BATERAI BATERAI ION LITHIUM

Transkripsi

1 BATERAI BATERAI ION LITHIUM

2 SEPARATOR Membran polimer Lapisan mikropori PVDF/poli(dimetilsiloksan) (PDMS)

3 KARAKTERISASI SIFAT SEPARATOR KOMPOSIT PVDF/POLI(DIMETILSILOKSAN) DENGAN METODE BLENDING DEVI EKA SEPTIYANI A ( ) Dosen Pembimbing : Dr. M.Zainuri, M.Si JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2014

4 TINJAUAN PUSTAKA BATERAI ION LITHIUM Anoda Katoda Elektrolit Separator

5 KATODA ANODA Gambar 1. Skema proses pengisian dan pengosongan baterai ion lithium

6 PERTUKARAN ION Adalah sebuah proses pergerakan ion dari larutan eksternal ditukar dengan ion elektrostatis yang terikat pada kelompok fungsional yang terkandung dalam matriks padat. Contoh Reaksi pertukaran kation: R-H + Na + R Na + H + Contoh Reaksi pada pertukaran anion R-OH + Cl R Cl + OH -

7 SEPARATOR BERPORI Separator adalah membrane berpori yang tipis dan diletakkan diantara elektroda positif dan negatif untuk mencegah terjadinya kontak langsung dari dua elektroda. Fungsi Separator : menjaga kestabilan elektrolit mencegah terjadinya arus pendek antara dua elektroda ketika proses transport ion yang tinggi mencegah ketidakreaktifan pada saat sel kelebihan muatan, pemanasan berlebih atau kondisi mekanik rusak (Dong Fu, 2011)

8 SEPARATOR BERPORI Gambar 2. Separator berpori dalam sel baterai lithium dengan elektrolit cair

9 SEPARATOR Separator Komposit PVDF/poli(dimetilsiloksan) (PDMS)

10 POLY(VINYLIDENE) FLOURIDE (PVDF) Komposisi Kimia (CH 2 CF 2 )n Sifat PVDF 1. Konstanta dielektrik tinggi (ε = 8,4) 2. Polaritas tinggi 3. Penyerapan elektrolit tinggi 4. Derajat Kristalinitas Tinggi Fasa α-pvdf TGTG Fasa β-pvdf TTT Fasa γ-pvdf TTTGTTTG Keterangan T : Trans G : Gauche Gambar 3. Struktur Fasa PVDF (dari kiri ke kanan) fasa α-pvdf, β-pvdf, dan γ-pvdf

11 POLY(DIMETHYLSILOXANE) (PDMS) Gambar 4. Struktur PDMS Poli (dimetilsiloksan) (PDMS) adalah polimer dengan ikatan silicon oksigen (siloksan) yang memiliki dua gugus metil (CH 3 ) Sifat PDMS 1. Temperatur transisi glass rendah ( C) 2. Fleksibilitas rantai yang sangat tinggi 3. Biokompatibilitas 4. Kompresibilitas tinggi 5. Sifat mekanik dan kimia stabil

12 POLY(DIMETHYLSILOXANE) (PDMS) Penambahan konsentrasi PDMS Menurunkan derajat kristalinitas, reduksi ukuran pori, peningkatan kerapatan pori Shibata et al (2000) Komposit poli(eter uretan) (PEU)/polisiloksan menghasil kan peningkatan mobilitas ion dan densitas ion peningkatan konduktivitas ion Zhen et al (2006) Penambahan PDMS ke PVDF serat berongga menghasilkan konduktivitas ion tinggi karena sifat fleksibilitas PDMS Sadrzadeh et al (2009) Penambahan PDMS ke PES untuk membuat membran separator komposit

13 Batasan Masalah Pada penelitian ini permasalahan dibatasi pada variabel komposisi PVDF/PDMS terhadap sifat separator komposit PVDF/PDMS Tujuan Penelitian Pembuatan separator komposit PVDF/PDMS dalam orde mikropori. Pembuatan separator komposit PVDF/PDMS dengan kerapatan pori tinggi. Pembuatan separator komposit PVDF/PDMS dengan konduktivitas listrik rendah dan resistansi tinggi.

14 METODOLOGI Menggunakan metode Blending, proses sederhana dan tidak mengandung bahan berbahaya Sintesis Separator PVDF/PDMS Jian-Hua et all (2006) PVDF-HFP ukuran pori 0,3μm, porositas 48,7%, konduktivitas 0,49 ms/cm. Metode Solvent evaporation Ting Ma et all (2013) PVDF/PMMA konduktivitas ion 3,38x10-3 S/cm. Metode Thermally induced separation (TIPS) Zhaoliang Cui et all (2013) PVDF/diluent Porositas 67-76% kristalinitas berkurang dr 57% ke 54% Metode Thermally induced separation (TIPS)

15 METODOLOGI Pembuatan larutan PVDF/PDMS Pembentukan separator komposit PVDF/PDMS Karakterisasi separator komposit PVDF/PDMS

16 Gliserol PVDF DMAc PVDF (liquid) PVDF (l) PDMS (l) Larutan PVDF/PDMS Distirer sampai larut Distirer selama 6 jam T = 70 0 C, 250 rpm Variasi PVDF/PDMS 10/0, 9/1, 8/2, 7/3 Larutan PVDF/PDMS diteteskan Spin coater bekerja (1000 rpm & 60 s) Penguapan 10 detik Perendaman dalam Aquades (48 jam & T = 27 0 C) Proses Vakum (24 jam & T = 40 0 C) Substrat Substrat Substrat

17 ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN SEM Morfologi dan ketebalan lapisan XRD Identifikasi fasa (kualitatif) dan derajat kristalinitas (kuantitatif) FTIR Identifikasi ikatan gugus fungsi dan struktur molekul Two Probe Konduktivitas sampel KARAKTERISASI SEPARATOR KOMPOSIT PVDF/PDMS

18 Analisa Morfologi Permukaan Separator Komposit PVDF/PDMS dengan Scanning Electron Microscope (SEM) Gambar 5. Hasil uji SEM dengan perbandingan PVDF/PDMS a) 10/0 b) 9/1 c) 8/2 dan d) 7/3. Indeks 1 : Morfologi permukaan & 2 : ketebalan

19 d t d = diameter pori (µm) t = tebal lapisan (µm) Perbandingan PVDF/PDMS Gambar 6. Ilustrasi struktur pori open pore Tabel 1. Jumlah pori separator komposit PVDF/PDMS Tebal Lapisan (µm) Volume Pori (m 3 ) Volume Butanol (m 3 ) Jumlah pori (count) 10/0 17,80 2,57x ,71x ,44x10 5 9/1 19,56 7,89x ,47x ,13x10 5 8/2 8,61 2,13x ,18x ,90x10 6 7/3 18,54 4,25x ,47x ,82x10 6

20 Tabel 2. Kerapatan pori separator komposit PVDF/PDMS Perbandingan PVDF/PDMS Jumlah pori Perbandingan PVDF/PDMS Luas membran (m 2 ) Densitas membran (gr/ml) Massa kering (gr) Kerapatan Pori (count/m 2 ) 10/0 1,44x10 5 3,23x10-5 4,47x10 9 9/1 3,13x10 5 6,16x10-5 5,08x10 9 8/2 2,90x10 6 2,92x10-5 9,90x /3 5,82x10 6 1,43x10-5 4,07x10 11 Tabel 3. Prosentase porositas separator komposit PVDF/PDMS Massa basah (gr) Porositas (%) 10/0 1,74 0,0010 0, ,65 9/1 1,66 0,0020 0, ,33 8/2 1,59 0,0004 0, ,53 7/3 1,51 0,0004 0, ,65

21 Analisa Fasa dan Derajat Kristalinitas dengan Difraksi Sinar-X Gambar 7. Pola difraksi PVDF FASA Liquid dengan sudut 11,3 0 FASA α-pvdf dengan sudut 17,70 0 ; 18,31 0, 19,94 0, dan 26,53 0 Gambar 8. Pola difraksi PDMS

22 Referensi (P. Martins 2013) FASA α-pvdf Gambar 9. Pola difraksi separator komposit PVDF/PDMS

23 dengan : Tabel 4. Derajat kristalinitas separator komposit PVDF/PDMS Perbandingan PVDF/PDMS Derajat kristalinitas 10/0 63,84 % 9/1 59,75 % 8/2 61,46 % 7/3 29,26 %

24 Analisa Ikatan Gugus Fungsi dan Fasa dengan FTIR Gambar 12. Spektrum FTIR separator komposit PVDF/PDMS

25 Tabel 5. Data Spektroskopi FTIR separator komposit PVDF/PDMS

26 Separator komposit PVDF/PDMS menunjukkan fasa α-pvdf Tabel 6. Referensi data IR PVDF

27 Analisa Konduktivitas Listrik Conductivity (S/cm) 0,004 0,0035 0,003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0, Frequency (Hz) PVDF/PDMS 10:0 PVDF/PDMS 9:1 PVDF/PDMS 8:2 PVDF/PDMS 7:3 Gambar 13. Hubungan Konduktivitas dengan frekuensi pada separator PVDF/PDMS

28 Tabel 7. Konduktivitas separator komposit PVDF/PDMS Perbandingan PVDF/PDMS Konduktivitas Listrik (S/cm) 10/0 3,20 x /1 5,67 x /2 3,97 x /3 3,45 x 10-4 Tabel 8. Nilai Resistansi separator komposit PVDF/PDMS Perbandingan PVDF/PDMS Resistansi (Ω) 10/0 0,293 9/1 1,08 8/2 1 7/3 0,957

29 Conductivity (x10-4 S/cm) 3,43 3,42 3,41 3,4 3,39 3,38 3,37 3,36 3,35 3,34 3,33 0,94 0,945 0,95 0,955 0,96 0,965 Resistance (Ω) Gambar 14. Grafik hubungan resistansi dan konduktivitas pada PVDF/PDMS 10/0

30 KESIMPULAN Metode blending dapat membentuk separator komposit PVDF/PDMS dalam orde mikro dengan ukuran pori terkecil yaitu 1,71 µm pada perbandingan 7/3. Peningkatan konsentrasi PDMS dapat mereduksi ukuran pori separator yang diindikasikan dengan kerapatan pori tinggi yang dicapai pada perbandingan 7/3 yaitu sebesar 4,07x10 11 count/m 2 dengan derajat kristalinitas mencapai 29,26% pada perbandingan 7/3. Peningkatan konsentrasi PDMS dapat meningkatkan resistansi separator yaitu sebesar 80% dari separator tanpa PDMS (10/0) dengan nilai resistansi 1 dan konduktivitas listrik separator semakin menurun dengan peningkatan konsentrasi PDMS yaitu sebesar 3,45 x 10-4 S/cm pada perbandingan 7/3.

31 KARAKTERISASI SIFAT SEPARATOR KOMPOSIT PVDF/POLI(DIMETILSILOKSAN) DENGAN METODE BLENDING TERIMAKASIH ATAS PERHATIANNYA