Sintesis LiMxMn2-xO4 Terdoping Co, Ni, Cr dan Aplikasinya sebagai Katoda Baterai Litium

DYAH PURWANINGSIH, Drs. Roto, M.Eng., Ph.D.

2018 | Disertasi | DOKTOR KIMIA

Tujuan dari penelitian ini adalah: (1) Mempelajari karakter fisik senyawa turunan LiMxMn2-xO4 dengan teknik refluks pada temperatur rendah dilanjutkan metode solid-state sederhana; (2) Mempelajari pengaruh temperatur kalsinasi dan rasio mol Li/Mn terhadap ukuran partikel, morfologi, konduktivitas dan struktur mikro LiMn2O4; dan (3) Mempelajari pengaruh antara kuantitas dan jenis LiMxMn2-xO4 (M: Co, Ni dan Cr) terhadap ukuran partikel, morfologi, konduktivitas dan struktur mikro LiMn2O4. Penelitian ini mengembangkan sintesis LiMxMn2-xO4 dengan refluks. Mn(CH3COOH)2. 4H2O dan Na2S2O8 yang direfluks selama 10 jam pada suhu 120 ºC hingga terbentuk beta-MnO2. Doping Co, Ni dan Cr dilakukan dengan metode solid state dengan LiOH hingga terbentuk LiMxMn2-xO4. Analisis struktur mikro LiMxMn2-xO4 dilakukan terhadap data XRD powder dengan metode two-stage menggunakan program FullProf yang terdapat dalam WinPlotR dan Program Oscail serta terhadap data energi ikat dari XPS. Morfologi LiMxMn2-xO4 dipelajari dengan SEM-EDX, TEM dan SAA. Uji stabilitas termal dilakukan dengan TGA/DTA. Konduktivitas ionik dan elektronik dipelajari dari data LCR meter. Kapasitas spesifik LiMxMn2-xO4 sebagai katoda baterai litium diuji menggunakan eight channel battery analyzer. Hasil penelitian menunjukkan sintesis LiMxMn2-xO4 telah berhasil dilakukan dengan refluks dilanjutkan dengan metode solid-state. Suhu optimal kalsinasi adalah 750 derajat celcius. Karakterisasi dengan XRD menunjukkan bahwa LiMn2O4 memiliki struktur kristal kubik dengan grup ruang Fd-3m. Program CheckCell dalam WinPlotr mengindikasikan bahwa peningkatan rasio mol Li/Mn tidak mengakibatkan terjadinya perubahan struktur kristal Li1+xMn2-xO4 adalah Fd-3m. Doping Co, Ni dan Cr pada LiMxMn2-xO4 (x= 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,10) tidak mengubah struktur kristal kubik Fd-3m. Semua kristal yang terbentuk adalah polikristal dengan ukuran 100-450 nm. Karakterisasi struktur mikro LiMxMn2-xO4 dengan metode two-stage menunjukkan terjadinya penyusutan nilai parameter kisi dan volume sel. Konduktivitas LiMxMn2-xO4 merupakan konduktivitas ionik dengan nilai kapasitansi untuk LiMn2O4; Li1,08Mn1,92O4; LiCo0,08Mn0,02O4; LiNi0,08Mn0,02O4 dan LiNi0,06Mn0,04O4 berturut-turut adalah 2,87x10-11 F; 9,93x10-9 F; 7,61x10-8 F; 1,13x10-8 F; dan 1,07x10-8 F. Nilai kapasitas spesifik baterai pada voltase 4799,7 mV pada LiMn2O4; Li1,08Mn1,92O4; LiCo0,1Mn1,9O4; LiNi0,1Mn1,9O4; dan LiCr0,1Mn1,9O4 berturut-turut adalah 88,62 mAh.g-1; 2,73 mAh.g-1; 89,39 mAh.g-1; 85,15 mAh.g-1; dan 1,48 mAh.g-1.

The aims of this research are: (1) studying physical characteristics of LiMxMn2-xO4 derivative compounds with reflux technique at low temperature followed by simple solid-state method; (2) studying the influence of temperature of calcination and Li/Mn mol ratio on particle size, morphology, conductivity and microstructure of LiMn2O4; and (3) studying the effect of quantity and type of LiMxMn2-xO4 (M: Co, Ni and Cr) on particle size, morphology, conductivity and microstructure of LiMn2O4. This research developed the synthesis of LiMxMn2-xO4 with reflux followed by simple-solid method. The mixture consisting of Mn(CH3COOH)2. 4H2O and Na2S2O8 were refluxed for 10 hours at 120 degrees C to form beta-MnO2. The doping of Co, Ni and Cr was carried out using solid state method with LiOH to form LiMxMn2-xO4. The instruments included XRD, SEM-EDX, XPS, TEM, SAA, TG/DTA, FTIR, LCR meter and eight-channel battery analyzer. Microstructure analysis of LiMxMn2-xO4 was carried out on XRD powder data by two-stage method using FullProf program integrated in WinPlotR and Oscail Program as well as on binding energy data from XPS. The morphology of LiMxMn2-xO4 was studied with SEM-EDX, TEM and SAA. The thermal stability was tested with TG/DTA, the electrical conductivity was studied by the LCR meter data. The specific capacity of LiMxMn2-xO4 as lithium-ion battery cathode was tested using an eight-channel battery analyzer. The results showed that the synthesis of LiMxMn2-xO4 was successfully carried out by reflux. The optimum temperature of calcination is 750 °C. XRD characterization shows that LiMn2O4 has a cubic crystal structure with Fd-3m space group. By using the CheckCell in the WinPlotr, the increase of Li/Mn mole ratio does not change the LiMn2O4 crystal structure. The doping of Co, Ni and Cr on LiMxMn2-xO4 (x = 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,10) does not change the cubic crystal structure of Fd-3m. All the formed crystals are polycrystals with the size of 100-450 nm. Characterization of LiMxMn2-xO4 microstructure by two-stage method shows the shrinkage of lattice parameter and cell volume. Conductivity of LiMxMn2-xO4 is ionic, the capacitance value for LiMn2O4 is 2.87x10-11 F and for Li1,08Mn1,92O4; LiCo0,08Mn0,02O4; LiNi0,08Mn0,02O4 and LiCr0,06Mn0,04O4 are 9.93x10-9 F; 7.61x10-8 F; 1.13x10-8 F; 1.07x10-8 F respectively. The specific battery capacity at a voltage of 4799.7 mV for LiMn2O4; Li1.08Mn1.92O4; LiCo0.1Mn1.9O4; LiNi0.1Mn1.9O4 and LiCr0.1Mn1.9O4 are 88.62 mAh.g-1; 2.73 mAh.g-1; 89.39 mAh.g-1; 85.15 mAh.g-1; and 1.48 mAh.g-1 respectively.

Kata Kunci : LiMxMn2-xO4, solid-state, reflux, two-stage method, ionic conductivity, specific capacity