Elektrolit Padat LLZO Disinter Sekali pada 900 Derajat

Cekricek.id — Keramik yang lebih padat semestinya menghantar ion lebih lancar. Pada tiga sampel elektrolit padat LLZO yang diuji di Serpong, sampel terpadat justru bukan yang paling menghantar.

Riset itu dikerjakan enam peneliti dari dua lembaga. Endah Yuniarti, Simon Sindhu Hendradjaja, dan Brity Femlee Ringkuangan berasal dari Program Studi Teknik Penerbangan Universitas Dirgantara Marsekal Suryadarma, Jakarta.

Slamet Priyono tercatat di Unsurya sekaligus Pusat Riset Material Maju Badan Riset dan Inovasi Nasional. Jan Setiawan berasal dari pusat riset yang sama.

Kusdi Prijono berasal dari Laboratorium Kimia Maju dan Pencitraan Fisika Maju, Direktorat Pengelolaan Laboratorium BRIN di kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang. Keenamnya menulis satu naskah bersama.

Naskah itu terbit di Jurnal Ilmu Fisika Volume 17 Nomor 2, September 2025, halaman 157 sampai 170. Versi daringnya muncul pada 6 Juni 2025.

Judul naskahnya Structural Evolution and Ionic Conductivity of Al2O3-Doped LLZO via Single Heat Treatment. Naskah itu diterima redaksi jurnal pada 24 Januari 2025.

Revisinya masuk pada 10 Mei 2025. Persetujuan terbitnya keluar sehari kemudian, 11 Mei 2025.

Elektrolit padat dipakai untuk menggantikan elektrolit cair pada baterai litium. Elektrolit cair disebut menyimpan risiko kebocoran dan mudah terbakar.

LLZO dengan rumus Li7La3Zr2O12 termasuk elektrolit padat jenis garnet. Bahan itu dipilih karena hantaran ionnya tinggi, stabil secara kimia, dan cocok dipasangkan dengan anode logam litium.

Satu Kali Pembakaran pada 900 Derajat

Elektrolit padat LLZO dibuat dengan reaksi padatan. Rumus yang dipakai Li7-xAlxLa3Zr2O12 dengan nilai x nol; 0,25; dan 0,5.

Untuk takaran 15 gram, sampel murni memakai 4,62 gram Li2CO3, 8,72 gram La2O3, dan 4,40 gram ZrO2. Tidak ada aluminium oksida di dalamnya.

Sampel 0,25Al memakai 4,42 gram Li2CO3, 8,67 gram La2O3, 4,37 gram ZrO2, dan 0,22 gram Al2O3. Takarannya dihitung dari perbandingan stoikiometri.

Sampel 0,5Al memakai 4,23 gram Li2CO3, 8,62 gram La2O3, 4,35 gram ZrO2, dan 0,44 gram Al2O3. Ketiga sampel diproses dengan cara yang sama.

Serbuknya dicampur dengan penggilingan bola selama empat jam pada 25 hertz. Alatnya planetary ball mill milik Pusat Riset Material Maju BRIN.

Wadah gilingnya terbuat dari zirkonia berdiameter 9 sentimeter. Bola zirkonia berdiameter sekitar 1 sentimeter dipakai sebagai media giling dengan perbandingan bola dan serbuk 1 banding 5.

Serbuk hasil gilingan dikeringkan dalam oven bersuhu 70 derajat Celsius selama 24 jam. Pengeringan itu dilakukan untuk membuang kelembapan.

Sinter dijalankan sekali saja pada 900 derajat Celsius selama empat jam di tungku MTI. Suhunya dipilih berdasarkan hasil analisis termal.

Pemanasan bertingkat di atas 1.000 derajat Celsius disebut memicu penguapan litium. Litium yang hilang menurunkan hantaran ion dan merusak kestabilan fase kubik.

Riset terdahulu Rangasamy dkk. (2012) memakai satu tahap pemanasan pada 1.000 derajat Celsius selama empat jam. Naskah ini menurunkan suhunya menjadi 900 derajat Celsius.

Baca juga Peneliti ITS Kembangkan Baterai Aluminium Berbasis Air Laut

Empat Tahap Susut Massa

Analisis TG/DTA memakai serbuk seberat 1,192 gram. Pengujiannya dikerjakan di Laboratorium Pusat Riset Nanosains dan Nanoteknologi ITB dengan alat Hitachi STA7300.

Susut massanya terjadi bertahap pada empat rentang suhu. Pada 0 sampai 200 derajat Celsius, massanya berkurang 153,54 mikrogram dengan puncak endotermik di 59,49 derajat.

Penulisnya mengaitkan tahap itu dengan penguapan air bebas dan pelarut yang menempel di permukaan partikel. Zat itu tidak terikat secara kimia pada prekursor.

Pada 200 sampai 600 derajat Celsius, massanya berkurang 154,46 mikrogram. Tiga puncak endotermik muncul di 210,29; 311,98; dan 406,98 derajat Celsius.

Tahap itu dikaitkan dengan penguraian Li2CO3 menjadi litium oksida dan gas CO2. Susut massanya terbaca pada kurva TG.

Pada 600 sampai 1.000 derajat Celsius, susut massanya paling besar, yaitu 268,32 mikrogram. Puncak endotermiknya di 954,07 derajat dan puncak eksotermiknya di 966,67 derajat.

Puncak eksotermik itu ditafsirkan penulisnya sebagai tanda pembentukan fase baru. Penataan ulang struktur kristal melepaskan energi.

Di atas 1.000 derajat Celsius, susut massanya tinggal 26,27 mikrogram. Puncak eksotermik muncul antara 1.100 dan 1.200 derajat Celsius.

Fase Tetragonal dan Lima Fase Sampingan

Uji difraksi sinar-X memakai alat Malvern PANalytical dengan sumber Cu-K alfa. Panjang gelombangnya 1,5418 angstrom dan sudut pindainya 5 sampai 80 derajat.

Fase utama yang terbentuk adalah La3Li7Zr2O12 berstruktur tetragonal. Tandanya berupa pasangan puncak kembar di sekitar sudut 2 theta 27,6 derajat.

Pasangan puncak itu terlihat pada ketiga sampel. Selain fase utama, ditemukan La(OH)3, Li2ZrO3, Al2O3, La2Zr2O7, dan LiO2H3.

Fase La2Zr2O7 hanya muncul pada sampel 0,25Al. Parameter kisinya 10,742101 angstrom untuk ketiga sumbu.

Parameter kisi sampel murni adalah a sama dengan b 13,06637 angstrom dan c 13,02689 angstrom. Sampel 0,25Al mencatat a sama dengan b 13,09954 angstrom.

Sampel 0,5Al mencatat a sama dengan b 13,0814 angstrom dan c 13,00351 angstrom. Kerapatan teoretisnya 5,07 gram per sentimeter kubik, tertinggi di antara ketiganya.

Sampel murni dan sampel 0,25Al sama-sama mencatat kerapatan 5,02 gram per sentimeter kubik. Massa molarnya 839,75 dan 844,77 gram per mol.

Penulisnya menjelaskan munculnya fase sampingan dari penguapan litium selama sinter. Fase La2Zr2O7 menandai kekurangan litium, sedangkan Li2ZrO3 menandai kelebihan litium setempat.

Uap air di udara juga bereaksi dengan oksida litium dan lantanum. Reaksi itu membentuk fase hidroksida La(OH)3 dan LiO2H3 pada suhu menengah seperti 900 derajat Celsius.

Al2O3 yang tidak tersebar merata tetap tinggal sebagai fase terpisah. Bahan itu sebenarnya dimasukkan untuk menahan pertumbuhan butir.

Montoya dkk. (2024) sebelumnya mencatat fase La2Zr2O7 terbentuk saat sinter pada 1.000 derajat Celsius selama satu jam. Fase itu bersifat isolator terhadap elektron maupun ion.

Baca juga Mahasiswa UNAIR Rancang Baterai Natrium dari Rumput Laut

Hantaran Tertinggi Bukan pada Sampel Terpadat

Pengamatan mikroskop elektron dikerjakan di Laboratorium Karakterisasi Nuklir BRIN, kawasan BJ Habibie, Serpong. Alatnya FE-SEM FEI INSPECT F50 dan JEOL-JED 2300.

Sampel murni memperlihatkan butiran besar dengan ukuran beragam. Permukaannya kasar dan berpori, tanda pemadatan yang belum selesai.

Sampel 0,25Al berpermukaan lebih halus dengan gumpalan yang berkurang. Sampel 0,5Al berpermukaan paling padat dengan pori paling sedikit.

Diameter butir sampel murni 1,25 plus minus 0,06 mikrometer. Sampel 0,25Al mencatat 1,35 plus minus 0,1 mikrometer dan sampel 0,5Al 1,33 plus minus 0,12 mikrometer.

Penambahan aluminium oksida justru memperbesar diameter butir. Penulisnya menduga penyebabnya penggumpalan partikel karena sebaran pendoping yang tidak merata selama sinter.

Hantaran ion diukur dengan spektroskopi impedansi elektrokimia. Sampel murni mencatat 9,54 × 10⁻¹⁰ siemens per sentimeter.

Sampel 0,25Al mencatat 2,83 × 10⁻⁹ siemens per sentimeter, tertinggi di antara ketiganya. Angka itu 2,96 kali lipat hantaran sampel tanpa aluminium.

Sampel 0,5Al mencatat 1,38 × 10⁻⁹ siemens per sentimeter. Sampel terpadat itu menghantar lebih rendah daripada sampel 0,25Al.

Hambatan seri sampel murni 802 ohm. Sampel 0,25Al mencatat 1.540 ohm dan sampel 0,5Al mencatat 2.300 ohm.

Hambatan batas butir sampel murni 27,9 juta ohm. Sampel 0,25Al menekannya ke 1,83 juta ohm dan sampel 0,5Al ke 3,8 juta ohm.

Hambatan butirnya bergerak berlawanan arah. Sampel murni 6,45 juta ohm, sampel 0,25Al 52,5 juta ohm, dan sampel 0,5Al 77,3 juta ohm.

Dua pasang hambatan dan dua elemen fase tetap pada rangkaian setara menandai dua jalur hantaran. Jalurnya melalui butir dan melalui batas antarbutir.

Angka yang Belum Sejalan

Beberapa angka di dalam naskah ini tidak sejalan. Simpulannya menulis hantaran ion berkisar 9,54 × 10⁻¹⁰ sampai 1,38 × 10⁻⁹ siemens per sentimeter.

Rentang itu tidak memuat angka tertinggi yang disebut pada kalimat berikutnya. Angka tertingginya, 2,83 × 10⁻⁹ siemens per sentimeter, berada di luar rentang yang ditulis.

Diameter butir di badan naskah ditulis 1,25; 1,35; dan 1,33 mikrometer. Tabelnya menulis angka yang lebih bulat, yaitu 1,2; 1,3; dan 1,3 mikrometer.

Penulisnya menyebut sampel 0,5Al memiliki struktur partikel paling halus. Pengukuran pada naskah yang sama menempatkan diameter butirnya lebih besar daripada sampel murni.

Nama fase sampingan juga berbeda antara bagian hasil dan simpulan. Bagian hasil menulis LiO2H3, sedangkan simpulan menulis LiIO3.

Rujukan tabel kerapatannya juga meleset. Kalimatnya menunjuk Tabel 2, padahal angka kerapatan berada di Tabel 3.

Keterbatasan lain diakui penulisnya sendiri. Hambatan yang masih tinggi dan fase sampingan tetap menjadi penghalang untuk menaikkan hantaran ion lebih jauh.

Saran lanjutannya adalah mengoptimalkan takaran Al2O3 pada rentang 0,25 sampai 0,5 mol. Pendopingan ganda juga disebut sebagai pilihan.

Metode sinter lain seperti Spark Plasma Sintering diusulkan untuk memperbaiki pemadatan. Cara itu diharapkan menekan hambatan batas butir dan menahan pembentukan fase sampingan.

Baca juga Peneliti Menemukan Baterai Kuantum

Riset ini dibiayai Direktorat Riset, Teknologi, dan Pengabdian kepada Masyarakat Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Riset, dan Teknologi. Fasilitas laboratoriumnya disediakan Unsurya dan BRIN.