REGANGAN KISI DAN UKURAN BUTIR ELEKTROLIT PADAT KOMPOSIT ALKALI-ALUMINA

## Yustinus Purwamargapratala dan Safei Purnama
Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir, BATAN, Puspiptek, Serponng, Tangerang, Banten 15314
Email : pratala yustinus@yahoo.com

## ABSTRAK
REGANGAN  KISI DAN UKURAN BUTIR ELEKTROLIT PADAT KOMPOSIT  ALKALI-ALUMINA . Penelitian  regangan  kisi  dan  ukuran  butir  elektrolit  padat    alkali-alumina  telah  dilakukan.  Komposit alkali-alumina yang  yang diteliti adalah alumina dengan penambahan bahan alkali Ba, Ca, Na, dan Li ke bahan alumina dan alumina tanpa penambahan alkali. Bahan aluminium hidroksida dan garam alkali  nitrat  dicampur  dengan  perbandingan  mol  1:1  dalam  larutan  air,  dilakukan  evaporasi  dan pirolisis  pada  temperatur  300 0 C  selama  1  jam.  Hasil  pirolisis  dicampur  alumina  dengan perbandingan  berat  1:1,  dikompaksi,  dan  dipanaskan  600 0 C  selama  3  jam.  Karakterisasi  hasil sintesa digunakan dengan XRD ( X-Ray Difractometer ) pada 2 θ antara 20 o -80 o dengan target CuK . Hasil  analisa  menunjukkan  bahwa    terjadi  penurunan  intensitas  dan  pergeseran  puncak  difraksi setelah penambahan alkali, sudut difraksi semakin membesar.  Penambahan alkali Ca, Ba, Na, dan Li menjadikan penurunan regangan kisi menjadi 0,0028; 0,0016; 0,0015; dan 0,0007 dari regangan kisi  alumina  0,004.  Ukuran  butir  alumina-alkali  pada  Ba-alumina,  Na-alumina,  dan  Li-alumina mengecil  menjadi  75,814;  69,7948;  dan  48,4003  nm,  sedangkan  pada  Ca-alumina  menjadi  lebih besar  yaitu  183,7855  nm,  ukuran  butir  alumina  sebelum  penambahan  alkali  adalah  138,3441  nm. Hasil  penelitian  ini  dapat  memberikan  informasi  dalam  pemilihan  komposit  alkali-alumina  dengan konduktifitas ionik terbesar dan metodenya dapat digunakan pada bahan bakar nuklir.
Kata kunci : Regangan kisi, ukuran kristalit, elektrolit padat, alkali-alumina

## ABSTRACT
LATTICE STRAIN AND GRAIN SIZE SOLID COMPOSITE ELECTROLITE OF ALKALI-ALUMINA . Research  of  lattice  strain  and  cristalite  size  of  solid  electrolyte  of  alumina –alkali  has  been  done. Alkali-alumina  composites  studied  are  alumina  with  the  addition  of  alkaline  materials  Ba,  Ca,  Na, and  Li  into  the  material  of  alumina  and  alumina  without  the  addition  of  alkali.  Material  hidroksida aluminum nitrate alkali and salt mixed with  mol comparison 1:1 in water solution was do evaporated and  pirolysis  at  temperatures  300 0 C  for  1  hour.    Pirolysis    results  was  mixed  alumina  comparison mol with 1:1, compacted, and heated  600 0 C for 3 hours. Characterization results used with XRD (X- Ray Difractometer). Results of analysis show at 2θ = 20 o -80 o
decrease and shift in diffraction peak after the addition of alkali, the diffraction angles increase. The addition of alkali Ca, Ba, Na, and Li was decreased in lattice strain be 0.0028, 0.0016, 0.0015, and 0.0007  from  0.004  alumina  lattice  strain.  Alumina  grain  size  the  alkali-alumina  in  Ba-alumina,  Na- alumina, and Li-alumina over a 75.814, 69.7948 and 48.4003 nm, while the Ca-alumina outgrow the
183.7855 nm, the grains size of alumina before the addition of alkali is 138.3441 nm. The results of this  research  can  provide  information  in  the  selection  of  alkali-alumina  composite  with  the  largest ionic conductivity and the methode can applied to nuclear fuel.
Keywords: Lattice strain, the size kristalit, solid electrolyte, alkali-alumina

## PENDAHULUAN
Beta-alumina  merupakan  konduktor ionik  natrium  yang  baik,  biasanya  digunakan sebagai  elektrolit  padat  pada  baterai  natrium sulfur.    Komposit  alkali-alumina  dengan  alkali Ba,  Ca,  Li,  dan  Na  telah  diteliti  sebelumnya dan  dapat  digunakan  sebagai  elektrolit  padat. Komposit  alkali-alumina  merupakan  suatu konduktor padat. Elektrolit padat ini digunakan pada  sistem  sel  baterai  padat [1] .  Penelitian konduktivitas proton konduktor pada temperatur  rendah  telah  dilakukan  terhadap garam oksida  asam sulfat, asam phospat dan yang  berhubungan  dengan  keramik[ 2-4] .  Telah pula  dilakukan  pembuatan  keramik  beta alumina  (  ”-Al 2 O 3 )  sebagai  bahan  elektrolit padat pada baterai kering [5] . Bahan baku yang digunakan  adalah  NaCO 3 ,  Mg(OH) 2 CO 3 dan  -Al 2 O 3 dengan  cara  campuran  padat.  Suhu sintering  divariasi  1400 –1600  C  selama  2 jam.  Untuk  fasa  -Al 2 O 3 hanya  muncul  pada suhu  1400  C  tanpa  aditif  MgO.  Ukuran  butir yang  diperoleh  berkisar  antara  2 –4  m  dan dimensi  pori  sekitar  26  m,  dimana  bentuk, ukuran  dan  dimensi  pori  sangat  tergantung pada  kondisi  sintering  dan  jumlah  aditif  MgO. Nilai  ekspansi  termal  pada  kondisi  sintering terbaik  (1550 –1600  C)  sekitar  (8 –11)x10 -6  C -1 .  Nilai  konduktivitas  yang  optimum  adalah
1,25 –9,34  (ohm  cm) -1 yang  diperoleh  pada suhu  sintering  1550  C,  ditahan  2  jam  pada sampel dengan aditif 4,8 % berat MgO [6].
Garam  nitrat  dan  garam  oksida  lainnya mempunyai  konduktifitas  ionik  tinggi  yaitu antara  10 -2 sampai  10 -1 S/cm  pada  400 o C. Garam  oksida  asam  dan  bahan  keramik mempunyai  keunggulan  mekanik  dan  kimia pada  suhu  operasi  rendah.  Bahan  ini  banyak digunakan  di  masa  mendatang  untuk  baterai padat [7 ] .
Konduksi  ionik  di  dalam  suatu  bahan padat  terjadi  akibat  adanya  ketidakteraturan pada  bahan  tersebut.  Getaran  thermal  pada bahan  menyebabkan  ion  memperoleh  energi untuk  melakukan  perpindahan  dari  satu tempat  ke  tempat  lain  di  dalam  suatu  kristal sehingga terjadi kekosongan, hal ini menyebabkan  cacat  kristal.  Tidak  ada  kristal yang  sempurna,  setiap  kristal  mengandung cacat (defect). Cacat kristal ini besar kemungkinannya terjadi selama proses pertumbuhan  kristal,  proses  pemurnian  atau proses  perlakuan  (treatment),  dan  bahkan sering  kali  cacat  kristal  sengaja  diciptakan untuk  menghasilkan  sifat-sifat  tertentu.  Cacat kristal  dapat  dibedakan  menjadi    cacat  titik, cacat garis, cacat bidang dan cacat ruang.
Cacat kristal dapat menyebabkan regangan  kisi  dan  akan  mempengaruhi  nilai konduktifitas  ionik  dalam  bahan  tersebut. Kecacatan  tersebut dapat  memperluas  bidang transformasi ionik sehingga konduktifitas ioniknya meningkat.
Keramik  modern  mempunyai  keunikan atau  sifat  yang  menonjol  yaitu  tahan  terhadap temperatur  tinggi,  sifat  mekanis  yang  sangat baik,  sifat  elektrik  yang  istimewa,  tahan terhadap  bahan  kimiawi.  Bahan  bakar  nuklir yang  berbasis  Uranium  Oksida  (UO 2 )  sudah sangat  luas  digunakan.  Bahan  tersebut merupakan  keramik  modern  dan  mempunyai kemampuan  yang  unik  untuk  menjaga  sifat- sfat  yang  unggul  setelah  penggunaan  yang lama sebagai bahan bakar pada reaktor nuklir. Tujuan pembuatan bahan bakar antara lain untuk memperoleh satuan bahan bakar sekecil mungkin  dan  berupa  partikel  berlapis.  Partikel ini  tidak  saja  harus  dapat  mengungkung produk  fisi  tetapi  berfungsi  pula  sebagai moderator  dengan  adanya  grafit,  sehingga
perbedaan  suhu  dalam  bahan  bakar  kecil  dan bahan bakar tidak mudah mengalami keretakan.  Pengukuran  regangan  kisi  dan diameter  bahan  bakar  juga  perlu  dilakukan agar diperoleh diperoleh karakter  bahan bakar yang optimal.
Penentuan  diameter  partikel  dalam  bahan bakar  reaktor  nuklir  oleh  R.  Didiek  Hernady, dan  kawan-kawan [8] .  Bahan  bakar  reaktor berupa  campuran  oksida  (U-Th)O 2 berbentuk bola dengan diameter 0,5 mm.
Diameter  kernel  U 3 O 8 ditentukan  dengan metode  optis  menggunakan  mikroskop  optik. Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  diameter kernel  U 3 O 8 semakin  kecil  seiring  dengan meningkatnya suhu kalsinasi.
Dalam  penelitian  ini  dilakukan  penentuan regangan  kisi  dan  ukuran  butir  alkali-alumina dengan  menggunakan  data  hasil  uji  difraksi sinar-X.  Penentuan  regangan  kisi  dan  ukuran butir  komposit  elektrolit  padat  alkali  alumina dengan  varian  alkali  Ba,  Ca,  Na,  dan  Li, sedangkan  parameter  proses  sintesa  dibuat sama. Metode ini dapat diterapkan juga dalam penentuan  regangan  kisi  dan  diameter  butir bahan bakar reaktor.

## TATA KERJA
Bahan  yang digunakan
dalam penelitian  ini  adalah  aluminium  hidroksida, lithium  nitrat,  natrium  nitrat,  barium  nitrat, kalsium  nitrat.  Sedangkan  peralatan  yang dipakai  neraca  semi  analitis,  pengaduk  dan pemanas  magnet,  mesin  pres,  tungku  sinter, peralatan gelas, dan XRD.
Bahan  aluminium  hidroksida  dan garam  alkali  dicampur  dengan  perbandingan mol  1  :  1  dalam  larutan  air.  Campuran  ini diaduk  hingga  homogen,  kemudian  dilakukan evaporasi dan pirolisis pada temperatur 300 0 C selama 1 jam. Hasil pirolisis dicampur alumina dengan  perbandingan  mol  1:1,  kemudian dikompaksi,  dan  dipanaskan  600 0 C  selama  3 jam. Hasil
sintesa
dikarakterisasi
menggunakan  XRD  ( X-Ray  Difractometer ) pada 2 θ=20 o -80 o .

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  sintesa  yang  terdiri  dari Alumina-Ba, Alumina-Ca,  Alumina-Na,  dan  Alumina-Li berupa  padatan  yang  dikompaksi,  demikian pula    alumina  tanpa  penambahan  alkali  yang digunakan  sebagai  pembanding.  Sampel dikarakterisasi  menggunakan  XRD  ( X-Ray Difractometer )  pada  2 θ  =  20 o -  80 o dengan target  Cu  K  dengan  difraktogram  seperti diperlihatkan pada Gambar
5.
Dari difraktogram  Gambar  5a.  terlihat  bahwa puncak-puncak  alumina  adalah  pada  2  = 25,225 o ; 34.803 o ; 43,008 o ; dan 57,154 o .
Puncak-puncak  tersebut  juga  teramati pada  sampel-sampel  alumina-Ba,  alumina-Ca, alumina-Na,  dan  alumina-Li.  Namun  demikian sudut  difraksinya  tidak  tepat  sama  dengan puncak-puncak alumina sebelum penambahan
20 30 40 50 60 70 80 In te n s ita s ( A b r. U n it ) 2  (deg)
Gambar 5.  Pola Difraksi Sinar-X sampel dari a. Alumina, b. Alumina-Ba c. Alumina-Ca d. Alumina-Na e. Alumina-Li
2000 1500 1000 500 0 I n t e n s it y ( k c p s ) 35.2 35.0 34.8 34.6 2  (deg) a b c d e a 2 1200 1000 800 600 400 200 In te n s it y ( k c p s ) 57.4 57.3 57.2 57.1 57.0 56.9 2  (deg) c a b d e
alkali,  terjadi  pergeseran  sesuai  dengan  alkali yang ditambahkan.
Demikian  pula  intensitas  puncak- puncak tersebut mengalami perubahan dibanding  intensitas  alumina.  Intensitas  pada alumina-Ba  dan  alumina-Ca  lebih  rendah, sedangkan  alumia-Na  dan  alumina-Li  lebih tinggi, seperti diperlihatkan pada Tabel 1
Tabel 1. Hasil analisis data XRD sampel Alumina, Alumina-Ba, Alumina Ca,
Alumina-Na, Alumina-Li Sampel 2  ( o ) Intensitas FWHM Alumina 25.225 599.37 0.16412 34.803 1242.2 0.15371 43.008 821.11 0.17865 57.154 864.11 0.22715 Alumina+Ba 25.512 581.7 0.11899 34.871 697.03 0.15036 43.267 617.59 0.18289 57.38 497.12 0.18031 Alumina+Ca 25.301 437.72 0.1534 34.927 2187.5 0.16005 43.075 416.83 0.16589 57.196 332.88 0.18166 Alumina+Na 25.354 1587.1 0.16061 34.971 1246.5 0.20699 43.117 1482.1 0.17889 57.255 1050.4 0.22486 Alumina+Li 25.391 1184.2 0.19389 35.085 891.16 0.16375 43.158 1095.6 0.20963 57.28 666.84 0.25183
Ba dan Ca merupakan unsur golongan II  sedangkan  Na  dan  Li  merupakan  unsur golongan  I.  Penurunan  intensitas  ini  dapat menunjukkan  bahwa  alumina  lebih  mudah mengikat alkali  golongan  I  dari  pada  terhadap alkali golongan II.
Pengamatan  terhadap  puncak-puncak alumina menunjukkan adanya nilai pergeseran 2  yang  berbeda  untuk  masing-masing sampel, hal ini diperlihatkan pada Gambar 6.
Gambar 6.a. Hasil fitting puncak alumina pada 2 θ sekitar 35 o sampel dari a.  Alumina b. Alumina-Ba  c. Alumina-Ca d. Alumina-Na  e. Alumina-Li
Gambar 6.b. Hasil fitting puncak alumina pada 2 θ sekitar 57.2 o sampel dari a. Alumina,  b. Alumina- Ba c.Alumina-Ca d.  Alumina- Na  e.   Alumina-Li
Dari  rumusan  =  2  d  sin  dan fenomena  yang  terjadi  pada  Gambar  6a  dan 6b,  menunjukkan  bahwa  peningkatan  nilai  disebabkan  oleh    adanya  penurunan  nilai  d, demikian  pula  penurunan  nilai  disebabkan
peningkatan  nilai  d.  Hal  ini  terjadi  karena  nilai
 adalah tetap.
Atom-atom  golongan  I  mempunyai nomor  atom  lebih  kecil  dari  pada  nomor  atom golongan II sehingga ukuran atomnyapun lebih kecil, sedangkan reaktifitas lebih besar. Hal ini menyebabkan  alkali  golongan  I  lebih  mudah membentuk ikatan terhadap alumina.
Regangan kisi (  ) dan ukuran butir (D) dihitung  dari  data  tabel  1  dengan  membuat grafik  hubungan  cos  dan  sin

berdasarkan
persamaan
Bragg
yang diperlihatkan pada Gambar 7 :
 (cos  = 2  (sin q)  -1 + 0,9 D -1
dimana :  : lebar puncak difraksi pada FWHM
 : sudut braga
 panjang gelombang sinar-X
 : regangan kisi
D : ukuran butir
Gambar 7. Hubungan  (cos   dan (sin  )  sampel dari a.Alumina, b.Alumina-Ba c.Alumina-Ca d.Alumina-Na  e.Alumina-Li
Dari  Gambar  7  dapat  diketahui  nilai regangan  kisi    yaitu  suatu  nilai  yang  dihitung berdasarkan  nilai  gradien  grafik  tersebut  dan ukuran kristalit sampel yang dihtung berdasarkan nilai intersepnya.
Nilai  regangan  kisi  suatu  senyawaan dapat  menginterpretasikan  seberapa  besar keregangan  atom-atom  penyusun  senyawaan tersebut. sedangkan ukuran kristalit menginterpretasikan  seberapa  besar  butir/
kristalitnya.
Tabel 2. Hasil perhitungan regangan kisi dan ukuran kristalit dari a.Alumina,
b.Alumina-Ba, c.Alumina-Ca
d.Alumina-Na  e.Alumina-Li
Tabel 2 menunjukkan bahwa regangan  kisi  alumina  tanpa  ditambah  alkali adalah 0,0040 dan akan mengalami penurunan dengan penambahan alkali. Penurunan nilai regangan  kisi terbesar adalah pada  alumina-Li,  ini  berarti  nilai  regangan  kisi alumina-Li  adalah  terkecil.  Hal  ini  berarti rongga antar atom alumina dan Li paling besar sehingga  peluang  terjadinya  transformasi  ion semakin besar pula. Transformasi ion dipengaruhi  oleh  regangan  kisi,  dimana  pada regangan  kisi  yang  rendah  berarti  jarak  antar bidang kristal lebih besar sehingga mempermudah transformasi ion yang melaluinya.
Ukuran  kristalit  alumina  tanpa  alkali adalah  138,3441  nm  akan  meningkat  pada penambahan  alkali  Ba  sedangkan  pada penambahan Ca, Na, dan Li akan menyebabkan ukuran kristalit mengecil.
Pada  sistem  periodik  usur  terlihat bahwa  diameter  atom  Ba,  Ca,  Na,  dan  Li berurutan semakin mengecil. Hal ini menyebabkan  ikatan  antara  Li  dan  alumina paling  kuat  dari    pada  yang  lain,  akibatnya ukuran kristalit Li-alumina paling kecil diantara yang lain.
Penambahan  alkali  Li  pada  alumina menyebabkan ukuran kristalit paling kecil yaitu 48,40031nm. Hal ini mendukung hasil
penelitian  sebelumnya  yaitu  nilai  konduktifitas alumina-Li  adalah  tertinggi  daripada  alumina- alkali lainnya [1] .

## SIMPULAN
Penambahan alkali Ca, Ba, Na, dan Li ke  dalam  alumina  menyebabkan  penurunan regangan  kisi  dari  alumina.  Ukuran  kristalit alumina-alkali  pada  alumina-Ba  lebih  besar sedangkan pada alumina-Ca, alumina-Na, dan alumina-Li lebih kecil dari pada alumina.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan  terima  kasih  yang sebesar-besarnya  kami  sampaikan  kepada Bapak  Drs.  Patrisius  Purwanto,  M.Sc  atas kerja  sama  dan  diskusi  mengenai  topik makalah  ini,  juga  kepada  Bapak  Yosef Sarwanto,  S.ST  yang  banak  membantu dalam karakterisasi dengan metode XRD.

## DAFTAR  PUSTAKA
1. YUSTINUS PURWAMARGAPRA-TALA, S.PURNAMA, dan P.PUR-WANTO,
Pengaruh  Alkali  Dalam  Pembentukan Elektrolit  Padat  Berbasis  Alumina  Alkali, Journal  Sains  Materi ,  ISSN  1411-1098,
Edisi  Khusus  Desember  2008,  halaman 136-139.
2. PB.HEED,  B.ZHU,  E.MELLANDER,  dan A.LUNDEN, Solid  State  Ionics ,  46(1991), 121.
3. E.MELLANDER  dan  B.ZHU, Acta  Chem. Scand , 45 (1991) 981.
4. B.ZHU  dan  E.MELLANDER, in  High Temperature Electrochemical Behaviour of Fast  Ion  and  Mixed  Conductors,eds , F.W.Poulsen,  JJ.Bentzen,  T.Jacobson, E.Skou  and  MJL.Østergård  (Risø  national laboratory, Roskilde, 1993) page.495.
5. SAFEI PURNAMA, Synthesis Solid Electrolyte  Of  Beta-Alumina ,  Prosiding Pertemuan  Ilmiah  Ilmu  Pengetahuan  dan Sampel Regangan Kisi Ukuran Kristalit (nm) Alumina 0.0040 138.3441 Alumina+Ba 0.0028 183.7855 Alumina+Ca 0.0016 75.81409 Alumina+Na 0.0015 69.79475 Alumina+Li 0.0007 48.40031

## Teknologi  Bahan  1999,  Serpong  19-20
Oktober 1999.
6. RAMLAN,  Pengaruh  MgO  Dan  Suhu Sintering Terhadap Mikrostruktur Dan Sifat Fisis  Keramik  Beta  Alumina  (  ”  -  Al 2 O 3 ),
Skripsi Jurusan Fisika Universitas
Indonesia, 30 Agustus 2001.
7. P.PURWANTO  dan  S.PURNAMA,  Penga- ruh Konsentrasi AgI Terhadap Sifat Termal
dan  Konduktifitas  Elektrolit Padat (AgI) x ( β- Al 2 O 3 ) 1-x (x=0,3  dan  x  =0,5).  Jurnal  Sains Materi  Indonesia  Vol  9,  No.2,  Februari 2008 halaman 105-109.
8. R.DIDIEK  HERHADY,  R.SUKARSONO, dan  BUSRON  MASDUKI,  Pengaruh  Suhu Kalsinasi  Dalam  Tungku  Jenis Fluidized BED Terhadap  Sifat  Fisis  Kernel  U3O8, Journal  Kimia  Indonesia,  Vol  1,(21)2006, halama 1-4.