Analisis Fasa Nano Partikel LiCoO 2 Sebagai Bahan Katoda Baterai Mampu Isi Ulang Menggunakan X-Ray Diffractometer (Elman Panjaitan )
Akreditasi LIPI Nomor : 395/D/2012
Tanggal 24 April 2012

## ANALISIS FASA NANO PARTIKEL LiCoO
2 SEBAGAI BAHAN KATODA BATERAI MAMPU ISI ULANG MENGGUNAKAN X-RAY DIFFRACTOMETER
Elman Panjaitan 1,2 , Sudaryanto 1 , Yosef Sarwanto 1 dan Bambang Soegijono 2
1 Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang Selatan
2 Program S3, Program Studi Ilmu Bahan-Bahan, FMIPA - UI
Kampus Baru UI, Depok 16424 e-mail : elmanp@batan.go.id Diterima: 26 Juli 2012 Diperbaiki: 7 Desember 2012 Disetujui: 13 Februari 2013

## ABSTRAK
ANALISIS FASA NANO PARTIKEL LiCoO 2 SEBAGAI BAHAN KATODA BATERAI MAMPU ISI ULANG MENGGUNAKAN X-RAY DIFFRACTOMETER . Telah dilakukan penelitian analisis fasa nano partikel LiCoO 2 sebagai bakal bahan katoda dari baterai berbasis ion lithium yang mampu disi ulang menggunakan X-Ray Diffractometer . Nano partikel LiCoO 2 dibentuk menggunakan teknik planetary milling yang diikuti sonikasi, hasil pembentukan nano partikel LiCoO 2 dianalisis menggunakan Scanning Electron Microscope ( SEM ) dan Transmission Electron Microscope ( TEM ), fasa nano partikel LiCoO 2 dianalisis menggunakan XRD . Hasil penelitian menunjukan bahwa nano partikel LiCoO 2 yang terbentuk berukuran 20 nm hingga 40 nm dan fasa nano partikel LiCoO 2 adalah rhombohedral , R-3m, dengan a = b = 2,82 Å dan c = 14,08 Å, dimana LiCo membentuk simetri oktahedral, 3-3m dan CO 2 membentuk simetri tetrahedral, 63m.
Kata kunci : LiCoO 2 , Nano partikel LiCoO 2 , Katoda, Baterai lithium

## ABSTRACT

## PHASE ANALYSIS OF PARTICLES NANO LiCoO
2 AS CATHODE MATERIALS OF RECHARGEABLE BATTERY USING X-RAY DIFFRACTOMETER . Research of the analysis of particle nano LiCoO 2 phase as cathode material of lithium ion based batteries rechargeable using XRD has been done. Particle Nano LiCoO 2 are synthesized using planetary milling technique followed by sonication. The morphology of particle nano LiCoO 2 are characterized by using Scanning Electron Microscope ( SEM ) dan Tranf Electron Microscope ( TEM ), the phase of particle nano LiCoO 2 have been analyzed using XRD. The results show that the size of the particle nano LiCoO 2 isare 20-40 nm, the phase of n-particles LiCoO 2 is rhombohedral, R-3m, with a = b = 2.82 Å and c = 14.08 Å, where LiCo formed octahedral symmetry, 3-3m, and CO 2 to formed tetrahedral symmetry, 63m.
Keywords : LiCoO 2 , particle nano LiCoO 2 , Chatode, Lithium batteries

## PENDAHULUAN
Lithium cobalt oxida , LiCoO 2 , banyak digunakan sebagai elektroda positif pada baterai ion lithium mampu isi ulang. LiCoO 2 sebagai katoda mempunyai tegangan operasional 3,5 Volt hingga 4,2 Volt terhadap elektroda lithium dan mempunyai kapasitas spesifik yang besar berkisar 140 mAh/g [1]. Telah dilaporkan bahwa selama siklus pengisian dan pemakaian, ion-ion lithium terekstraksi dan terinterkalasi dari dan ke LiCoO 2 , proses ini berlangsung non-stoikometrik dan terbentuk Li 1-x CoO 2 [2-6] dan kapasitas sesifik dibataskan oleh
stabilitas struktur kristal dengan ekstraksi dan interkalasi ion Li.
Stoikiometri LiCoO 2 berstruktur kisi kristal rhombohedral bersimetri R-3m, sel satuan dapat diindeks sebagai heksagonal atau rhombohedral. Ilustrasi berikut, Gambar 1, menggambarkan sel satuan hexagonal. Dalam bidang (111) ion-ion Li+ dan Co 3+ menempati struktur tumpukan garam dan tumpukan oksigen menempati keteraturan ABCABC pada struktur sepanjang sumbu c, bila tempat kation-kation (Li dan Co) yang berbentuk
oktahedral diabaikan, maka oksigen membentuk deretan struktur kubik. Interkoneksi posisi-posisi ion Li yang menempati tepian oktahedral LiO 6 diantara CoO 2 menyediakan jalan difusi Li dalam ruang dua dimensi, fungsi inilah yang menyebabkan terjadinya konduktivitas lithium. Ketika bagian tepi oktahedral dari CoO 6 berinteraksi langsung dengan Co-Co, maka susunan demikian dapat meningkatkan konduktivitas elektronik bahan dan kekuatannya dipengaruhi oleh konfigurasi elektronik dari ion-ion Co 3+ .
Dalam penelitian ini dilakukan studi fasa nano partikel LiCoO 2 hasil penggerusan menggunakan pnanetary milling , yang bertujuan untuk mendapatkan karakteristik fasa nano partikel LiCoO 2 sebagai bahan bakal elektroda baterai berbasis ion lithium yang mampu isi ulang.

## METODE PERCOBAAN
Bahan dasar LiCoO 2 diperoleh dari pabrikan Aldrich Co. Ltd. Serbuk LiCoO 2 digerus menggunakan teknik planetary milling pada frekuensi 1.000 Hz selama 10 jam. Hasil penggerusan tersebut selanjutnya disonikasi menggunakan instrument ultrasonic pada frekuensi 20 kHz,Amplitudo 40, selama 3 jam dalam media Etanol, sehingga terbentuk nano partikel LiCoO 2 . Pengujian hasil pembentukan nano partikel LiCoO 2 dilakukan dengan mengkarakterisasi mikrograph dan
nanograph nano partikel LiCoO 2 menggunakan metode Scanning Electron Microscope ( SEM ) dan Transmission Electron Microscope ( TEM ), sedangkan analisis fasa menggunakan X-Ray Diffraction ( XRD ). Metode refinement dalam analisis pola difraksi sinar-X digunakan software GSAS .

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Perlakuan milling menggunakan planetary milling pada frekuensi 1000 Hz selama 10 jam, menyebabkan butiran LiCoO 2 yang beraglomerasi terurai menjadi butiran-butiran kecil. Proses sonikasi pada media etanol, volume LiCoO 2 : etanol = 1 : 7, pada frekuensi 20 kHz dengan amplitude 40 selama 3 jam, mengakibatkan butiran-butiran kecil pecah menjadi butiran yang lebih halus. Penghalusan butiran LiCoO 2 tersebut ditunjukan pada morphologi partikel LiCoO 2 hasil pengamatan menggunakan Scanning Electron Microscope ( SEM ), Gambar 2. Morvologi partikel LiCoO 2 menunjukan partikel-partikel yang beraglomerasi, berbentuk ekuaksial dengan ukuran aglomerasi partikel bervariasi pada rentang 75 nm sampai dengan 200 nm. Aglomerasi partikel LiCoO 2 ini dimungkinkan karena kencenderungan antar partikel untuk berikatan dan membentuk partikel yang lebih besar.
Pengamatan lebih lanjut menggunakan Transmission Electron Microscope ( TEM ), Gambar 3, menunjukan morphologi partikel LiCoO 2 yang lebih lengkap, yaitu ukuran partikel LiCoO 2 berada pada
Gambar 1 . Struktur kristal LiCoO 2 [1].
Gambar 2 . Mikrograph nano partikel LiCoO 2 hasil pengamatan SEM
75 nm 200 nm
Analisis Fasa Nano Partikel LiCoO 2 Sebagai Bahan Katoda Baterai Mampu Isi Ulang Menggunakan X-Ray Diffractometer (Elman Panjaitan )
rentang 20 nm hingga 40 nm. Morphologi partikel LiCoO 2 hasil pengamatan menunjukan bahwa, butiran partikel LiCoO 2 berdimensi nano partikel, karenanya partikel LiCoO 2 hasil proses milling 10 jam pada frekuensi 1.000 Hz, diikuti sonikasi pada frekuensi 20 kHz, amplitude 40 selama 3 jam, dapat dikategorikan sebagai nano partikel LiCoO 2 . Gambar 3, menunjukan bentuk n-partikel LiCoO 2 adalah ekuaksial. Pengamatan pola XRD pada n-partikel LiCoO 2 menunjukan bahwa, nano partikel LiCoO 2 berstruktur kristal rhombohedral dengan simetri grup ruang R-3m, Gambar 4. Analisis menggunakan metode Rietveld pada software GSAS pada χ 2 = 1,375; R p = 0,3474 dan R wp = 0,6338, menunjukan nano partikel LiCoO 2 ber-fasa tunggal dengan parameter kisi a = b = 2,821324 Å, c = 14,044625 Å, hasil ini tidak berbeda jauh dengan parameter kisi LiCoO 2 , yaitu a = b = 2,82 Å dan c = 14,08 Å [3-5,8], karenanya pembentukan n-partikel LiCoO 2 menggunakan teknik planetary milling yang diikuti teknik sonikasi tidak menimbukan perubahan struktur kristal LiCoO 2 . Hasil refinement menggunakan metode Rietveld tersebut pada Tabel 1, memprediksikan posisi atom Li, Co dan O pada n-partikel LiCoO 2 sebagai berikut : 6 % ion Cobalt , Co(1), menyisip pada posisi susunan ion lithium yang membentuk tumpukan bersimetri oktahedral
(3-3m), Li(1). Sebaliknya ion lithium, Li(2), menyisip pada susunan ion Cobalt yang membentuk tumpukan oktahedral dengan grup ruang 3-3m, Co(2). Sedangkan ion Cobalt lainnya, Co(3) dan Co(4), bersama-sama dengan ion oksigen, O, membentuk simetri tumpukan heksagonal dengan grup ruang 63m.
Simetri heksagonal yang dibentuk O-Co-O bersesuaian dengan hasil penelitain terdahulu [4], akan tetapi simetri yang dibentuk antara ion oksigen dengan ion Cobalt pada LiCoO 2 relatif tidak stabil [1,3,8-10], ketidak stabilan simetri O-Co-O dimungkinkan karena CoO 2 membentuk slab diantara LiCo, slab CoO 2 tersebut memfasilitasi untuk terjadinya proses interkalasi dan de-interkalasi Li. Transformasi perubahan simetri didukung oleh hasil penelitian yang dilakukan oleh peneliti sebelumnya [1,9], yang menyatakan bahwa O-Co-O yang berstruktur O 3 dapat bertransformasi ke struktur O 1 yaitu, ketika ion Li terekstraksi maka O-Co-O berstruktur O 1 , dan ketika ion Li kembali menyisip struktur heksagonal kembali ke struktur O 3 , keteraruran struktur O 3 dan O 1 diilustrasikan pada Gambar 5.
At. name Mult. Symm. Fraction X Y Z Li(1) 3-3M (100) 0,9400 0,0000 0,0000 0,0000 Li(2) 3-3M (100) 0,0400 0,0000 0,0000 0,5000 Co(1) 3-3M (100) 0,0600 0,0000 0,0000 0,0000 Co(2) 3-3M (100) 0,9600 0,0000 0,0000 0,5000 Co(3) 6 3M (100) 0,0122 0,0000 0,0000 0,3750 Co(4) 6 3M (100) 0,1306 0,0000 0,0000 0,1196 O 6 3M (100) 1,0000 0,0000 0,0000 0,2353 Tabel 1 . Parameter kristalografi n-partikel LiCoO 2 (hasil analisis software GSAS  2 = 1,375; Rp = 0,3474 dan R wp = 0,6338: R-3m; a = b = 2,821324 Å, c = 14,044625 Å).
Gambar 5 . Ilustrasi struktur kristal dari (a). O 3 -LiCoO 2 (tumpukan ABC dari lapisan Li), dan (b). Struktur O 1 -CoO 2 (terdapat kekosongan pada tumpukan AAA) [10].
Gambar 4 . Pola difraksi nano partikel LiCoO 2 hasil pengamatan XRD yang di refine menggunakan GSAS (003) (101) (006) (10-2) (104)
(10-5) (009)
(113) (116) (10-8) (110)

## KESIMPULAN
Penggerusan serbuk LiCoO 2 menggunakan teknik planetary milling selama 10 jam pada frekuensi 1.000 Hz yang diikuti sonikasi selama 4 jam pada amplitudo 40 dengan frekuensi 20 kHz, menghasilkan nano partikel LiCoO 2 berukuran 20 nm hingga 40 nm. Nano partikel yang terbentuk memiliki fasa rombohedral, R-3m, dimana Li-Co membentuk simetri oktahedral, 3-3m, sedangkan O-Co-O membentuk simetri tetrahedral, 6-3m.

## DAFTAR ACUAN
[1]. H. GABRISCH, R. YAZAMI, B. FULTZ, Electrochemical and Solid State Letters, 5 (6) (2002)A111-A114
[2]. C. WOLVERTON,ALEX ZUNGER, J. Electrochem. Soc ., 145 (5) (1998)
[3]. HEIKE GABRISCH, RACHID YAZAMI, BRENT
FULTZ, Journal of The Electrochemical Society ,
151 (6) (2004)A891-A897
[4]. HAIFENG WANG, et.al., Journal of the Electrochemical Society , 146 (2) (1999) 473 480
[5]. SUN HEE CHOI, JOOSUN KIM, YOUNG SOO YOON, Journal of Power Sources, 135 (2004) 286-290
[6]. R. J. GUMMOW, et.al, Mat.Res.Bull. , 28 (1993) 1177-1184
[7]. E. PANJAITAN, A. MANAF, B. SUGJIONO, E. KARTINI, Procedia Chemistry, 4 (2012) 60-64 [8]. CHIUNG-NAN LI, Microstructural Stability of Nanocrystaline LiCoO 2 Cathode in Lithium Thin-Film Batteries, Disertation, University of California , (2008)
[9]. H. GABRISCH, R. YAZAMI, B. FULTZ, Journal of Power Sources, 119-121 (2003) 674-679
[10]. ANTON VAN DER VEN, MEHMET KAYDINOL, GEBRAND CEDER, J. ElectroChem. Soc., (1998)