ISSN: 1410-8917
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 13 (1) (2010) : 1 – 3

## Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi
Journal of Scientific and Applied Chemistry
Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/ksa
Pembuatan dan Karakterisasi Elektrolit Padat NaMn 2-x Mg x O 4 : (I)
Linda Suyati a* , Rahmad Nuryanto a , Rahmaniar Anggrayni a
a Physical Chemistry Laboratory, Chemistry Department, Faculty of Sciences and Mathematics, Diponegoro University, Jalan Prof. Soedarto, Tembalang, Semarang 50275
* Corresponding author: linda_suyati@live.undip.ac.id Art ic le   Info Ab s t rac t
Keywords:
Solid electrolyte, NaMn 2-x Mg x O 4
The  synthesis  of  a  solid  electrolyte  NaMn 2-x Mg x O 4 has  been  conducted.  Solid  materials with metal ions as an energy source are new findings that are applied. This is because the material does not cause electrolyte leakage as liquid electrolyte. In the solid electrolyte the neater and more compact the structure, the better the conductivity while the higher the electrolyte concentration the more difficult it is  to deliver  the electrons.  Preparation  of NaMn 2-x Mg x O 4 crystals was carried out by mixing Na acetate, Mn acetate with a variation of sodium acetate 0.1; 0.2, 0.3, 0.4 and 0.5 M with Mn acetate and Mg acetate of 0.3 M. The resulted solids were then measured their resistances and calculated their conductivities. The  results  showed  that  the  solids  formed  in  the  form  of  crystals  and  the  higher concentration of Na solution, then conductivities tended to decrease.

## Ab s t rak
Kata kunci: elektrolit padat, NaMn 2-x Mg x O 4
Telah dilakukan penelitian tentang pembuatan elektrolit padat  NaMn 2-x Mg x O 4 . Material padat dengan ion logam sebagai sumber energi merupakan temuan baru yang diterapkan. Hal  ini  disebabkan  karena  material  tersebut  tidak  menyebabkan  kebocoran  elektrolit sebagaimana  elektrolit  cair.  Pada  elektrolit  padat  semakin  rapi  struktur  dan  semakin kompak  akan  semakin  baik  konduktivitasnya  sementara  semakin  tinggi  konsentrasi elektrolit maka semakin sulit menghantarkan elektron. Pembuatan kristal NaMn 2-x Mg x O 4 dilakukan dengan pencampuran Na asetat, Mn asetat dengan variasi Na asetat 0,1 ;  0,2 ;0,3 ;0,4 dan 0,5 M dengan Mn asetat dan Mg asetat 0,3 M . Hasil padatan kemudian diukur hambatannya  dan  dihitung  konduktivitasnya.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa padatan  yang  terbentuk  berbentuk  kristal  dan  semakin  tinggi  konsentrasi  larutan  Na ,maka konduktivitasnya cenderung semakin menurun.

## 1. Pendahuluan
Energi  tidak  akan  lepas  dari  kehidupan  manusia. Konsumsi  energi  yang  sedemikian  tinggi  menyebabkan sumber  energi  minyak  bumi  semakin  menipis,  oleh karena  itu  perlu  adanya  sumber energi alternatif.  Salah satu upaya sumber energi alternatif adalah mengembangkan  baterai.  Baterai  merupakan  sel alektrokimia  yang  menghasilkan  tegangan  konstan sebagai  hasil  reaksi  kimia.  Ion  bagian  dari  reaksi  yang melewati langsung elektrolit. 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.  Sirkuit  terbuka  dalam sistem baterai yang dirangkaikan dalam keadaan standar energi bebas Gibbs yang mampu mengubah reaksi kimia menjadi  energi  listrik.  Alasan  utama  baterai  menjadi energi  alternatif  karena  bentuknya  sederhana,  ringan, tahan lama dan dapat diisi ulang energinya [1].
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 [2].
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 13 (1) (2010) : 1 – 3 2
Material  padat  dengan  ion  logam  sebagai  sumber energi  merupakan  temuan  baru  yang  diterapkan  pada baterai  lithium  atau  Li-ion.  Hal  ersebut  disebabkan karena material  tersebut  tidak menyebabkan kebocoran elektrolit sebagaimana elektrolit cair. Selain itu elektrolit tersebut mudah diisi ulang.Pada elektrolit padat semakin rapi  struktur  dan  semakin  kompak  akan  semakin  baik tinggi konsentrasi elektrolit mempengaruhi konduktivitas elektrolit padat, semakin tinggi konsentrasi
elektrolit maka semakin sulit menghantarkan elektron [3].
Pembuatan  baterai  dengan  menggunakan  lithium LiMn 2-x O 4 telah  dilakukan  oleh Bullock  dan  Kofinas  [4]. Pembuatan  baterai  menyisipkan  logam  Mg  sebagai elektrolit  padat  telah  dilakukan  oleh  Suryakala dkk. [5] dan Niyompan dan Tipakontitikul [6]. Penyisipan logam Mg  ini  ditujukan  untuk  dapat  memperbaiki  sifat elektrokimia  dari  LiMn2O4  [5].  Pada  penelitian  ini dilakukan  pembuatan  elektrolit  padat  NaMn2-xMgxO4 karena bertujuan untuk dapat memperbaiki kelamahan- kelemahan  yang  ada  pada  elektrolit  padat  LiMn2-XO4 yaitu kurangnya homogenitas, permukaan padatan tidak merata, distribusi ukuran partikel yang besar, lemahnya pengontrolan stoikiometri dan lamanya waktu  kalsinasi [5].  Pembuatan  elektrolit  padat  ini  memvariasi konsentrasi  larutan  natrium  yang  digunakan  sehingga dapat  diketahui  penyimpanan  energi.  Penyisipan  logam magnesium  diharapkan  logam  ini  dapat  memperbaiki sifat  elektrokimia  dari  NaMn 2-x Mg x O 4 ,  seperti  struktur dan  bentuk  produk  menjadi  lebih  baik  sehingga  lebih stabil dan efektif untuk digunakan [7]. Uji yang dilakukan pada  analisis  elektrolit  padat  NaMn 2-x Mg x O 4 adalah  uji konduktivita  dengan  mengukur  hambatannya.  Pada analisis hasil ini akan dibandingkan dengan analisis dari elektrolit  padat  LiMn 2-x Mg x O 4 sehingga  dapat  diketahui pangaruh  perubahan  yang  terjadi  pada  konduktivitas setelah  Li  diganti  dengan  logam  Na  pada  pembuatan elektrolit padat NaMn 2-x Mg x O 4 dan penyisipan logam Mg ke  dalam  elektrolit  padat  tersebut.dengan  demikian Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  pengaruh penggunaan  logam  Na  pada  pembuatan  elektrolit  padat NaMn 2-x Mg x O 4 terhadap perubahan struktur padatan dan uji konduktivitas.

## 2. Metode Penelitian.
Pembuatan kristal NaMn 2-x Mg x O 4 dilakukan dengan pencampuran  Na(CH 2 COO).H 2 O,  Mg(CH 3 COO) 2 .4H 2 O, Mn(CH 3 COO) 2 .4H 2 O  dan  asam  sitrat.  Pengadukan  dan pemanasan  dengan  suhu  80°C  selama  6  jam  sampai larutan mengental dan jernih, pengeringan dengan suhu 175°C selama 12 jam untuk mendapatkan kristal NaMn 2- x Mg x O 4 , dan  kalsinasi  dengan  suhu  800°C  selama  6  jam kemudian material yang diperoleh diukur konduktivitasnya dengan konduktometri.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pembuatan Kristal NaMn 2-x Mg x O 4 .
Pembuatan kristal NaMn 2-x Mg x O 4 dilakukan dengan pencampuran CH 3 COONa.H 2 O, Mg(CH 3 COO) 2 .4H 2 O, Mn(CH 3 COO) 2 .4H 2 O  dan  asam  sitrat.  Penambahan  asam
sitrat bertujuan untuk mengikat logam Na, Mg, dan Mn yang  kemudian  akan  menghasilkan  elektrolit  padat NaMn 2-x Mg x O 4 .  Asam  sitrat  bertindak  sebagai  agen pengikat  ion  logam  yang  ada,  yaitu  logam  natrium, magnesium, dan mangan. Pengadukan dilakukan selama 6  jam  dan  menghasilkan  larutan  jernih  dan  endapan putih.  Larutan  jernih  yang  diperoleh  adalah  larutan logam-logam  asetat  dengan  asam  sitrat,  sedangkan endapan  putih  adalah  pengotornya  yaitu  PbSO 4 yang berbentuk  endapan  putih  [8]  yang  masih  tersisa  saat pendekantasian  larutan  natrium,  magnesium,  ataupun mangan asetat. Pengadukan disertai pemanasan dengan suhu  80°C  selama  2  jam sampai  larutan  mengental  dan jernih.  Pengadukan  disertai  dengan  pemanasan bertujuan  untuk  menghilangkan  komponen  H 2 O  yang masih ada didalam larutan tersebut. H 2 O dapat menguap pada temperatur kurang dari 100°C [8].
Pengeringan dengan suhu 175°C selama 12 jam untuk mendapatkan NaMn 2-x Mg x O 4 dalam bentuk gel. Pada saat evaporasi  ini,  maka  senyawa  asetat  dan  sitrat  akan menguap  dikarenakan  titik  didih  dari  asam  asetat  dan asam sitrat lebih rendah dari temperatur yang digunakan saat  evaporasi  yaitu  117°C  dan  153°C  [8].  Hasil  yang diperoleh adalah padatan kristal yang berwarna putih.
Hasil  ini  berbeda  dari  perkiraan  sebelumnya  yaitu padatan yang berwarna hitam pekat. Hal ini disebabkan oleh  penggunaan  logan  mangan  sulfat  yang  berwarna putih  kemerahmudaan  pada  saat  dilarutkan  ke  dalam larutan Pb asetat dihasilkan larutan berwarna putih.
MnSO 4 .H 2 O + Pb(CH 3 COO) 2 .3H 2 O → Mn(CH 3 COO)2.4H 2 O + PbSO4
Dilakukan kalsinasi pada temperatur 750°C selama 8 jam bertujuan untuk menghilangkan pengotor-pengotor seperti  asetat, sitrat, dan  yang  lainnya  agar  didapatkan hasil kristal yang murni. Penggunaan temperatur 750°C dikarenakan  titik  didih  natrium  asetat(anhidrat) mencapai  883°C,  sedangkan  titik  didih  mangan  dan magnesium mencapai 2061°C dan 1091°C, sehingga pada saat  temperatur  kalsinasi  tersebut,  logam-logam natrium, magnesium, dan mangan tidak akan menguap ataupun berubah fasa menjadi gas. Hasil yang diperoleh yaitu  pada  masing-masing  konsentrasi  memiliki  hasil yang berbeda, di mana pada konsenterasi logam natriun 0,1¬0,2M kristal berwarna hitam, pada konsenterasi 0,3- 0,4M  kristal  berwarna  kuning  kecoklatan,  sedangkan pada  konsenterasi  0,5M  kristal  berwana  coklat. Perbedaan  warna  kristal  ini  disebabkan  oleh  perbedaan struktur  zat  padat  pada  kristal  tersebut.  Sekecil  apapun perubahan  struktur  dan  komposisi  dari  suatu  zat  padat akan mempengaruhi tampilan suatu kristal.
Masing-masing produk yang dihasilkan menunjukkan  adanya  perbedaan  warna  kristal  yang disebabkan  oleh  perbedaan  struktur  zat  padat  pada kristal tersebut. Sekecil apapun perubahan struktur dan komposisi  dari  suatu  zat  padat  akan  mempengaruhi tampilan suatu kristal.
Analisis Mikroskopis Produk NaMn 2- x Mg x O4.
Pengukuran konduktivitas listrik berbentuk konduktivitas  sel  yang  terdiri  atas  sepasang  elektroda
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 13 (1) (2010) : 1 – 3 3
yang  luas  permukaannya  ditetapkan  dengan  teliti. Konduktivitas  yang  diukur  dengan  sel  konduktivitas dinyatakan dengan rumus:
𝑘 = 𝐶 𝑙 𝐴
di  mana;  k  =  konduktivitas  (mho/cm)  C  = konduktansi  (mho)  A  =  Luas  elektroda  (cm 2 )  l  =  Jarak antara  elektroda  (cm).  Dari  persamaan  di  atas  suatu konduktansi  dengan  nilai  1  mho  dapat  dinyatakan sebagai kemampuan hantar dari zat cair yang berukuran luas penampang 1 cm 2 dan jarak 1 cm atau volume zat cair sebesar 1 cm untuk arus 1 ampere dengan tegangan 1 volt. Jika arus yang dapat dihantarkan lebih besar lagi, maka konduktansinya lebih besar pula. Jika pada suatu resistor dialirkan  arus  yang  membesar,  maka  tahanaa  akan mengecil.  Hasil  NaMn 2-x Mg x O 4 diukur  hambatannya untuk  dapat  mengetahui  nilai  konduktivitasnya.  Nilai konduktivitas  ini  menunjukkan  seberapa  besar  daya hantar  dari  nanokristalin  NaMn 2-x Mg x O 4 ,  Grafik  yang diperoleh adalah sebagai berikut:
Gambar 1 Grafik perbandingan antara konsentrasi dengan konduktivitas
Berdasarkan  data  yang  diperoleh  menunjukkan bahwa  NaMn 2-x Mg x O 4 semain  tinggi  konsentrasi  maka konduktivitasnya  semakin  rendah  hal  ini  disebabkan karena  semakin  tinggi  konsentrsi  maka  mobilitas  ion semakin  rendah  sehingga  daya  hanyar  listriknya  juga semakin renda sesuai dengan persamaan
A = k / c di mana c adalah konsentrasi dalam molar sedangkan  k  adalah  konduktivitas  jenis  (mho  m- 1)sehingga  daya  hantar  molar  berbanding  terbalik dengan konsentrasi..Pada konsentrasi 0,3 M mempunyai konduktivitas  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan konsentrsi  0,2M  hal  ini  disebabkan  karena  pada  saat pengukuran  onduktivitas  mengunakan  tekanan  yang tidak  sama  antara  satu  dengan  yang  lainnya  sehingga dimungkinkan  pada  konsentrasi  0,3  M  tekanan  lebih rendah dibandingkan pada konsentrasi 0,2 M.

## 4. Kesimpulan
Produk  NaMn 2-x Mg x O 4 dengan  variasi  konsentrasi larutan Na yang terbentuk berupa kristal NaMn 2-x Mg x O 4 . Semakin  tinggi  konsentrasi  larutan  logam  Na,  maka konduktivitas cenderung semakin turun

## 5. Ucapan terimakasih
Terimakasih  penulis  ucapkan  kepada  semua  pihak yang  telah  membantu  dalam  penelitian  ini  baik  berupa moril  maupun  material  guna  kemajuan  penemuan  baru dari material padat ini.

## 6. Daftar Pustaka
[1]  Tsutomu  Minami,  Solid  state  ionics  for  batteries, Springer Science & Business Media, 2006.
[2]  S  Jouannea,  A  Le  Gal  La  Salle,  A  Verbaere,  D Guyomard, New Mg and Ca exchanged derivatives of Li1.1V3O8:  Synthesis,  characterization  and  lithium insertion  behavior,  Journal  of  New  Materials  for Electrochemical Systems, 5, 3, (2002) 191-196
[3]  Heinz Albert Kiehne, Battery technology handbook, CRC Press, 2003.
[4]  Steven  E.  Bullock,  Peter  Kofinas, Nanoscale  battery materials  based  on  the  self-assembly  of  block copolymers, Journal of Power Sources, 132, 1, (2004) 256-260 http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2003.12.045
[5]  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
[6]  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.
[7]  Song  Jie  Hou,  Yoichiro  Onishi,  Shigeyuki  Minami, Hajimu  Ikeda,  Michio  Sugawara,  Akiya  Kozawa, Charging  and  discharging  method  of  lead  acid batteries  based  on  internal  voltage  control,  Journal of  Asian  Electric  Vehicles,  3,  1,  (2005)  733-737 http://doi.org/10.4130/jaev.3.733
[8]  Arthur  Israel  Vogel,  G.  Svehla,  Textbook  of  Macro and  Semimicro  Qualitative  Inorganic  Analysis, Longman Scientific & Technical, 1987.