## PENDAHULUAN
Bahan konduktor superionik seperti AgI dan CuI memiliki konduktivitas ionik yang tinggi pada suhu tinggi tetapi memiliki konduktivitas ionik yang rendah pada suhu ruang. Hal ini menjadi dilema bagi pemakaian bahan konduktor superionik pada suhu ruang. Usaha untuk menurunkan suhu transisinya tetapi tetap memiliki konduktivitas ionik yang tinggi dilakukan dengan beberapa cara. Cara yang pertama adalah dengan mencampurnya dengan bahan kristalin lain.
Cara lain adalah mencampurnya dengan bahan lain seperti komposit, polimer, keramik atau gelas. Mencampur bahan superionik dengan bahan gelas banyak menjadi pilihan. Hal ini karena bahan gelas mudah dibuat dan divariasi bentuknya, suhu leleh tidak terlalu
tinggi, tidak memiliki batas butir dan memiliki daerah komposisi yang lebar bila dicampur bahan konduktor superionik [1].
Beberapa bahan gelas yang telah diteliti antara lain AgPO 3 dan NaPO 3 . Evvy Kartini dkk. [2-5], telah meneliti penggunaan bahan gelas AgPO 3 sebagai bahan gelas pada sistem AgI-AgPO 3 . Bahan NaPO 3 juga telah diteliti penggunaannya sebagai bahan gelas untuk konduktor superionik [6].
Sejauh ini belum pernah dikembangkan bahan gelas dengan dasar Li 2 O sebagai oksida pengubah gelas. Hal ini menarik untuk dikembangkan karena bahan Li lebih murah dibandingkan Ag. Oleh karena itu pada makalah ini akan diteliti pembuatan bahan gelas LiPO 3 . Direncanakan pada penelitian selanjutnya akan diteliti

## SINTESIS LiPO
3 SEBAGAI BASIS GELAS UNTUK PEMBUATAN KONDUKTOR SUPERIONIK
Mohammad Ihsan, E. Kartini, Supandi Suminta dan Mardiyanto Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang

## ABSTRAK
SINTESIS LiPO 3 SEBAGAI BASIS GELAS UNTUK PEMBUATAN KONDUKTOR SUPERIONIK. Telah disintesis bahan LiPO 3 sebagai bahan gelas baru untuk konduktor superionik. Karakterisasi yang dilakukan pada bahan gelas ini adalah pengukuran struktur kristal menggunakan X-Ray Diffractometer , sifat termal dengan Differential Thermal Analysis - Thermal Gravimetric Analysis (DTA-TGA), dan pengukuran konduktivitas ionik menggunakan Impedance Spectroscopy ( LCR meter). Pola difraksi sinar-x LiPO 3 pada suhu ruang menunjukkan satu puncak lebar yang menandakan gelas LiPO 3 bersifat amorf. Analisis dengan DTA menunjukkan suhu gelas transisi, Tg, terjadi pada sekitar suhu 327,4 o C. Sementara suhu kristalisasi (Tx) terjadi pada suhu 496,5 o C dan suhu melting (Tm) pada 645,6 o C. Termogram TGA menunjukkan kestabilan termal hingga pemanasan 700 o C dan tidak terjadi dekomposisi. Data konduktivitas DC LiPO 3 adalah 2 x 10 -8 S/cm, mirip dengan data konduktivitas DC AgPO 3 . Hasil ini menunjukkan LiPO 3 adalah gelas yang bersifat isolator. Disimpulkan bahwa LiPO 3 dapat digunakan sebagai basis gelas untuk pembuatan konduktor superionik.
Kata kunci : LiPO 3 , gelas, konduktor superionik

## ABSTRACT
SYNTHESIS OF LiPO 3 AS GLASS BASED FOR MAKING OF SUPERIONIC CONDUCTOR . The new LiPO 3 glass for superionic conductor has been synthesized. Several characterizations such as crystal structure, thermal property and ionic conductivity have been performed on this glass using respectively, an X-ray Diffractometer, a Differential Thermal Analysis – Thermal Gravimetric Analysis (DTA-TGA), and an Impedance Spectroscopy or LCR meter. The x-ray pattern shows only one broad peak meaning that the obtained sample is a glass and has an amorphous structure. DTA analysis shows a temperature of the glass transition (Tg) at around 327,4 o C, a temperature of the crystallization, Tx, is at around 496,5 o C and the melting temperature, Tm, is at around 645,6 o C. TGA thermograms show the thermal stability until 700 o C and without any decomposition. DC conductivity of LiPO 3 is 2 x 10 -8 S/cm, which is similar to the corresponding AgPO 3 glass. This result shows that the glass LiPO 3 is an isolator. It is concluded that LiPO3 can be used as glass based for superionic conductor.
Key words : LiPO 3 , glass, superionic conductor
pembuatan bahan konduktor superionik berbasis gelas LiPO 3 . Bahan konduktor superionik gelas ini akan berfungsi sebagai elektrolit padat yang bila dipadukan dengan bahan-bahan lain seperti elektroda katoda dan anoda akan membentuk suatu sel elektrokimia, yaitu sel baterai.
Pada makalah ini akan diuraikan cara pembuatan gelas LiPO 3 . Difraksi sinar X akan digunakan untuk mengetahui struktur gelas LiPO 3 . Untuk mengetahui suhu transisi gelas, transformasi fasa atau suhu kristalisasi dan suhu leleh dilakukan pengukuran dengan DTA-TGA ( Differential Thermal Analysis - Thermal Gravimetric Analysis ). Sedangkan untuk mengetahui konduktivitas ionik dilakukan pengukuran dengan menggunakan LCR Hi Tester HIOKI 3522-50.

## METODE PERCOBAAN

## Bahan
Bahan kimia yang digunakan adalah NH 4 H 2 PO 4 98 % dari Caledon dan Li 2 CO 3 99 % pro analisis dari Merck.

## Alat
Alat yang digunakan untuk ppenelitian ini adalah timbangan Bosch, sendok timbang, crucible dan mortar. Untuk pemanasan digunakan furnace dengan merek Thermolyne.

## Preparasi Sampel
Bahan-bahan yang digunakan untuk membuat gelas adalah NH 4 H 2 PO 4 dan Li 2 CO 3 . Bahan ini setelah dicampur akan menghasilkan LiPO 3 setelah tahap reaksi berikut
1) 2 NH 4 H 2 PO 4 P 2 O 5 + 2NH 3 + 3H 2 O
2) Li 2 CO 3 Li 2 O + CO 2
3) Li 2 O + P 2 O 5 2 LIPO 3
Gelas LiPO 3 dibuat dengan mencampurkan NH 4 H 2 PO 4 (Caledon) dan Li 2 CO 3 (Merck) sesuai dengan persen berat masing-masing. Setelah dicampur, kemuadian digerus sampai halus dan merata di dalam mortar. Kemudian bahan disimpan dalam crucible porcelain . Pemanasan dilakukan secara bertahap dalam furnace selama 5 jam sampai dengan suhu 775 o C. Lelehan campuran tersebut dituangkan ke dalam tabung berisi penuh nitrogen cair. Gelas yang diperoleh berwarna bening transparan. Rendemen yang diperoleh sekitar 80 %.
Pengukuran dengan Difraksi Sinar-X, STA ( DTA-TGA ), dan LCR meter
Untuk mengetahui struktur kristal dari bahan LiPO 3 ini, dilakukan pengukuran dengan alat
XRD Philips di BKAN-PTBIN. Pengukuran o hingga 80 o dengan step width 0,05 deg/ step . Sementara untuk mengetahui suhu transisi gelas, transformasi fasa (suhu kristalisasi) dan suhu leleh dilakukan pengukuran dengan menggunakan alat DTA-TGA di BBIN-PTBIN. Pengukuran dilakukan pada suhu kamar sampai dengan suhu 700 o C dengan dengan heating rate 20 o C/menit. Untuk pengukuran konduktivitas listrik bahan LiPO 3 dilakukan dengan menggunakan alat LCR HiTester Hioki 3522-50 di BKAN-PTBIN. Pengukuran dilakukan pada tegangan 1 volt dan frekuensi 1 kHz sampai dengan 100 kHz. Seluruh data hasil pengukuran akan dibandingkan dengan data pengukuran gelas AgPO 3 .

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Pengukuran dengan Difraksi Sinar X
Gambar 1 dan Gambar 2 menunjukkan hasil pengukuran dengan difraksi sinar-X untuk gelas LiPO 3 dan AgPO3. Dari Gambar dapat ditunjukkan bahwa LiPO 3 yang dihasilkan adalah berupa gelas. Hal ini dibuktikan dengan hasil difraksi yang berupa puncak lebar, yang terpusat pada sudut hamburan sekitar 24,5 o C. Literatur menunjukkan kristalin LiPO 3 memiliki puncak yang tajam pada sudut hamburan 24,5 o C [7]. AgPO 3 yang berupa gelas ditunjukkan dengan hasil difraksi yang berupa puncak lebar yang terpusat pada 30 o C,sesuai dengan hasil literatur pada kristalin AgPO 3 [8].
Pengukuran dengan STA ( DTA-TGA )
Analisis termal terhadap sampel LiPO 3 dilakukan dengan menggunakan Simultanous Thermal Analysis
Gambar 1 . Difraksi sinar-X pada LiPO 3 pada suhu ruang LiPO 3 Gambar 2 . Difraksi sinar-X pada AgPO 3 pada suhu ruang
AgPO 3
Sintesis LiPO 3 Sebagai Basis Gelas untuk Pembuatan Konduktor Superionik (Mohammad Ihsan)
yaitu Differential Thermal Analysis
dan Thermogravimetri Analysis ( DTA-TGA ) sebagaimana terlihat pada Gambar 3. Dari Gambar tersebut terjadi proses endotermik, dimana transisi gelas terjadi pada Tg pada suhu sekitar 327,4 o C dengan nilai entalpi -19,47 J/mg. Pada suhu transisi gelas terjadi perubahan dari fasa gelas yang solid menjadi fasa cairan superdingin ( supercooled liquid ) yang viskositasnya jauh lebih rendah dari gelas, tapi masih lebih tinggi viskositasnya dari pada cairan.
Proses selanjutnya adalah kristalisasi yang merupakan proses eksotermik dimana cairan superdingin ini berubah fasa menjadi kristal, karena energi fasa kristal dari bahan gelas lebih kecil daripada energi kristal. Suhu awal kristalisasi, Tx sekitar 496,5 o C dengan perubahan entalpi 3,99J/mg. Jika cuplikan terus dipanaskan, pada selang suhu 600 o C sampai dengan 700 o C berlangsung suatu reaksi endotermis dimana kristal yang terbentuk meleleh pada suhu leleh (Tm), dengan suhu puncaknya adalah 645,6 o C serta nilai entalpinya adalah -21,33 J/mg. Termogram TGA -nya menunjukkan kestabilan termal hingga pemanasan 700 o C dan tidak terjadi dekomposisi. Analisis termal sampel AgPO 3 sebagai bahan perbandingan telah diteliti oleh Evvy Kartini et al [9]. Perbandingan data analisis termal dapat dilihat pada Tabel 1 di bawah ini.
Pengukuran dengan LCR meter
Pada Gambar 4, ditampilkan AC -konduktivitas pada gelas LiPO 3 dan AgPO 3 . Telah dilakukan pengukuran konduktivitas pada gelas LiPO 3 sebagai fungsi dari frekuensi dari 1 hingga 1.000 kHz dengan harga tegangan 1 volt. Untuk gelas AgPO 3 dilakukan pengukuran konduktivitas dengan alat LCR dari BPPT pada tegangan
1 volt dari frekuensi 50 Hz hingga 5 Mhz [12]. Dari Gambar 4 terlihat konduktivitas sampel LiPO 3 mengalami sedikit penurunan pada daerah log frekuensi ( log f ) 0 sampai 1,85 lalu kenaikan yang linier dengan kemiringan yang sangat kecil pada daerah log f 1,85 sampai 3,3, lalu kenaikan yang tidak linier pada log f yang lebih tinggi.
Ketergantungan konduktivitas terhadap frekuensi ( Universal Frequency response) dikembangkan oleh Jonscher [10]. Untuk menganalisis konduktivitas AC , dapat menggunakan beberapa model di mana salah satunya adalah
s ............................................................... (1)
eksponent power, 0 < s < 1. Harga s ini mempunyai limit 1 pada hasil observasi dari berbagai kristal ionik maupun gelas silika dan diusulkan persamaan untuk gelas konduktor superionik yaitu [11],
o f s ............................................................... (2)
di mana pangkat s di sini sudah dipengaruhi oleh suhu untuk mencapai harga limit satu. Untuk membentuk suatu persamaan linier maka persamaan (2) kemudian ditulis dalam bentuk logaritma sehingga menjadi
o + s log f ......................... (3)
o adalah konduktivitas pada frekuensi 1 Hz.
Untuk menerapkan persamaan ini pada hasil pengukuran konduktivitas AC pada sampel LiPO 3 , daerah frekuensi dibagi tiga bagian yaitu pada log f rendah, log f medium dan log f tinggi karena ketiga daerah tersebut menunjukkan arti fisis yang berbeda. Pada daerah frekuensi rendah terjadi loncatan ionik ( ionic hoping) , kemudian pada daerah frekuensi medium merupakan dataran ( plateau ) di mana konduktivitas umumnya tidak tergantung pada frekuensi ( DC konduktivitas), sedangkan pada daerah frekuensi tinggi terjadi getaran-getaran ionik ( ionic vibration ). Untuk
Gambar 3 . Termogram DTA LiPO 3 Tg Tx Tm TGA DTA Tabel 1 . Data analisis termal gelas LiPO 3 dan AgPO 3
Tg Entalpi Tx Entalpi Tm Entalpi AgPO 3 163 o C 0,075 W/g 300 o C 72,6 J/g 430 o C 103,2 J/g
Gambar 4 . AC -konduktivitas pada gelas LiPO 3 dan AgPO 3 Konduktivitas LiPO3 dan AgPO3 -9 -8 -7 -6 -5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 log f (Hz)
LiPO3 AgPO3 FIT 1 FIT 2 FIT 3 --- Fit 1: Y= -0,0059x -7,6144 --- Fit 2: Y= 0,1535x - 8, 1211 --- Fit 3: Y= 0,2946x - 8,5846
s 1 s 2 s 3

## sampel LiPO
3 daerah log f rendah 0 sampai 1,85, daerah log f medium adala 1,85 sampai 3,3 dan daerah log f tinggi adalah 3,3 sampai 5.
Parameter hasil fitting untuk daerah frekuensi rendah, medium dan tinggi dapat dilihat pada Tabel 2.
Dari tabel dapat terlihat bahwa harga s semakin besar dengan semakin tingginya frekuensi, yang berarti kebergantungan konduktivitas pada frekuensi menjadi
o (konduktivitas pada frekuensi 1 Hz) adalah 2,6 x 10 -9 S/cm. Harga konduktivitas DC diperoleh dengan melihat harga s yang terkecil (mendekati nol), yang berarti kebergantungan terhadap frekuensi sangat rendah. Nilai harga konduktivitas DC -nya adalah 2 x 10 -8 S/cm. Sebagai bahan perbandingan, dari penelitian Evvy Kartini dkk didapat harga konduktivitas DC dari AgPO 3 adalah 4,5 x 10 -8 S/cm [12]. Ini berarti bahwa sampel LiPO 3 adalah gelas yang belum bersifat superionik.

## KESIMPULAN
Gelas LiPO 3 telah berhasil disintesis dengan metode melt-quenching . Pola difraksi sinar-X menunjukkan bahwa struktur dari LiPO 3 adalah amorphous . Analisis dengan DTA menunjukkan Tg terjadi pada sekitar suhu 327,4 o C. Sementara Tx pada suhu 496,5 o C dan Tm-nya 645,6 o C. Termogram TGA -nya menunjukkan kestabilan termal hingga pemanasan 700 o C dan tidak terjadi dekomposisi. Data konduktivitas DC LiPO 3 adalah 2 x 10 -8 S/cm, ini menunjukkan LiPO 3 adalah gelas yang belum bersifat superionik. Disimpulkan bahwa LiPO 3 dapat digunakan sebagai basis gelas untuk pembuatan konduktor superionik.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Kepada Kepala PTBIN dan Kepala BBIN atas kesempatan melakukan penelitian. Kepada Wisnu Ari Adi, S. Si. terima kasih atas bantuan pengukuran XRD , Sugik Sugiantoro A. Md. terimakasih atas pengukuran STA , dan Drs. Safei Purnama, MT dan Drs. Patricius P, M.Sc. terima kasih atas pengukuran LCR . Penelitian ini didanai oleh RUTI IV, kontrak Nomor 10/Perj/Dep. III/RUTI/PPKI/I/2006.

## DAFTAR ACUAN
[1] S. W. MARTIN, J. Am. Ceram. Soc., 74 (1991) 1767-1784
[2]. E. KARTINI, T. PRIYANTO, S. YUSUF, N. INDAYANINGSIH and M. F. COLLINS, Canadian Association of Physicist Congress , Waterloo, Canada, (1998)
[3]. E. KARTINI. Sintesis, Karakterisasi dan Pengembangan Bahan Konduktor Superionik Berbasis Gelas, Laporan Akhir RUT VI (2000)
[4]. E. KARTINI and M. F. COLLINS, Physica B, 213 (2000) 276-278
[5]. E. KARTINI, M. F. COLLINS, S. YUSUF, T. PRIYANTO, N. INDRAYANINGSIH, E.C. SVENSSON, and S. J. KENNEDY, Phys. Rev. , B, 61 (2000) 1036
[6]. E. KARTINI, S. PURNAMA, A. SUGIHARTO, T. SAKUMA, D. W. NINGSIH dan NURAINUN, Jurnal Sains Materi Indonesia , 4 (3) (2003) 19-25 [7]. GRENIER and DURIF, Z. Kristallogr., 137 (10)
(1973)
[8]. Database JCPDS No.11-0641
[9]. E. KARTINI et al., Physics Journal of the Indonesian Physical Society, 2 (2) (1999) 16-26
[10]. A. K. JONSCHER, Nature, 261 (1977) 673
[11]. W. K. LEE, J. F. LIU and A. S. NOWICK, Physc. Rev. Lett ., 67 (12) (1991) 1559
[12]. E. KARTINI. Research and Development of New Solid Electrolyte for Rechargeable Battery, Final Report Indonesia International Joint Research Grant Program (2005)
Tabel 2 . Hasil fitting kurva konduktivitas sebagai fungsi frekuensi sampel LiPO 3
FIT DAERAH log f (Hz) o (S/cm) s 1 0 – 1,85 - 7,6144 -0,0059 (s 1 ) 2 1,85 – 3,3 - 8,1211 0,1535 (s 2 ) 3 3,3 - 5 - 8,5846 0,2946 (s 3 )