MATERIAL BERBASIS ZIRKONIA-LSGM SEBAGAI ELEKTROLIT SOFC

Sel bahan bakar padatan merupakan sel elektrokimia yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik, dengan emisi gas karbon dioksida yang rendah, bahkan tanpa emisi CO2 apabila digunakan H2 sebagai bahan bakar. Tetapi, suhu operasional sel bahan bakar padatan yang tinggi (sekitar 1000 °C) menyebabkan tingginya biaya operasional. Sehingga pengembangan sel bahan bakar padatan saat ini ditujukan untuk menurunkan suhu operasionalnya. Salah satu pendekatannya adalah penggunaan material elektrolit yang memiliki konduktivitas ionik cukup tinggi pada suhu rendah. La1-xSrxGa1-xMgyO3-δ (LSGM) merupakan material yang memiliki konduktivitas ion oksigen yang tinggi pada suhu rendah, tetapi stabilitas kimianya masih kurang baik. LSGM diketahui memiliki reaktivitas antarmuka dengan komponen lain dalam sel bahan bakar. Pembentukan fasa La-Sr-Ga-O pada antarmuka LSGM/NiO merupakan masalah utama dalam SOFC berbasis LSGM. Sedangkan zirkonia memiliki stabilitas kimia dan fisika yang baik, bahkan setelah penggunaan dalam waktu lama pada suhu tinggi. Kesesuaian harga koefisien ekspansi termal antara LSGM dan zirkonia, memungkinkan pembuatan material kombinasi berbasis elektrolit zirkonia dan LSGM yang diharapkan memiliki konduktivitas ionik yang cukup tinggi pada suhu intermediet (≤ 800 °C) dan memiliki stabilitas fisik dan stabilitas kimia yang baik. Pada penelitian ini disintesis campuran zirkonia-LSGM (Z-L), zirkonia yang didoping itria 8 %mol- LSGM (YSZ-L) dan zirkonia yang didoping CaO- Y2O3- LSGM (CYZ-L). Dalam penelitian ini digunakan dua jenis zirkonia, yaitu yang disintesis secara fusi kaustik dari konsentrat zirkon (ZrSiO4) dan zirkonia komersial. Konsentrat zirkon didapatkan sebagai hasil samping pertambangan timah di Pulau Bangka. Zirkonia didoping dengan itria dan kalsia-itria, melalui reaksi kimia fasa padat, menghasilkan 8YSZ dan CYZ. Sedangkan LSGM-8282 disintesis secara reaksi kimia fasa padat. Selanjutnya campuran dibuat dengan perbandingan massa 8YSZ atau CYZ banding LSGM-8282 adalah 90:10; 50:50; dan 10:90. Pemilihan komposisi optimal campuran dilakukan berdasarkan uji konduktivitas ioniknya. Sel tunggal kemudian dibuat menggunakan elektrolit campuran tersebut dengan menggunakan anoda Ni-YSZ dan katoda LSCF-6428. Uji sel tunggal dilakukan dengan menggunakan gas hidrogen sebagai bahan bakar dan udara sebagai oksidan. Uji sel bahan bakar dilakukan pada suhu 700 °C – 800 °C. Analisis difraksi sinar X terhadap LSGM-8282 hasil sintesis menunjukkan bahwa material tersebut mengkristal dalam struktur kubik dan mengandung fasa sekunder LaSrGa3O7. Sedangkan zirkonia mengkristal dalam struktur tetragonal. Doping 8 %mol itria dan kalsia-itria (8 % mol kekosongan oksigen) menyebabkan transformasi struktur zirkonia dari tetragonal menjadi kubik, yang diiringi dengan kenaikan konduktivitas ioniknya. Penambahan 10 % berat LSGM-8282 ke dalam 8YSZ dan CYZ tidak mengubah struktur kristal 8YSZ dan CYZ, bahkan tidak tampak adanya puncak-puncak LSGM-8282. Tetapi, campuran serbuk kedua komponen tanpa pemanasan menunjukkan adanya puncak-puncak LSGM-8282. Hal ini mengindikasikan terjadinya reaksi antar kedua komponen campuran. Pada komposisi CYZ:LSGM atau 8YSZ:LSGM 50:50 dan 10:90 didapatkan adanya fasa sekunder lantanum zirkonat yang menyebabkan penurunan konduktivitas ionik dari material. Berdasarkan karakterisasi konduktivitas ioniknya, diketahui bahwa komposisi optimum didapatkan pada CYZ-LSGM (CYZ-L) 90:10. Uji sel bahan bakar menunjukkan bahwa sel yang elektrolitnya CYZc-L 90:10 menunjukkan densitas daya yang lebih tinggi daripada sel yang elektrolitnya adalah CYZc, yaitu 70 mW.cm -2 untuk CYZc-L90:10 dan 15 mW.cm -2 untuk CYZc. Tetapi densitas daya kedua jenis sel tunggal bahan bakar tersebut masih jauh di bawah sel bahan bakar yang menggunakan elektrolit YSZc, yaitu 300 mW.cm -1 . Faktor tingginya konduktivitas ionik YSZc dibandingkan material elektrolit campuran tampaknya menjadi faktor utama dalam menghasilkan kinerja sel bahan bakar yang baik. Tetapi, penambahan LSGM-8282 sebanyak 10 % berat ke dalam CYZc dan YSZc mampu meningkatkan nilai open circuit voltage (OCV) hingga mencapai 1,10 V untuk sel bahan bakar dengan elektrolit CYZc-L90:10. Keberadaan komponen-komponen LSGM-8282 dalam material campuran tampaknya mampu menahan difusi O2 secara langsung dari katoda ke anoda. Sementara itu nilai OCV dari sel bahan bakar dengan elektrolit YSZc adalah 0,90 V. Kata Kunci: SOFC, elektrolit, zirkonia-LSGM