Article Details

PENGEMBANGAN BIOPOLIMER ELEKTROLIT PADAT BERBASIS PADUAN TURUNAN SELULOSA BERISI CAIRAN ION UNTUK APLIKASI BATERAI ION LITIUM

Oleh   Sun Theo Constan Lotebulo Ndru [30515002]
Kontributor / Dosen Pembimbing : Prof. Dr. I Made Arcana, MS;Dr. Bunbun Bundjali, MS;Dr. Deana Wahyuningrum, S.Si., M.Si.;
Jenis Koleksi : S3-Disertasi
Penerbit : FMIPA - Kimia
Fakultas : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA)
Subjek : Chemistry
Kata Kunci : baterai ion litium , biopolimer elektrolit, cairan ion, kulit buah kakao, microwave, separator, turunan selulosa
Sumber :
Staf Input/Edit : Latifa Noor   Ena Sukmana
File : 8 file
Tanggal Input : 2019-09-23 08:12:28

Salah satu kelemahan baterai ion litium yang telah dikembangkan secara komersial terletak pada penggunaan cairan sebagai sumber elektrolitnya. Elektrolit cair yang digunakan pada baterai ion litium konvensional bersifat korosif, mudah menguap dan dapat terbakar apabila digunakan pada suhu yang tinggi. Upaya yang dilakukan dalam pen yelesaian permasalahan penggunaan elektrolit cair tersebut dapat dilakukan dengan pengembangan polimer elektrolit padat. Aspek karakteristik, lingkungan dan biaya menjadi perhatian utama dalam pengembangan polimer elektrolit padat. Kombinasi pendekatan fisik dan pendekatan kimia sepe11i teknik padu a n (blending) turunan selulosa dan pe nggunaan ad itif cairan ion dalam pembuatan membran biopolimer elektrolit dala m penelitian ini merupakan terobosa n baru dalam bidang polimer elektrolit untuk menghasi lkan material dengan karakteristik terbaik. Peningkatan nilai tambah limbah produk l okal Indonesia kulit buah kakao (KBK) menjadi turunan selulosa, s uatu komponen polimer elektrolit, dipandang mampu menurunkan biaya produksi dan menekan permasalahan lingkungan yang diakibatkan penggunaan bahan - bahan polimer yang tidak ramah lingkungan, seperti polietilena (PE), polipropilena (PP), polietilena oksida (PEO). Penelitian ini mempelajari karakteristik biopolii1)er elektrolit dari paduan turunan selulosa, yai tu metil selulosa (methyl cellulose, MC) komersial dan karboksimetil selulosa (carboxymethyl cellulose , CMC} dari mikrokristalin se lulosa (MCC) komersial dan selulosa kulit buah kakao (KBK) (Theobroma cacao L.). Terdapat empat (4) tahapan utama dalam pengembangan biopolimer elektrolit padat dalam penelitian ini. yaitu isolasi selulosa dari kulit buah kakao (KBK), sintesis karboksimetil selulosa (CMC) dari mikrokristalin selulosa (MCC) komersial dan KBK, sintesis cairan ion serta pembu a tan biopolimer elektrolit padat. Biomassa KBK berasal d a ri Kepulauan Nias (Sumatera Utara) dan dimurnikan menjadi selulosa menggunakan metode MAE (microwave-assisted extraction). Metode MAE terdiri dari perlakuan NaOH dan proses pemutihan (bleaching). Rendemen se lulosa KBK yang diperoleh se besa r 25.22% dengan ukuran partikel rata-rata sebesar 5617 nm dan indeks kristalinitasnya sebesar 40,48%. Biopolimer CMC dan MC adalah eter selulosa yang penting dan memiliki sifat-sifat unggul antara lain biokompatibel , ramah lingkungan, sifat termal yang baik dan kelarutan yang baik dalam air, sehingga dapat diterapkan dalam berbagai keperluan, termasuk untuk pembuatan membran polimer elektrolit. MC diperoleh secara komersial, sedangkan CMC disintesis dari MCC komersial dan selulosa-KBK. Sintesis CMC dilakukan dengan menggunakan metode MAOS (microwave­ assisted organic synthesis) pada daya 100 watt, dengan suhu 60 °C selama 1 jam. Produk CMC yang dihasilkan memiliki derajat substitusi sebesar I,17 (anal isis FTlR); 1,11 (anal isis NMR) untuk CMC-KBK dan sedangkan derajat subsitusi sebesar 1 ,75 (anal isis FTIR); I ,41 (anal isis NMR) diperoleh oleh CMC-MCC. Berat molekul CMC-MCC dan CMC-KBK berdasarkan perhitungan yang diperoleh berturut-turut adalah 36,48 kDa dan 21,25 kDa. Cairan ion adalah jenis garam yang mele1eh pad a suhu ruang atau di bawah 100 °C dan dikenal memiliki sifat-sifat yang sangat unggul , antara lain konduktivitas tinggi, titik didih tinggi, ketahanan termal baik dan lain sebagainya, yang dapat memberikan pengaruh dan efek plastisasi pada membran polimer elektrolit. Cairan ion 1-etil-3-metilimidazolium asetat, [EMim]Ac digunakan sebagai aditif pada sistem biopolimer elektrolit yang dikembangkan dalam penelitian ini. Cairan ion 1- etil-3-metilimidazolium bromida, [EMim]Br sebagai prekursor disintesis menggunakan metode MAOS (microwave assisted organic synthesis) dengan pengaturan daya 100 watt, suhu 50 °C selama 15 men it. Selanjutnya cairan ion [EMlm ]Ac disintesis melalui reaksi metatesis an tara cairan ion [EMJm] Br dan kalium asetat (CH3COOK) pada suhu ruang selama I jam. Kedua cairan ion dianalisis gugus fungsi dan strukturnya masing-masing menggunakan FTIR dan NMR. Pembuatan biopolimer elektrolit padat berbasis MC/CMC berisi cairan ion dilakukan menggunakan teknik cetak-tuang larutan (solution casting technique) pada suhu ruang. Berdasarkan karakteristik konduktivitas ion dan sifat mekaniknya, maka dipilih komposisi optimum membran paduan unt tk menjadi polimer inang ( host polymer) ion litium masing-masing MC/CMC-MCC (50/50), MC/CMC-KBK (50/50) dan MC/CMC-KBK (80/20). Penambahan garam LiCI04 sebagai sumber ion litium sebesar I 0% dapat meningkatkan nilai konduktivitas ion membran paduan MC/CMC, akan tetapi menurunkan kestabilan mekanik, derajat kristalinitas dan kestabilan termalnya untuk semua komposisi. Kelemahan-kelemahan yang diakibatkan penambahan garam LiCI04 pada polimer inang (host polymer) paduan MC/CMC diperbaiki dengan penambahan aditif cairan ion [EMim]Ac. Cairan ion [EMim]Ac (I 0-15%) mampu meningkatkan kestabilan mekanik dan kestabilan termal membran paduan MC/CMC-MCC (50/50), MC/CMC-KBK (50/20) dan MC/CMC-KBK (80/20) meningkat secara signifikan tanpa mengganggu nilai konduktivitas ionnya. Semua karakteristik berdasarkan konduktivitas ion, sifat mekanik dan s ifat termal didukung pula dengan analisis kristalinitas dan morfologi permukaan serta penampang melintang untuk masing­ masing keadaan optimum dari membran paduan MC/CMC yang dipreparasi. Adapun membran dengan karakteristik yang terbaik dari semua komposisi adalah membran paduan MC/CMC-KBK (50/50) + 10% LiCI04 + I 0% [EM !mAc]. Berdasarkan temuan-temuan penelitian, pengaruh penambahan cairan ion ke dalam paduan MC/CMC yang terkompleks garam LiCI0-1 menghasilkan karakteristik polimer elektrolit padat yang ideal yaitu konduktivitas ion yang tinggi dengan kestabilan mekanik dan termal yang baik. Penelitian ini berhasil mengefektifkan penggunaan polimer alam berbasis tunman selulosa dan cairan ion yang aman dan ramah lingkungan sehingga mampu menekan permasalahan lingkungan. Desain proses produksin ya yang efisien dapat diajukan untuk menggantikan proses penerapan polimer s intetik dari fraksi minyak bumi sebagai separator dan sekaligus sebagai sumber ion litium pada sel baterai ion litium.