebabkan perpindahan ion

Safei Purnama dkk. 379

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi /IISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

E, =(t2- E,)/lzIF METODA(2)

=-L\G/lzIF

E =t.,E, (3)

~I ~

Sistem baterni yang dipelajari memplUlyai susunanCu/CuIlFeS2, dalam bentuk pelet dengan diametertertentu. Bahan yang berbentuk serbuk dikompakkandengan tekanan rata-rata 200kg/cm2, sedangkan bahanyang berbentuk butiran sebelum dikompakkan digemsterlebih dabulu sehingga berbentuk serbuk.

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

Elektradal(anada)

Elektroda2(katoda)

Potensial

Setelah berbentuk pelet, selanjutnya dilakukanpemanasan pada temperatur sekitar 400°C selarna I jam.Pelet hasil pemanasan kemudian dipoles permukaannyadengan ampetas dari mulai ampelas kasar sampai halos,laIu dengan diamond pasta yang dicampur tubrikan,supaya kontak antara pelet atau etektroda denganelektrolit cukup baik. Gambar 2 menunjukkan penam-pang wadah sistem baterai dalam proses pemanasan.DaIam eksperimen ini dilakukan pengukuran sistembaterai Cu/CuI/FeS2 untuk mengetahui voltase dan arussebagai fungsi dari temperatur, yang dihasilkan dalamproses charge dan discharge.

C2

J arak

Skema sebuah sel elektrokimiaGambar

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

pacta anoda

pacta katoda

reaksi sel total

ab(4)

M-e- ~ M+.X + e- ~ X-

: M++ X. H MXc

Sistem baterai dipengaruhi pula oleh konsentrasi

pereaksi serra produk reaksi, sehingga hal terakhir ini

dapat berpengamh pacta potensial sistem baterai, dimanapotensial tersebut dapat dihitung dengan meng-gunakan suatu persamaan yang diturunkan oleh WalterNemst. Persamaan tersebut melukiskan hubungan antarapotensial sel eksperimen. Ek' dengan potensial standarE

d

a = tempat daTi bahan kuninganb = pirex berfungsi sebagai isolatorc = penekan tembagad = sekat isolator dari bahan alumina

RT

E=E.- II In Qk Z F

Untuk reaksi sel diatas;

(5)Gambar 2. Penampang tempat sistem baterai pada

proses pemanasan dan pengukuran.

Karakterisasi sistem baterai tersebut ditentukan melaluipengukuran :1) Voltase nominal yang merupakan karakteristik

suatu sistem, Vn = f(sistem).2) Voltase tanpa beban ( 0.0: load voltage) yang

bergantung pada sistem daD temperatur, Vo = f

(sistem, T) .3) Voltase discharge bergantung pada arus .

Ve=f

Safei Purnama dkk.380

Prosiding Pertemuan Ilmiah ..\'ains Materi III..\'erpong, 20- 21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

(sisteln, T. ld) clan tegangan charge pada sistembaterai .5econdary, V L = f( sistem. T, IL)padavariasi

temperatur antara 27°C clan 450 °C.Bahan elektrolit clan elektroda dianalisis dengandifraktometer sinar-X daD diferensial termal analisis

(DTA).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengukuran voltase daD ams listrik pactasistem baterai Cu/CuI/FeS2 ditunjukkan dalam Tabel2.Pada sistem Cu/CuI/FeS2 mulai terjadi kenaikan voltasepada temperatur 3600C (Gambar 3a) dimana elektrolit CuI

mulai mengalami pembahan rasa dari fasa-y ke fasa-J3(Gambar 4a), daD pacta temperatur 450°C, bahan CuI

menjadi superionik (fasa-a) sehingga terjadi kenaikanvoltase dengan cepat. Pada saat tersebutterjadi gerakanion-ion Cu dari anoda ke katoda .Oibawah temperatur450"C dari data konduktivitas listrik terlihat bahwa lnasihterdapat elektron bebas daD hole yang menyebabkanvoltase tersebut menjadi negatip. Gambar 3b menun-jukkan kurva kerapatan ams yang dihasilkan oleh sistembaterai Cu/CuI/FeSr dimana kerapatan ams sebesar 2,5mA/cm2 dihasilkan selama 1 ()() menit atau 1,5 jam lebih.Gambar 3c daD 3d menunjukkan kurva charge daDdi.\.charge pacta siklus pertama sedangkan Gambar 3edaD 3fmenunjukan kurvachargedan discharge pactasiklus kedlla .Hasil pengukuran ditunjukan pada Tabel3

Tabel 2 Besar voltage .arus, dan tahanan padasistembaterai Cu/Cul/FeS,"

T

(OC)

V

(mY)

i* R

(mA) (0Iun)

0 -

Sistem

27

450(~uICuLiFeSt

0

180 6.8 26,5

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

15 30 eo 90 120

Waklu (no:nit)

Gambar 3c. Proses charge siklus pertama

I~

vawa~ "C mV

450

Vakhir

_(mY)

I.

(mA)

Siklus Proses

Charge1.5 V1.5mA

28,2

149

Discharge 450 147 44 5.1

Charge0.34 mV4.51 mA

450 44 932

Discharge 450 5693 7,3

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

Safei Purnama dkk. 381

Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

sebagai berikut, uotuk bahao CuI (Gambar 4a) pada

temperatur sekitar 380 °C dari fasa-y ke fasa-p, daD pada

temperatur sekitar 400 °C dari fasa-p ke rasa-a.

Sedaogkan uotuk bahao elektroda FeS2 (Gambar 4b)terjadi perubahan rasa pada temperatur 148°C dari fasa-

150

125

100 -+'-

Q 75

~~ 50

J1351~~~5;;7;;; '1~-~~

Waktu(~nit)Ciambar Je Proses charge siklus kedua

.£4r

i3t.2

-:;

f3 ke rasa-a. .Perubahan rasa pada bahan CuI daD FeS2

menyebabkan terjadinya disorder pada struktur yangakan berkontribusi pada konduktivitas listrik (ionik) padabahan superionik tersebut.

Perubahan fasa-/3 ke fasa-a dalam bahan CuIterjadi pada temperatur sekitar 400 .C, yang menye-babkan disorder pada struktur daD eksitasi atom Co yangterdistribusi pada struktur CuI (grup ruang F 4 3 m) denganbilangan okupasi yang relatip besar yaitu sekitar 0,25pada model struktur 16e. Oleh karena itu, perpindallanatom Cu didalam struktur CuI ditemngkan dengaIl adanyavibrasi termal, dimana amplitudo vibrasi bertambah besardengan naiknya temperatur. Pada saat temperatur tinggiterjadi vibrasi asimetri anharmonis [2], yang disebabkan

oleh posisi atom yang non centrosymmetric yangmenimbulkan vibrasi termal anisotropik daD disorderpacta struktur yang menimbulkan anharmonis. Poladifraksi sinar-x pacta temperatur 350. C (Gambar 5a)

menunjukkan adanya dua rasa , yakni fasa-y daD fasa-f3yang menimbulkan disorder pada struktur, daD demikianjuga pada temperatur 450.C (Gambar 5b) terdiri dari fasa-

f3 daD fasa-<X., dengan intensitas hamburan difus cukupbesar, sehingga sulit untuk menganalisa dengan modelstruktur 16e pacta posisi (x,x,x).

Hasil pengukuran pacta sistem baterai Cu/Cul/

:I) ~ 00 ,~ 120 135 150

Waktu(menit)

:;ambar 3f. Proses discharge siklus kedua

,.."'" ...,

~.~,.,

Gambar 5a. PoJa difraksi sinar-X bahan CuI pada~ 3500 C.

""L4(XXJO

3mJ

30000

~

Gambar 4a. Data DSC bahan CuI

2OOOOj

1~

~-~..~

-'...IIXXJO

,_.,. "--SOX)

20 25 30 35 40 45 50 55

29

,.--~;

~~--,-j

:!!.~

v,.." .,.. ...'.._~ '.

Gambar 5b. Pola difraksi sinar-X bahan Cuipada T = 450. C.Gambar 4b. Data DT A bahan Fe2S

Safei Purnama dkk.382

--

k

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

-~- 5--..." "" ..-::- -:; -'" .

" .." "" .'-~r~H~:'.~

---~-lc~-,,~

-~---~=---

~~~~~X ~

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20- 21 Oktober 1998

ISSN 1410-2897

seharusnya Pt/Cu/CuI/FeSjPt" Pada sistem tersebuttransport kation bergerak dari Cu -CuI -FeS2, akan tetapiterjadi pula dari Cu ke FeS2" Hal ini menimbuIkanhambatan gerakan muatan atau arus pada sistem, dan

pada permukaan kolektor Cu timbul rongga kecil yangakan meningkatkan resistan di permukaan FeS2 -Cu "

KESIMPULAN

Sistem baterai sederhana dengan menggunakanelektrolit padat CuI bekerja baik diatas subu kritis T,Tc = 400 DC, dengan voltase sekitar 180 mV pada tem-

pera-tur 450 °C, daD kerapatan arus, dapat dicapai 1,5mA/cm2 selama 3,5 jam.

DAFTARPUSTAKA

[1 J. CHANDRA.S., Superionic Solids, Principle andApplications, North Holland Publish,Co., Ams-terdam, NewYorl<., Oxford, 1981.

[2}. SADAO HOSffiNO, Structure and dynamics ofSolid State ionics, North-Holland Solid State Ionics48(1991) 179-201.

[3J. MZ.A. MUNSffi, PH.D., Handbook World Scien-tificPublishingCo.Pte.Ltd., 1995.

[4J. B. YR. CHOWDARl, S. the Internasional SeminarSolid State Singapore.

.S.RADHAKRISNA, A.DAUD, Solid StateMateri als, Narosa Publishing House, 1991,Singapore.

.B. V.R.CHOWDARI, QINGQUO LIU, LIQUANCHEN, Recent Advances in fast ion Conductingmaterials and devices, World Scientific PublishingCo. Pte.Ltd., 1990, Singapore.

FeS2 dengan cara OCV ( Open Circuit Voltage)ditunjukkan pada Gambar 3a, daD daTi basil tersebutdidapat potensiallistrik terbesar pada temperatur sekitar450°C,yakni 180mV Potensial listrik pada sistim Cu/CulIFeS2 mulai menunjukkan kenaikan pada temperaturdiatas 3800 C, sedangkan dibawah temperatur tersebutsistem masih menunjukan angka nol daD negatip. Hal inidisebabkan adanya perubahan konduktivitas elektronikdaD ionik pada elektrolit CuI dengan adanya perubahantemperatur .

Dari data dapat dijelaskan terjadinya perubahankonduktivitas listrik yang dapat berpengaruh sistimbaterai Cu/CuIlFeS2. Pacta temperatur kamar sampaitemperatur sekitar 3600 C, konduktivitas listrik disebabkanoleh konduk-tivitas ektronik, yang menyebabkan voltasenegatip, daD setelah diatas temperatur 3600 C terjaQiketidak aturan kation daD anion karena terjadinya

perubahan rasa dari fasa-y ke fasa-J3. Pada range

temperatur ini, potensial listrik disebabkan 01ehkonduktivitas ionik daD elektronik. Pada temperaturdiatas 400" C, potensial listrik disebabkan olehkonduktivitas ionik saja. Hal ini ditunjukkan oleh datadifraksi sinar-x pada temperatur 4500 C dimana back

ground nya cukup tinggi yang menunjukkan adanyahamburan difus daD menghasilkan potensiallistrik yangtinggi diantara kedua sistem elektroda .

Hasil pengukuran rapat arus adalah sebagaiberikut; rapat arus pada permulaan sekitar 3,8 mAlcm2,lalu turun menjadi 2,5 lnA/cm2 setelah 1 jam, dan setelah3 jam kemudian menjadi 1,7 mAlcm2. Danjuga pada sikIus

berikutnya rapat arus cepat sekali turun. Hal inidisebabkan oleh sistem kolektor arus atau muatanpadasistem baterai tersebut yakni Cu/Cu/Cul/ FeS2/Cu yang

[5]

[6]