PENGARUH PENAMBAHAHAN PARTIKEL MAGNETIK Fe 3 O 4 TERHADAP PENINGKATAN KONDUKTIVITAS MEMBRAN POLIMER ELEKTROLIT (PVA LiOH)

Transkripsi

1 PENGARUH PENAMBAHAHAN PARTIKEL MAGNETIK Fe 3 O 4 TERHADAP PENINGKATAN KONDUKTIVITAS MEMBRAN POLIMER ELEKTROLIT (PVA LiOH)! "# $%& '(%) ABSTRACT Electrical conductivity of electrolyte polymer PVA.LiOH with nanoparticle Fe 3 O 4 dispersion result show a significant increase when compared to electrolyte polymer without nanoparticle Fe 3 O 4. The electrolyte polymer PVA.LiOH electrical conductivity with nanoparticle Fe 3 O 4 reach 1,18 x 10-3 Scm -1 orde, while without nanoparticle Fe 3 O 4 the electrical conductivity reach 2,48 x 10-4 Scm -1 orde. This indicates an increase of amorphous phase after magnetic particle Fe 3 O 4 addition. The existence of magnetic nanoparticle Fe 3 O 4 can effectively increase the amorphous fraction of electrolyte polymer PVA.LiOH and magnetic properties carried by Fe 3 O 4 a new potential in development of electrolyte polymer. Keywords : electrolyte polymer, nanoparticle Fe 3 O 4, electrical conductivity PENDAHULUAN Penelitian tentang membran elektrolit terus berkembang akhir akhir ini. Membran polimer elektrolit ini telah banyak digunakan secara efektif sebagai medium elektrolisis dalam perangkat penyimpanan energi seperti baterai (Ahmad, 2009). Dengan hadirnya kation dengan massa atom rendah seperti ion Litium (Li+) di dalam matriks polimer memungkinkan suatu proses transfer muatan yang efisien. Membran polimer elektrolit pada Li-ion merupakan modifikasi dari polimer dan garam Litium sebagai elektrolitnya. Keunggulannya sebagai media transport ionik yang baik, sifat mekanik yang kuat serta menawarkan temperatur operasi lebih luas menjadikan membran elektrolit telah digunakan pada beberapa perangkat elektrokimia seperti sel bahan bakar (fuel cell), sensor, super kapasitor dan baterai (Ramesh dkk, 2010). Kemudahan pada proses pabrikasi, stabilitas struktur dan mekanik yang baik serta didukung kerapatan energi (transport muatan) yang tinggi menjadikan bahan komposit polimer elektrolit memiliki sifat-sifat fisis dengan karakteristik yang unggul (Li dkk, 2008). Nanokomposit polimer elektrolit telah digunakan sebagai membran elektrolit (bahan dielektrik) menggantikan bahan elektrolit konvensional dalam bentuk cairan (Ahmad, 2009). Bahan ini memiliki keunggulan pada kemampuannya mereduksi kebocoran cairan elektrolit yang berbahaya, menawarkan temperatur operasi yang lebih luas, lebih lama, dan memiliki rentang aplikasi yang luas meliputi sumber daya (baterai) portable, sel bahan bakar (fuel cell), sensor, dan perangkat elektronika (Ramesh dkk, 2009). Nanokomposit polimer elektrolit dapat dihasilkan dengan teknik yang sangat sederhana melalui metode Solution Casting. Metode sintesis ini dilakukan dengan tahapan proses yang mampu menghasilkan membran elektrolit yang seragam secara komposisi kimia dan struktur fisik larutan polimer yang homogen (Abdullah dkk, 2004). Penelitian ini memfokuskan pada pengaruh penambahan nanopartikel Fe 3 O 4 untuk fabrikasi membran nanokomposit polimer elektrolit magnetik. Langkah ini dipandang strategis untuk menghasilkan bahan baru membran elektrolit dengan karakteristik unggul. EKSPERIMEN Pembuatan Membran Polimer Elektrolit Eksperimen diawali dengan pembuatan membran polimer elektrolit dengan metode Sol Gel.Membran polimer elektrolit dibuat dari polimer PVA dan garam LiOH sebagai elektrolitnya. Polimer PVA dilarutkan dengan menggunakan aquades dengan menggunakan magnetic stirrer sambil dipanaskan pada suhu 50 0 Cselama dua jam sedangkan garam LiOH juga dilarutkan tersendiri dengan pengadukan selama satu jam sambil dipanaskan 50 0 C. Setelah keduanya terlarut kemudian dicampurkan antara larutan PVA dan larutan LiOH kemudian diaduk selama dua jam sambil dipanaskan pada suhu 50 0 C hingga diperoleh larutan bening yang homogen. Komposisi PVA dan LiOH divariasi dan dilakukan berulang kali untuk mengoptimasi komposisi terbaik. Larutan polimer elektrolit yang homogen kemudian diuapkan pada suhu kamar untuk memperoleh lembaran membran yang transparan. Lembaran membran yang transparan kemudian dikarakterisasi sifat listriknya. Ternyata diperoleh nilai konduktifitas listrik yang terbaik pada komposisi 91% PVA dan 9% LiOH dari massa total 1gram. Proses ini dilakukan untuk digunakan sebagai matriks dalam pembuatan membrane polimer elektrolit magnetik. 232

2 Bentuk lembaran polimer elektrolit Gambar 1. PVA LiOH sebelum mengalami penambahan partikel magnetic ditunjukkan pada A B Gambar 1 (A) Larutan Polimer Elektrolit PVA-LiOH, (B) Membran Polimer Elektolit PVA - LiOH Dispersi Partikel Fe 3 O 4 Pembuatan membran polimer elektrolit magnetik diperlukan larutan awal sebagai matriks pembentukan nanopartikel magnetik. Larutan yang digunakan adalah larutan polimer elektrolit dengann komposisi terbaik yang telah diperoleh sebelumnya. Larutan dibuat dengan komposisi PVA 91% dan LiOH 9%. Setelah dibuat larutan polimer elektrolit kemudian dimasukkan ke dalam lemari es untuk menjaga keadaan larutan tidak menggumpal. Proses pembentukan nanopartikel Fe 3 O 4 dilakukan di dalam larutan polimer elektrolit. Nanopartikel Fe 3 O 4 terbentuk dengan mereaksikan Besi Sulfat (FeSO 4 ), Fe(NO 3)3 dan LiOH. Untuk mempercepat reaksi, dilakukan pengadukan mekanik secara kontinyu. Komposisi masing masing bahan pembentuk Fe 3 O 4 divariasikan untuk memperoleh hasil yang optimum. Indikasi terbentuknya Fe 3 O 4 di dalam larutan adalah terjadinya perubahan warna menjadi hitam pekat. Setelah itu kemudia dituang ke dalam cawan petri untuk selanjutnya dilakukan evaporasi untuk menghasilkan lembaran membran. Sedangkan indikasi membran yang baik adalah terbentuknya lembaran yang permukaannya homogen tidak kasar atau berbintik. Bentuk lembaran polimer elektrollit setelah mengalami penambahan partikel magnetic Fe 3 O 4 ditunjukkann pada Gambar 2. A B Gambar 2. (A) Larutan Polimer Elektrolit setelah ditambahkan partikel Magnetik, (B) Membran Polimer Elektrolit setelah ditambahkan partikel magnetik. Membran polimer elektrolit setelah mengalami penambahan partikel magnetic Fe 3 O 4, berubah warna dari bening menjadi warna cokelat tua. Membran hasil sintesis kemudian disesuaikan bentuk yang disesuaikan dengan holder elektroda dari alat Impedacemeter yaitu dengan ukuran 2.5 cm x 3 cm, seperti ditunjukkann pada Gambar

3 Gambar 3 Membran hasil sintesis yang disesuaikan dengan holder elektroda Impedancemeter Konduktivitas membran polimer elektrolit diperoleh dengan menganalisis nilai impedansi hasil pengukuran dengan perangkat Electrochemical Impedance Spectroscope (EIS).Pengukuran impedansi dilakukan pada rentang frekuensi 20 Hz 2 MHz. Data hasil pengukuran berupa impedansi real ( Z ' ) dan sudut fasa (θ r ). Sedangkan impedansi imajiner ( Z " ) diperoleh dari persamaan berikut : ( ) Z " = Z 'tan θr Hubungan antara Z ' dan Z " dikenal sebagai kurva Nyquist. Kurva Nyquist diperlukan untuk menentukan nilai hambatan (R). Nilai hambatan R inilah yang digunakan untuk menghitung nilai konduktivitas dengan mengikuti persamaan: Nilai konduktivitas adalah (S/cm), sedangkan hambatan totalnya adalah R(ohm), D(cm) dan A(cm 2 ) adalah masing-masing diagonal dan luas membran. HASIL DAN DISKUSI Konduktivitas Membran Polimer Elektrolit (PVA LiOH) Profil nilai konduktivitas membran polimer elektrolit PVA-LiOH ditunjukan pada Gambar 4. Konduktivitas naik dengan meningkatnya konsentrasi ionik Li + dalam matrik polimer. Konduktivitas maksimum diperoleh pada konsentrasi LiOH 9% yaitu 2,48x10-4 S.cm -1. Namun, penambahan konsentrasi LiOH akan menurunkan nilai konduktivitasnya. Hal ini diprediksi terdapat interaksi coloumb yang kuat antara ionik Li + dalam matrik polimer sehingga diperlukan energi aktivasi (E a ) yang lebih besar agar terjadi transport muatan Li + dari satu segmen polimer ke segmen lainnya (S/cm) Konduktivitas x P u r e P V A L i 1 % L i 3 % L i 5 % L i 7 % L i 8 % L i 9 % L i 1 0 % L i 1 3 % S a m p e l Gambar 4. Konduktivitas listrik polimer elektrolit PVA-LiOH 234

4 Nilai konduktivitas terbaik diperoleh pada komposisi 0,09 gram LiOH dan 0,91 gram PVA dari massa total 1 gram. Namun, penambahan konsentrasi LiOH akan menurunkan nilai konduktivitasnya. Hal ini diprediksi terdapat interaksi Coloumb yang kuat antara ionik Li + dalam matrik polimer sehingga diperlukan energi aktivasi (E a ) yang lebih besar agar terjadi transport muatan Li + dari satu segmen polimer ke segmen lainnya (Mahardika, 2010). Koduktivitas Membran Polimer Elektrolit (PVA :LiOH -Fe 3 O 4 ) Membran polimer elektrolit didispersi partikel Fe 3 O 4, pada saat masih dalam bentuk larutan. Bahan bahan pembentuk partikel Fe 3 O 4 direaksikan ke dalam larutan polimer elektrolit karena apabila direaksikan secara terpisah, kemudian dicampurkan ke dalam larutan polimer elektrolit, hasil larutan tidak homogen dan terjadi endapan. Analisis nilai konduktivitas membran polimer elektrolit magnetik PVA.LiOH-Fe 3 O 4 dilakukan dengan cara yang sama dengan membran polimer elektrolit PVA.LiOH. Maka, diperoleh profil nilai konduktivitas membran polimer elektrolit magnetik PVA.LiOH-Fe 3 O 4 seperti ditunjukan pada Gambar 5. Konduktivitas naik dengan meningkatnya konsentrasi Fe 3 O 4 dalam matrik polimer elektrolit PVA.LiOH konduktivitas (10-3 ) S/cm m a s s a F e 3 O 4 ( g r a m ) Gambar 5. Konduktivitas listrik polimer elektrolit PVA-LiOH setelah didispersi nanopartikel Fe 3 O 4 Nilai konduktivitas maksimum dicapai pada penambahan Fe 3 O gram yaitu 1,81 x 10-3 s/cm -1. Keberadaan nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 yang tersebar antar rantai plimer menghambat rekonstruksi rantai antar rantai polimer ke dalam bentuk kristal. Sehingga ketika kembali pada temperatur ruang rantai polimer tetap acak sehingga konduktivitas listrik semakin tinggi (Abdullah, 2009). Nilai konduktivitas listrik yang dicapai mengalami peningkatan hingga 10 kali.sebelum didispersi nanopartikel magnetik Fe 3 O 4, nilai konduktivitas berada pada orde 10-4 s/cm dan setelah didispersi nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 berada pada orde Kenaikan nilai konduktivitas yang signifikan ini dipengaruhi oleh peningkatan fraksi amorf yang diciptakan dengan melalui dispersi nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 Ketika dilakukan penambahan massa di atas 0,08 gr, nilai konduktivitasnya menurun. Peningkatan konsentrasi Fe 3 O 4 yang terlalu banyak dalam polimer menyebabkan fasa amorf dalam polimer elektrolit menjadi lebih rigid sehingga ion ion menjadi lebih sulit untuk bergerak dalam matriks polimer tersebut sehingga nilai konduktivitas menurun (Rahmawati dkk, 2011). Pada keadaan ini diperkirakan menjadi penghambat pergerakan relaksasi segmental polimer sehingga ion ion menjadi lebih sulit untuk bergerak dari satu segmen ke segmen polimer lainnya (Ramesh, 2009). KESIMPULAN Membran polimer elektrolit magnetik dari komposit PVA.LiOH dengan nanopartikel Fe 3 O 4 terdispersi telah dihasilkan. Komposit PVA.LiOH dihasilkan secara efektif dengan menggunakan metode Solution Casting dan teknik insitu untuk mendispersi partikel magnetik Fe 3 O 4. Dispersi nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 di dalam polimer elektrolit PVA.LiOH dapat meningkatkan nilai konduktivitas listriknya. Dengan demikian kehadiran nanopartikel Fe 3 O 4 dalam membran berpotensi untuk menambah performa membran elektrolit dengan ditunjang sifat magnetik DAFTAR PUSTAKA Abdullah, M., Lenggono, W., dan Okuyama, K. (2004) : Polymer Electrolyte Nanocomposites, Encyc. Nanosci. And Nanotechnol.8 : Abdullah, M. (2009) : Pengantar Nanosains, Bandung : Penerbit ITB Bandung. Ahmad, S. (2009) : Polymer Electrolytes: Characteristics and Peculiarities, Ionics 15 :

5 Li, N., Wang, L., He, X., Wan, C. dan Jiang, C. (2008) : Synthesis of Star Macromolecules for Solid Polymer Electrolytes, Ionics 14 : Mahardika, P.A. (2008) :Kajian Sifat Megnetik (Fe 3 O 4 ) Hasil Penumbuhan dengan Metode Presipitasi Berbahan Dasar Pasir Besi, Tesis Program Magister FisikaInstitut Teknologi Bandung. Mahardika., Rahmawati., Bijaksana, S., Khairrurijal, dan Abdullah, M. (2010) : Electrical Conductivity Study of Polymer Electrolyte Magnetic Nanocomposite Based Poly(Vinyl Alcohol) (PVA) Doping Lithium and Nickel Salt, AIP Conf. Proc.1284 : Rahmawati., Mahardika., Masturi., Khairurrijal dan Abdullah, M. (2011) : Stabilitas Fabrikasi Nanokomposit Polimer Elektrolit Magnetik PVA.LiOH-Fe 3 O 4, Prosiding Seminar Nasional Penelitian dan Penerapan Mipa UNY, Yogyakarta. Ramesh, S., Arof, A.K., (2009) : A Study Incorporating Nano-sized Silica Into PVC-blend-based Polymer Electrolytes for Lithium Batteries, J. Mater. Sci.44 : Ramesh, S. dan Wen, C.L. (2010) :Investigation on the Effects of Addition of SiO2 Nanoparticles on Ionic Conductivity, FTIR, and Thermal Properties of Nanocomposite PMMA-LiCF 3 SO 3 -SiO 2, Ionics16 :