Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 1 No.2. Pebruari 2000, hal.. 26 -31

ISSN.. 1411-1098

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SEL BATERAI SEKUNDERBAHAN SUPERIONIK (Ag/RbAg4I5/RbIJ)

N. Effendi, A. K. Jahja dan S. PumamaP3IB-BATAN; Serpong, Tangerang 15314, Indonesia

ABSTRAK

PEMBUA TAN DAN KARAKTERISASI SEL BA TERAI SEKUNDER BAHAN SUPERIONIKAg/RbAg4I5/RbI]" Bahan elektrolit padatan berbasis perak RbAg41s telah digunakan sebagai elektrolit untuk pembuatansebuah sel baterai sekunder (rechargeable) dengan Ag sebagai anoda dan RbI) sebagai katoda. Telah dilakukanpengukuran karakteristik pengisian-peluwahan (charge-discharge) dan polarisasi terhadap baterai pada kondisi tekananatmosfir biasa dan temperatur mango Dapat disimpulkan bahwa konfigurasi gel Ag/RbAg4Is/ RbI) dapat berfungsisebagai baterai sekunder. Sel dapat berfungsi dengan baik pada rapat arus hingga 230 ~A!cm2.

Kala kunci: Sintesis, baterai sekunder, karakterisasi, Ag/RbAg4I,/RbI)

ABSTRACT

SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF THE SUPERIONIC-BASED SECONDARY BAT-TERY CELL Ag/RbAg4I/RbI]o The solid electrolite material silver based, RbAg41, had been used as electrolite inmaking a secondary rechargeable battery cell with silver (Ag) as the anode and rubidium tri-iodide (Rbi]) as thecathode. The charge-discharge characteristics measurements and the battery polarization in normal atmosphericpressure, at ambient temperature had been carried out. It can be deduced that the cell configuration Ag/RbAg4I,/RbIJhas performed as a secondary battery. The cell performed well with current density up to 230 ~A/cm2.

Key words.. Synthesis, Characterization, Secondary Battery, AgiRbAg4ls/Rbl) Cell Configuration

PENDAHULUAN

sistim ini merupakan suatu special purpose system. Bahanelektrolit RbAg4Is memiliki beberapa keunggulan untukaplikasi sebagai baterai term ai, antara lain stabilitas termalpada rentang temperatur yang lebar, memiliki output listrikyang tahan goncangan serta relatif steady terhadapperubahan temperatur [3].

Karakteristik unjuk kerja suatu sistim sel bateraimencakup beberapa parameter, antara lain berat sel, tebalsel, diameter sel, tegangan OCV (voltase rangkaian terbuka),waktu operasi sel dihitung dari OCV sampai mencapaivoltase pada ~lutut~ kurva peluwahan, kapasitas peluwahandandensitas enersi. Sebelum suatu konfigurasi atausistimsel dapat dinyatakan layak "operasi", parameter-parameterini mutlak untuk diketahui, juga sebagai indikator apakahsistim mampu berfungsi sebagaimana diharapkan pada saatmendesain sistim tersebut. Oari parameter-parameter inidapat ditarik suatu kesimpulan menyeluruh mengenaiunjukkerja sistim, sehingga dapat men4ukung diagnostikclan penyempurnaan unjuk kerja sistim sel baterai.Penelitian sistim sel baterai Ag/RbAg4Is/RbI3 telahdilakukan sebelumnya oleh peneliti lain [4,5]. Namun

Kegiatan penelitian baterai padatan dewasa inidiarahkan untuk memperoleh sumber tenaga listrik baruterutama untuk aplikasi khusus, misalnya baterai mikrountuk dipasang pada devais mikrochip rangkaian terpadu(IC), kartu kredit, baterai primer usia panjang yang handaluntuk implantasi pada alat pemacu jantung, programantariksa, dan pada instrumen kedirgantaraan dan militeryang membutuhkan sifat-sifat fisis khusus [1]. Sudah sejaklama kegiatan penelitian baterai sekunder terfokus padabahan elektrolit RbAg4Is' disebabkan oleh konduktivitasionik elektrolit ini merupakan salah satu yang tertinggi padatemperatur ruang diantara berbagai bahan elektrolit [2].Salah satu lagi kemungkinan aplikasi khusus elektrolitRbAg4Is sebagaibaterai unggulan ialah, baterai termal, yaitubaterai untuk aplikasi khusus pada rentang operasitemperatur tinggi, dan sekaligus bisa dipakai pada banyaksiklus, dengan cara pengisian kembali (recharging).

Baterai termal berfungsi sebagai sumber power atausumber tenaga listrik cadangan, pada kondisi dimanasumber listrik utama konvensional mengalami gagal-fungsipada lingkungan temperatur tinggi. Dengan perkataan lain

26

Pembuatan dan Karakterisasi Set Baterai Sekunder Bahan Superionik (Ag/RbAg) IRbI) (Nurdin Effendi)

temperatur operasi yang dilaporkan masih agak tinggi yaitusekitar 150-300 °C, dengan penggunaan hanya sebagaibaterai primer (satu kali pakai). Anode Ag digunakansebagai elektrode negatif pacta RbAg41s sebab seluruh aruslistrik pacta elektrolit ini dibawa oleh kation Ag+. Elektrodepositif(katode) sebaiknya terkompleksi (complexed)untukmereduksi aktifitasnya, karena unsur lepas 12 cenderunguntuk mendegradasi elektrolit melalui reaksi :

Setelah dikonversi menjadi perbandingan berat, keduabahan dicampur. Campuran kedua bahan digerus dalammortar sampai halus dan dipres menjadi pelet. Kemudiandilakukan sintering dalam petri disk pada temperatur100 °C selama 4 jam. Selesai sintering bahan digerus kembalidan dibuat pelet berdiameter sekitar 13 rom.

Anoda perak (Ag) dibuat dengan menjadikan peletdengan ukuran yang sarna dengan ukuran katoda RbIJ' yaitudengandiameter 13 rom.

Pengukuran konduktivitas ionik

Cuplikan serbuk untuk pengukuran konduktivitasdicetak dalarn bentuk pelet dengan alat pres dengan tekanansebesar 700 kgcm-2. Diperoleh pelet silindris, dengan ukurangeometris pelet tertentu, ialah teball, 70 mm dan diameter13,0 mm. Kemudian pelet elektrolit maupun pelet elektrodadipoles untuk memperoleh kontak ohmik yang baik; selainitu juga dioleskan cat peTak pengkonduksi pacta keduapermukaan cuplikan pelet sehingga diperoleh kontak ohmikyang lebih baik. Pengukuran impedansi arus bolak-balikdilakukan dengan menggunakan alat LCZ meter (Hioki353IZ-Japan) presisi tinggi pacta rentang frekuensi 45 Hz-1,5 MHz serta rentang temperatur antara 250 K -423 K.Kemudian konduktansi G yang diperoleh daTi pengukurandikonversi menjadi data konduktivitas denganmenggunakan data-data geometri cuplikan.

Set baterai sekunder

Pada konstruksi sel khusus baterai sekunder tireanode/elektrolit/katoda, maka sebagai bahan anoda tidakada pilihan lain selain perak (Ag), karena pembawa muatanpada bahan elektrolit adalah ion Ag+. Preparasi bahan katodeRbi) telah dilakukan seperti pada paragrafiii diatas. Ketigakomponen relet ini kemudian dilekatkan bersama-sama, laludibungkus dalam sebuah silinder pyrex clan dibalut denganresin, setelah ditambah bahan konduktor pada sisi-sisiluarnya. Sel komposit ini kemudian dikarakterisasi dengan

pengukuran polarisasi, pengukuran tegangan padapemuatan dengan ares tetap dalam waktu tertentu, sertakarakterisasi bentuk profil peluwahan (discharge) dalamwaktu tertentu dengan beban tertentu.

12 + RbAg41s ~ RbI) + 4 AgI

Sehingga untuk mengatasi kemungkinan terjadinya reaksidegradasi, telah dipilih senyawa Rbl)sebagai bahan katode.

Pacta penelitian ini , fokus penelitian ditujukan pactaaplikasi sistim sel sekunder berbasis elektrolit RbAg41ssebagai sumber enersi baru terutama pacta temperatur ruang,mengingat situasi ekonomi bangsa yang sedang dalamsituasi krisis dewasa ini menuntut hasilguna suatu penelitianlebih bersifat ~merakyat~. Sel baterai AgiRbAg4Is/Rbl)jugaterbukti memiliki keunggulan komparatifterhadap sistimsel baterai lainnya, yaitu memiliki daya tahanjangka panjang(orde belasan tabun) terhadap degradasi, artinya unjuk kerjasel tidak mengalami perubahan yang berarti setelah sekianlama dioperasikan atau disimpan dalam kondisitertentu [3]. Pada laporan ini disajikan aplikasi elektrolitRbAg41s sebagai elektrolit sel baterai padatan sekunder re-chargeable (dapat diisi ulang) menggunakan katode RbI)daD anode Ag. Karena keterbatasan sarana penelitian yangada di laboratorium piranti penyimpan enersi (energystorage devices lab) P31B, untuk sementara penelitian inihanya melaporkan unjuk kerja sistim sel pacta jangka pendek

(orde beberapajam).Hasil-hasil penelitian untuk orde jangka menengah

daD jangka panjang akan dilaporkan secara terpisah pactatulisan lain. Hasil-hasil pengukuran karakteristik unjuk kerjasel baterai disajikan bersama dengan parameter-parameterunjuk kerja sel, OCV, kapasitas peluwahan clan densitas

energi.

METODA EKSPERIMEN

Preparasi cuplikan elektrolit

Serbuk elektrolit RbAg4Is disintesis melalui reaksikimia padatan. Bahan kimia tingkat kemumia pro analisis(p.a.) RbI daD AgI dicampur kemudian digerus daD dicetakdalam bentuk pelet. Kemudian dipanaskan selama 24 jamdalam tabung pyrex pacta temperatur 480 K lalu dikuens.Preparasi cuplikan berikut karakterisasi struktur telahdibahas dengan rinci pacta laporan sebelumnya [6].

HASIL DAN PEMBAHASAN

Konduktivitas ionik

Pacta Gacmbar 1. disajikan respon frekuensikonduktivitas ionik sel komposit RbAg4Is pacta temperatur-temperatur 250 K, 300 K, 323 KJ 373 K, daD 423 K. Efekfrekuensi sudut (0 =21tf terhadap konduktivitas arus bolak-balik riil O'ac sangat "significant" pacta temperatur tinggidaD menjadi berkurang pacta temperatur rendah.

Preparasi katode RbIJ daD aDoda Ag

Katoda RbI) dipreparasi dengan metoda metalurgireaksi RbI + 12 ~ RbI) dengan perbandingan molar I: 1.

27

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal o/Materials Science

Vol. 1 No.2. Pebruari 2000, hal.. 26 -31ISSN.. /411-/098

Tegangan OCV suatu sel baterai padatan merupakansalah satu parameter utama yang menjadi bahanpertimbangan baik tidaknya unjuk kerja suatu sel baterai.Besaran ini merupakan tegangan terminal yang diukur dalamkondisi beban tak-hingga pada kedua ujung (terminal)baterai. Idealnya besaran ini identik dengan gaya-gerak-listrik (emf) sel baterai tersebut, namun dalam prakteknyaOCV suatu sel berbedadengan emfteoretikkarena beberapaalasan, antara lain kenaikan resistensi (tahanan) dalam seldisebabkan oleh reaksi antara elektroda clan pengumpulatau kolektor arus, peluwahan internal dikarenakan konduksielektron, clan sebagainya. OCV suatu sel berubah untukjenis pasangan anoda-katoda yang berbeda. Tegangan OCVuntuk sel ini ditentukan sebesar 620 m V pada polarisasibiasa clan dari Gambar 3 tampak bahwa tegangan ini stabilterhadap perubahan temperatur, bila dibandingkan padapolarisasi terbalik yang menunjukkan anomali yangmenonjol pada temperatur sekitar 80 DC. Menurut basilpenelitian termodinamika [7], maka bilangan transport untukpasangan Ag/I2 ialah 687 m V, sehingga harga diatas dapatdianggap wajar untuk konfigurasi sel baterai sekunder ripeini.

-I I I I I il0.. RbA9.ls

0_3,

IeQ

~~-b

tJ)

..2

:2,X'-A~

"':973J(~ ~A .

--_:-"'" ,,""'- --:'2Sk_t:~ .\

300K- ". ,--a250K- .

I~.D.D

-0.1 1 1 1 1 1

1 2 log,", (Hz)

Gambar 1. Respon frekuensi konduktivitas arus bolak-balikRbAg.Is pada berbagai temperatur, yaitu: 250 K, 300 K,323 K, 373 K, dan 423 K.

Dengan mengekstrapolasi ekor frekuensi rendaharus bolak-balik cr DC pada kurva Gambar 1 kearah frekuensiDol (untuk rentang frekuensi 45 Hz < co < 10kHz), makadapat diperoleh konduktivitas arus searah cuplikan yangbesarnya bervariasi terhadap temperamr.

Gambar 2 menunjukkan plot konduktivitas arussearah yang besarnya bervariasi terhadap temperatur dalamformat Arrhenius; khusus pada temperatur mang, besarkonduktivitas ini adalah sekitar 0,040-1 cm-l.

-¥

"eu

~

0-0

cnE

Gambar 3. Variasi tegangan rangkaian terbuka (OCV)terhadap temperatur set baterai sekunder Ag/RbAg.I,/RbI,,untuk poJarisasi biasa dan potarisasi terbalik,

Gambar 2. Kurva pencocokan data konduktivitas dalamformat Arrhenius Karakteristik peluwahan (discharge) daD umur

siklus sel baterai sekunder

Sel elektrokimia terdiri dari anoda, elektrolit dankatoda. Fungsi sel ialah untuk menghasilkan arus searahmelalui beban pada rangkaian eksternal, dan menghasilkanarus ion pada rangkaian internal. Sel sekunder ialah selyang dapat dipakai ulang beberapa kali untuk mengkonversienergi kimia menjadi energi listrik, dalam hal ini reaktan padasel sekunder dapat dibentuk ulang menggunakan sumber

Tegangan rangkaian terbuka daD siCat polarisasi

set baterai sekunder.

Pada Gambar 3 disajikan profil tegangan rangkaianterbuka (open circuit voltage, OCV) pada polarisasi biasaclan terbalik.

28

..~

0.'

Pembuatan dan Karakterisasi Set Baterai Sekunder Bahan Superionik (Ag/RbAg/ IRbI.,) (Nurdin Effendi)

Kurva peluwahan pada Gambar 4 tidak menunjukkanperubahan yang berarti pada selang beberapa siklus,sehingga reversibilitas sel baterai sekunder AgiRbAg4Is/RbI) dapat dianggap baik.

Pada gambar 5 disajikan kurva peluwahan sel bateraisekunder pada arus tetap 160-,275- dan 279 ~A dan padatemperatur kamar. Semua kurva untuk siklus pertama.Kapasitas peluwahan didetinisikan sebagai arus tetap(I charge) x waktu yang dibutuhkan tegangan untuk mencapai

'lutut' kurva (~) (gambar 5) [8].

luar untuk pengisian ulang at au recharging. Prosespengisian-peluwahan ini disebut satu siklus, dan urnurnnyasuatu gel padatan dapat diisi ulang ratusan kali.Ketidaketisienan pada pengisian dapat rnenyebabkanperubahan karakteristik peluwahan pada tiap siklus,sehingga unjuk kerja pada setiap siklus akan bergantungpada ukuran, rnateri dan bentuk geornetris gel.

Pengisian gel baterai sekunder dilakukan denganalat charger dengan aliran arus searah konstan sebesar 0, 1rnA. Setiap siklus terdiri dari selang waktu yang tetap yaitu20 rnenit untuk pengisian dan 20 rnenit untuk pengukuranpeluwahan atau discharge. Arus pengisian diupayakantetap kecil untuk rnenjaga agar tegangan sirkuit tertutuptidak rnelebihi tegangan dekornposisi. Dalarn hal inidiperoleh profil peluwahan karakteristik gel sekunder sepertidisajikan pada Garnbar 4. Terjadi penurunan tegangangradual disebabkan oleh peluwahan pada setiap siklus,namun cenderung untuk berkonvergensi pada harga yangsarna setelah selang waktu tertentu. Pada Tabell disajikandata karakteristik teknis gel baterai sekunder.

Tabell. Karakteristik teknis dan Unjuk Kerja set bateraisekunder (Ag/RbAg,I,/ Rbi,)

Gamba, 5. Kurva peluwahan set baterai sekunder padaberbagai arus i.

200 I I I I I I I

Set : Ag/RbA9.I!RbI3

.siklus 5000 siklus 400

y siklus 300

v siklus 200

.siklus 100

, >E'-"I::C.I::0~;Jca.c..

2-0>

'""'>

E'-/

QJ

Q)..c.c().,;;~"c~0>

\.lv .....I~V -.

-o.,V \.OT:VV "i'8ai;:!t!nmnl""

700581: A91RbAg~151Rb13 .600 .......

500 ...0..Ponglsl.n (0' c

400 .I..300 ...P,lu..hon

0

200 ..

100 .

a

-1000 5 10 15 20 25 3D 35 40 45 50

Waklu (menit)

175

150

'25

1GG

75

50

U1Jllolltlllllltllllllllllllllllt,Io'"IIIIIII"'tloIlIIllt1lhllll0 20 40 60 80 100 120

Waktu i (menit)Gambar 6. (a) Kurva tegangan pengisian-peluwahan(charge-discharge) sel baterai sejcunder Ag/RbAg.I,/RbI3terhadap waktu, dengan arus peluwahan tetap sebesar 10mA. (b) kondisi variasi arus peluwahan terhadap waktuGambar 4. Kurva profil peluwahan sel baterai sekunder pada

berbagai siklus

?Q

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal o/Materials Science

Pada kurva gambar 5 harga tl dapat langsung

diestirnasi, yaitu masing-masing 25 menit untuk I h = 2790 argo

mA; 9,8 menit (275 mA) clan 14 menit (160 mA). Dengan

demikian diperoleh kapasitas peluwahan (discharge capac-

ity) masing-masing 37- 45 -clan 116 !.lAh. Densitas enersi

didet'inisikan sebagai panjang plateau waktu pada kurva

voltase peluwahan (gambar 5) yang paling stabil dikalikan

dengan arus tetap dikalikan dengan besar voltase pada

plateau dibagi dengan berat baterai. Kurva yang paling

stabil terjadi pada arus tetap loh 275 mA, dengan estimasi

panjang plateau sekitar 40', berat sel sekitar 1,0 gram clanvoltase rata-rata pada sejajar plateau 520 m V, diperoleh harga

51 !.lW-hr/gr.

Pada gambar 6 disajikan kurva pengisian-peluwahan

sel baterai terhadap waktu untuk satu siklus, dengan arus

peluwahan tetap sebesar 10 !.lA.

Potensial dekomposisi

Pacta sel baterai sekunder (- )Ag/RbAg4Is/ RbI3( +)dialirkan arus yang berbeda pada beban (load) tetap,dengan tegangan sel dapat diukur.Pacta gambar 7, disajikan variasi arus terhadap tegangan,daTi perubahan kemiringan (slope) maka tegangandekomposisi dapat diperkirakan sebesar 0,64 V. Namun hiladiasumsikan bahwa arus yang sangat rendah tidakmenyebabkan reaksi elektrokimia, maka tegangandekomposisi bisa lebih besar lagi, yaitu sekitar 1,0 -1,25 V.Rapat arus maksimal yang dapat ditanggung oleh batteraidaD tetap berfungsi dengan baik ialah 0,279 mA/7tr2 = 279

~A/(7t)(0,65)2 =230 ~A/cm2. Dalam hal ini 0,279 mA ialaharus tetap ICh maksimal pacta percobaan ini (gambar 5), daDjari-jari sel baterai 0,65 rom. Hasil-hasil yang telahditabulasikan pada label 1, nampak memuaskan hiladibandingkan dengan basil yang acta di literatur .Sebagai U CAP AN TERIMA KASIH

Kepada Prof. DR. Marsongkohadi, anggota peer-group panel ilmu bahan dan anggota senior Dewan RisetNasional (DRN) diucapkan banyak terimakasih untukkonsultasinya. Kepada Dewan Riset Nasional (DRN)diucapkan banyak terima kasih untuk pembiayaanpenelitian ini melaluijalur RUT V.

,-..-<E

,II!~..-< DAFT AR ACUAN

[1]. CHANDRA S. dan A. Laskar (eds), , Superionic Sol-

id\' and Solid Electrolytes ',Academic Press, New York,191-X>

[2]. WIEDERSICHH.,andW. V.Johnston,J: Phys. Chern.Solid\'.30, (1969), 475-482

[3]. SARMA RVGK daD RADHAKRISHNA S., , Materi-

alsfor Solid State Batteries', World Scientific Publ.,Singapore, 1988

Gambar 7. Arus terhadap tegangan untuk set bateraisekunder

30

Vol. 1 No.2. Pebruari 2000, hat.. 26 -31ISSN.. 1411-1098

contoh, baterai termal berbasis sulfat Li2SO4' memilikikarakteristik operating time 15 menit, kapasitas peluwahan14,66 mA-hr dan densitas enersi 29,30 I.1W-hr/gr, pactakondisi berat sel 0,773 gr, arus peluwahan tetap 80 mA dandensitas arus maksimal 678,4 I.1A/cm2 [8]. Walaupundemikian perlu diingatkan bahwa data ini absah untukjangka waktu pemakaian yang relatif singkat (orde beberapajam), sedangkan unjuk kerja sistim padajangka waktu yanglebih lama lagi (orde bulanan atau tahunan) masih hamsdibuktikan pacta waktu mendatang, dan hal ini menjaditugas penelitian ini dimasa depan.

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil-hasil penelitian diatas dapatdisimpulkan bahwa penelitian telah mampu menghasilkansistim baterai sekunder dengan konfigurasi sel Ag/RbAg4Is/RbI) yang mampu berfungsi dengan baik sebagai bateraisekunder. Kesimpulan ini diambil dengan membandingkan

parameter unjuk kerja yang diperoleh dengan parameterunjuk kerja baterai termal berbasis sulfat. Diperoleh param-eter unjukkerja sel baterai, yaitu kapasitas peluwahan (dis-charge capacity) sekitar 37-, 45 -dan I 161.1Ah pacta seratussiklus pertama. Karakteristik peluwahan sel memiliki polayang tidak berubah setelah lima ratus kali pengisian (siklus);namun pacta siklus yang semakin banyak, drop teganganakan semakin cepat. Secara kualitatif, acta korelasi antaraarus pengisian tetap (Ic) dengan lebar plateau atau waktuoperasi sel stabil, hal ini masih hams ditindak lanjuti lagidengan analisis kuantitatif di masa mendatang. Hasilpengamatan juga menunjukkan bahwa sel masih dapatberfungsi dengan baik pacta rapat arus hingga 230 I.1A/cm2.