Laporan Tugas Akhir Pembuatan Membran Polimer Elektrolit Nanokomposit untuk Aplikasi Baterai IonLitium BAB II LANDASAN TEORI II.1 Baterai Baterai didefinisikan sebagai suatu alat yang dapat mengubah langsung energi kimia menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia. Sel baterai adalah unit terkecil dari suatu sistem proses elektrokimia yang terdiri dari elektroda, elektrolit, separator, wadah dan current collector / terminal (Linden, 2002). Komponen terpenting dari sel baterai adalah: 1. Elektroda negatif (anoda), yaitu elektroda yang melepaskan elektron ke rangkaian luar serta mengalami proses oksidasi pada proses elektrokimia. Elektroda positif (katoda), yaitu elektroda yang menerima elektron dari rangkaian luar serta mengalami proses reduksi pada proses elektrokimia. 2. Separator penghantar ion, yaitu media transfer ion yang bergerak dari anoda ke katoda dalam sel baterai saat penggunaan. Baterai terdiri dari dua jenis yaitu, baterai primer dan baterai sekunder. Baterai primer merupakan baterai yang tidak dapat diisi ulang. Hal ini terjadi karena reaksi kimia material aktifnya tidak dapat dikembalikan. Sedangkan baterai sekunder adalah jenis baterai dapat diisi ulang, karena material aktif didalamnya dapat dilakukan perputaran siklus (cycling) kembali (Kiehne, 2003). Baterai ion litium adalah jenis baterai yang diaplikasikan secara luas untuk peralatan portabel seperti Handphone, kamera digital, notebook. Baterai ion litium memiliki keunggulan dibandingkan dengan jenis baterai sekunder lainnya diantaranya memiliki siklus operasional (lifecycle) yang panjang, energi spesifik yang tinggi dan memiliki densitas energi lebih tinggi daripada baterai sekunder yang lain, lebih ramah lingkungan dan lebih aman dibandingkan baterai dengan sistem yang lain (Arifin, 2014). Komponen penyusun baterai ion litium adalah anoda, katoda, separator dan elektrolit. Kinerja dari suatu baterai sangat tergantung dari pemilihan elektroda dan elektrolit. Elektroda menentukan besarnya tegangan rangkaian terbuka. Sedangkan elektrolit menentukan besarnya efek polarisasi dan umur siklus operasional. D3 Teknik Kimia Universitas Sebelas Maret Surakarta 2016 4
Laporan Tugas Akhir Pembuatan Membran Polimer Elektrolit Nanokomposit untuk Aplikasi Baterai IonLitium Elektrolit baterai ion lithium yang saat ini digunakan yaitu elektrolit cair dan elektrolit padat yang terdiri dari SPE (Single Polymer Electrolyte), CPE (Composite Polymer Electrolyte), dan BPE (Blend Polymer Electrolyte). Elektolit jenis padat ini berperan sebagai medium transport ion (Prihandoko,2010). Peforma baterai ion litium meliputi tegangan (Voltage), kapasitas pengisian (Charge) dan pengosongan (Discharge), ketahanan pemakaian baterai, dan energi yang dihasilkan. Faktor-faktor yang mempengaruhi performa baterai litium antara lain komposisi dan jenis material aktif, ketebalan film anoda dan katoda, jenis elektrolit, dan binder (Linden, 2002). Dalam kondisi pengisian dan pengosongan baterai ion lithium bekerja menurut fenomena interkalasi, yaitu proses pelepasan ion lithium dari tempatnya di struktur kristal suatu bahan elektroda dan pemasukan ion lithium pada tempat di struktur kristal bahan elektroda yang lain (Prihandoko, 2010). Proses interkalasi pada baterai ion lithium pada saat charge dan discharge dapat dilihat pada Gambar II.1. Discharge
Charge Elektron Anoda
Separator
Elektron
Katoda
Elektrolit
Anoda
Separato
Katoda
Elektrolit
Gambar II.1 Skema Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium (Omar, 2012). Proses pengisian pada baterai litium terjadi saat anoda dan katoda dihubungkan sehingga elektron dan listrik mengalir dari anoda menuju katoda. Ion lithium lepas dari katoda menuju anoda melalui elektrolit. Proses pengosongan dari baterai lithium merupakan kebalikan dari proses ini yaitu berpindahnya ion litium dari anoda menuju katoda. (Wibowo,2011).
D3 Teknik Kimia Universitas Sebelas Maret Surakarta 2016 5
Laporan Tugas Akhir Pembuatan Membran Polimer Elektrolit Nanokomposit untuk Aplikasi Baterai IonLitium II.2 Separator Separator adalah komponen penting dalam baterai dengan elektrolit jenis cair. Separator yang umum digunakan adalah jenis membran polimer dengan lapisan pori (Ting, 2013). Separator penting untuk baterai karena struktur dan sifatnya sangat mempengaruhi kinerja baterai, yaitu energi baterai, densitas daya, dan siklus operasional. Membran biasanya dibuat dari bahan anorganik, organik dan alami. Beberapa jenis bahan yang digunakan yaitu: serat (katun, nilon, poliester), polimer (polyethylene, polypropylene, poli (tetrafluoroethylene), poli (vinil klorida), poli (vinilidinflouride), dan zat alami (karet, asbes, kayu) (Arora, 2004). Ukuran pori-pori sangat berpengaruh terhadap kerja separator. Ukuran pori-pori harus lebih kecil dari ukuran partikel pada komponen elektroda. Separator baterai ion lithium harus memiliki porositas minimal 40% (Arifin, 2014). Porositas separator baterai akan menentukan seberapa mudah ion dapat bergerak bolak-balik antara anoda dan katoda baterai. Separator dengan porositas yang tinggi dapat menyerap lebih banyak arus elektrolit cair, karena penyerapan elektrolit yang besar akan berpengaruh terhadap pembawa muatan ion (Li, 2011). Selain itu, pengaruh bentuk morfologi dengan mengatur komponen elektrolit cair dapat meningkatkan penyerapan elektrolit pada matriks polimer. Polimer yang digunakan untuk membuat membran separator harus mempunyai kekuatan mekanik yang cukup tinggi untuk menahan tekanan antara katoda dan anoda, mempunyai kestabilan kimia dan konduktivitas ion yang cukup tinggi, mudah untuk dibuat dalam ukuran tipis, mempunyai kestabilan termal, serta mempunyai stabilitas dimensi atau ukuran (Marfuatun, 2010). Beberapa polimer yang digunakan sebagai matrik pada separator baterai ion litium yaitu poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(oxyethylene) (PEO), poly(acrylonitrile) (PAN), dan poly(vinylidene fluoride) (PVdF) (Wei, 2012). Polimer yang sedang dikembangkan untuk separator solid sebagai bahan separator adalah PVdF (polyvinylidene flouride). Penggunaan separator PVDF sangat baik karena memiliki porositas yang tinggi dan memiliki penyerapan elektrolit tinggi. D3 Teknik Kimia Universitas Sebelas Maret Surakarta 2016 6
Laporan Tugas Akhir Pembuatan Membran Polimer Elektrolit Nanokomposit untuk Aplikasi Baterai IonLitium Namun, kelemahan dari membran pori PVdF ini adalah kristalinitas yang tinggi, untuk mengurangi kristalinitas dari PVdF dapat digunakan dua metode yaitu dengan menggabungkan grup asimetri dengan rantai utama dari polimer dan metode yang lainnya adalah mencampurkan matriks polimer (PVdF) dengan polimer yang cocok atau metode blending (Li, 2011). Polimer elektrolit berbasis PVdF telah banyak dikembangkan dengan menggunakan 3 metode yaitu sintering, track etching, dan juga inversi fase. Metode inversi fase merupakan metode yang efektif untuk aplikasi pada polimer elektrolit separator baterai ion litium, karena prosesnya yang sederhana dan skala produksinya fleksibel (Kwang, 2006). Selain itu, metode inversi fase digunakan karena energi yang dibutuhkan lebih sedikit dan dalam mengkontrol komponen pembentukkan membran polimer elektrolitnya mudah. Inversi fasa dapat digambarkan sebagai proses pencampuran polimer dan poreforming agent serta pelarut akan membentuk membran polimer berbentuk cair yang kemudian di rendam didalam non pelarut setelah pencetakan (Pinem, 2011). Partikel pelarut akan terlepas dari membran elektrolit dan kemudian digantikan oleh partikel non pelarut, kemudian membran elektrolit dikeringkan dengan udara lingkungan atau oven untuk menghilangkan partikel non pelarutnya, terlepasnya partikel non pelarut dari membran elektrolit ke udara akan menyebabkan membran memiliki pori-pori yang besar dan banyak. Metode inversi fase dapat dicapai dengan beberapa cara, yaitu (a) pemisahan fase induksi termal (TIPS); (b) penguapan dikendalikan dari pelarut (c) pengendapan dalam fasa uap dan (d) perendaman presipitasi (IP). Namun, di antara teknik ini, TIPS dan IP adalah dua metode yang paling umum digunakan dalam pembuatan membran polimer seperti PVdF (Fu Liu, 2011). Modifikasi membran separator sekarang ini banyak menggunakan teknologi baru di nanoteknologi yang dapat mendukung riset di bidang baterai. Penggabungan material polimer organik dengan material lain dalam skala nanometer akan membentuk polimer nanokomposit. Polimer elektrolit dengan nanopartikel dapat meningkatkan kekuatan mekanik dan meningkatkan konduktivitas ion (Kwang, 2007). Nanopartikel biasanya dikombiasikan dengan berbagai jenis filler, seperti D3 Teknik Kimia Universitas Sebelas Maret Surakarta 2016 7
Laporan Tugas Akhir Pembuatan Membran Polimer Elektrolit Nanokomposit untuk Aplikasi Baterai IonLitium nanosilikat, partikel clay, molecular sieves, dan mesoporous silica particles serta metal oxide. Dari hasil penelitian Wu, didapatkan bahwa penambahan nanopartikel metal oxide pada PVdF-HFP dapat meningkatkan penyerapan elektrolit. Semakin tinggi penyerapan elektrolit maka semakin tinggi pula konduktivitas ionik membran. (Wu, 2006) Pada penelitian Tugas Akhir ini digunakan PVdF sebagai polimer utama (polymer host), DMAc sebagai pelarut karena menurut penelitian yang dilakukan oleh (Rahmawati, 2015) DMAc mampu menaikkan nilai porositas dan penyerapan elektrolit pada pembuatan membran elekrolit berbasis PVdF. PVP sebagai poreforming agent, dan nanopartikel ZnO (Zinc Oxide) sebagai nano filler dalam pembuatan baterai litium ion dengan separator membran polimer elektrolit. Penambahan nanopartikel ZnO sebanyak 0 – 3% memberikan dampak pada pori membran yang meningkat serta bentuk morfologi membran yang halus, hal ini diindikasikan dapat meningkatkan fase amorf dan membentuk membran polimer yang fleksibel dimana akan meningkatkan konduktivitas ionik. Pada penambahan ZnO lebih dari 3% akan menghasilkan ZnO nanopartikel yang teragregrasi di permukaan dan di dalam pori yang menyebabkan menurunnya konduktivitas ionik membran. (Padmaraj, 2013). Penelitian yang dilakukan oleh (Zaccaria, 2015) menghasilkan bahwa penambahan nanopartikel metal oxide pada pembuatan separator membran PVdF akan meningkatkan kekuatan mekanik membran PVdF. Selain itu ZnO digunakan karena sifat ZnO yang memiliki stabilitas kimia yang baik, konstanta dielektrik yang rendah, harga yang murah, mudah didapatkan serta tidak beracun. (Parvizian, 2014).
II.3 Bahan dan Metode Pembuatan Material Separator a.
PVdF poly(vinylidene fluoride) Poly(vinylidene fluoride) (PVdF) adalah fluoropolimer termolastik dan
non reaktif dengan rumus molekul –(C2H2F2)n-. Sifat fisis PVdF diantaranya, memiliki titik leleh 177°C dengan densitas sebesar 1,78 gr/cm3. PVdF memiliki ketahanan yang baik terhadap keadaan kimia ekstrim, kestabilan yang baik dan D3 Teknik Kimia Universitas Sebelas Maret Surakarta 2016 8
Laporan Tugas Akhir Pembuatan Membran Polimer Elektrolit Nanokomposit untuk Aplikasi Baterai IonLitium tidak mudah larut dalam air. PVdF didapat dari sintesis gas monomer vinylidene flouride melalui suatu radikal bebas dengan proses polimerisasi. PVdF sebagai pengikat memegang peranan penting dalam hal menjaga integritas elektroda dan sebagai perantara hubungan filler dan zat aditif dalam pembuatan baterai ion lithium. (Allplastics.com, 2011). b.
PVP (Polyvinylpyrrolidone) PVP merupakan polimerasi dari l-vinilpirolidon. PVP merupakan
polimerasi dari 1-vinilpirolidon-2-on. Bentuknya berupa serbuk putih atau putih kekuningan, berbau lemah atau tidak berbau dan higroskopis. PVP mudah larut dalam air, etanol (95%) dan dalam kloroform. Kelarutan tergantung dari bobot rata-rata dan larut dalam eter P (Anonim, 1979) Tabel II.1 Sifat Fisika PVP Parameter
Nilai
pH
3-7
Berat Jenis (g/cm3)
1.180
Titik Didih (°C)
150
Kelarutan
Larut dalam air dan senyawa polar seperti etanol dan metanol
Sumber: Handbook of Pharmaceutical Excipient c.
DMAc (N,N-Dimethylecetamide) DMAc (N,N-Dimethylecetamide) merupakan basa lemah organik dengan
rumus molekul CH3CON(CH3)2 dan memiliki sifat fisik yaitu tidak berwarna, larut dalam air, dan biasa digunakan sebagai pelarut polar karena titik didihnya yang tinggi (Laffont, 2006). Penggunaan DMAc dalam pembuatan membran elektrolit nanokomposit yaitu sebagai pelarut PVdF (polyvinylidenefouride).
D3 Teknik Kimia Universitas Sebelas Maret Surakarta 2016 9
Laporan Tugas Akhir Pembuatan Membran Polimer Elektrolit Nanokomposit untuk Aplikasi Baterai IonLitium Tabel II.2 Sifat Fisika DMAc Parameter
Nilai
Bahan
Cair
pH (200 g/L, 20 °C)
4
Titik Leleh (°C) 3
165-166 °
Densitas (g/cm ) pada 20 C
0,94
Kelarutan
Larut dalam air dan pelarut pada umumnya
Sumber: BASF (2014) d.
ZnO (Zinc Oxide) ZnO atau Oksida Seng merupakan bubuk berwarna putih yang hampir
tidak larut dalam larutan netral. ZnO bersifat amfoter dan dapat larut dalam larutan asam dan basa kuat (Wikipedia.org). Penambahan ZnO pada pembutan membran separator polimer elektrolit yaitu untuk meningkatkan fleksibilitas rantai polimer, menurunkan kristalinitas host polymer, serta meningkatkan konduktivitas ionik (Padmaraj, 2013). Adapun sifat kimia dan fisika ZnO terdapat di Tabel II.3 Tabel II.3 Sifat Fisik ZnO Parameter
Nilai
Bahan
Serbuk putih, tidak berbau
Berat Molekul (gr/mol)
81,38
Titik Lebur (°C)
>1800
Titik Didih (°C)
2360
Densitas (g/cm3) pada 20 °C
5,6
Kelarutan
Tidak larut dalam air
Sumber: Perrys Chemical Engineers Handbook 7th ed.
D3 Teknik Kimia Universitas Sebelas Maret Surakarta 2016 10
Laporan Tugas Akhir Pembuatan Membran Polimer Elektrolit Nanokomposit untuk Aplikasi Baterai IonLitium
II.4 Kerangka Pemikiran Pembuatan Membran Polimer Elektrolit Nanokomposit PVdF
ZnO
DMAc
PVP Pengadukkan T= 45°C Waktu = 5 PVDF
Aquadest
Perendaman
Pengeringan
Membran
Analisa FTIR, Uji Porositas, serta Uji
Elektrolit
Electrolyte Uptake
Aktivasi
Lapisan Katoda Lapisan Anoda
Pembuatan Baterai
Uji Performa
Ion Lithium
Baterai (Charge dan Discharge)
Baterai Ion Lithium Gambar II.2 Diagram Alir Preparasi Membran Polimer Elektrolit Nanokomposit D3 Teknik Kimia Universitas Sebelas Maret Surakarta 2016 11
