Elektrolit Padat LLZO Paling Hantar di Alumina 0,25

Baterai litium yang dipakai sehari-hari menyimpan tenaganya di dalam cairan, dan cairan itulah yang bocor, menguap, lalu terbakar ketika sesuatu salah. Menggantinya dengan keramik padat sudah lama dianggap jalan keluarnya. Persoalannya, keramik yang paling menjanjikan justru hanya terbentuk rapi bila dipanggang berulang kali di atas seribu derajat, dan pada suhu setinggi itu litium di dalamnya menguap pergi.

Jalan pintasnya diuji Endah Yuniarti dan lima rekannya dalam artikel Structural Evolution and Ionic Conductivity of Al2O3-Doped LLZO via Single Heat Treatment di Jurnal Ilmu Fisika, Volume 17 Nomor 2 edisi September 2025. Naskahnya terbit dalam jaringan 6 Juni 2025. Penulisnya berasal dari Universitas Dirgantara Marsekal Suryadarma serta Badan Riset dan Inovasi Nasional.

Bahan yang diurus bernama panjang, litium lantanum zirkonat, disingkat LLZO. Ia keramik bertipe garnet yang sanggup melewatkan ion litium tanpa perlu pelarut, tahan secara kimia, dan cocok dipasangkan dengan anode logam litium. Sifat itu membuatnya jadi kandidat kuat elektrolit padat, tetapi hanya bila susunan kristalnya terjaga. Di situlah panas menjadi pedang bermata dua bagi siapa pun yang membuatnya.

Empat serbuk digiling empat jam sebelum masuk tungku

Tim menakar empat serbuk untuk tiap adonan lima belas gram: litium karbonat, lantanum oksida, zirkonium dioksida, dan alumina sebagai pendoping. Alumina ditakar tiga kali, yaitu nol, nol koma dua lima, dan nol koma lima bagian per rumus, sehingga lahir tiga contoh yang dibandingkan. Keempat serbuk digiling bola selama empat jam pada dua puluh lima hertz, memakai wadah dan bola zirkonia, dengan perbandingan bola terhadap serbuk satu banding lima.

Serbuk hasil gilingan dikeringkan dalam oven tujuh puluh derajat selama dua puluh empat jam, lalu diperiksa dengan analisis termal untuk menentukan suhu pembakaran yang pantas. Pemeriksaan itu memperlihatkan penyusutan massa bertahap pada empat rentang suhu. Di bawah dua ratus derajat yang hilang air bebas di permukaan butir; antara dua ratus dan enam ratus derajat litium karbonat terurai menjadi litium oksida dan gas karbon dioksida.

Rentang ketiga, enam ratus sampai seribu derajat, memperlihatkan kehilangan massa terbesar, yaitu dua ratus enam puluh delapan mikrogram. Di sana pula muncul puncak yang ditafsirkan sebagai awal terbentuknya fase LLZO yang baru. Di atas seribu derajat, massa nyaris tidak lagi berkurang, tanda reaksi padat sudah rampung. Dari pembacaan inilah tim memilih memanggang satu kali saja pada sembilan ratus derajat selama empat jam.

Baca juga Sel Surya Perovskit Unand Terbaik pada Sesium Iodida 3 mg/mL

Kristal yang terbentuk tetragonal, bukan kubik yang diincar

Pemeriksaan difraksi sinar-X menunjukkan fase utama yang terbentuk memang litium lantanum zirkonat, tetapi dalam bentuk tetragonal, bukan kubik. Pembeda itu terlihat dari puncak kembar di sekitar sudut dua puluh tujuh koma enam derajat, yang muncul pada ketiga contoh. Bentuk kubik sebetulnya yang paling lancar melewatkan ion litium, namun ia tidak stabil pada suhu ruang dan cenderung kembali ke bentuk tetragonal.

Di samping fase utama, difraksi menemukan rombongan fase kedua: lantanum hidroksida, litium zirkonat, alumina yang belum lebur, serta lantanum zirkonat. Dua nama terakhir pantas diperhatikan. Lantanum zirkonat dikenal sebagai bahan penyekat, baik bagi elektron maupun bagi ion, sehingga kehadirannya menurunkan hantaran. Fase itu muncul justru pada contoh dengan alumina nol koma dua lima, yang belakangan menghasilkan hantaran tertinggi.

Kemunculan fase sampingan itu dijelaskan penulis lewat dua sebab. Pertama, litium karbonat mudah menguap sehingga perbandingan unsur yang disyaratkan terganggu, dan kekurangan litium melahirkan lantanum zirkonat sementara kelebihan setempat melahirkan litium zirkonat. Kedua, uap air di udara tungku bereaksi dengan oksida litium dan lantanum, membentuk fase hidroksida. Keduanya lazim terjadi pada suhu menengah seperti sembilan ratus derajat.

Butir lebih besar justru muncul setelah alumina ditambahkan

Potret mikroskop elektron memperlihatkan gumpalan partikel berbentuk tidak beraturan pada ketiga contoh. LLZO tanpa alumina punya butir besar dengan ukuran bervariasi, permukaan kasar, dan pori yang tampak, tanda pemadatan belum tuntas. Contoh dengan alumina nol koma lima memperlihatkan permukaan paling rapat dan sebaran ukuran paling seragam, serta kerapatan tertinggi, yaitu lima koma nol tujuh gram per sentimeter kubik.

Ukuran butirnya sendiri bergerak berlawanan dengan dugaan umum. Alumina biasanya dipakai justru untuk menghambat pertumbuhan butir, tetapi di sini butir contoh berdoping malah lebih besar daripada butir LLZO murni. Penulis menduga yang terukur bukan butir tunggal melainkan gumpalan, karena alumina tidak tersebar merata saat pembakaran dan menumpuk di titik tertentu sehingga energi sintering terkumpul di sana.

Baca juga Mahasiswa UGM Ubah Limbah Sawit Jadi Elektroda Superkapasitor

Hantaran ion memuncak di takaran tengah, lalu turun lagi

Ujian hantaran dilakukan dengan spektroskopi impedansi elektrokimia. Grafik Nyquist yang dihasilkan dicocokkan dengan rangkaian setara berisi dua tahanan dan dua unsur fase tetap, yang menurut penulis menandakan dua jalur hantaran berbeda di dalam bahan: perjalanan ion di dalam butir dan perjalanan ion melintasi batas antarbutir. Dua setengah lingkaran yang diharapkan memang muncul, meski bentuknya diakui tidak sempurna.

Angkanya berbicara jelas. LLZO tanpa alumina menghantarkan nol koma sembilan lima empat nanosiemens per sentimeter; contoh dengan alumina nol koma dua lima mencapai dua koma delapan tiga; dan contoh dengan alumina nol koma lima turun lagi ke satu koma tiga delapan. Takaran tengah menang, dengan hantaran hampir tiga kali lipat LLZO murni, walau kerapatan tertingginya justru dipegang contoh dengan alumina paling banyak.

Ketidakselarasan itu tidak ditutupi. Naskah menyebut pemadatan membaik seiring bertambahnya alumina, sementara hantaran tertinggi justru tidak jatuh pada contoh terpadat. Penjelasan yang ditawarkan menyangkut kekosongan litium: doping unsur bervalensi tinggi menciptakan kekosongan yang dibutuhkan agar fase kubik stabil, tetapi atom alumina juga dapat menduduki tempat yang seharusnya dilewati ion litium dan menghambat perjalanannya.

Penulis menyebut sendiri apa yang belum selesai

Endah Yuniarti, dosen Program Studi Teknik Aeronautika Universitas Dirgantara Marsekal Suryadarma sekaligus penulis korespondensi naskah, menulis bahwa perlakuan panas satu tahap pada sembilan ratus derajat selama empat jam memberi pemadatan yang memadai sekaligus membatasi penguapan litium, sehingga fase LLZO tetap terjaga. Pernyataan itu ditempatkan sebagai capaian utama, bukan sebagai jaminan bahwa bahannya sudah siap dipakai.

Batasannya disebut di paragraf berikutnya. Tahanan bahan masih tinggi dan fase sampingan masih ada, dan keduanya dinyatakan sebagai penghalang untuk menaikkan hantaran ion lebih jauh. Penulis menyarankan penelitian lanjutan mengatur ulang kadar alumina di rentang nol koma dua lima sampai nol koma lima, atau memakai dua pendoping sekaligus, agar pemadatan dan hantaran tidak lagi saling mengorbankan.

Saran teknis lain menyangkut cara membakarnya. Sintering plasma percikan disebut sebagai pilihan yang pantas dicoba karena diharapkan memadatkan lebih baik, menurunkan tahanan di batas antarbutir, dan menekan munculnya fase sampingan. Dengan kata lain, jalur satu kali pemanasan yang diuji di sini dinyatakan berhasil pada soal yang ia sasar, yakni litium yang tidak sempat menguap, bukan pada hantaran akhirnya.

Baca juga Kulkas Tenaga Surya Unand Berhenti di 15 Derajat Celsius

Beberapa angka dalam naskah tidak sepenuhnya sejalan

Pembaca yang teliti akan menemukan sejumlah selisih kecil di dalam naskah. Bagian kesimpulan menyebut hantaran ion berkisar antara nol koma sembilan lima empat dan satu koma tiga delapan nanosiemens per sentimeter, padahal nilai tertinggi yang dilaporkan pada kalimat yang sama adalah dua koma delapan tiga, yang berada di luar rentang itu. Rentang dan nilai puncaknya tidak bertemu.

Selisih lain menyangkut penamaan. Fase sampingan yang di bagian hasil ditulis sebagai lantanum zirkonat dan satu senyawa litium berhidrogen, di bagian kesimpulan berubah menjadi litium iodat. Ukuran butir pun dilaporkan dua kali dengan angka berbeda: satu koma dua lima, satu koma tiga lima, dan satu koma tiga tiga mikrometer pada uraian, tetapi satu koma dua dan satu koma tiga pada tabelnya.

Yang tersisa dari percobaan ini adalah satu tungku yang menyala sekali saja, tiga cakram keramik, dan satu angka yang naik tiga kali lipat tanpa pernah mendekati keramik hasil pembakaran bertahap. Penulisnya tidak mengklaim lebih dari itu. Mereka menawarkan jalur yang lebih murah dan lebih hemat energi, lalu menyerahkan urusan hantaran kepada percobaan berikutnya yang memakai tungku jenis lain.