sai ISSN: 1410-8917
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 18 (3) (2015) : 101 – 103
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi Journal of Scientific and Applied Chemistry
Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/ksa
Pengaruh Variasi Konsentrasi Doping Kobal terhadap Karakteristik Elektrolit Padat NaMn 2-X Co x O 4 Menggunakan Metode Sol-Gel
Selfina Riska Ardila a , Rahmad Nuryanto a* , Taslimah a
a Chemistry Department, Faculty of Sciences and Mathematics, Diponegoro University, Jalan Prof. Soedarto, Tembalang, Semarang * Corresponding author: nuryantorahmad@live.undip.ac.id
A r t i c l e   I n f o

## A b s t r a c t
Keywords: solid electrolytes, conductivity, sol- gel method, NaMn 2- x Co x O 4
Research  on  the  effect  of  variations  on  the  concentration  of  cobalt  doping  in  the manufacture of solid electrolytes using sol-gel method which was thought to increase the conductivity of the material has been done. The conductivity could be increased by adding cation doping such as cobalt. The preparation of the NaMn 2-x Co x O4 solid electrolyte was carried out by mixing 0.2 M acetate, 0.3 M acetate M, Polyvinyl Alcohol with Co-acetate variation of 0.025; 0.05; 0.1; 0.2; and 0.4 M. The resulting material was characterized using XRD, SEM-EDS and LCR-meters. The results showed that the highest concentration and doping products produced the highest conductivity of 3.3174 x 10 -6 S/cm.

## A b s t r a k
Kata Kunci: elektrolit padat, konduktivitas, metode sol-gel, NaMn 2-x Co x O 4
Penelitian tentang pengaruh variasi konsentrasi doping kobal dalam pembuatan elektrolit padat  menggunakan  metode  sol-gel  yang  diduga  dapat  meningkatkan  konduktivitas material  telah  dilakukan.  Konduktivitas  dapat  ditingkatkan  dengan  menambahkan doping kation seperti kobal. Pembuatan elektrolit padat NaMn 2-x Co x O 4 dilakukan dengan pencampuran Na asetat 0,2 M, Mn asetat 0,3 M, Polivinil Alkohol dengan variasi Co asetat 0,025; 0,05; 0,1; 0,2; dan 0,4 M. Material yang dihasilkan dikarakterisasi menggunakan XRD,  SEM-EDS  dan  LCR-meter.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  produk  dengan konsentrasi  dan  doping  tertinggi  menghasilkan  konduktivitas  tertinggi  yaitu  sebesar 3,3174 x 10 -6 S/cm.

## 1. Pendahuluan
Kebutuhan energi dunia semakin meningkat seiring dengan  tingkat  kemajuan  peradaban  umat  manusia. Pemanfaatan  sumber  energi  konvensional  seperti batubara, bahan bakar minyak, gas alam dan lain-lain di satu sisi memiliki biaya operasional murah, namun di sisi lainnya  menghadapi  kendala  yang  semakin  besar. Kendala tersebut adalah sumbernya semakin berkurang dan  lebih  penting  lagi  munculnya  persoalan  polusi lingkungan  hidup  yang  membahayakan  bagi  umat manusia  itu  sendiri.  Oleh  karena  itu,  pengembangan sumber  tenaga  alternatif  terbarukan  dan  bebas  polusi menjadi  kebutuhan  mendesak  bagi  seluruh  umat manusia.  Melihat  kondisi  yang  ada,  salah  satu  upaya sumber  energi  alternatif  adalah  mengembangkan baterai.  Baterai  merupakan  sel  elektrokimia  yang
menghasilkan  tegangan  konstan  sebagai  hasil  reaksi kimia [1]. Elektroda yang teroksidasi disebut anoda dan elektroda  yang  terekduksi  disebut  katoda.  Elektroda dapat  beroperasi  jika  dapat  menghantarkan  elektron dalam  sistem  baterai,  sehingga  harus  mempunyai  daya hantar  tinggi,  tetapi  untuk  bisa  beroperasi  diperlukan separator  [2,  3].  Sirkuit  terbuka  dalam  sistem  baterai yang dirangkaikan dalam keadaan standar energi bebas Gibbs  yang  mampu  mengubah  reaksi  kimia  menjadi energi  listrik.  Baterai  menjadi  energi  alternatif  karena bentuknya sederhana, ringan, tahan lama dan dapat diisi ulang  energinya  [4,  5].  Elektrolit  merupakan  bagian penting dalam sel elektrokimia baik dalam pengoperasiannya maupun dan dalam sistem kelengkapannya.  Selain  itu  elektrolit  harus  dapat menghantarkan  elektron  dan  menghasilkan  elektron untuk menjalankan sel elektrokimia. Material padat ion
logam  merupakan  sumber  energi  yang  diterapkan  pada baterai lithium dimana terdapat keunggulan yaitu tidak menyebabkan kebocoran elektrolit seperti elektrolit cair [6,  7].  Selain  itu  elektrolit  tersebut  mudah  diisi  ulang. Pada  sintesis  elektrolit  padat  ini  ditambahkan  doping logam  agar  konduktivitas  yang  dihasilkan  lebih  baik, serta  semakin  tinggi  konsentrasi  elektrolit,  maka  akan mempengaruhi  konduktivitas yang  dihasilkan. Struktur rapi  akan  mempersulit  elektrolit  bergerak  sehingga memperkecil  konduktivitas.  Sintesis  baterai  dengan menggunakan  natrium  NaMn 2-x Ni x O 4 telah  dilakukan oleh  Zhang dkk.  [8]  dengan  menyisipkan  logam  Ni sebagai doping. Pada penelitian ini dilakukan pembuatan elektrolit  padat  NaMn 2-x Co x O 4 bertujuan  untuk  dapat memperbaiki  kelamahan – kelemahan  yang  ada  pada elektrolit padat NaMn 2-x Ni x O 4 yaitu kurangnya homogenitas,  distribusi  ukuran  partikel  yang  besar, meningkatkan konduktivitas. Pembuatan elektrolit padat ini memvariasi konsentrasi larutan logam kobal sebagai doping. Uji yang dilakukan pada analisa elektrolit padat NaMn 2-x Co x O 4 adalah  XRD,  SEM-EDS  serta  pengujian konduktivitas menggunakan LCR-meter.

## 2. Metode Penelitian
Sintesis  elektrolit  padat  NaMn 2-x Co x O 4 dilakukan menggunakan  metode  sol-gel  [6,  9,  10]  dengan mencampurkan  Na(CH 3 COO).H 2 O,  Mn(CH 3 COO) 2 .4H 2 O, Co(CH 3 COO) 2 .4H 2 O  dan  aquabidestilata  serta  PVA. Pengadukan selama 3 jam kemudian pemanasan dengan suhu  80°C  selama  12  jam  sampai  diperoleh  padatan bewarna  ungu  kehitaman  dan  kalsinasi  dengan  suhu 800°C  selama  4  jam  kemudian  material  yang  diperoleh diukur konduktivitasnya dengan LCR-meter.

## 3. Hasil Dan Pembahasan
Pembuatan Kristal NaMn 2-x Co x O 4 .
Sintesis  elektrolit  padat  NaMn 2-x Co x O 4 dilakukan dengan mencampurkan Na(CH 3 COO).H 2 O,
Mn(CH 3 COO) 2 .4H 2 O, Co(CH 3 COO) 2 .4H 2 O dan aquabidestilata  serta  PVA.  Penambahan  PVA  berperan sebagai  agen  pendispersi  garam-garam  asetat  yang kemudian  akan  menghasilkan  elektrolit  padat  NaMn 2- x Co x O 4. .  Pengadukan  dilakukan  selama  3  jam  bertujuan untuk menghomogenisasikan larutan sehingga menghasilkan  larutan  jernih  dan  bewarna  ungu kemerahmudaan. Pemanasan dengan suhu 80°C selama 12  jam  bertujuan  untuk  menghilangkan  komponen  H 2 O yang  masih  ada  didalam  larutan  tersebut.  H 2 O  dapat menguap pada temperatur kurang dari 100°C [11].
Dilakukan kalsinasi pada temperatur 800°C selama 4 jam  bertujuan  untuk  untuk  menguapkan  zat  organik yang  masih  terdapat  dalam  sampel  dan  pembentukan struktur  awal  padatan  kristal  dan  terjadi  pembentukan awal  struktur  kristal.  Penggunaan  temperatur  800°C dikarenakan  titik  didih  natrium  asetat(anhidrat) mencapai 883°C, sedangkan titik leleh mangan dan kobal mencapai  2061°C  dan  2870°C,  sehingga  pada  saat temperatur  kalsinasi  tersebut,  logam-logam  natrium, mangan dan kobal tidak akan menguap ataupun berubah fasa  menjadi  gas.  Hasil  yang  diperoleh  yaitu  pada
masing-masing  konsentrasi  memiliki  hasil  yang  sama hanya  saja  semakin  tinggi  variasi  konsentrasi  doping kobal, maka semakin pekat pula warnanya. Sama halnya dengan  warna,  berat  kristal  memperoleh  hasil  yang linier, dimana semakin tinggi konsentrasi doping kobal, semakin besar pula berat kristal yang dihasilkan.
Karakterisasi Produk NaMn 2-x Co x O 4
Produk  yang  diperoleh  elektrolit  padat  NaMn 2- x Co x O 4 dikarakterisasikan dengan X-Ray Diffractometer (XRD)  untuk  Mengetahui  kristalinitas  material, kemudian karakterisasi Scanning Electron Microscopy – Energy  Dispersive  Spectroscopy  (SEM-EDS)  untuk menentukan  morfologi  permukaan,  ukuran  kristal  dan komposisi  material  elektrolit  padat  karakterisasi selanjutnya yaitu pengukuran konduktivitas menggunakan LCR-meter.
Analisis  XRD  memperlihatkan  senyawa-senyawa utama  penyusun  spinel  elektrolit  padat  NaMn 2-x Co x O 4 berupa  logam-logam  oksida  yang  terdiri  dari  NaMnO 2 , Co 3 O 4 dan  Na 2 O,  sedangkan  MnO 2 adalah  hasil  samping dari pembentukan produk utama elektrolit padat NaMn 2- x Co x O 4 .
Analisis  LCR-meter  dalam  penelitian  ini  bertujuan untuk  menentukan  kemampuan  padatan  dalam menghantarkan  arus  listrik.  Pengukuran  konduktivitas elektrolit  padat  dengan  konsentrasi  kobal  asetat  0,4  M memiliki  konduktivitas  optimum  sebesar  3,3174  x  10 -6 Scm -1 1 dan konduktivitas terendahnya ditunjukkan oleh elektrolit padat dengan konsentrasi kobal asetat 0,025 M sebesar  0,0585  x  10 -6 Scm -11 .  Pengaruh  doping  Co  yang ditambahkan  dalam  bentuk  kobal  asetat  terhadap konduktivitas padatan memberikan pola yang linier.
Karakterisasi  produk  elektrolit  padat  dengan menggunakan Scanning  Electron  Microscopy-Energy Dispersive  X-Ray  Spectroscopy  (SEM-EDS)  bertujuan untuk mengetahui morfologi permukaan, ukuran kristal dan  memprediksi  formula  spinel  elektrolit  padat. Karakterisasi menggunakan SEM-EDS dengan mengambil  data  konduktivitas  tertinggi  dan  terendah untuk  kemudian  dibandingkan  morfologi  permukaan, dan komposisi spinel elektrolit padat.
Gambar 2. Morfologi elektrolit padat
Gambar diatas merupakan hasil yang diperoleh pada analisis SEM konsentrasi doping kobal 0,025M dan 0,4M terlihat  bahwa  morfologi  permukaan  produk  pada konsentrasi  doping  kobal  0,4M  nampak  lebih  homogen dan  rata-rata  ukuran  bulir  kristalnya  lebih  kecil dibandingakan produk dengan konsentrasi doping kobal 0,025M, hal ini menyebabkan konduktivitas lebih besar
pada  konsentrasi  0,4M  dibanding  pada  konsentrasi 0,025M dikarenakan besarnya konsentrasi doping kobal membuat  mobilitas  ion  Na  sebagai  motor  penggerak semakin  lebih  leluasa  bergerak  sehingga  lebih  banyak menghasilkan arus listrik.

## 4. Kesimpulan
Hasil produk
NaMn
2-x Co x O 4 dengan variasi konsentrasi doping kobal yang terbentuk berupa kristal NaMn 2-x Co x O 4 .  Semakin  tinggi  konsentrasi  doping  kobal yang  diberikan  memberikan  hasil  yang  lebih  baik  yaitu konduktivitas cenderung semakin meningkat.

## 5. Daftar Pustaka
[1]  Heinz Albert Kiehne, Battery technology handbook, CRC Press, 2003.
[2]  Sulistias Mustika, Abdul Haris, Nor Basid Adiwibawa Prasetya,  Kajian  Metode  Elektrofotokatalisis, Elektrolisis  dan  Fotokatalisis  pada  Dekolorisasi Larutan  Zat  Warna  Remazol  Black  B  yang Mengandung  Ion  Logam  Cu2+, Jurnal  Kimia  Sains dan Aplikasi, 16, 1, (2013) 17-22
[3]  Arthias  Cita  Febriyani,  Rum  Hastuti,  Abdul  Haris, Kajian Metode Elektrofotokatalisis, Elektrolisis dan Fotokatalisis  pada  Dekolorisasi  Larutan  Zat  Warna Remazol Brilliant Orange 3R yang Mengandung Ion Logam Cu2+, Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi, 15, 1,
(2012) 7-12
[4]  Linda  Suyati,  Rahmad  Nuryanto,  Rahmaniar Anggrayni,  Pembuatan  dan  Karakterisasi  Elektrolit Padat  NaMn2-xMgxO4:(I), Jurnal  Kimia  Sains  dan Aplikasi, 13, 1, (2010) 1-3
[5]  Amrtha Bhide, K Hariharan, Sodium ion transport in NaPO
3 – Na 2 SO 4 glasses, Materials  Chemistry  and Physics, 105, 2, (2007) 213-221 http://dx.doi.org/10.1016/j.matchemphys.2007.04.0 44
[6]  Sung-Tae Lee, Seung-Gyun Kim, Min-Ho Jang, Sul- Hyee  Hwang,  Jung-Rim  Haw,  Sung-Ki  Lim,  The phase relationship
of Na-beta-aluminas synthesized  by  a  sol-gel  process  in  the  ternary system  Na2O-Al2O3-Li2O, Journal  of  Ceramic Processing Research, 11, 1, (2010) 86-91
[7]  Anuson  Niyompan,  Rungnapa  Tipakontitikul, Preparation  of β "-Alumina  Solid  Electrolyte  for Electric  Car  Battery,  in,  Department  of  Physics, Faculty  of  Science,  Ubon  Ratchathani  University, Ubon Ratchathani, Thailand, 2009.
[8]  Yong Zhang, Qing-yuan Huo, Yan Lv, Li-zhen Wang, Ai-qin  Zhang,  Yan-hua  Song,  Guang-yin Li,  Hai-li Gao,  Tong-chi  Xia,  Hui-chao  Dong,  Effects  of nickel-doped  lithium  vanadium  phosphate  on  the performance  of  lithium-ion  batteries, Journal  of Alloys  and  Compounds,  542,  (2012)  187-191 http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.07.066
[9]  Dunqiang  Wang,  Liyun  Cao,  Jianfeng  Huang, Jianpeng  Wu,  Synthesis  and  electrochemical properties  of  LiV3O8  via  an  improved  sol – gel process, Ceramics International, 38, 4, (2012) 2647- 2652 http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.11.030
[10] K Suryakala, G Paruthimal Kalaignan, T Vasudevan, Synthesis  and  electrochemical  improvement  of
nanocrystalline  LiMn2-xMgxO4  powder  using  sol- gel method, International Journal of Electrochemical Science, 1, 7, (2006) 372-378
[11]  Arthur  Israel  Vogel,  G.  Svehla,  Textbook  of  Macro and  Semimicro  Qualitative  Inorganic  Analysis, Longman Scientific & Technical, 1987.