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

ISBN : 978-602-19421-0-9

Prosiding Seminar Nasional Kimia 2013

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 Fe3O4 dispersion result

show a significant increase when compared to electrolyte polymer without nanoparticle Fe3O4. The

electrolyte polymer PVA.LiOH electrical conductivity with nanoparticle Fe3O4 reach 1,18 x 10-3 Scm-1

orde, while without nanoparticle Fe3O4 the electrical conductivity reach 2,48 x 10 -4 Scm-1 orde. This

indicates an increase of amorphous phase after magnetic particle Fe3O4 addition. The existence of

magnetic nanoparticle Fe3O4 can effectively increase the amorphous fraction of electrolyte polymer

PVA.LiOH and magnetic properties carried by Fe3O4 a new potential in development of electrolyte

polymer.

Keywords : electrolyte polymer, nanoparticle Fe3O4, 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 Fe3O4 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 500Cselama dua jam sedangkan garam LiOH juga dilarutkan tersendiri dengan pengadukan selama satu jam sambil dipanaskan 500C . Setelah keduanya terlarut kemudian dicampurkan antara larutan PVA dan larutan LiOH kemudian diaduk selama dua jam sambil dipanaskan pada suhu 500C hingga diperoleh larutan bening yang homogen. Komposisi PVA dan LiOH

Bentuk lembaran polimer elektrolit PVA Gambar 1.

Dispersi Partikel Fe

3

O

4

Pembuatan membran polimer elektrolit

nanopartikel magnetik. Larutan yang digunakan adalah larutan polimer elekt

diperoleh sebelumnya. Larutan dibuat dengan komposisi PVA 91% dan LiOH 9% elektrolit kemudian dimasukkan ke dalam lemari es u

Proses pembentukan nanopartikel Fe terbentuk dengan mereaksikan Besi Sulfat (FeSO pengadukan mekanik secara kontinyu.

memperoleh hasil yang optimum. Indikasi terbentuknya Fe

menjadi hitam pekat. Setelah itu kemudia dituang ke dalam cawan petri un menghasilkan lembaran membran.

permukaannya homogen tidak kasar atau berbintik. partikel magnetic Fe3O4 ditunjukkan pada

Membran polimer elektrolit setelah mengalami penamb

menjadi warna cokelat tua. Membran hasil sintesis kemudian disesuaikan bentuk elektroda dari alat Impedacemeter yaitu dengan ukuran 2.5 cm x 3 cm, sep

Gambar 1 (A) Larutan Polimer Elektrolit PVA

Gambar 2. (A) Larutan Polimer Elektrolit setelah ditambahkan part Elektrolit setelah ditambahkan partikel magnetik.

Bentuk lembaran polimer elektrolit PVA – LiOH sebelum mengalami penambahan partikel mag

Pembuatan membran polimer elektrolit – magnetik diperlukan larutan awal sebagai matriks pembentukan Larutan yang digunakan adalah larutan polimer elektrolit dengan komposisi terbaik yang telah Larutan dibuat dengan komposisi PVA 91% dan LiOH 9%. Setelah dibuat larutan p elektrolit kemudian dimasukkan ke dalam lemari es untuk menjaga keadaan larutan tidak menggumpal.

Proses pembentukan nanopartikel Fe3O4 dilakukan di dalam larutan polimer elektrolit. Nano

terbentuk dengan mereaksikan Besi Sulfat (FeSO4), Fe(NO3)3 dan LiOH. Untuk mempercepat reaksi, dilakukan

pengadukan mekanik secara kontinyu. Komposisi masing – masing bahan pembentuk Fe Indikasi terbentuknya Fe3O4 di dalam larutan adalah terjadinya p

Setelah itu kemudia dituang ke dalam cawan petri untuk selanjutnya dilakukan evaporasi untuk menghasilkan lembaran membran. Sedangkan indikasi membran yang baik adalah terbent

tidak kasar atau berbintik. Bentuk lembaran polimer elektrollit setelah mengala ditunjukkan pada Gambar 2.

Membran polimer elektrolit setelah mengalami penambahan partikel magnetic Fe3O

Membran hasil sintesis kemudian disesuaikan bentuk yang disesuaikan dengan holder yaitu dengan ukuran 2.5 cm x 3 cm, seperti ditunjukkan pada

A

Polimer Elektrolit PVA-LiOH, (B) Membran Polimer Elektolit PVA

Larutan Polimer Elektrolit setelah ditambahkan partikel Magnetik, (B) Membran Polimer ditambahkan partikel magnetik.

A

penambahan partikel magnetic ditunjukkan pada

larutan awal sebagai matriks pembentukan rolit dengan komposisi terbaik yang telah Setelah dibuat larutan polimer ntuk menjaga keadaan larutan tidak menggumpal.

dilakukan di dalam larutan polimer elektrolit. Nanopartikel Fe3O4

dan LiOH. Untuk mempercepat reaksi, dilakukan masing bahan pembentuk Fe3O4 divariasikan untuk

di dalam larutan adalah terjadinya perubahan warna tuk selanjutnya dilakukan evaporasi untuk Sedangkan indikasi membran yang baik adalah terbentuknya lembaran yang Bentuk lembaran polimer elektrollit setelah mengalami penambahan

O4, berubah warna dari bening

Membran hasil sintesis kemudian disesuaikan bentuk yang disesuaikan dengan holder erti ditunjukkan pada Gambar 3.

) Membran Polimer Elektolit PVA - LiOH

l Magnetik, (B) Membran Polimer

B

ISBN : 978-602-19421-0-9

Prosiding Seminar Nasional Kimia 2013

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 (θr). Sedangkan impedansi

imajiner (

Z

"

) diperoleh dari persamaan berikut :

( )

"

' tan

_r

Z

=

Z

θ

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(cm2) 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 (Ea) yang lebih besar agar terjadi transport muatan Li+ dari satu segmen polimer ke segmen lainnya.

0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0 K o n d u k ti v it a s x 1 0 -4 ( S /c m )

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 (Ea) 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 Fe3O4, pada saat masih dalam bentuk larutan. Bahan – bahan

pembentuk partikel Fe3O4 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-Fe3O4 dilakukan dengan cara yang

sama dengan membran polimer elektrolit PVA.LiOH. Maka, diperoleh profil nilai konduktivitas membran polimer elektrolit magnetik PVA.LiOH-Fe3O4 seperti ditunjukan pada Gambar 5. Konduktivitas naik dengan meningkatnya

konsentrasi Fe3O4 dalam matrik polimer elektrolit PVA .LiOH

0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 0 0 . 1 1 0 . 1 2 0 . 1 3 0 . 1 4 0 . 1 5 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 . 0 1 . 1 1 . 2 1 . 3 1 . 4 1 . 5 1 . 6 1 . 7 1 . 8 1 . 9 2 . 0 m a s s a F e 3O 4 ( g r a m ) k o n d u k ti v it a s ( 1 0 -3 ) S /c m

Gambar 5. Konduktivitas listrik polimer elektrolit PVA-LiOH setelah didispersi nanopartikel Fe3O4

Nilai konduktivitas maksimum dicapai pada penambahan Fe3O4 0.08 gram yaitu 1,81 x 10-3 s/cm-1. Keberadaan

nanopartikel magnetik Fe3O4 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 Fe3O4, nilai konduktivitas berada pada orde 10-4 s/cm dan setelah

didispersi nanopartikel magnetik Fe3O4 berada pada orde 10-3. Kenaikan nilai konduktivitas yang signifikan ini

dipengaruhi oleh peningkatan fraksi amorf yang diciptakan dengan melalui dispersi nanopartikel magnetik Fe3O4

Ketika dilakukan penambahan massa di atas 0,08 gr, nilai konduktivitasnya menurun. Peningkatan konsentrasi Fe3O4 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 Fe3O4 terdispersi telah

dihasilkan. Komposit PVA.LiOH dihasilkan secara efektif dengan menggunakan metode Solution Casting dan teknik insitu untuk mendispersi partikel magnetik Fe3O4. Dispersi nanopartikel magnetik Fe3O4 di dalam polimer elektrolit

PVA.LiOH dapat meningkatkan nilai konduktivitas listriknya. Dengan demikian kehadiran nanopartikel Fe3O4 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 : 731-762.

Abdullah, M. (2009) : Pengantar Nanosains, Bandung : Penerbit ITB Bandung.

ISBN : 978-602-19421-0-9

Prosiding Seminar Nasional Kimia 2013

Li, N., Wang, L., He, X., Wan, C. dan Jiang, C. (2008) : Synthesis of Star Macromolecules for Solid Polymer

Electrolytes, Ionics 14 : 463-467.

Mahardika, P.A. (2008) :Kajian Sifat Megnetik (Fe3O4) 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 : 51-54

Rahmawati., Mahardika., Masturi., Khairurrijal dan Abdullah, M. (2011) : Stabilitas Fabrikasi Nanokomposit Polimer

Elektrolit Magnetik PVA.LiOH-Fe3O4, 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 : 6404-6407.

Ramesh, S. dan Wen, C.L. (2010) :Investigation on the Effects of Addition of SiO2 Nanoparticles on Ionic Conductivity,