DISERTASI HILDA AYU MARLINA NIM

(1)

SINTESIS DAN KARAKTERISASI SODIUM MANGAN OKSIDA (Na

2

Mn

3

O

7

) SEBAGAI KATODA BATERAI ION SODIUM

DENGAN BAHAN PENGISI GRAPHITIC CARBON NANOSTRUCTURES DARI LIMBAH

KULIT DURIAN

DISERTASI

HILDA AYU MARLINA NIM 188108003

PROGRAM STUDI DOKTOR (S3) ILMU FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2021

(2)

SINTESIS DAN KARAKTERISASI SODIUM MANGAN OKSIDA (Na

2

Mn

3

O

7

) SEBAGAI KATODA BATERAI ION SODIUM

DENGAN BAHAN PENGISI GRAPHITIC CARBON NANOSTRUCTURES DARI LIMBAH

KULIT DURIAN

DISERTASI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dalam Program Studi Doktor (S3) Ilmu Fisika

HILDA AYU MARLINA NIM 188108003

PROGRAM STUDI DOKTOR (S3) ILMU FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2021

(3)

i PERNYATAAN ORISINALITAS

SINTESIS DAN KARAKTERISASI SODIUM MANGAN OKSIDA (Na2Mn3O7) SEBAGAI KATODA BATERAI ION SODIUM

DENGAN BAHAN PENGISI GRAPHITIC CARBON NANOSTRUCTURES DARI LIMBAH

KULIT DURIAN

DISERTASI

Saya menyatakan bahwa disertasi ini adalah hasil karya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.

Medan, 28 April 2021

Hilda Ayu Marlina NIM 188108003

(4)

ii PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK

KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan di bawah ini:

Nama : Hilda Ayu Marlina

NIM : 188108003

Program Studi : Doktor (S3) Ilmu Fisika Jenis Karya Ilmiah : Disertasi

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan informasi kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Ekslusif (Non-Exclusive Free Right) atas disertasi saya yang berjudul :

SINTESIS DAN KARAKTERISASI SODIUM MANGAN OKSIDA (Na2Mn3O7) SEBAGAI KATODA BATERAI ION SODIUM

DENGAN BAHAN PENGISI GRAPHITIC CARBON NANOSTRUCTURES DARI LIMBAH

KULIT DURIAN

Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan), dengan Hak Bebas Royalti Non-Ekslusif ini, Universitas Sumatera Utara berhak menyimpan, mengalih media, memformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasikan disertasi saya tanpa meminta izin dari saya selama mencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan sebagai pemilik hak cipta.

Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.

Hilda Ayu Marlina NIM 188108003

(5)

iii

(6)

iv Telah diuji dan dinyatakan lulus pada

Tanggal : 28 April 2021

PANITIA PENGUJI DISERTASI

Pemimpin Sidang : Dr. Muryanto Amin, S.Sos., M.Si. Rektor USU

Ketua : Prof. Dr. Kerista Sebayang, M.S. USU

Anggota : 1. Prof. Ir. Bambang Sunendar P., M.Eng., Ph.D. ITB 2. Saharman Gea, S.Si., M.Si., Ph.D. USU

3. Dr. Kurnia Sembiring, M.S. USU

4. Dr. Syahrul Humaidi, M.Sc. USU

5. Prof. Nafisah Osman, Ph.D. UiTM

Malaysia

(7)

v SINTESIS DAN KARAKTERISASI SODIUM MANGAN OKSIDA

(Na2Mn3O7) SEBAGAI KATODA BATERAI ION SODIUM DENGAN BAHAN PENGISI GRAPHITIC CARBON

NANOSTRUCTURES DARI LIMBAH KULIT DURIAN

ABSTRAK

Na2Mn3O7 dengan struktur triklinik diketahui memiliki nilai kapasitas energi yang tinggi sehingga dapat diaplikasikan sebagai katoda baterai. Selain itu, graphitic carbon nanostructures (GCN) yang diperoleh dari limbah kulit durian dapat meningkatkan konduktivitas Na2Mn3O7. Penelitian ini bertujuan untuk mensintesis dan mengkarakterisasi sodium mangan oksida (Na2Mn3O7) sebagai katoda baterai ion sodium (SIB) dengan pengisi GCN yang diperoleh dari limbah kulit durian. Sintesis Na2Mn3O7 dilakukan dengan 5 metode yang berbeda, yaitu metode hidrotermal diikuti pencampuran padatan, metode padatan, metode sol-gel, metode template padatan, dan metode template sol-gel. Namun, sintesis Na2Mn3O7 pada penelitian ini difokuskan pada metode template padatan dan metode template so-gel karena efektif dan efisien.

Kedua metode ini menggunakan dua chelating agent yang berbeda, yaitu gula pasir dan etilen glikol. Sampel Na2Mn3O7 dikarakterisasi menggunakan FTIR, TG- DTA/DSC, XRD, SEM, TEM, dan BET. Sedangkan GCN hanya dikarakterisasi menggunakan TEM dan XRD. Penambahan GCN ke dalam Na2Mn3O7 dilakukan selama proses perakitan baterai. Setelah perakitan baterai, uji Galvanostatic Charge/Discharge (GCD) diterapkan untuk menentukan performansi baterai. Dari 8 jenis sampel, sampel yang dihasilkan melalui metode template sol-gel dengan etilen glikol sebagai chelating agent memiliki nilai intensitas fasa tertinggi (1255 cts) dengan temperatur kristalinitas Na2Mn3O7 yang cukup rendah (645-800℃) dan luas permukaan spesifik yang cukup tinggi (178,915 m²/g). Disamping itu, penambahan GCN pada Na2Mn3O7 yang disintesis melalui metode template sol-gel dengan chelating agent etilen glikol menunjukkan peningkatan siklus baterai sebanyak 2 siklus.

Kata kunci : baterai ion sodium (SIB), sodium mangan oksida (Na2Mn3O7), chelating agent, Graphitic Carbon Nanostructures (GCN), kulit durian

(8)

vi SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF SODIUM MANGANESE OXIDE

(Na2Mn3O7) AS A SODIUM ION BATTERY CATHODS WITH GRAPHITIC CARBON NANOSTRUCTURES FROM DURIAN SKIN WASTE

AS A FILLING MATERIAL

ABSTRACT

Na2Mn3O7, which is in triclinic structure, is known to have a high energy capacity value that can be applied as a battery cathode. In addition, graphitic carbon nanostructures (GCN) obtained from durian skin waste was improved the conductivity of Na2Mn3O7. This research aimed to synthesize and characterize sodium manganese oxide (Na2Mn3O7) as a sodium ion battery cathode (SIB) with the filler of graphitic carbon nanostructures (GCN) obtained from durian skin waste. The synthesis of Na2Mn3O7 was carried out by 5 different methods, namely the hydrothermal method followed by solid mixing, the solid method, the sol-gel method, the solid template method, and the sol-gel template method. However, the synthesis of Na2Mn3O7 in this study was focused on the solid template method and the so-gel template method because it was effective and efficient. Both of these methods used two different chelating agents for comparison (sugar and ethylene glycol). The sample of Na2Mn3O7

was characterized by using several measurements, in particular, FTIR, TG-DTA/DSC, XRD, SEM, TEM, and BET, while GCN was only characterized by TEM and XRD. The addition of GCN to Na2Mn3O7 was conducted during assembly process. After assembling the battery cathode, the Galvanostatic Charge/Discharge (GCD) test was applied to determine the battery performance. From 8 types of sample, the sample produced by employing the sol-gel template with ethylene glycol as chelating agent was found to have the higest intensity value of Na2Mn3O7 (1255 cts) with a fairly low crystallinity temperature of Na2Mn3O7 (645-800℃) and a high specific surface area (178,915 m²/g). In addition, the addition of GCN to Na2Mn3O7 was produced by the sol-gel template with ethylene glycol as chelating agent shown the increase of the charge/discharge cycles of 2 cycles.

Keywords : sodium ion battery (SIB), sodium manganese oxide (Na2Mn3O7), chelating agent, Graphitic Carbon Nanostructures (GCN), durian skin

(9)

vii PRAKATA

Alhamdulillahilladzi bini’matihi tatimushshalihat –segala puji bagi Allah Subhanahu wa Ta’ala yang karena rahmat-Nya segala kenikmatan menjadi sempurna–

dan karena ridho-Nya disertasi ini dapat diselesaikan. Shalawat dan salam semoga senantiasa tercurahkan kepada uswah hasanah, Rasulullah Muhammad Shalallahu alaihi wasallam.

Disertasi dengan judul : Sintesis dan Karakterisasi Sodium Mangan Oksida (Na2Mn3O7) sebagai Katoda Baterai Ion Sodium dengan Bahan Pengisi Graphitic Carbon Nanostructures dari Limbah Kulit Durian merupakan syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Program Studi Doktor (S3) Ilmu Fisika FMIPA USU.

Kerberhasilan dari penelitian dan penulisan disertasi ini tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak yang terlibat secara langsung maupun tidak langsung dan telah memberikan dukungan secara moril maupun materil. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terimakasih kepada :

1. Rektor Universitas Sumatera Utara, Bapak Dr. Muryanto Amin, S.Sos., M.Si.

2. Promotor sekaligus Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara, Bapak Prof. Dr. Kerista Sebayang, M.S.

3. Co-Promotor I, Kepala Laboratorium Advanced Material Processing Program Studi Teknik Fisika Institut Teknologi Bandung, Bapak Prof. Ir. Bambang Sunendar Purwasasmita, M.Eng., Ph.D.

4. Co-Promotor II sekaligus Wakil Dekan III Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara, Bapak Saharman Gea, S.Si., M.Si., Ph.D.

5. Ketua Program Studi Pascasarjana Fisika Universitas Sumatera Utara, Bapak Dr. Kurnia Sembiring, M.S.

6. Sekretaris Program Studi Doktor (S3) Ilmu Fisika Universitas Sumatera Utara, Bapak Dr. Syahrul Humaidi, M.Sc.

7. Penguji Disertasi, Ibu Prof. Nafisah Osman, Ph.D. dari Faculty of Applied Sciences, Universiti Teknologi MARA (UiTM), Arau, Perlis, Malaysia.

8. Peneliti Ahli Muda Balai Besar Keramik Kementerian Perindustrian, Kang Dr.

Rifki Septawendar, M.T.

9. Peneliti Balai Besar Bahan dan Barang Teknik (B4T), Bapak Susanto Sigit Rahardi, M.T. dan Bapak Deni.

10. Orang tua tersayang, Mama Ida Riswati Ali, S.Pd. dan Papa Tuido Herawanto Idris.

(10)

viii 11. Adik-adik, Aisyah Fajrina Fitri, S.Pd. dan Annisa Fitri Mulyani.

12. Keluarga besar Idris Bay dan Ali Musa; Makcik Reni Susana, A.Md.; Makcik Rolis Fidyawati; Awo Rosniwati; Umi Roslina; Makcik Sri Winarni; Om AKP Indra Sakti; Om KOMPOL (Purnawirawan) Surya Bakti; Awo Zulfan; Ayah Samsul; Om Daud Nasution; Rizki Auliansyah Putra, S.Hut., M.Si.;

Khairunnisa, S.Pd.; Diana Rahmi, S.Agr.; Putri Ratna Sari, S.Pd.; Dita Diastrina, S.E.; Dewi Puji Lestari, A.Md.; Fadly Aditya, S.E.; Destriani Nurjanah; Arkhan Haziq Aditya; Abid Rasyad Muhammad Aditya; Patria Hertana, S.Pd.

13. Teman-teman, Teh Dewi Idamayanti, M.T.; Om Jon (Carudin); Bapak Dede Taufik, S.Si.; Muhammad Ilham Bayquni, M.T.; Rizqi Abdullah, M.T.;

Achmadun Habibullah, S.T.; Kang Ashari Budi Nugraha, M.T.; Bapak Ir.

Yulistiono Kamin; Mba Dr. Riesca Ayu Kusuma Wardhani, M.T.; Kak Moraida Hasanah, S.Si., M.Si.; Hariyati Lubis, S.Si., M.Si.; Cindy Al Kindi, S.Si., M.Si.; Kak Nini Sulaini, S.E.; Anie Afrilla, S.Si.; Dea Nita Deslia Sari, S.Si, M.Si.; Tetra Oktaviani, S.S.T., M.Tr.T.; Tri Medianti, S.Kom.; Bang Averroes Piliang, S.Si.; Kak Siti Utari, S.Si., M.Sc.; Dr. Martha Riana, S.Si.;

Bapak Dr. Marzuki Sinambela, M.T.; Bapak Frikson Jony Purba, M.Si.; Bapak Andriono Manalu, M.Si.; Bapak M. Ali Akbar, M.Si.; Bapak Herri Trisna Frianto, M.T.; Bapak Abdul Rais, M.Si.; Sally Irvina Ritonga, S.Si.; Tian Havwini, Kharismayanti Ritonga, S.Si.; Fitri Hidayati Sinaga, S.Si.; Seri Dermayu Siregar, S.S.i; Desy Hervina Sari, S.Si.; Tika Hapsari, S.T.; Amanda Dwi Wantira, S.Tr.Log., M.T.; Rizni Wahyuni, S.T.; Fauzan Amri, S.Si; Fauzi Handoko, S.Si., M.Sc.; Bang Meyman Ziliwu, M.Kom.; Yara Andita Anastasya, M.Psi., Psikolog; Ananda Irhamna Sartika, S.Pd.; Rizki Ananda, S.T., M.Sc.; Winda Diana Sari, S.T.; Muhammadin Hamid, S.Si., M.Si.;

Ikhwanuddin, S.Si, M.Si.

Dalam penulisan disertasi ini penulis menyadari bahwa terdapat ketidaksempurnaan. Oleh karena itu, saran dan masukan pembaca demi kesempurnaan disertasi ini sangat diharapkan. Akhir kata, semoga disertasi ini bermanfaat bagi kemajuan pendidikan dan penelitian di Indonesia.

Hilda Ayu Marlina

(11)

ix RIWAYAT HIDUP

DATA PRIBADI

Nama lengkap berikut gelar : Hilda Ayu Marlina, S.Si., M.Si.

Tempat dan Tanggal Lahir : Lhokseumawe, 9 Juli 1991 Alamat Rumah : Perumahan Prima Villa 11B

Jl. Setia Budi Tanjung Sari gg. Rambutan Medan

Telepon/HP : 082165446771

E-mail : [email protected]

Nama Orang Tua : Tuido Herawanto Idris Ida Riswati Ali, S.Pd.

DATA PENDIDIKAN

SD S Iskandar Muda (1997-2003)

Komplek PT Pupuk Iskandar Muda, Aceh Utara

SMP S Iskandar Muda (2003-2006)

SMA S Iskandar Muda (2006-2009)

Strata-1 Jurusan Fisika (2009-2013)

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara, Medan

Strata-2 Jurusan Fisika (2015-2017)

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara, Medan

PENGALAMAN KERJA

Asisten Laboratorium di UPT Pusat Perkuliahan Laboratorium Ilmu Dasar dan Umum (LIDA) Universitas Sumatera Utara (2010-2013)

(12)

x JUDUL PENELITIAN

1. Skripsi : Pembuatan Magnet Bonded Permanen PrFeB dengan Binder Polyester dan Silicone Rubber (2013).

Kerjasama dengan Pusat Penelitian Fisika (P2F) LIPI Serpong, Tangerang Selatan, Indonesia.

2. Tesis : Pembuatan dan Karakterisasi Kawat Superkonduktor

SS316/Bi1,6Pb0,4Sr2Ca2Cu3O10 dan Ag/Bi1,6Pb0,4Sr2Ca2Cu3O10 dengan Penambahan Carbon Nanotube (CNT) (2017).

Kerjasama dengan Pusat Penelitian Metalurgi dan Material (P2MM) LIPI Serpong, Tangerang Selatan, Indonesia.

3. Disertasi : Sintesis dan Karakterisasi Sodium Mangan Oksida (Na2Mn3O7) sebagai Katoda Baterai Ion Sodium dengan Bahan Pengisi Graphitic Carbon Nanostructures dari Limbah Kulit Durian (2019-2020).

Kerjasama dengan Laboratorium Advanced Material Processing Program Studi Teknik Fisika Institut Teknologi Bandung (ITB), Bandung, Indonesia.

PUBLIKASI JURNAL DAN PROSIDING

1. Hilda Ayu Marlina, Kerista Sebayang, Saharman Gea, Zikri Noer, Rifki Septawendar, and Bambang Sunendar. Thermal Behavior, Mineral Phase, and Microstructure Characteristics of Na2Mn3O7 synthesized from MnO2 and MnCl2

via a Low-Cost, Simple Conventional Mixing Method. Journal of the Ceramic Society of Japan, 2020, 128(11) : 970-976 (Q2).

2. H A Marlina, K Sebayang, S Gea, Z Noer, R Septawendar, and B Sunendar. The effect of chelating agents on the formation of manganese oxide (MnO) in the synthesis of sodium manganese oxide (Na2Mn3O7). IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 980 (2020) 012055.

3. Wahyu Azhar Ritonga, Timbangen Sembiring, Muhammad Zaini Afdlan, Kerista Sebayang, Susilawati, Hariyati Lubis, Agung Imaduddin, Hilda Ayu Marlina, and Cindy Alkindi. Effect of dopant on superconductor Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2-

(13)

xi

xMxCu3Oy (M = Ce, Na, Mg) phase 2223 by solid method. AIP Conference Proceedings 2221 (2020) 110011.

4. Muhammad Zaini Afdlan, Timbangen Sembiring, Nono Darsono, Agung Imaduddin, Hariyati Lubis, Kerista Sebayang, Susilawati, Wahyu Azhar Ritonga, and Hilda Ayu Marlina. The effect of Mg, Na, and Ce addition on the superconducting properties of Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2-xMxCu3Oy prepared sol-gel method. AIP Conference Proceedings 2221 (2020) 110006.

5. Kerista Sebayang, Agung Imaduddin, Hilda Ayu Marlina, Pius Sebleku, Satrio Herbirowo, Hendrik. The effects of carbon nanotubes (CNT) on fabrication of Ag/Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3O10 wire. IOP Conf. Series: Journal of Physics. Conf.

Series 1116 (2018) 032029.

6. T Sembiring, A Imaduddin, W A Ritonga, M Z Afdlan, K Sebayang, Susilawati, H A Marlina, H Lubis, C A Kindi. Characterization of Physical and Electrical Properties of Bi1.8Pb0.4Sr2Ca2-xMxCu3Oy (M = Na, Mg, Ce) Superconductor. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1120 (2018) 012099.

7. Hilda Ayu Marlina, Agung Imaduddin, Kerista Sebayang, Pius Sebleku, Satrio Herbirowo, and Hendrik. Fabrication of SS316-Sheathed BPSCCO Superconducting Wire with the Addition of Carbon Nanotubes. IOP Conf. Series:

Journal of Physics. Conf. Series 1120 (2018) 012034.

8. Candra Kurniawan, Hilda Ayu Marlina, Perdamean Sebayang. Analisis Sifat Mekanik dan Magnet Terhadap Variasi Matriks Poliester dan Silicone Rubber pada Magnet Permanen Bonded Pr-Fe-B. Seminar Nasional Fisika (2013) ISSN 2088-4176.

HIBAH PENELITIAN

1. PENELITIAN TIM PASCASARJANA (2017-2018) dari Direktorat Kualifikasi Sumber Daya Manusia, Direktorat Jenderal Sumber Daya untuk Sains, Teknologi

& Pendidikan Tinggi, Kementerian Riset, Teknologi & Pendidikan Tinggi Indonesia (KEMENRISTEK-DIKTI RI).

(Ketua: Prof. Dr. Timbangen Sembiring, M.Sc. Anggota: Dr. Kerista Sebayang, M.S. dan Dr. Susilawati, S.Si., M.Si. Mahasiswa: Hariyati Lubis, S.Si., M.Si.;

(14)

xii Hilda Ayu Marlina, S.Si., M.Si.; Cindy Al Kindi, S.Si., M.Si.; Wahyu Azhar Ritonga, S.Si. Dilanjutkan oleh: Wahyu Azhar Ritonga, S.Si. dan Muhammad Zaini Afdlan, S.Si.)

Judul : Pembuatan dan Karakterisasi Superkonduktor

Bi1.8Pb0.4Sr2Ca2-xMxCu3Oy (M= Na, Mg dan Ce) Fase 2223 melalui Metode Sol-Gel

2. PENELITIAN DISERTASI DOKTOR (2019-2020) dari Deputi Bidang Penguatan Riset dan Pengembangan, Kementerian Riset dan Teknologi/Badan Riset dan Inovasi Nasional Republik Indonesia (KEMENRISTEK-BRIN RI).

(Ketua: Prof. Dr. Kerista Sebayang, M.S. Anggota: Saharman Gea, S.Si., M.Si., Ph.D. Mahasiswa: Hilda Ayu Marlina, S.Si., M.Si.)

Judul : Penggunaan Graphitic Carbon Nanostructures dari Limbah Kulit Kopi pada Baterai Ion Sodium Manganat dengan Doping Nikel (Revisi Judul : Sintesis dan Karakterisasi Sodium Manganat (Na2Mn3O7) sebagai Katoda Baterai Ion Sodium dengan Bahan Pengisi Graphitic Carbon Nanostructures dari Limbah Kulit Durian)

(15)

DAFTAR ISI

PERNYATAAN ORISINALITAS ... i

PERNYATAAN PERSETUJUAN ... ii

ABSTRAK ... v

ABSTRACT ... vi

PRAKATA ... vii

RIWAYAT HIDUP ... ix

DAFTAR ISI ... xiii

DAFTAR TABEL... xvi

DAFTAR GAMBAR ... xvii

DAFTAR SINGKATAN ... xxiii

BAB 1 PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 4

1.3 Tujuan Penelitian ... 4

1.4 Manfaat Penelitian ... 5

1.5 Pembatasan Masalah ... 5

1.6 Kerangka Konsep ... 6

1.7 Orisinalitas dan Keterbaruan Penelitian ... 7

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 8

2.1 Sistem Penyimpanan Energi pada Baterai ... 8

2.1.1 Prinsip Kerja LIB Isi Ulang... 9

2.1.2 Tegangan Baterai ... 12

2.2 Baterai Ion Sodium ... 13

2.3 Sodium Mangan Oksida dengan Struktur Triklinik (Na2Mn3O7) .... 15

2.4 Jenis-jenis Metode dalam Sintesis Na2Mn3O7 ... 21

2.4.1 Metode Padatan ... 21

2.4.2 Metode Sol-Gel... 22

2.4.3 Metode Template ... 22

2.5 Grafit ... 23

2.5.1 Sumber Karbon untuk Produksi Grafit ... 23

2.5.2 Graphitic Carbon Nanostructures (GCN) dari Selulosa ... 24

2.6 Graphitic Carbon Nanostructrures Kulit Durian sebagai Bahan Pengisi Baterai Ion Sodium ... 24

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ... 26

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ... 26

3.2 Alat & Bahan ... 26

3.2.1 Peralatan ... 26

3.2.2 Bahan ... 27

3.3 Prosedur Penelitian ... 27

3.3.1 Kode Sampel ... 28

(16)

3.3.2 Sintesis dan Karakterisasi Sodium Mangan Oksida

(Na2Mn3O7) ... 29

3.3.2.1 Metode Hidrotermal diikuti Pencampuran Padatan ... 29

3.3.2.2 Metode Padatan ... 31

3.3.2.3 Metode Sol-Gel... 31

3.3.3 Sintesis dan Karakterisasi Na2Mn3O7 dengan Penggunaan Chelating Agent (Metode Template) ... 32

3.3.3.1 Metode Template Padatan ... 32

3.3.3.2 Metode Template Sol-Gel ... 33

3.3.4 Sintesis dan Karakterisasi Selulosa Kulit Durian ... 34

3.3.5 Sintesis dan Karakterisasi GCN Kulit Durian ... 35

3.4 Karakterisasi ... 36

3.4.1 Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) ... 36

3.4.2 Thermogravimetry-Differential Thermal Analysis/Differential Scanning Calorimetry (TG-DSC/TG-DTA) ... 39

3.4.3 X-Ray Diffraction (XRD) ... 52

3.4.4 Scanning Electron Microscopy (SEM) ... 55

3.4.5 Transmission Electron Microscope (TEM) ... 56

3.4.6 Brunaeur Emmet and Teller (BET) ... 58

3.5 Perakitan dan Uji Performansi Elektrokimia Na2Mn3O7 dengan Bahan Pengisi GCN Kulit Durian ... 59

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 64

4.1 Analisis Hasil Karakterisasi Sodium Mangan Oksida (Na2Mn3O7) ... 64

4.1.1 Na2Mn3O7 yang Disintesis melalui Metode Hidrotermal Diikuti Pencampuran Padatan ... 64

4.1.2 Na2Mn3O7 yang Disintesis melalui Metode Padatan dan Metode Sol-Gel... 70

4.1.2.1 Studi FTIR pada Prekursor MnO2 dan Sampel Na2Mn3O7 yang Disintesis melalui Metode Padatan dan Metode Sol-Gel ... 72

4.1.2.2 Analisis Termal Na2Mn3O7 yang Disintesis melalui Metode Padatan dan Metode Sol-Gel ... 74

4.1.2.3 Analisis Difraksi Sinar-X terhadap Karakteristik Mineralogi Na2Mn3O7 yang Disintesis melalui Metode Padatan dan Metode Sol-Gel ... 79

4.1.2.4 Analisis Struktur Mikro Na2Mn3O7 yang Disintesis melalui Metode Padatan dan Metode Sol-Gel ... 81

4.1.2.5 Luas Permukaan Spesifik Na2Mn3O7 yang Disintesis melalui Metode Padatan dan Metode Sol-Gel ... 83

4.2 Analisis Hasil Karakterisasi Na2Mn3O7 yang Disintesis melalui Metode Template ... 84

4.2.1 Studi FTIR dari Na2Mn3O7 yang Disintesis melalui Metode Template ... 84

4.2.2 Analisis Termal Na2Mn3O7 yang Disintesis melalui Metode Template ... 87

(17)

4.2.3 Analisis Difraksi Sinar-X terhadap Karakteristik Mineralogi

Na2Mn3O7 yang Disintesis melalui Metode Template ... 96

4.2.4 Analisis Mikrostruktur Na2Mn3O7 yang Disintesis melalui Metode Template ... 99

4.2.5 Luas Permukaan Spesifik pada Sampel Na2Mn3O7 yang Disintesis melalui Metode Template ... 102

4.3 Analisis Hasil Karakterisasi Selulosa Kulit Durian ... 104

4.3.1 Analisis Termal Selulosa Kulit Durian ... 104

4.3.2 Analisis XRD Selulosa Kulit Durian... 105

4.4 Analisis Hasil Karakterisasi GCN Kulit Durian ... 106

4.4.1 Analisis TEM GCN Kulit Durian ... 106

4.4.2 Analisis XRD GCN Kulit Durian ... 107

4.5 Uji Performansi Galvanostatic Charge/Discharge (GCD) ... 108

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 112

5.1 Kesimpulan ... 112

5.2 Saran ... 113

DAFTAR PUSTAKA ... 114

(18)

DAFTAR TABEL

Nomer

Tabel Judul Halaman

Tabel 3.1 Kode Sampel 28

Tabel 3.2 Teknik Analisis Termal yang Umum Digunakan (Leng, 2008)

40 Tabel 3.3 Peristiwa termal selama pemanasan padatan dalam

atmosfer inert (Leng, 2008)

41 Tabel 4.1 Lattice parameter Sampel A dan Sampel B 70 Tabel 4.2 Perilaku Termal Sampel C (sampel yang disintesis

melalui metode padatan) dan Sampel D (sampel yang disintesis melalui metode sol-gel)

78

Tabel 4.3 Lattice parameter Sampel C dan D 80

Tabel 4.4 Perilaku Termal Sampel E (sampel yang disintesis melalui metode template padatan dengan chelating agent gula pasir) dan Sampel G (sampel yang disintesis melalui metode template sol-gel dengan chelating agent gula pasir)

90

Tabel 4.5 Perilaku Termal Sampel F (sampel yang disintesis melalui metode template padatan dengan chelating agent etilen glikol) dan Sampel G (sampel yang disintesis melalui metode template sol-gel dengan chelating agent etilen glikol)

94

Tabel 4.6 Temperatur kristalinitas Na2Mn3O7 95 Tabel 4.7 Lattice parameter Na2Mn3O7 Sampel E, Sampel F,

Sampel G, dan Sampel H

97 Tabel 4.8 Ukuran kristal dan intensitas fasa Na2Mn3O7 98 Tabel 4.9 Ukuran partikel Na2Mn3O7 (dari hasil analisis TEM)

menggunakan Software Image-J

102 Tabel 4.10 Luas permukaan spesifik dari Sampel Na2Mn3O7 103

(19)

DAFTAR GAMBAR

Nomor

Gambar Judul Halaman

Gambar 1.1 Kerangka Konsep 6

Gambar 2.1 Skema konfigurasi baterai (C. Liu et al., 2016) 10 Gambar 2.2 Grafik tegangan kerja terhadap kapasitas spesifik

(a) katoda dan (b) anoda (Hwang et al., 2017)

16 Gambar 2.3 Karakterisasi struktural dan elektrokimia serbuk

Na2Mn3O7 (a) Analisis Rietveld pola XRD, Mikrograf SEM, dan TEM; (b,c) Ilustrasi struktur kristal lamelar dengan alternatif lapisan [Mn3O7-]∞ (pink)

dan atom Na (kuning); dan (d) Perbandingan kurva debit pertama

dari Na2Mn3O7 dengan setengah sel Li⁺, Na⁺ dan K⁺ (Sada et al., 2018)

20

Gambar 3.1 Tulang ikan penelitian 28

Gambar 3.2 Sintesis dan karakterisasi Na2Mn3O7 melalui metode hidrotermal diikuti pencampuran padatan (Sampel A dan Sampel B)

30

Gambar 3.3 Sintesis dan karakterisasi Na2Mn3O7 melalui metode padatan (Sampel C)

31 Gambar 3.4 Sintesis dan karakterisasi Na2Mn3O7 melalui

metode sol-gel (Sampel D)

32 Gambar 3.5 Sintesis dan karakterisasi Na2Mn3O7 melalui

metode template padatan (Sampel E dan Sampel F)

33

Gambar 3.6 Sintesis dan karakterisasi Na2Mn3O7 melalui metode template sol-gel (Sampel G dan Sampel H)

34

Gambar 3.7 Sintesis dan karakterisasi selulosa kulit durian 35 Gambar 3.8 Sintesis dan karakterisasi GCN kulit durian 35 Gambar 3.9 Diagram blok dari Spekterofotometer FTIR

(Yurdakal et al., 2019)

36 Gambar 3.10 Spektrum FTIR dari (a) 𝛼-NaMnO2, (b) setelah

hidrasi parsial, (c) Na-birnessite monoklinik, (d) Na-birnessite heksagonal, (e) K-birnessite heksagonal, dan (f) mangan dioksida berlapis terhidrasi tipe birnessite (Abou-El-Sherbini et al., 2002)

37

Gambar 3.11 FTIR dari ekstrasi selulosa bungkil inti sawit (Muthia S, 2017)

38 Gambar 3.12 Instrumentasi Differential Thermal Analysis

(DTA). VT dan VTr adalah termokopel tegangan untuk mengukur sampel dan temperatur

referensi. (Direproduksi dengan izin dari R.F.

43

(20)

Gambar 3.13 Kurva DTA untuk sampel polimer di bawah laju pemanasan konstan. (Direproduksi dengan izin dari T. Hatakeyama dan F.X. Quinn, Analisis Termal: Dasar-dasar dan Aplikasi pada Polimer Science, edisi ke-2, John Wiley & Sons Ltd, Chichester. © 1999 John Wiley & Sons Ltd.) (Leng, 2008)

44

Gambar 3.14 Skema kurva DSC untuk sampel polimer. Tg, temperatur glass transition. (Direproduksi dengan izin dari Springer Science and Business Media dari M. Brown, Pendahuluan kepada Analisis Termal, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. © 2001 Springer Science.) (Leng, 2008)

45

Gambar 3.15 Ilustrasi baseline sampel dan basline instrumen (Leng, 2008)

47 Gambar 3.16 Contoh interpolasi garis dasar sampel untuk

berbagai jenis kurva DTA dan DSC.

47

Gambar 3.17 Efek laju pemindaian pada kurva DSC sampel poli (etilen tereftalat) (PET): (a) Pemanasan; dan (b) pendinginan. I) 10 K menit⁻¹; II) 20 K

menit⁻¹; III) 40 K menit⁻¹. (Direproduksi dengan izin dari T. Hatakeyama dan F.X. Quinn,

48

Gambar 3.18 Kurva DTA dari sampel glass-keramik (Li2O – Al2O3–6SiO2). Temperatur glass transition (Tg), kristalisasi (Tc), dan melting (Tm) ditentukan dari kurva. (Direproduksi dengan izin dari R.F.

45

Gambar 3.19 Perbandingan puncak leleh real dan ideal dalam kurva DTA pada laju pemanasan konstan (Leng, 2008)

51

Gambar 3.20 Kurva TG-DTA Na0.7MnO2.05 (Y. Hou et al., 2015)

52

(21)

Gambar 3.21 Difraksi sinar-X dari Na2Mn3O7 (Adamczyk &

Pralong, 2017)

53 Gambar 3.22 Difraksi sinar-X dari graphitic carbon

annostructures (Sevilla & Fuertes, 2010)

54 Gambar 3.23 Strukturmikro Na2Mn3O7 (Sada et al., 2018) 56 Gambar 3.24 Pencitraan TEM pada senyawa Na2Mn3O7 (Sada

et al., 2018)

57 Gambar 3.25 Kurva kapasitas versus nomor siklus dari

Na2Mn3O7 (Adamczyk & Pralong, 2017)

59 Gambar 3.26 Diagram alir uji performansi elektrokimia

Na2Mn3O7

60 Gambar 3.27 Tahapan uji performansi elektrokimia

Na2Mn3O7: (a) penyaringan material aktif

Na2Mn3O7; (b) pencampuran PVD dan NMP; (c) pendispersian slurry Na2Mn3O7 + acetylene black/graphitic carbon nanostructures kulit durian ke dalam larutan PVD+NMP

menggunakan vacuum mixer; (d) coating pada aluminium foil mengunakan film coater; (e) Na2Mn3O7 setalah di-coating; (f) pemotongan material katoda Na2Mn3O7; (g) material katoda Na2Mn3O7; (h) penyusunan katoda, anoda, katoda, dan separator melalui teknik zig-zag stacking, (i) injeksi elektrolit LiPF6 dan NaClO4

pada glove box, (j) perekatan menggunakan hot sealing, (k) aging sel baterai, dan (l) uji

performansi elektrokimia baterai melalui metode Galvanostatic Charge Discharge (GCD)

61

Gambar 4.1 Identifikasi XRD pada fasa MnO dari sampel A (disintesis melalui metode hidrotermal

menggunakan prekursor [NaCl-asam sitrat;

MnCl2.4H2O-asam sitrat])

64

Gambar 4.2 Identifikasi XRD pada fasa MnO dari sampel B (disintesis melalui metode hidrotermal

menggunakan prekursor [NaCl-asam sitrat;

MnCl2.4H2O-1% kitosan])

66

Gambar 4.3 Identifikasi XRD pada fasa Na2Mn3O7 dari sampel A (sampel yang disintesis melalui metode padatan menggunakan prekursor Na2CO3 dan prekursor MnO hasil sintesis Sampel A)

68

Gambar 4.4 Identifikasi XRD pada fasa Na2Mn3O7 dari sampel B (sampel yang disintesis melalui metode padatan menggunakan prekursor Na2CO3 dan prekursor MnO hasil sintesis Sampel B)

69

Gambar 4.5 Hasil analisis FTIR pada prekursor MnO2 serta Na2Mn3O7 Sampel C (sampel yang disintesis melalui metode padatan) sebelum kalsinasi dan

73

(22)

Na2Mn3O7 Sampel D (sampel yang disintesis melalui metode sol-gel) sebelum kalsinasi Gambar 4.6 Hasil TG-DTA dari (a) Sampel C (sampel yang

disintesis melalui metode padatan) sebelum kalsinasi; (b) Sampel D (sampel yang disintesis melalui metode sol-gel) sebelum kalsinasi

75

Gambar 4.7 Identifikasi Hasil XRD pada Na2Mn3O7 dari Sampel C (sampel yang disintesis melalui metode padatan) dan D (sampel yang disintesis melalui metode sol-gel)

79

Gambar 4.8 Mikrograf Hasil SEM dari : (a) Sampel C

(sampel yang disintesis melalui metode padatan);

(b) Sampel D (sampel yang disintesis melalui metode sol-gel)

81

Gambar 4.9 Hasil Analisis menggunakan TEM dari : (a) Sampel C (sampel yang disintesis melalui metode padatan); (b) Sampel D (sampel yang disintesis melalui metode sol-gel)

82

Gambar 4.10 Hasil analisis FTIR Sampel E (sampel yang disintesis melalui metode template padatan dengan chelating agent gula pasir) dan Sampel G (sampel yang disintesis melalui metode template sol-gel dengan chelating agent gula pasir) sebelum kalsinasi

85

Gambar 4.11 Hasil analisis FTIR Sampel F (sampel yang disintesis melalui metode template padatan dengan chelating agent etilen glikol) dan Sampel H (sampel yang disintesis melalui metode template sol-gel dengan chelating agent etilen glikol) sebelum kalsinasi)

87

Gambar 4.12 Hasil TG-DTA dari Sampel E (Sampel yang disintesis melalui metode template padatan dengan chelating agent gula pasir) sebelum kalsinasi

88

Gambar 4.13 Hasil TG-DTA dari Sampel G (Sampel yang disintesis melalui metode template sol-gel dengan chelating agent gula pasir) sebelum kalsinasi

89

Gambar 4.14 Kurva TG-DCS dari Sampel F (sampel yang disintesis melalui metode template padatan dengan chelating agent etilen glikol) sebelum kalsinasi

92

Gambar 4.15 Kurva TG-DTA dari Sampel H (sampel yang disintesis melalui metode template sol-gel dengan chelating agent etilen glikol) sebelum kalsinasi

93

Gambar 4.16 Identifikasi Hasil XRD pada Na2Mn3O7 dari Sampel E (template padatan-chelating agent gula

96

(23)

pasir), Sampel F (template padatan-chelating agent etilen glikol), Sampel G (template sol-gel- chelating agent gula pasir), dan Sampel H (template sol-gel-chelating agent etilen glikol) setelah kalsinasi

Gambar 4.17 Mikrograf Hasil SEM dari : (a) Sampel E

(sampel yang disintesis melalui metode template padatan dengan chelating agent gula pasir); (b) Sampel F (sampel yang disintesis melalui metode template padatan dengan chelating agent etilen glikol); (c) Sampel G (sampel yang disintesis melalui metode template sol-gel dengan chelating agent gula pasir); dan (d) Sampel H (sampel yang disintesis melalui metode template sol-gel dengan chelating agent etilen glikol)

99

Gambar 4.18 Hasil Analisis menggunakan TEM dari : (a) Sampel E (sampel yang disintesis melalui metode template padatan dengan chelating agent gula pasir); (b) Sampel F (sampel yang disintesis melalui metode template padatan dengan chelating agent etilen glikol); (c) Sampel G (sampel yang disintesis melalui metode template sol-gel dengan chelating agent gula pasir); (d) Sampel H (sampel yang disintesis melalui metode template sol-gel dengan chelating agent etilen glikol)

101

Gambar 4.19 Spektrum FT-IR dari selulosa limbah kulit durian 105 Gambar 4.20 Spektrum difraksi XRD dari selulosa kulit durian 106 Gambar 4.21 Mikrograf TEM dari graphitic carbon

nanostructures (GCN) kulit durian

106 Gambar 4.22 Spektrum difraksi XRD dari graphitic carbon

nanostructures (GCN) kulit durian

107 Gambar 4.23 Kurva galvanostatic charge discharge (GCD)

Na2Mn3O7 sampel D (sampel Na2Mn3O7 yang disintesis melalui metode template sol-gel) versus Na2Ti6O13 (Noer, 2020) setalah proses aging ±6 bulan

108

Gambar 4.24 Kurva galvanostatic charge discharge (GCD) Na2Mn3O7 sampel D (sampel Na2Mn3O7 yang disintesis melalui metode template sol-gel) versus Na2Ti6O13 (Noer, 2020)

109

Gambar 4.25 Kurva galvanostatic charge discharge (GCD) Na2Mn3O7 sampel H (sampel Na2Mn3O7 yang disintesis melalui metode template sol-gel dengan chelating agent etilen glikol) versus hardcarbon (KURANODE^TM Type2(9𝜇m), Kuraray Co., Ltd. Carbon Materials Division)

110

(24)

Gambar 4.26 Kurva galvanostatic charge discharge (GCD) Na2Mn3O7 sampel H (sampel Na2Mn3O7 yang disintesis melalui metode template sol-gel dengan chelating agent etilen glikol) versus hardcarbon (KURANODE^TM Type2(9𝜇m), Kuraray Co., Ltd. Carbon Materials Division) dengan bahan pengisi GCN kulit durian

111

(25)

DAFTAR SINGKATAN

BBK = Balai Besar Keramik

BCC = Body-Centered Cubic

B4T = Balai Besar Bahan dan Barang Teknik

BET = Brunauer, Emmett, dan Teller

Cts = counts per second

CV = Cyclic Voltammetry

DFT = Density Functional Theory

DSC = Differential Scanning Calorimetry

DTA = Differential Thermal Analysis

EDS = Energy Dispersive Spectroscopy

ESS = Energy Storage System

FCC = Face-Centered Cubic

Fe(NO3)3 9H2O = Iron (III) nitrate nonahydrate

FTIR = Fourier-Transform Infrared Spectroscopy

FWHM = Full Width at Half Maximum

GCD = Galvanostatic Charge-Discharge

GCN = Graphitic Carbon Nanostructures

HOMO = Highest Occupied Molecular Orbitals

ICDD = International Centre for Diffraction Data Database

IEO = International Energy Outlook

IPTEK = Ilmu Pengetahuan dan Teknologi

LIB = Lithium-Ion-Battery atau baterai ion litium

LUMO = Lowest Unoccupied Molecular Orbitals

MnCl2(H2O) = Manganase (II) Chloride Tetrahydrat

MnO2 = Manganese (IV) Oxide

NaOH = Natrium Hidroksida

NaxMnyOz = Baterai Ion Sodium Manganat

Na2CO3 = Sodium karbonat

(26)

Na2Mn3O7

= Sodium mangan oksida dengan struktur triklinik

Na-Mn-O = Oksida logam transisi mangan

Na-S = Natrium sulfur

POLMAN = Politeknik Manufaktur

PPNN = Pusat Penelitian Nanosains dan Nanoteknologi

P3GL = Pusat Penelitian dan Pengembangan Geologi

Kelautan

SEI = Solid Electrolyte Interphase

SEM = Scanning Electron Microscope

SIB = Sodium-Ion-Battery atau baterai ion sodium

TA = Thermal Analysis

Tc = Temperatur kristalisasi

Tg = Thermogravimetry

Tm = Temperatur melting

Tr = Temperatur referensi

Ts = Temperatur sampel

TEM = Transmission Electron Microscope

TG-DSC = Thermogravimetry Differential Scanning Calorimetry

TG-DTA = Thermogravimetry-Differential Thermal

Analysis

XRD = X-ray Powder Diffraction

XAS = X-Ray Absorption Structure

(27)

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Konsumsi energi global tahun 2040 diproyeksikan mencapai dua pertiga dari 739 kuadriliun Btu (International Energy Outlook (IEO), 2018). Disamping itu, permintaan energi listrik global meningkat dua kali lipat setiap 14,5 tahun dan akan terus meningkat di masa mendatang. Namun, sebagian besar produksi listrik selama ini berasal dari fosil yang menjadi kontributor utama perubahan iklim global. Jaringan listrik juga tidak dapat menyimpan energi listrik. Sebagai solusinya diperlukan penyimpanan energi terbarukan yang ramah lingkungan (Ardito et al., 2019), salah satunya yaitu baterai karena kemampuan respons cepat dan pengiriman daya yang berkelanjutan (Yang et al., 2018; Zhong et al., 2019).

Dari beberapa perangkat penyimpanan energi, baterai ion litium (LIB) paling banyak dikomersialisasikan karena kepadatan energi, siklus hidup panjang, aman, rendah polusi, dan berbiaya rendah (Gaikwad et al., 2019). Namun, sumber daya litium yang terbatas akan meningkatkan harga yang membatasi aplikasi litium itu sendiri (Shiprath et al., 2020). Baterai ion sodium (SIB) berpotensi sebagai alternatif LIB, karena berbiaya rendah, konduktivitas ion Na⁺ tinggi, ramah lingkungan (Qi et al., 2019; Wasalathilake, Li, Xu, Yan, et al., 2019; Zhou et al., 2019), karakteristik Na menyerupai Li (Li et al., 2019), dan ketersediannya yang berlimpah (Wasalathilake, Li, Xu, & Yan, 2019; Zhou et al., 2019). Namun, performansi SIB masih belum maksimal sebagaimana LIB (Zhu et al., 2015), karena jari-jari atom Na⁺ yang lebih besar dibandingkan Li⁺ (Khan et al., 2019). Oleh karena itu, eksplorasi bahan katoda dengan kapasitas energi tinggi yang disiapkan dengan metodologi yang efektif sangat diperlukan.

Struktur oksida berbasis logam transisi mangan (Na-Mn-O) menarik diteliti karena tidak beracun, berbiaya rendah, dan memiliki nilai kapasitas tinggi (Adamczyk

& Pralong, 2017). Baru-baru ini, struktur Na-Mn-O dengan parameter kisi unit sel trikinik Na2Mn3O7 mulai diteliti kembali setelah penemuan pertama (Chang & Jansen, 1985). Sodium mangan oksida (Na2Mn3O7) menarik karena dapat dibebankan pada 4,7

(28)

V dengan kapasitas sekitar 250 mAh g^-1, sehingga mendukung dalam pengembangan katoda pada perangkat SIB (P. Zheng et al., 2019).

Meskipun Na2Mn3O7 sangat potensial sebagai katoda SIB, penelitian mengenai sintesis dan karakteristik Na2Mn3O7 yang efektif (mudah) dan efisien (berbiaya rendah) masih jarang dilakukan. Na2Mn3O7 dengan kemampuan reversible (kapasitas 160 mAh g^-1) telah diteliti, namun sintesis yang dilakukan melalui metode hidrotermal membutuhkan waktu yang cukup lama yaitu sekitar 7 hari (Adamczyk & Pralong, 2017). Na2Mn3O7 juga telah disintesis melalui metode solid state konvensional, namun prekursor NaNO3 dan MnCO3 yang digunakan cenderung mahal, waktu sintesis juga cukup lama yaitu lebih dari 12 jam (Song et al., 2019). Penggunaan prekursor NaNO3

dan MnCO3 pada sintesis Na2Mn3O7 dengan waktu kalsinasi sekitar 4 jam juga telah diteliti (P. Zheng et al., 2019).

Penggunaan chelating agent atau disebut metode template pada sintesis LIB/SIB menarik karena menghasilkan distribusi kationik yang baik. Metode ini memungkinkan sintesis nanosized yang memiliki keuntungan dalam meningkatkan area permukaan (Ismail et al., 2020; Kiziltaş-Yavuz et al., 2013). Chelating agent atau agen pengkelat juga berperan dalam pembentukan partikel kristal yang homogen (Priyadharsini et al., 2018). Disamping itu, chelating agent berperan penting dalam preparasi nanopowders pada temperatur rendah (Septawendar et al., 2018).

Sintesis Na2Mn3O7 pada penelitian ini terdiri dari 5 metode berbeda, yaitu metode hidrotermal diikuti pencampuran padatan, metode padatan, metode sol-gel, metode template padatan, dan metode template sol-gel. Pada metode hidrotermal diikuti pencampuran padatan, sintesis Na2Mn3O7 dilakukan melalui dua tahapan.

Pertama, pembentukan MnO melalui metode template sol-gel diikuti proses hidrotermal pada 150℃ selama 6 jam dan kalsinasi pada 800℃ di suasana reduksi selama 1 jam. Kedua, pembentukan Na2Mn3O7 melalui metode padatan dengan mencampurkan serbuk MnO hasil sintensis dan prekursor Na2CO3, kalsinasi dilakukan pada 800℃ di suasana oksidasi selama 1 jam. Namun, metode ini kurang efektif, karena rumit dan membutuhkan waktu yang cukup lama. Oleh karena itu, peneliti memfokuskan pada metode-metode yang cukup efektif dan efisien, yaitu metode sol- gel dan padatan. Selanjutnya metode-metode tersebut dikembangkan menjadi metode template padatan dan metode template sol-gel dengan variasi chelating agent yang

(29)

terdiri dari gula pasir dan etilen glikol. Penggunaan gula pasir sebagai chelating agent dalam sintesis Na-Mn-Omempengaruhi pembentukan strukturmikro (J. Chen et al., 2018; Kiziltaş-Yavuz et al., 2013; Z. Liu et al., 2021). Penggunaan etilen glikol sebagai chelating agent pada sintesis LiNi0,5Mn1,5O4 memfasilitasi terbentuknya nanopartikel LNMO (Lin et al., 2014). Kalsinasi pada metode padatan, sol-gel, template padatan, dan template sol-gel dilakukan pada 800℃ di suasana oksidasi selama 3 jam. Prekursor yang digunakan tidak beracun dan berbiaya rendah, diantaranya Na2CO3, NaOH, MnCl2, dan MnO2.

Disamping pemilihan katoda yang tepat dan metode yang efektif, penggunaan bahan pengisi karbon yang berperan dalam meningkatkan konduktivitas SIB juga perlu diperhitungkan. Kehadiran bahan pengisi karbon pada baterai ion menunjukkan stabilitas siklus dan performansi yang lebih baik dibandingkan tanpa penggunaan bahan pengisi karbon (Gu et al., 2019; H. Hou et al., 2014; Shin et al., 2006). Selama ini, acetylene black digunakan untuk meningkatan konduktivitas baterai ion. Namun, pengunaan bahan pengisi berbasis grafit pada baterai ion menghasilkan performansi yang lebih baik daripada penggunaan acetylene black (Shin et al., 2006).

Secara umum, grafit terbagi atas grafit alam dan grafit sintesis. Sumber daya grafit alam terbatas dan terdistribusi secara tidak merata di seluruh dunia. Lain halnya dengan grafit sintesis dari limbah biomassa. Selain ketersediaan yang melimpah dan sintesis yang murah, penggunaan limbah biomassa juga merupakan metode inovatif dalam pengolahan limbah dan daur ulang yang bernilai tambah (Samaddar et al., 2018). Grafit sintesis dari limbah biomassa (yang mengandung selulosa, hemiselulosa, dan lignin; seperti ampas tebu, kayu, rumput, sekam padi, kulit pisang, tempurung kelapa, dan lainnya) biasanya digunakan sebagai sumber karbon dalam produksi grafit sintesis (Akhavan et al., 2014; F. Chen et al., 2016; Isogai & Bergström, 2018; Rahman et al., 2016; Tsai et al., 2019).

Graphitic Carbon Nanostructures (GCN) merupakan material karbon berukuran nano yang memiliki struktur seperti grafit. GCN menarik perhatian karena konduktivitas listrik dan luas permukaannya yang tinggi, sehingga cocok untuk aplikasi penyimpanan energi (Gu et al., 2019; Sevilla & Fuertes, 2010).

Kota Medan merupakan salah satu daerah pengkomsumsi durian tertinggi di Indonesia (Harahap et al., 2019). Namun, pemanfaatan limbah kulit durian di Kota

(30)

Medan sebagai sumber biomassa GCN pada baterai ion sodium belum dilakukan.

Sementara itu, limbah kulit durian mengandung 31-35% selulosa, 10-11% lignin, dan 15-18% hemiselulosa (G. Zhao et al., 2019). Hal tersebut menunjukkan bahwa limbah kulit durian berpotensi sebagai penghasil GCN. GCN dari limbah kulit durian dapat disintesis mengikuti prosedur yang telah dilakukan oleh (Muthia S, 2017).

Sebagai solusi dari masalah yang telah dijelaskan, dalam penelitian ini, sintesis dan karakterisasi Na2Mn3O7 sebagai katoda baterai ion sodium (SIB) dengan bahan pengisi GCN dari limbah kulit durian dilakukan melalui metode yang efektif dan efisien. Na2Mn3O7 disintesis melalui metode hidrotermal diikuti pencampuran padatan, metode padatan, metode sol-gel, metode template padatan, dan metode template sol-gel. Sedangkan GCN dari limbah kulit durian dilakukan melaui metode catalytic graphitization.

Penggunaan prekursor berbiaya rendah serta tidak beracun, waktu sintesis yang relatif singkat, temperatur kalsinasi yang cukup rendah, metode sintesis yang relatif sederhana, serta penggunaan limbah biomassa kulit durian merupakan novelty dari penelitian ini. Tujuan penelitian ini yaitu menghasilkan performansi optimal dari Na2Mn3O7 sebagai aplikasi katoda SIB. Disamping itu, penggunaan GCN pada Na2Mn3O7 diharapkan dapat memberi nilai tambah bagi limbah kulit durian di Indonesia, khususnya Kota Medan. Penelitian ini juga memberikan penyelesaian masalah penyimpanan energi terbarukan.

1.2 Perumusan Masalah

Rumusan penelitian ini adalah sebagai berikut.

1. Bagaimana pengaruh metode padatan dan metode sol-gel terhadap karakteristik Na2Mn3O7?

2. Bagaimana pengaruh masing-masing metode template (template padatan dan template sol-gel) terhadap karakteristik Na2Mn3O7?

3. Bagaimana pengaruh graphitic carbon nanostructures (GCN) dari limbah kulit durian terhadap performansi Na2Mn3O7?

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut.

(31)

1. Untuk menentukan pengaruh metode padatan dan metode sol-gel terhadap karakteristik Na2Mn3O7.

2. Untuk menentukan pengaruh penggunaan metode template (template padatan dan template sol-gel) terhadap karakteristik Na2Mn3O7.

3. Untuk menentukan pengaruh graphitic carbon nanostructures (GCN) dari limbah kulit durian terhadap performansi Na2Mn3O7.

1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.

1. Memberikan ide inovatif dalam pengembangan Na2Mn3O7 sebagai katoda SIB terbarukan.

2. Memanfaatkan sumber daya alam Indonesia berupa limbah biomassa kulit durian sebagai produk inovatif penghasil graphitic carbon nanostructures (GCN) untuk bahan pengisi baterai dalam aplikasi katoda Na2Mn3O7.

3. Memberikan ide dan wawasan untuk perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi (IPTEK).

1.5 Pembatasan Masalah

Untuk memfokuskan penelitian, maka batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.

1. Na2Mn3O7 disiapkan oleh prekursor sodium karbonat [Na2CO3], sodium hidroksida [NaOH], manganase (II) chloride tetrahydrat [MnCl2(H2O)], dan manganese (IV) oxide [MnO2]. Metode yang digunakan terdiri dari metode hidrotermal diikuti pencampuran padatan, metode padatan, metode sol-gel, metode template padatan, dan metode template sol-gel. Chelating agent gula pasir dan etilen glikol digunakan pada metode template padatan dan metode template sol-gel.

2. Graphitic carbon nanostructures (GCN) disiapkan dari limbah kulit durian dengan tahap awal sintesis selulosa kulit durian diikuti sintesis GCN kulit durian.

3. Karakterisasi Na2Mn3O7 terdiri dari analisis gugus fungsi menggunakan FTIR, analisis perilaku termal menggunakan TG-DTA/DSC, analisis fasa menggunakan XRD, analisis morfologi permukaan menggunakan SEM, analisis morfologi

(32)

partikel menggunakan TEM, dan analisis luas permukaan spesifik menggunakan BET.

4. Karakterisasi selulosa kulit durian terdiri dari analisis gugus fungsi menggunakan FTIR dan analisis fasa menggunakan XRD.

5. Karakterisasi graphitic carbon nanostructures (GCN) kulit durian, terdiri dari analisis fasa menggunakan XRD dan analisis morfologi partikel menggunakan TEM.

6. Perakitan dan uji performansi Galvanostatic Charge-Discharge (GCD) baterai dilakukan dengan standar prosedur dan konfigurasi sel baterai ion di Balai Besar Bahan dan Barang Teknik (B4T) Bandung. Anoda yang digunakan adalah Na2Ti6O13 (Noer, 2020) dan hardcarbon (KURANODE^TM Type2(9𝜇m), Kuraray Co., Ltd. Carbon Materials Division).

1.6 Kerangka Konsep

Kerangka konsep penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 1.1 berikut.

Gambar 1.1 Kerangka Konsep

(33)

1.7 Orisinalitas dan Keterbaruan Penelitian

Orisinalitas dan keterbaruan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.

1. Sintesis Na2Mn3O7 menggunakan prekursor berbiaya rendah serta tidak beracun, yaitu sodium karbonat [Na2CO3], sodium hidroksida [NaOH], manganase (II) chloride tetrahydrat [MnCl2(H2O)], dan manganese (IV) oxide [MnO2].

2. Sintesis Na2Mn3O7 melalui metode template padatan dan template sol-gel dengan penggunaan chelating agent gula pasir dan etilen glikol. Waktu kalsinasi cukup singkat, sekitar 3 jam. Temperatur kalsinasi cukup rendah, sekitar 800℃.

3. Chelating agent gula pasir dan etilen glikol yang berperan pada rendahnya temperatur kristalinitas Na2Mn3O7, struktur nano Na2Mn3O7, dan tingginya nilai luas permukaan Na2Mn3O7.

4. Penggunaan limbah kulit durian sebagai sumber graphitic carbon nanostructures (GCN) untuk meningkatkan siklus baterai Na2Mn3O7.

(34)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sistem Penyimpanan Energi pada Baterai

Bahan bakar fosil, seperti batubara, minyak bumi, dan gas alam, digunakan sebagai sumber energi primer untuk daya dari semua aktivitas manusia. Namun, polusi yang timbul dari pembakaran bahan bakar fosil berdampak pada kesehatan manusia serta lingkungan alam. Selain itu, terlepas dari kebijakan pemerintah (fluktuasi harga dan pasokan), cadangan alami bahan bakar fosil terbatas dan tidak berkelanjutan. Oleh karena itu, fokus penelitian telah mengarah kepada energi berkelanjutan dan ramah lingkungan (clean energy). Clean energy terbagi menjadi tiga komponen, yaitu pengumpulan dan pengonversian berkelanjutan dari clean energy (termasuk energi matahari, angin, dan getaran mekanik), penyimpanan energi (biasanya dalam bentuk potensial kimia termasuk baterai, hidrogen, dan biofuel), dan manajemen serta penggunaan energi yang efisien (termasuk sistem bangunan pintar dan sistem pencahayaan yang efisien) (C. Liu et al., 2016).

Selain meningkatnya kepedulian terhadap pencemaran lingkungan, masyarakat modern menjadi semakin tergantung pada sumber daya portabel untuk akses internet atau untuk berkomunikasi dengan orang-orang di seluruh dunia. Namun, upaya pengembangan perangkat daya portabel berjalan lambat, bahkan tertinggal jauh dari kemajuan pesat perangkat dan instrumen elektronik serta infrastruktur bertenaga listrik. Oleh karena itu, energi berkelanjutan, teknologi konversi, serta penyimpanan energi yang efisien dan ekonomis telah menjadi pekerjaan penting.

Teknologi penyimpanan energi listrik memainkan peran penting dalam permintaan energi ramah lingkungan dan berkelanjutan. Baterai isi ulang atau baterai sekunder, seperti baterai ion litium (LIB), baterai ion sodium (SIB), dan baterai ion magnesium, secara reversibel mengkonversi energi listrik dan kimia melalui reaksi redoks, sehingga menyimpan energi kimia dalam elektrodanya. Kepadatan energi baterai yang dapat diisi ulang ditentukan secara kolektif oleh kapasitas spesifik elektroda dan tegangan kerja sel yang merupakan potensial diferensial antara katoda

(35)

dan anoda. Selama beberapa dekade terakhir, sejumlah studi secara signifikan telah berfokus pada peningkatan kapasitas spesifik ini (Liang et al., 2019).

Baterai isi ulang, khususnya LIB, telah lama digunakan untuk menggerakkan elektronik portabel, karena kepadatan energinya yang tinggi. Peningkatan kepadatan energi dan stabilitas siklus LIB yang panjang telah maju dengan pesat, sebagian besar diaplikasikan pada elektronik portabel termasuk ponsel/smartphone, komputer/laptop, smartglasses, smartwatch, smartshoes, smartclothes, dan berbagai perangkat portabel fleksibel (Liang et al., 2019).

Dalam baterai LIB isi ulang, katoda yang menyimpan ion melalui interkalasi elektrokimia harus memiliki ruang kisi yang sesuai untuk menyimpan dan melepaskan ion secara reversibel. Struktur kristal yang kuat dengan tempat penyimpanan ion yang memadai, diperlukan untuk menghasilkan bahan dengan siklus yang stabil dan kapasitas spesifik tinggi (Han et al., 2015; Whittingham, 2004). Selain itu, katoda dengan kemampuan interkalasi elektrokimia yang tinggi dapat digunakan untuk mengembangkan kepadatan energi baterai yang tinggi. Hal ini dikarenakan kepadatan energi perangkat sama dengan kapasitas spesifik produk bahan elektroda dan tegangan kerja, yaitu ditentukan oleh perbedaan potensial elektrokimia antara katoda dan anoda (Goodenough & Park, 2013).

2.1.1 Prinsip Kerja LIB Isi Ulang

LIB isi ulang terdiri dari dua elektroda, anoda dan katoda yang direndam dalam elektrolit dan dipisahkan oleh membran polimer (ditunjukkan oleh Gambar 2.1).

Konfigurasi perangkat dasar ini tetap ada dan tidak berubah sejak pengembangan awal baterai (Yoshino, 2012). Kesamaan antara baterai LIB dan baterai konvensional yaitu reaksi redoks antarmuka antara elektrolit dan elektroda disertai dengan difusi ion dalam elektrolit. Namun, terdapat perbedaan antara baterai konvensional (sel galvanik atau sel volta) dengan LIB. Secara khusus, reaksi redoks baterai galvanik berlangsung bersamaan dengan berkurangnya atau meningkatnya permukaan elektroda, tetapi tidak disertai dengan difusi massa solid-state di elektroda atau perubahan komposisi kimia dan atom. Sebaliknya, reaksi redoks yang heterogen dalam LIB selalu disertai dengan difusi massa solid-state serta ekspansi atau penyusutan volume, meskipun permukaan elektroda tidak berkurang atau meningkat ketika terjadi perubahan volume elektroda.

(36)

Karena itu, para peneliti menghadapi tantangan yang berbeda ketika mengembangkan LIB dengan harus mempertimbangan prinsip dasar yang berbeda. LIB, komponen kerja ion dari reaksi elektrokimia, secara reversibel ion ditransfer antara anoda dan katoda melalui elektrolit. Sedangkan konsentrasi ion litium tetap konstan dalam elektrolit, terlepas dari tingkatan charge atau discharge yang bervariasi di katoda dan anoda dengan keadaan charge dan discharge (C. Liu et al., 2016).

Gambar 2.1 Skema konfigurasi baterai (C. Liu et al., 2016)

Penyimpanan ion litium dalam elektroda terjadi melalui tiga jenis reaksi elektrokimia: (1) paduan silikon dan timah; (2) konversi (seperti CuO dan SnO2); dan (3) interkalasi (seperti grafit, LiCoO2, dan V2O5). Jenis paduan menawarkan kapasitas tertentu, beberapa kali hingga lebih dari satu urutan besarnya, lebih besar daripada mekanisme reaksi lainnya, meskipun menghasilkan perubahan volume yang besar (biasanya lebih dari 100%). Reaksi konversi sering kali dibatasi oleh sifatnya yang tidak dapat diubah, sehingga membutuhkan ukuran partikel yang kecil, biasanya berdiameter kurang dari 20 nm. Oleh karena itu, reaksi konversi sering dikombinasikan dengan paduan. Reaksi interkalasi elektrokimia banyak digunakan pada LIB untuk anoda, seperti grafit, dan katoda, seperti LiCoO2 dan LiFePO4. Reaksi interkalasi membutuhkan bahan elektroda inang (host) yang memiliki ruang untuk menampung ion litium serta ion multivalen untuk mempertahankan elektroneutralitas.

Senyawa yang paling banyak dipelajari dan banyak digunakan untuk interkalasi LIB adalah logam transisi dengan struktur berlapis, spinel, atau olivin (C. Liu et al., 2016).

(37)

Katoda, anoda, dan elektrolit adalah bahan aktif yang paling penting karena menentukan performansi LIB. Bahan katoda merupakan faktor pembatas dalam performansi LIB. Kepadatan energi dari LIB sering ditentukan secara kolektif oleh kapasitas penyimpanan ion litium dan kemampuan discharge pada sel. Faktor-faktor yang menentukan kapasitas penyimpanan ion litium melalui interkalasi adalah sebagai berikut: (1) kemampuan host atau elektroda untuk merubah keadaan valensi; (2) ruang yang tersedia untuk menampung ion litium; dan (3) reversibilitas dari reaksi interkalasi. Kemampuan discharge pada katoda berbanding lurus dengan pengurangan energi bebas Gibbs ketika ion litium dimasukkan ke dalam elektroda (Islam & Fisher, 2014; C. Liu et al., 2016).

Gambar 2.1 menunjukkan skema konfigurasi LIB yang dapat diisi ulang. SIB, baterai ion magnesium, dan baterai ion aluminium juga memiliki konfigurasi serupa.

Pada LIB, ion litium diekstraksi dari katoda dan dimasukkan ke dalam anoda selama proses charge, dan reaksi sebaliknya terjadi selama proses discharge. Namun, pada setengah sel yang terdiri dari bahan elektroda dan logam litium, ion litium diekstraksi dari bahan elektroda dan disimpan di permukaan logam litium selama proses charge, dan ion litium dimasukkan ke bahan elektroda host selama discharge (C. Liu et al., 2016).

Kepadatan energi dan kepadatan daya baterai adalah dua parameter penting untuk mengevaluasi performansi praktisnya, dan umumnya disajikan dalam plot Ragone (Dubal et al., 2015; C. Liu et al., 2016). Meskipun baterai menawarkan kepadatan energi yang jauh lebih tinggi daripada electric double-layer capacitors (sering disebut sebagai superkapasitor atau ultracapacitors) dan pseudocapacitors elektrokimia, baterai memiliki kerapatan daya yang relatif lebih rendah dan siklus yang lebih pendek (Abruña et al., 2008; C. Liu et al., 2016). Sejumlah besar studi telah dilakukan pada sintesis dan karakterisasi berbagai katoda berstruktur nano. Begitu juga bahan anoda dengan luas permukaan spesifik yang besar dan jarak transpor solid-state yang pendek, yang menawarkan peningkatan kepadatan daya serta stabilitas siklik yang lebih baik (C. Liu et al., 2016; Mukherjee et al., 2012; Roy & Srivastava, 2015).

Performansi penyimpanan energi telah ditingkatkan dengan menerapkan film tipis (biasanya beberapa nanometer) dan film karbon berpori (dengan ukuran pori beberapa nanometer atau kurang) pada bahan katoda atau anoda berstruktur nano