ISSN: 1410-8917
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 16 (2) (2013) : 46 – 49

## Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi

## Journal of Scientific and Applied Chemistry
Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/ksa
Pengaruh Suhu Kalsinasi terhadap Konduktivitas dan Kristalinitas Elektrolit Padat NaMn 2-x Mg x O 4
Medina Indriati a , Rahmad Nuryanto a* , Linda Suyati a
a Physical Chemistry Laboratory, Chemistry Department, Faculty of Sciences and Matematics, 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 electrolyte, sol-gel method, calcination, conductivity, crystallinity Pembuatan elektrolit padat  NaMn 2-x Mg x O 4 melalui metode sol-gel dengan variasi suhu kalsinasi  telah  dilakukan.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menentukan  suhu  kalsinasi optimum  dalam  pembuatan  elektrolit  padat  NaMn 2-x Mg x O 4 dan  mengkarakterisasi elektrolit  padat  NaMn 2-x Mg x O 4 menggunakan  FTIR  dan  XRD.  Elektrolit  padat  NaMn 2-
x Mg x O 4 dibuat  dengan  mencampurkan  larutan  natrium  asetat,  mangan  asetat, magnesium asetat, dan asam sitrat, kemudian dilakukan pengadukan, penguapan pada suhu 80°C, pengeringan gel pada suhu 180°C, dan kalsinasi pada berbagai variasi suhu, yaitu  700°,  750°,  800°,  850°  dan  900°C.  Uji  konduktivitas  elektrolit  padat  dilakukan melalui  pengukuran  tahanan  menggunakan  multimeter,  kemudian  elektrolit  padat dengan  nilai  konduktivitas  tertinggi  dan  terendah  dikarakterisasi  menggunakan  FTIR untuk  menentukan  interaksi  antar  atom-atom  dan  XRD  untuk  menentukan kristalinitasnya.  Data  konduktivitas  menunjukkan  bahwa  suhu  800°C  adalah  suhu kalsinasi yang optimum, sedangkan data FTIR dan XRD menunjukkan bahwa elektrolit padat  yang  terbentuk  adalah  padatan  kristal  NaMn 2-x Mg x O 4 .  Kristalinitas  sampel  yang dikalsinasi pada 900°C lebih tinggi daripada sampel yang dikalsinasi 800°C.

## A b s t r a k
Kata Kunci: Elektrolit padat, metode sol-gel, kalsinasi, konduktivitas, kristalinitas
Telah  dilakukan  pembuatan  elektrolit  padat  NaMn 2-x Mg x O 4 melalui  metode  sol-gel dengan variasi suhu kalsinasi. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan suhu kalsinasi optimum  dalam  pembuatan  elektrolit  padat  NaMn 2-x Mg x O 4 dan  karakterisasi  elektrolit padat NaMn 2-x Mg x O 4 menggunakan FTIR dan XRD. Elektrolit padat NaMn 2-x Mg x O 4 dibuat dengan mencampurkan larutan natrium asetat, mangan asetat, magnesium asetat, dan asam sitrat, kemudian dilakukan pengadukan, penguapan pada suhu 80  C, pengeringan gel pada suhu 180  C, dan kalsinasi pada berbagai variasi suhu, yaitu 700, 750, 800, 850, dan  900  C.  Uji  konduktivitas  elektrolit  padat  dilakukan  melalui  pengukuran  tahanan menggunakan  multimeter,  kemudian  elektrolit  padat  dengan  nilai  konduktivitas tertinggi dan terendah dikarakterisasi menggunakan FTIR untuk menentukan interaksi antar  atom-atom  dalam  elektrolit  padat  NaMn 2-x Mg x O 4 dan  XRD  untuk  menentukan kristalinitas  elektrolit  padat  NaMn 2-x Mg x O 4 .  Data  konduktivitas  menunjukkan  bahwa suhu  800  C  merupakan  suhu  kalsinasi  yang  optimum,  sedangkan  data  FTIR  dan  XRD menunjukkan  bahwa  elektrolit  padat  yang  terbentuk  adalah  padatan  kristal  NaMn 2- x Mg x O 4 dan kristalinitas sampel 900  C lebih tinggi dari sampel 800  C.
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 16 (2) (2013) : 46 – 49

## 1. Pendahuluan
Baterai merupakan sel elektrokimia yang mengkonversi  energi  kimia  menjadi  energi  listrik.  Sel elektrokimia  ini  mengandung  dua  komponen  utama, yaitu  elektroda  dan  elektrolit.  Kinerja  elektrokimia baterai sangat bergantung pada elektroda dan elektrolit yang digunakan.  Elektroda  yang  terdiri dari  katoda dan anoda  menentukan  besarnya  tegangan  yang  dihasilkan suatu  baterai,  sedangkan  elektrolit  menentukan  daya simpan  (kapasitas)  dan  umur  pakai  ( lifetime)  baterai. Penggantian  penggunaan  elektrolit  cair  ke  elektrolit padat  dapat  meningkatkan  kualitas  baterai,  karena elektrolit padat lebih stabil, bebas bahaya kebocoran, dan tidak mudah terbakar [1].
Penelitian  di  bidang  elektrolit  padat  telah  banyak dikembangkan,  khususnya  untuk  baterai  lithium-ion. Salah  satu  metode  pembuatan  elektrolit  padat  yang sederhana  dan  memberikan banyak  keuntungan adalah metode sol-gel. Keuntungan dari metode sol-gel, antara lain: temperatur proses rendah, material yang terbentuk akan  memiliki  tekstur  dan  komposisi  yang  baik,  serta homogenitas dan kemurnian yang tinggi [2].
Pembuatan elektrolit padat LiMn 2 O 4 melalui metode sol-gel  dengan  variasi  suhu  kalsinasi  (300,  600,  650, 700,  750,  800,  850,  dan  900°C)  telah  dilakukan  oleh Molenda dkk. [3]. Hasil dari penelitian Molenda dkk. [3] adalah  elektrolit  padat  LiMn 2 O 4 yang  dikalsinasi  pada suhu 800  C memiliki nilai konduktivitas dan kristalinitas tertinggi.  Proses  kalsinasi  pada  pembuatan  elektrolit padat  sangat  berperan  dalam  pembentukan  struktur elektrolit  padat.  Kestabilan  struktur  elektrolit  padat mempengaruhi  kinerja  elektrokimia  elektrolit  padat. Penambahan doping  telah  digunakan  secara  luas  untuk meningkatkan kinerja elektrokimia pada elektrolit padat karena doping  tersebut  mampu  menstabilkan  struktur elektrolit  padat  [4].  Pembuatan  elektrolit  padat dengan penambahan doping telah dilakukan oleh Suryakala dkk. [5]. Elektrolit padat LiMn 2-x Mg x O 4 dibuat melalui metode sol-gel  dengan  menyisipkan  logam  Mg  sebagai doping pada padatan LiMn 2 O 4 .
Elektrolit  padat  yang  mengandung  logam  Li  dapat diganti  dengan  logam  lain  yang  hampir  sama  sifat- sifatnya, yaitu logam yang satu golongan dengan logam Li,  seperti  logam  Na  yang  juga  bersifat  konduktor. Elektrolit padat NaMn 2-x Mg x O 4 yang dibuat menggunakan  logam  Na  dan  disisipkan  logam  Mg sebagai doping  melalui  metode  sol-gel  dengan  variasi konsentrasi Na.
Penelitian yang dilakukan kali ini adalah pembuatan elektrolit  padat  NaMn 2-x Mg x O 4 melalui  metode  sol-gel dengan variasi suhu kalsinasi, yaitu suhu 700, 750, 800, 850,  dan  900°C.  Suhu  kalsinasi  berpengaruh  terhadap kristalinitas  elektrolit  padat.  Menurut  He dkk.  [6], kristalinitas  meningkat  seiring  dengan  meningkatnya suhu  kalsinasi.  Salah  satu  faktor  yang  mempengaruhi nilai  konduktivitas  suatu  elektrolit  padat  adalah kristalinitas.  Memiliki  nilai  konduktivitas  yang  tinggi merupakan  salah  satu  syarat  elektrolit  padat  dapat digunakan dalam sebuah baterai. Melalui penelitian ini,
diharapkan  akan  diperoleh  elektrolit  padat  NaMn 2- x Mg x O 4 dengan konduktivitas dan kristalinitas tinggi.
Nilai konduktivitas elektrolit padat dapat ditentukan melalui  uji  konduktivitas  dengan  pengukuran  tahanan listrik  elektrolit  padat  menggunakan  multimeter. Elektrolit padat dengan nilai konduktivitas tertinggi dan terendah  dapat  ditentukan  karakternya  melalui karakterisasi menggunakan Fourier Transform Infrared (FTIR)  untuk  menentukan  interaksi  antar  atom-atom dalam  elektrolit  padat  NaMn 2-x Mg x O 4 dan X-Ray Diffraction  (XRD)  untuk  menentukan  kristalinitas elektrolit padat NaMn 2-x Mg x O 4 .

## 2. Metode Penelitian

## Pembuatan Larutan Na-Asetat, Mn-Asetat, Mg-Asetat
dan Asam Sitrat
Padatan NaCH 3 COO. 3 H 2 O, Mn(CH 3 COO) 2 .4H 2 O, Mg(CH 3 COO) 2 ,  4H 2 O,  dan  C 6 H 8 O 7 .H 2 O,  masing-masing dilarutkan  dalam  akuabides  sehingga  berturut-turut dihasilkan  larutan  Na-asetat  0,1  M,  Mn-asetat  0,3  M, Mg-asetat 0,3 M, dan asam sitrat 0,3 M.
Pembuatan Elektrolit Padat NaMn 2-x Mg x O 4
Pembuatan elektrolit padat NaMn 2-x Mg x O 4 dilakukan  dengan  pencampuran  Na-asetat  0,1  M,  Mn- asetat  0,3  M,  Mg-asetat  0,3  M,  dan  asam  sitrat  0,3  M, kemudian  dilakukan  pengadukan  konstan  selama  ±6 jam,  penguapan  pada  suhu  80ºC,  pengeringan  (drying gel)  pada  suhu  180ºC  selama  ±12  jam,  lalu  dikalsinasi pada  berbagai  variasi  suhu,  yaitu  suhu  700,  750,  800, 850, dan 900  C selama ±6 jam.

## Analisis Hasil
Hasil  yang  diperoleh  (elektrolit  padat  NaMn 2-
x Mg x O 4 )diuji  konduktivitasnya  dan  padatan  kristal dengan  nilai  konduktivitas  tertinggi  dan  terendah dikarakterisasi menggunakan FTIR dan XRD.

## 3. Hasil Dan Pembahasan
Elektrolit  padat  NaMn 2-x Mg x O 4 yang  diperoleh diukur  menggunakan  multimeter  untuk  mengetahui nilai  tahanan  listrik  elektrolit  padat,  sehingga  nilai konduktivitas  elektrolit  padat dapat diketahui. Hasil  uji konduktivitas  elektrolit  padat  NaMn 2-x Mg x O 4 dan hubungannya dengan variasi suhu kalsinasi ditunjukkan pada gambar 1.
Gambar 1. Grafik hubungan antara variasi suhu kalsinasi dengan konduktivitas
Grafik pada gambar 1 menunjukkan bahwa elektrolit padat  yang  dikalsinasi  pada  suhu  800  C  memiliki  nilai konduktivitas  tertinggi  yaitu  57,7027  x  10 -6 Scm -1 , sedangkan  elektrolit  padat  yang  dikalsinasi  pada  suhu 900  C  memiliki  nilai  konduktivitas  terendah  yaitu 7,4080 x 10 -6 Scm -1 . Konduktivitas pada elektrolit padat disebabkan oleh adanya migrasi ion yang mekanismenya melalui  kecacatan  dalam  kristal  (cacat  Schottky  atau cacat  Frenkel).  Ion  yang  bergerak  bebas  dan  berperan dalam  migrasi  ion  pada  elektrolit  padat  NaMn 2-x Mg x O 4 adalah ion Na + .
Elektrolit padat yang mengandung ion alkali dalam bentuk alkali oksida M 2 O (M = Li, Na, K, Rb, Cs) sangat bersifat  volatile  (mudah  menguap)  ketika  dipanaskan pada suhu ≥ 900 °C [7]. Selain itu, natrium (Na) memiliki titik  didih  sebesar  881,4°C.  Berdasarkan  kedua pernyataan tersebut, sampel yang dikalsinasi pada suhu 900°C memiliki nilai konduktivitas terendah dikarenakan  adanya  Na  yang  menguap  atau  hilang, sehingga ion Na + yang bermigrasi dalam elektrolit padat NaMn 2-x Mg x O 4 hanya sedikit.
Elektrolit  padat  NaMn 2-x Mg x O 4 dengan  nilai konduktivitas  tertinggi  (sampel  800°C)  dan  terendah (sampel 900  C) dikarakterisasi menggunakan FTIR dan XRD. Spektra FTIR untuk kedua sampel ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 2. Spektra FTIR (a) sampel 800  C dan (b) sampel 900  C
Adanya ikatan antara Na-O, Mn-O, Mn=O, dan Mg- O  pada  spektra  FTIR  menunjukkan  bahwa  produk elektrolit  padat  yang  terbentuk  adalah  NaMn 2-x Mg x O 4 . Karakterisasi  menggunakan  XRD  dilakukan  pada  tiga sampel  yaitu  sampel  sebelum  dikalsinasi,  sampel  yang dikalsinasi pada suhu 800°C, dan sampel yang dikalsinasi pada  suhu  900  C.  Gambar  3  merupakan  difraktogram XRD untuk ketiga sampel.
Gambar 3. Difraktogram XRD (a) sampel sebelum dikalsinasi, (b) sampel 800  C, dan (c) sampel 900  C
Berdasarkan  gambar  3  dapat  dilihat  bahwa  sampel sebelum  dikalsinasi  merupakan  padatan  amorf, sedangkan  sampel  setelah  dikalsinasi  merupakan padatan  kristal.  Data  yang  didapatkan  dari  pengujian XRD  adalah  2 θ (sudut  difraksi)  dan  FWHM  ( Full  Width Half  Maximum  atau  analisis  lebar  setengah  puncak). Sudut  difraksi  atau  2 θ yang diperoleh  pada sampel  800 dan  900°C  tidak  jauh  berbeda  dan  sesuai  dengan  data JCPDS.
Analisis  FWHM  digunakan  untuk  menghitung ukuran kristal melalui persamaan Scherrer, yaitu:
Berdasarkan persamaan Scherrer, ukuran kristal dan nilai  FWHM  berbanding  terbalik,  jika  nilai  FWHM semakin  kecil  maka  ukuran  kristal  semakin  besar,  dan sebaliknya.  Pengaruh  suhu  kalsinasi  terhadap  ukuran kristal adalah semakin tinggi suhu maka semakin besar pula  ukuran  kristal  yang  terbentuk.  Hal  ini  dibuktikan dengan nilai FWHM sampel 900°C lebih kecil dari sampel 800°C, sehingga ukuran kristal sampel 900°C lebih besar dari  sampel  800°C.  Bila  ukuran  kristal  semakin  besar maka mobilitas ion semakin menurun dan mengakibatkan konduktivitas rendah.
Selain itu, suhu kalsinasi juga berpengaruh terhadap kristalinitas  padatan  kristal.  Kristalinitas  merupakan tingkat  keteraturan  susunan  atom-atom/ion-ion  yang menyusun  padatan  kristal.  Puncak  difraksi  yang  tinggi dan  tajam  menunjukkan  kristalinitas  tinggi.  Puncak difraksi  sampel  900°C  lebih  tinggi  dan  tajam dibandingkan  sampel  800°C,  sehingga  kristalinitas
D = 0,9 
𝐵 cos θ
sampel  900°C  lebih  tinggi dibandingkan  sampel  800°C. Berdasarkan  hal  tersebut  dapat  dinyatakan  bahwa kristalinitas  meningkat  seiring  dengan  meningkatnya suhu kalsinasi.

## 4. Kesimpulan
Suhu  800  C  merupakan  suhu  kalsinasi  optimum dalam  pembuatan  elektrolit  padat  NaMn 2-x Mg x O 4 , sedangkan  suhu  900  C  merupakan  suhu  kalsinasi  yang tidak optimum dalam pembuatan elektrolit padat NaMn 2- x Mg x O 4 .  Karakterisasi  menggunakan  FTIR  dan  XRD menunjukkan  bahwa  elektrolit  padat  yang  terbentuk adalah  padatan  kristal  NaMn 2-x Mg x O 4 dan  kristalinitas elektrolit  padat  yang dikalsinasi pada  suhu  900°C  lebih tinggi  dibandingkan  elektrolit  padat  yang  dikalsinasi pada suhu 800°C.

## 5. Daftar Pustaka
[1]  Tsutomu  Minami,  Solid  state  ionics  for  batteries, Springer Science & Business Media, 2006.
[2]  Z  Ecsedi,  Synthesis  of  tailored  porosity  materials using the sol-gel method, Chem Bull
“POLITEHNICA” Univ (Timişoara) , 52, (2007) 14-17
[3]  M.  Molenda,  R.  Dziembaj,  E.  Podstawka,  L.  M. Proniewicz,  Changes  in  local  structure  of  lithium manganese  spinels  (Li:Mn=1:2)  characterised  by XRD, DSC, TGA, IR, and Raman spectroscopy, Journal of  Physics  and  Chemistry  of  Solids,  66,  10,  (2005)
1761-1768 http://dx.doi.org/10.1016/j.jpcs.2005.09.001
[4]  Li  Wang,  Jishi  Zhao,  Shaohua  Guo,  Xiangming  He, Changyin  Jiang,  Chunrong  Wan,  Investigation  of SnO 2 -modified  LiMn 2 O 4 composite  as  cathode material  for  lithium-ion  batteries, Int.  J. Electrochem. Sci, 5, (2010) 1113-1126
[5]  K  Suryakala, G Paruthimal  Kalaignan,  T  Vasudevan, Synthesis  and  electrochemical  improvement  of nanocrystalline LiMn 2-x Mg x O 4 powder using sol-gel method, Int J Electchem Sci, 1, (2006) 372-378
[6] Xiangming He, Li Wang, Weihua Pu, Guoyun Zhang, Changyin Jiang, Chunrong Wan, Synthesis of Spinel LiMn2O4  for  Li-Ion  Batteries  via  Sol-gel  Process, Int. J. Electrochem. Soc, 1, (2006) 12-16
[7]  Martin  Winter,  Jürgen  Otto  Besenhard,  Lithiated carbons,  in:    Handbook  of  battery  materials,  1999, pp. 383-418.