Prosiding Perlemuan Ilmiah Sains Materi 1997-- /SSN /410-2897
KARAKTERISASI POLIANll..IN-NMP DAN STUDI APLIKASINY A
SEBAGAI ELEKTRODA BA TEREI SEKUNDER1
S. Hidayaf, L. Safriani2, D. Hm-doYO2, Y. Yuliah2, F. Fitrilawati2 R. E. Sireg~
ABSTRAK
KARAKTERISASI POLIANILIN (PANI) -N-METHYLPIRROLIDINON (NMP) DAN STUDI APLIKASINYA SEBAGAI ELEKTRODA BATEREI SEKUNDER. Film tipis PANI-NMP dibuat dengan teknik pelarutan (solution casting) dari polimer PANI-EB (Polianilin basa emeraldine) dan pelarut NMP. Selanjutnya, film PANI-NMP dikarakterisasi dan dikaji potensi aplikasinya sebagai bahan elektroda aktifpada baterei sekunder yang terdiri dari sistem (steanlessteal I PANI-NMP I LiCIO4 + PC I Li/ AI). Dari penelitian ini diperoleh efisiensi coulomb terbesar adalah 88% yaitu pada kapasitas charge-discharge dibawah 30 Ah/Kg daD tegangan kerja antara 1,7 Volt sampai 3,10 Volt.
ABSTRACT
CHARACTERIZATION OF POLIANILIN(PANI) -N-METHYLPIRROLIDINON(NMP) AND STUDY OF APPLICATION THEM AS SECONDARY BATTERY ELECTRODE. Thin films of PANI-NMP were prepared using solution casting technique from PANI-EB (Polyaniline in form ofemeraldine base) and NMP solution. Further, film ofPANI-NMP characterized and studied for an application as electrode materials on secondary battery with configuration of(steanlessteal I PANI-NMP I LiClO4 + PC I Li/ AI). From these research get at able the best coulombic efficiency of 88% when the capasity of charge-discharge below 30 Ah/Kg and work voltage between 1,7 Volt and 3,10 Volt.
KEY WORDS
Thinfilms. electrode material. charge-discharge
PENDABULUAN
Pada saat ini pengkajian polimer konduktif untuk berbagai aplikasi semakin berkembang dan banyak mendapat perhatian dari para peneliti. Kecenderungan tersebut diawali oleh penemuan bahan polimer konduktif poliasitilen oleh Shirakawa pada akhir tabun 1976 [1].
Perkembangan selanjutnya berlangsung sangat
pesat, beberapa basil pengkajian yang telah dilaporkan antara lain potensi aplikasi bahan polimer konduktif sebagai baban elektrokromik, smart
window, sensor pH, transistor (FET), bahan alternatif
elektroda baterei sekunder tanpa polusi, bahan
antistatik, daD lain sebagainya [2]. Diantara
polimer-polimer konduktif yang ditemukan tersebut, polianilin (P ANI) mendapat perhatian khusus. Hal tersebut berkaitan dengan keungguian-keungguian yang dimiliki P ANI dibanding polimer konduktif lain. Keungguian tersebut antara lain, P ANI memiIiki stabiIitas yang tinggi terhadap gangguan oksigen (temtama dalam bentuk basa emeraldine), P ANI dapat disintesa dengan cara elektrokimia dan
kimia, proses dopingidedoping P ANI dapat
dilakukan dengan cara elektrokimia
(oksidasi/reduksi) dan dengan cara kimia melalui
perlakuan asam/basa (protonasi/deprotonasi). Dalam
penelitian ini sintesis P ANI menggunakan metoda
kimia. Hal tersebut berdasarkan beberapa
pertimbangan yang antara lain: pembutan P ANI secara kimia memerlukan biaya relatif murah, peralatan yang digunakan dalam sintesis ini relatif
sederhana, daD dipandang lebih praktis untuk produksi dalamjumlah banyak (mass production).
Bahan polimer P ANI merupakan polimer konduktif yang mempunyai struktur ikatan terkonjugasi yang memiliki tiga bentuk yaitu
leukoemeraldin, emeraldin, daD pernigranilin seperti
yang diperlihatkan oleh Gambar 1. P ANI basil sintesa kimia berbentuk basa emeraldin (EB) yang bersifat isolator. Polimer basil sintesis tersebut dapat
dibuat menjadi konduktif dengan proses doping yaitu
dengan memberikan perlakuan asarn atau proto nasi,
sehingga menjadi PANI-ES (garam emeraldin). Proses protonasi tersebut berkaitan dengan cacat
rantai dalam bentuk pasangan dikation dan dopan
A-seperti yang diperlihatkan oleh Gambar 2 [3].
Salah satu kekurangan P ANI sebagai bahan polimer konduktif adaIah sifat mekanik dan fleksibilitasnya yang kurang baik. P ANI dalam bentuk basa emeraldin maupun garam emeraldin mempunyai sifat yang rapuh sehingga mempunyai
keterbatasan dalam aplikasi. Ada cara yang cukup
efisien untuk meningkatkan fleksibilitas P ANI yaitu
menggunakan metoda pelarutan (solution casting)
menggunakan pelarut organik N-methylpirrolidinon
(NMP) yang bersifat sebagai p/astisiser. NMP
mempunyai struktur kimia sebagaimana ditunjukkan
pada Gambar I.
Dari basil karakterisasi film PANI-NMP
diharapkan didapat film yang mempunyai sifat unggul yaitu fleksibilitasnya baik dan sifat listrik
P ANI murni masih dapat dipertahankan. Selanjutnya
film PANI-NMP tersebut dikaji potensi aplikasmya sebagai elektroda baterei sekunder dengan
'Dipresentasikan pada Pertemuan ilmiah gains Materi 1997 2Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Padjadjaran
Pro.viding Pertemuan /lmiah Sains Materi 1997 /SSN /4/0-2897
70
N CH3 N-H~H~H~H-@- :-~ -:--<0)
~. ~
Em-lin N::::( Gambar Pom~Hcrbagai bentuk struktur P ANI
~<Q) N==V = N -X+OH-l H+A-.H H N~-
O
i lR\o
N-I=\-cN-1~1~+~+ H HA" A" N N N N--<0)- ~--<Q>
~~--<Q)
:@.,~
-K KGambar 2 Proses Doping Polianilin
konfigurasi (steanlessteal PANI-NMP LiCIO4 +
PC I Lit AI). Dari basil ~ngujian sistem baterei tersebut diharapkan film P ANI-NMP menjadi salah satu aIternatif material baterei baru yang mempunyai
keunggulan dari segi rapat kapasitas yang jauh lebih
besar dibanding material inorganik. EKSPERIMEN
1M. Pencampuran dilakukan dengan penetesan larutan inisiator ke dalam larutan anilin dengan
kecepatan sekitar 2 mVmenit pada temperatur sekitar
O°C. Proses polimerisasi P ANI ditandai oleh timbulnya perubahan WarDa campuran yang
berturut -turut dari bening menjadi kuning belling.
hijau muda, hijau tua, biru muda, biru tua dan terbentuk endapan biru kehitaman. Endapan yang terbentuk disaring kemudian dicuci dengan metanol teknis dan di deprotonasi dengan larutan O,IM
~OH. Selanjutnya dilakukan pengeringan dalam
desikator vakum sehingga diperoleh P ANI bubuk dalam bentuk basa emernldin (pANI-EB).
Pembuatan film tipis P ANI-NMP diawali
dengan pembuatan larutan PANI-NMP yaitu dengan
mencampur 0,143 gr PANI-EB (polianilin basa emernldin) dengan 10 ml NMP (1,4%). Larutan tersebut diaduk selama kurang lebih 8 jam sehingga diperoleh larutan yang homogen. Selanjutnya pembuatan film PANI-NMP dilakukan dengan casting pada substrat yang disesuaikan dengan kebutuhan karakterisasi.
Karakterisasi yang dilakukan :
Pengukuran Spektrum infra merab (IR)
Pengukurnn spektnun IR dilakukan pada P ANI
basa emeraldin (EB), NMP, daD film PANI-NMP. PANI-EB diukur dalam bentuk pelet yang dibuat daTi campuran bubuk P ANI -EB dengan KBr. NMP diukur dalam bentuk cair dan film P ANI-NMP da1am bentuk free standing. Pengukuran spektnun IR menggunakan Shirnadzu Ff-IR 8101 dengan
rnnge ukur 400 cm-1 sampai dengan 4600 cm-l.
Pengukuran Spektrum UV-Vis
Pengukurnn spektnun UV -Vis hanya dilakukan
pada film PANI-NMP. Sampel yang digmJakan berupa film tipis yang menempel diatas substrat kaca mikroskop yang berfungsi sebagai latar
belakang pengukuran. Pengukurnn spektrum UV -Vis
menggunakan Beckman DU 7000, dengan rnnge ukur 300 om sampai 800 om. Pengukuran Konduktivitas
Pengukuran konduktivitas dilakukan dengan
metoda four line frobe menggunakan Adventest R
6142 sebagai sumber arus dan Adventest TR 8652
sebagai pengukur tegangan. Sampel yang digunakan
berupa filmfree standing berukuran 2x2 cm2. Pengukuran Voltamogram Siklik (CV)
Pengukurnn CV dilakukan dengan metoda
potensiostatik menggunakan PotensiostaU
Galvanostat HA-501 Hokuto Denko Ltd dan X-Y
recorder Yokogawa. Pengukuran kurva CV
dilakukan dalam larutan 1M HCI, jangkauan tegangan .{),3 Volt sampai I Volt dan laju scan tegangan 10 mV/detik. Sampel yang digunakan
Bahan-bahan yang digunakan dalam
eksperimen ill adalah : asam klorida (HCI, 37%) produksi Merck, anilin (~5NH2, 99%) produksi Merck, ammonilIm persulfat «NH4hS20g, 98%) produksi Merck, arnoniak (NH3, 25%) produksi Merck, N-methilpyrro- lidinon (NMP, 99%) produksi Aldrick, Propylen carbonat (pC, 99%) produksi Aldrick, dan lithium perklomt (LiCIO4, 99%) produksi Aldrick.
Polianilin (P ANI) yang digunakan dalam
eksperimen ill adalah basil polimerisasi
menggunakan metoda kimia. Proses polimerisasi
metoda kimia dilakukan melalui pencampuran 16,6
rnl aniIin yang terlarut dalam 250 ml HCI 1M dengan
13,68 gr <NH4hS20g yang terlarut dalam 250 ml HCI
Prosiding Pertemuan I/miah Sains Materi 1997 /SSN /4/0-2897 campuran dari struktur kirnia P ANI -EB dan NMP.
Prosentase munculnya puncak-puncak vibrasi dari PANI-EB lebih besar dibandingkan yang berasal dari NMP. Hal tersebut menyatakan bahwa dalam film PANI-NMP, PANI-EB lebih dorninan dibandingkan NMP.
Basil Pengukuran Spektrum UV-Vis
Hasil pengukuran spektrum UV-Vis film PANI-NMP diperlihatkan pada gambar 3. Seperti terlihat pada gambar 3. spektrum UV-Vis film PANI-NMP
berupa film PANI-NMP yang di casting pada
substrat frO (indium tin oksida).
Pengujian Kinerja Sistem Baterei
Alat-alat yang digunakan untuk proses pengujian sistem baterei adalah : Adventest R 6142 sebagai sumber arus, Adventest TR 8652 sebagai
pengukur tegangan, HP 34401A sebagai pengukur
aruS, dan komputer 386Dx sebagai pencatat arus dan
tegangan selarna proses charge-discharge. Film PANI-NMP yang digunakan sebagai elektroda
baterei di casting pada plat steanlessteal berukurnn
3x3 cm2. Sistem baterei yang dibuat berupa sistem
berlapis yang terdiri dari (steanlessteal I PANI-NMP
I LiCIO4 + PC I LilAI).
Pengujian kinerja baterei meliputi : pengukuran
kapasitas charge-dischrage dilakukan dengan rapat
aruS 0,5 mNcm2 dan jangkauan tegangan kerja 1,7
Volt sampai 3,10 Volt, pengujian pengaruh rapat arus discharge terhadap kapasitas dilakukan dengan variasi rapat arus discharge (0,1; 0,2; 0,5; 0,75; dan
1,0) mNcm2 dengan rapat arus charge konstan
sebesar 0,5 mNcm2, dan pengujian siklibilitas untuk
kapasitas charge 56 Ah/Kg dengan rapat arus
charge-discharge konstan sebesar 0,5 mNcm2.
BASIL EKSPERIMEN DAN PEMBAHASAN Basil Pengukuran Spektrum Infra Merah (IR)
Puncak-puncak basil pengukurnn spektrum infra
mernh untuk PANI ememldine base (PANI-EB), NMP. dan film PANI-NMP diperlihatkan pada tabel
1
Berdasarkan tabel I dapat dibandingkan bahwa
stmktur kimia film PANI-NMP mernpakan
Tabel I. Hasil pengukuran spektrum Infra Mem.
Gambar 3. Spektrum UV-Vis film PANI-NMP
memiliki dua puncak absorpsi, yaitu pada 71.= 346 om (3,6 eV) dan 71.= 650 om (1,9 eV). Menurut laporan sebelumnya [5], puncak pada 71.= 346 om berkaitan dengan transisi daTi pita 7[ ke pita 7[", sedangkan puncak absorpsi pada 71.= 637 om berkaitan dengan transisi pada rantai kuinoid (pita bipolaron).
3. Rasil Pengukuran Konduktivitas
Kurva yang menyatakan hubungan kondUktivitas clan waktu protonasi diperlihatkan pada gambar 4. Konduktivitas film PANI-NMP tampak naik dengan bertambahnya waktu protonasi.
Gfuubar4. Grafik konduktivitas film PANI-NMP terlladap waktu protonasi
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 ISSN 1410-2897
Konduktivitas talnpak naik secara tajam setelah film
diprotonasi lebih dari 20 meDii, tetapi setelah 30 meDii kenaikan konduktivitas tidak terIalu besar
walaupun waktu protonasi semakin lama.
Konduktivitas film PANI-NMP terbesar yaitu 19,09
Siemen/crn yang diperoleh setelah film diprotonasi
selama 60 meDii di daIam larutao HCI dengan pH O.
""., , ""." ""." E """ ;jj -""" " J!-"""> ~ " "",. "0" 0 '."'" ~ '."'" """ ",."
coulomb mencapai 88 %. Dari basil tersebut dapat
diketahui bahwa film PANI-NMP mempunyai kemampuan menyimpan muatan yang Cukup baik, tetapi masih perlu perbaikan lebih lanjut untuk
menghasilkan material baterei yang layak pakai.
Pengamh rap at ams Discharge terhadap efisiensi
Coulomb
Tampak pada gambar 7, semakin besar rapat aruS discharge efisiensi yang dihasilkan semakin
kecil. Kecenderungan seperti ini sarna dengan yang
dilaporkan oleh Sugito [6 ) untuk sistem baterei (pANI-E I ZnCI2+PC IZn).
" z z
pH Larutan Protonasi
Gambar 5. Pengaruh pH larutan protonasi
terhadap konduktivitas.
Kurva pada gambar 5 memperlihatkan pengamh
pH larutao proto nasi terhadap konduktivitas film PANI-NMP. Film PANI-NMP yang diprotonasi dengan pH rendah mempunyai konduktivitas tinggi. Konduktivitas tertinggi yang diperoleb dari basil
eksperimen ini adalah 18,97 Siemen/cm yaitu pada
saat diprotonasi dengan pH O. Hasil tersebut menunjukkan film PANI-NMP peka terhadap protonasi, terutama protonasi pada daerah pH rendah.
.
0' ' o. oC:S 0"-bt.Atu.DI.~h.~(MA/cm1)
~
Gambar 7. Pengaruh rapat arus discharge terhadap efisiensi
Siklibilitas
Pada gambar 8 tampak bahwa efisiensi Coulomb menunm dengan bertambahnya jumlah siklus charge discharge. Efisiensi Coulomb yang berarti hanya dapat dipertabankan sampai 13 kali siklus charge discharge. Berdasarkan hal tersebut, film PANI-NMP dengan komposisi 1 gr : 70 mI sangat mudah msak dengan pemlangan charge
.-:;"; ~ u ,., ~ R .a '" " 0 '"
~ ..
R a. ., R ~ ../
/
/ A~
.,-r;'
0 ..~
~e " 0~
0 ., u :~ " ~ ~ ." ,. ..". '" ,.. ,. K apa.ita. Charge (A h/K g)Gambar 6. Kurva Kapasitas Charge Discharge
Basil Pengukuran Kinerja Sistem Baterei Basil Pengukuran Charge-Discharge
Dari gambar 6. taIDpak bahwa efisiensi Coulomb sistem baterei semakin menunm dengan bertambahnya kapasitas charge. Untuk kapasitas charge kurang dari 100 mC (30 Ah/Kg) efisiensi
, .I , , , 7 ...0 11 ,. 11 "
Jumlab Sido. Gambar 8 HublUlgan antarn siklibilitas
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 /SSN/4/0-2897
discharge.
Untuk eksperimen selanjutnya, peningkatan kekuatan film PANI-NMP dapat dilakukan dengan memvariasikan komposisi film tersebut, sehingga didapatkan karnkteristik film PANI-NMP yang paling optimum untuk material elektroda baterei sekunder.
KESIMPULAN
Film PANI-NMP yang dibuat dengan metoda pelaruatan menggunakan pelarut NMP dapat melekat baik pada substratnya daD mempunyai sifat elektroaktif yang menarik. Proses doping dengan teknik protonasi dapat meningkatkan konduktivitas PANI-NMP dengan besar konduktivitas yang bergantung pada konsentrasi dopan. Sifat elektroaktif PANI-NMP dirnanfaatkan untuk pembuatan elektroda baterei sekunder pada sistem set (steanlessteal I PANI-NMP I LiCIO4 + PC I LilAI). Hasil eksperimen menunjukkan film PANI-NMP dapat diaplikasikan sebagai elektroda baterei sekunder yang mempunyai kapasitas penyimpanan muatan cukup baik. Hasil pendahuluan ini membuka peluang untuk aplikasi P ANI basil sintesa kirnia sebagai elektroda baterei sekunder.
UCAPAN TERIMA KASm
Terima kasih disampaikan kepada Dewan Riset
Nasionai yang telah menyediakan dana penelitian
melaiui Hibah Bersaing VI Perguruan Tinggi
DAFTAR PUSTAKA
[I] SHlRAKAWA IL LOUIS E. J, MACDIARMill AG, CHIANG C K and HEEGER A J, J. Chern, Soc. Chern. Commun., (1977)578
[2] EPSTEIN and MACDIARMm A. G., Science and Applications of Conducting Polymers, Salaneck W. R., Clark D. T. and Samuelsen (ed.) E. J., Adam Rigler, New York, (1991)131-152
[3] CHIANG, MACDIARMm A. G., Synth. Metal, (1986)193-203
[4] SARlKH M., Absorbtion Spectroscopy of Organic Molecules, Addisen-Wesley Publishing Company, (1974)
[5) TJIA M. 0., SlREGAR R. E., MIKRAJUDIN, HIDAYAT R., Pengernbangan Bahan Polimer dan Aplikasinya, Laporan Hibah Bersaing, (1994) [6] SUGffO, Pernbuatan, Pengujian, dan Studi Unjuk
Kerja Baterei Polianilin, T.A S I F isika ffB, (1994) [7] CHAPMAN and HALL, BRUNO SCROSA ll,
Applications of Electroactive Polymers, Chern. Department, University of Rome 'La Sapienza' Italy, (1993)
[8] GERALD L. GINSHBERG, Selecting Electronic Components, (1980)128-142.
