## Jurnal Riset Fisika Indonesia
Volume 3, Nomor 1, Desember 2022
ISSN: 2776-1460 (print); 2797-6513 (online) http://journal.ubb.ac.id/index.php/jrfi/3548
Sintesis dan Karakteristik CaCO 3 dari Cangkang Kerang Kepah ( Polymesoda erosa ) sebagai Doping Anoda Baterai Lithium-Ion
Yunior Trisakti* ) , Lizia Miratsi, Widodo Budi Kurniawan
Jurusan Fisika, Universitas Bangka Belitung Kampus terpadu UBB, Balunijuk, Kab. Bangka 33172, Prov. Kepulauan Bangka Belitung, Indonesia
*E-mail korespondensi: jovisakti@gmail.com

## Info Artikel:
Dikirim: 20 November 2022 Revisi: 18 Desember 2022 Diterima: 19 Desember 2022

## Kata Kunci:
Cangkang  kerang kepah; doping CaCO 3 ; LiTi 5 O 12 ; XRF

## Abstract
LTO  (Lithium  Titanate  Oxide)  or  Li 4 Ti 5 O 12 is  one  of  the  candidates  for  graphite replacement anode material in the production of Lithium-ion batteries. However, LTO materials have the disadvantage of low electrical conductivity, which limits the working level of the battery. Kepah clam shells are one of the wastes that have not  been  widely  used  even  though  the  amount  is  still  very  abundant,  and  is expected to have the potential to be in the source of CaCO 3 because it contains high amounts of calcium. Therefore, this study aims to determine the content of CaCO 3 in  the  shell  of  the  kepah  clam  ( Polymesoda  erosa )  and  determine  the conductivity value of the LTO anode doped with CaCO3 of the kepah clam shell. The synthesis method used is the solid state reaction method with variations in doping concentrations of 0.00 mol, 0.10 mol, 0.15 mol, and 0.20 mol. The results of  XRF  analysis  on  the  shell  powder  showed  that  the  most  dominant  element content  was Ca which was  97.63%. So it  shows that calcium carbonate (CaCO 3 ) from  the  shells  of  kepah  mussels  was  successfully  prepared.  Furthermore,  the anode active material was obtained, which if obtained XRD results and analyzed would show the absence of the CaCO 3 phase, and there was no doping influence, then  the  active  material  powder  was  synthesized  Li 4 Ti 5 O 12 anode  sheet  doped CaCO3 shell. As for knowing the conductivity value of the  Li 4 Ti 5 O 12 anode sheet doped  by  CaCO 3 clam  shells,  it  is  further  characterized  using  Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS).

## PENDAHULUAN
Baterai Lithium-ion merupakan jenis baterai yang dapat diisi ulang, sehingga menjadi solusi terbaik untuk sumber energi alternatif karena memiliki nilai kapasitansi spesifik yang tinggi (150- 275 mAh/g), siklus hidup yang panjang (500-1000 siklus), dan ramah lingkungan [1]. Komponen yang  digunakan pada  baterai  lithium  ion  ialah  katoda,  anoda,  elektrolit dan  separator.  Anoda baterai  lithium  ion  umumnya  terbuat  dari  material  grafit  (C),  namun  material  ini  memiliki kelemahan  utama  seperti  tidak  mampu  bekerja  dalam  kondisi  daya  tinggi,  dan  dapat menghambat  lajur  difusi  ion  lithium  [2],  sehingga  diperlukan  kandidat  pengganti  dari  anoda grafit, seperti LTO atau lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ).
LTO  (Li 4 Ti 5 O 12 )  atau  dikenal  sebagai zero-strain  material memiliki  kemampuan  struktur berupa  perubahan  parameter  kisinya  sangat  kecil  ketika  terjadi  proses  charge/discharge, sehingga memiliki stabilitas struktur Kristal dan dapat bekerja pada daya tinggi [3]. Para peneliti
melakukan  penelitian  sebagai  upaya  peningkatan  performa  anoda  LTO,  salah  satunya  adalah penelitian Subhan et al (2018), yang menunjukkan bahwa  penambahan doping cangkang telur ayam sebagai CaCO 3 pada anoda Li 4 Ti 5 O 12 dapat meningkatkan konduktivitas ionik, kapasitas dan stabilitas charge/discharge  [1] [3]. Cangkang kerang merupakan salah satu limbah yang dapat digunakan  sebagai    bahan    baku  kalsium  oksida,  karena  memiliki  kandungan  kalsium  dalam jumlah yang tinggi (dalam  bentuk CaCO 3 ) [4]. Cangkang kerang kepah ( Polymesoda erosa ) juga ketersediaannya sangat melimpah di wilayah Kepulauan Bangka Belitung. Penggunaan kerang kepah  sebagai  bahan  baku  CaCO 3 juga  dapat  menjadi  salah  satu  solusi  untuk  menyelesaikan permasalahan  limbah  kulit  kerang  yang  ada.  Penampakan  kulit  kerang  kepah  disajikan  pada Gambar 1 berikut.
Gambar 1. Kerang kepah ( Polymesoda erosa )
Menurut Lechtanski (2000), CaCO 3 berbasis bahan alam memiliki struktur yang lebih halus dibandingkan  dengan  CaCO 3 komersial,  hal  ini  akan  memudahkan  atom  Ca  terdoping  pada struktur  LTO  [5].  Penelitian  ini  menggunakan  metode solid  state  reaction yakni  proses  yang digunakan sederhana dan cepat, tidak memerlukan banyak prekursor, dan biaya produksi yang relatif murah serta ramah lingkungan [1]. Pada penelitian ini, dilakukan pemanfaatan CaCO 3 dari cangkang kerang kepah di Bangka Belitung sebagai doping sintesis anoda Li 4 Ti 5 O 12 (LTO) dengan menggunakan  metode  solid  state  reaction  pada  baterai  lithium-ion,  sehingga  dapat mengembangkan  anoda  LTO  pada  baterai  lithium-ion  serta  dapat  memanfaatkan  limbah cangkang kerang kepah.

## METODE PENELITIAN

## Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan selama 4 bulan pada bulan Agustus 2022 hingga November 2022 di laboratorium Fisika, Universitas Bangka Belitung.

## Alat dan Bahan Penelitian
Alat-alat  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  yaitu  cawan  petri,  neraca  digital,  blender, spatula,  mortar,  penggerus,  plastik  sampel,  wadah  penyimpanan,  ayakan  200  mesh,  oven, furnace, gelas ukur, cetakan, pengaduk magnetic ( magnetic stirrer ), krusibel, tisu, masker, sarung tangan  dan  aluminum  foil.  Bahan-bahan  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  yaitu  cangkang kerang  kepah  ( Polymesoda  erosa ),  TiO 2 ,  LiOH.H 2 O,  NMP  ( N-Merthyl-2-Pyrrolidone ),  PVDF ( polyvinylidene fluoride ), dan AB ( Acetylene Black ).

## Tahapan Penelitian
Pada penelitian ini terdapat 2 tahapan penelitian yaitu tahap preparasi CaCO 3 dari cangkang kerang kepah, sintesis bahan aktif anoda Li 4 Ti 5 O 12 terdoping CaCO 3 , dan sintesis lembaran anoda Li 4 Ti 5 O 12 terdoping CaCO 3 .

## 1. Preparasi CaCO 3 Dari Cangkang Kerang Kepah ( Polymesoda erosa )
Cangkang kerang yang digunakan pada penelitian ini merupakan limbah yang diperoleh dari pedagang  kerang  di  Bangka  dengan  jenis  cangkang  kerang  kepah  ( Polymesoda  erosa ). Sebelumnya, cangkang kerang dicuci dan dikeringkan di bawah sinar matahari selama dua hari lalu dihaluskan hingga diperoleh serbuk cangkang kerang. Dengan mengacu pada metode yang dikembangkan oleh [1], cangkang kerang yang sudah kering kemudian digerus dan dihaluskan menggunakan  blender,  setelah  itu  diayak  dengan  ayakan  ukuran  200  mesh.  Serbuk  cangkang kerang selanjutnya dikeringkan pada suhu 100°C selama 12 jam [1] dan didapatkan hasil berupa serbuk  cangkang  kerang  kepah.  Kemudian  serbuk  dianalisis  menggunakan  XRF  ( x-ray fluorescence )  [4]  untuk  mengetahui  karakterisasinya  berupa  komposisi  unsur  dari  serbuk cangkang kerang kepah ( Polymesoda erosa ).
2. Sintesis Bahan Aktif Anoda Li 4 Ti 5 O 12 Terdoping CaCO 3 Pada tahapan ini, sintesisnya merujuk pada metode yang dilakukan [1]. Bahan – bahan aktif anoda  yang  akan  digunakan  dalam  penelitian  ini  ialah  CaCO 3 ,  LiOH,  dan  TiO 2 .  Reaksi  awal pembuatan  bahan  aktif  anoda  LTO  dengan  doping  CaCO 3 yaitu  Li 4-x Ca x Ti 5 O 12 dengan  variasi konsentrasi CaCO 3 atau nilai dari x = 0 mol ; 0,10 mol  ; 0,15 mol dan 0,20 mol. Bahan LiOH.H 2 O dan TiO 2 masing-masing digerus dan diayak dengan ukuran 200 mesh. Kemudian bahan LiOH, TiO 2 , dan CaCO 3 sebagai pembentuk anoda dicampurkan dan dihaluskan dengan mortar hingga homogen. Adapun formulasi dan kode sampel bahan aktif anoda LTO dimuat pada Tabel 1.

## Tabel 1 Formulasi dan kode sampel bahan aktif anoda LTO
Formulasi Ca (mol) Li (mol) Material Kode Sampel
Li 4-x Ca x Ti 5 O 12 0 4 Li 4 Ti 5 O 12 S-0,00 0,10 3.90 Li 3,9 Ca 0,10 Ti 5 O 12 S-0,10 0,15 3,85 Li 3,85 Ca 0,15 Ti 5 O 12 S-0,15 0,20 3,8 Li 3,8 Ca 0,20 Ti 5 O 12 S-0,20
Selanjutnya dilakukan proses pemanasan dengan menggunakan furnace. Adapun proses pemanasan secara kalsinasi dilakukan dengan menggunakan suhu 700°C selama 2 jam dan untuk pemanasan  secara  sintering  dilakukan    pada  suhu  800°C  selama  4  jam.  Selanjutnya dikarakterisasi dengan analisis XRD untuk mengetahui struktur kristal dari sampel bahan aktif.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Preparasi CaCO 3 Dari Cangkang Kerang Kepah ( Polymesoda erosa )
Proses  preparasi  dimulai  dengan  pencucian  cangkang  kerang  untuk  menghilangkan kotoran yang melekat pada cangkang kerang, selanjutnya dilakukan pengeringan dibawah sinar matahari untuk mengurangi kadar air dan kemudian dihaluskan dengan digerus untuk mereduksi ukuran partikel [1] dan diayak dengan ayakan 200 mesh lalu hasil ayakan dikeringkan dengan oven agar  didapatkan  CaCO 3 [3]  dan  didapatkanlah  serbuk  halus  cangkang  kerang  kepah berwarna putih seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b.
(a) (b)
Gambar 2. Tahapan preparasi CaCO 3 : (a) cangkang kerang kepah (b) serbuk cangkang kerang kepah
Serbuk halus cangkang kerang yang didapatkan dari preparasi kemudian disiapkan sebanyak 5  gram  untuk  dilakukan  analisis  menggunakan  XRF  untuk  mengetahui  komposisi  unsur  yang terkandung didalamnya [5]. Berikut merupakan hasil analisis komposisi unsur yang terkandung dalam serbuk cangkang kerang kepah, yang ditunjukkan pada Tabel 2.

## Tabel 2 Hasil analisis XRF cangkang kerang kepah
Unsur Persen Konsentrasi (%) Ca 97,635 Ag 0,811 Sr 0,701 P 0,439 Al 0,289 Unsur lainnya 0,125
Hasil analisis menggunakan XRF pada Tabel 2 menunjukkan bahwa kandungan unsur yang paling dominan dalam serbuk cangkang kerang yaitu Ca sebesar 97,63%, sementara persentase lainnya yaitu kandungan unsur pengotor yang relatif kecil seperti Ag, Sr, P, Al, dan unsur lainnya. Dengan  jumlah  unsur  pengotor  yang  relatif  kecil  dibandingkan  dengan  kandungan  Ca menunjukkan bahwa serbuk cangkang kerang kepah mengandung kadar Ca dengan kemurnian yang  tinggi.  Sehingga  dari  hasil  XRF  dapat  diketaui  bahwa  limbah  cangkang  kerang  kepah berpotensi  sebagai  pengasil  Ca  berkemurnian  tinggi.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  kalsium karbonat (CaCO 3 ) dari cangkang kerang kepah berhasil dipreparasi.
Hal  tersebut  sesuai  dengan  beberapa  peneliti  sebelumnya,  bahwa  pada  cangkang  kerang mengandung unsur Ca lebih besar dari 90% [5], [6]. Kandungan Ca dari beberapa jenis cangkang kerang pada hasil peneliti terdahulu ditunjukkan pada Tabel 3, sebagai berikut.

## Tabel 3. Kandungan Ca cangkang kerang dari beberapa hasil penelitian
Jenis Penelitian Jenis kerang Konsentrasi Ca (%) Referensi Penelitian ini Kerang kepah 97,63 Penelitian ini Penelitian sebelumnya Kerang darah 97,67 [1] 98,68 [7] Kerang mutiara 95,29 [6] Kerang ale-ale 89,88 [8] 87 [9]
Cangkang kerang dengan kadar CaCO 3 – nya yang tinggi dapat dilihat pada tingkat kekerasan cangkang  kerangnya,  semakin  tinggi  kadar  CaCO 3 ,  maka  semakin  keras  cangkangnya  [5]. Perbedaan bisa disebabkan oleh keadaan sampel baik usia ataupun iklim, ataupun disebabkan tempat pengambilan sampel yang berbeda [8].
Hasil Sintesis Bahan Aktif Anoda Li 4 Ti 5 O 12 Terdoping CaCO 3
Sintesis  bahan  aktif  anoda  ini  dengan  merujuk  pada  penelitian  Saputra  (2021), menggunakan metode solid state reaction [10] dengan variasi konsentrasi doping CaCO 3 , yaitu 0 mol, 0.10 mol, 0.15 mol, dan 0.20 mol. Adapun bahan-bahan pembentuk LTO yang digunakan yaitu  CaCO 3 ,  LiOH.H 2 O,  dan  TiO 2 .  LiOH.H 2 O,  dan  TiO 2 pada  penelitian  ini  berfungsi  sebagai material  bahan  aktif  (anoda)  [11].  Komposisi  massa  masing-masing  bahan  pembentuk  LTO dihitung secara stoikiometri. Serbuk bahan aktif anoda LTO yang telah didoping CaCO 3 dengan tiap konsentrasi selanjutnya disiapkan sebanyak 1 gram tiap sampel untuk dikarakterisasi dengan analisis  XRD  untuk  mengetahui  struktur  kristal  dari  sampel  bahan  aktif. Berikut  ditampilkan serbuk bahan aktif anoda LTO pada Gambar 3.
Gambar 3. Serbuk bahan aktif anoda LTO yang didoping CaCO 3
Setelah  didapatkan  hasil  XRD  dan  dianalisis  serta  menunjukkan  tidak  terdapatnya  fasa CaCO 3 yang  terbentuk  pada  pola  difraksi  bahan  aktif  anoda  LTO  dan  tidak  adanya  pengaruh doping terhadap struktur host dari LTO, maka dengan metode soild state reaction sintesis bahan aktif  anoda  LTO  yang  telah  didoping  CaCO 3 cangkang  kerang  kepah  telah  berhasil  [1]  [3]. Selanjutnya  Li 4 Ti 5 O 12 terdoping  CaCO 3 cangkang  kerang  kepah  dibuat  dalam  lembaran  anoda untuk  selanjutnya  dilakukan  pengukuran nilai  konduktivitasnya  menggunakan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS).

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  penelitian  ini,  kandungan  unsur  yang  paling  dominan  pada  serbuk cangkang kerang kepah adalah Ca dengan persentase sebesar 97,63%. Nilai persentase ini sesuai dengan  literatur  penelitian  terdahulu  ,  sehingga  dapat  disimpulkan  bahwa  kalsium  karbonat (CaCO 3 ) dari cangkang kerang kepah berhasil dipreparasi dan berpotensi untuk dijadikan sebagai doping anoda baterai Litium-Ion.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]   M. E. Saputra, "Pengaruh Doping CaCO3 Dari Cangkang Kerang Darah (Anadara granosa) Terhadap  Struktur  Kristal  dan  Nilai  Konduktivitas  Anoda  Li4Ti5O12,"  Universitas  Bangka Belitung, Bangka, 2021.
[2]   A.  I.  Najihah  and  Z.  A.  I.  Supardi,  "Pengaruh  Waktu  Tahan  Kalsinasi  Terhadap  Performa Elektrokimia Anoda Li4Ti5O12," Jurnal Inovasi Fisika Indonesia (IFI) , vol. 8, no. 03, pp. 62- 65, 2019.
[3]   A.  Subhan,  D.  Setiawan  and  S.  Saptari,  "Preparation  And  Ionic  Conductivity  Of Li3,9Ca0,1Ti5O12  Using  Waste  Chicken  Eggshells  As  Ca  Source  For  Anode  Material  of Lithium-Ion Batteries," IOP Conf. Series: Materials Science and Enggineering, 2018.
[4]   F.  Afriani,  Mustari  and  Y.  Tiandho,  "Pengaruh  Lama  Pemanasan  Terhadap  Karakteristik Kristal Kalsium dari Limbah Cangkang Kerang," Jurnal EduMatSains, vol. 2, no. 2, pp. 189- 200, 2018.
[5]   F. Akbar, R. Kusumaningrum, M. S. Jamit, A. Noviyanto, W. B. Widayatno, A. S. Wismogroho and N. T. Rochman, "Sintesis Ca2P2O7 dari Limbah Kerang dengan Metode Solvothermal," Jurnal Fisika Dan Aplikasinya, vol. 15, no. 3, pp. 111-113, 2019.
[6]   I. Sumarlan and R. B. Mentari, "Esterification of Waste Cooking Oil using Heterogeneous Catalyst from Pearl Shell," Jurnal Akademika Kimia , vol. 9, no. 3, pp. 183-190, 2020.
[7]   P.  M.  Insani  S  and  Rahmatsyah,  "Analisis  Pola  Struktur  Kalsium  Karbonat  (CaCO3)  pada Cangkang  Kerang  Darah  (Anadara  granosa)  di  Bukit  Kerang  Kabupaten  Aceh  Tamiang," Jurnal Teori dan Aplikasi Fisika, vol. 09, no. 01, pp. 23-32, 2021.
[8]   A. O. Maisyarah, A. Shofiyani and Rudiyansyah, "Sintesis CaO Dari Cangkang Kerang Ale-Ale (Meretrix meretrix) Pada Suhu Kalsinasi 900°C," Jurnal Kimia Khatulistiwa, vol. 8, no. 1, pp. 37-40, 2019.
[9]   Hariyati, A. Shofiyani and M. A. Wibowo, "Ekstraksi Kalsium Karbonat (CaCO3) DARI Bahan Dasar  Cangkang  Kerang  Ale-Ale  (Meretrix  meretrix)  Pada  Temperatur  KalsinasI  500°C," Jurnal Kimia Khatulistiwa, vol. 8, no. 1, pp. 54-58, 2019.
[10]  Ipi,  "Sintesis  Elektroda  Anoda  Baterai  Ion  Litium  Berbasis  Karbon  Aktif  Kulit  Lada," Universitas Bangka Belitung, Bangka, 2021.
[11]  D.  Fatahilah,  "  Pengaruh  Variasi  Doping  Zirkonium  Pada  Lithium  Sodium  Titanium  Oxide (Na2Li2Ti6ZrxO14) Terhadap Kinerjanya Sebagai Bahan Aktif Anoda Baterai Lithium-Ion," UNY, Yogyakarta, 2018.
[12]  Y.  Tiandho,  W.  Sunanda,  F.  Afriani,  A.  Indriawati and  T.  Handayani,  "Accurate  model for temperature dependence of solar cell performance according to phonon energy," Latvian Journal of Physics and Technical Sciences, vol. 55, no. 5, pp. 15-25, 2018.
[13]  D.  &.  R.  T.  B.  Linden,  "Handbook  Of  Batteries  E  Ed.  3  Penyunt,"  The  Mcgraw-Hills Companies, Inc, Amerika Serikat, 2002.
[14]  J. A. Khalil, "Sintesis Dan Karakterisasi Nanokomposit Fe3O4/Go/Cnts Sebagai Bahan Anoda Baterai Lithium," UNIMED, Medan, 2019.
[15]  A. Subhan, D. Setiawan, S. A. Saptari and B. Prihandoko, "Analisa Koefisien Difusi Anoda Lto Yang  Didoping  Ca  Dari  Limbah  Kulit  Telur  Untuk  Aplikasi  Baterai  Lithium-Ion  Berdaya Tinggi," Jurnal Material dan Energi Indonesia, vol. 07, no. 02, pp. 6-11, 2017.