Prosiding Perlemuan Ilmiah Sains Materi 1997-- /SSN /410-2897

KARAKTERISASI POLIANll..IN-NMP DAN STUDI APLIKASINY ASEBAGAI ELEKTRODA BA TEREI SEKUNDER1

S. Hidayaf, L. Safriani2, D. Hm-doYO2, Y. Yuliah2, F. Fitrilawati2R. E. Sireg~

ABSTRAKKARAKTERISASI POLIANILIN (PANI) -N-METHYLPIRROLIDINON (NMP) DAN STUDI APLIKASINYA

SEBAGAI ELEKTRODA BATEREI SEKUNDER. Film tipis PANI-NMP dibuat dengan teknik pelarutan (solution casting) daripolimer PANI-EB (Polianilin basa emeraldine) dan pelarut NMP. Selanjutnya, film PANI-NMP dikarakterisasi dan dikaji potensiaplikasinya sebagai bahan elektroda aktifpada baterei sekunder yang terdiri dari sistem (steanlessteal I PANI-NMP I LiCIO4 + PC ILi/ AI). Dari penelitian ini diperoleh efisiensi coulomb terbesar adalah 88% yaitu pada kapasitas charge-discharge dibawah 30 Ah/Kg daDtegangan kerja antara 1,7 Volt sampai 3,10 Volt.

ABSTRACTCHARACTERIZATION OF POLIANILIN(PANI) -N-METHYLPIRROLIDINON(NMP) AND STUDY OF

APPLICATION THEM AS SECONDARY BATTERY ELECTRODE. Thin films of PANI-NMP were prepared using solutioncasting technique from PANI-EB (Polyaniline in form ofemeraldine base) and NMP solution. Further, film ofPANI-NMP characterizedand 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 30Ah/Kg and work voltage between 1,7 Volt and 3,10 Volt.

KEY WORDSThinfilms. electrode material. charge-discharge

PENDABULUAN

Pada saat ini pengkajian polimer konduktifuntuk berbagai aplikasi semakin berkembang danbanyak mendapat perhatian dari para peneliti.Kecenderungan tersebut diawali oleh penemuanbahan polimer konduktif poliasitilen oleh Shirakawapada akhir tabun 1976 [1].

Perkembangan selanjutnya berlangsung sangatpesat, beberapa basil pengkajian yang telahdilaporkan antara lain potensi aplikasi bahan polimerkonduktif sebagai baban elektrokromik, smartwindow, sensor pH, transistor (FET), bahan alternatifelektroda baterei sekunder tanpa polusi, bahanantistatik, daD lain sebagainya [2]. Diantara polimer-polimer konduktif yang ditemukan tersebut,polianilin (P ANI) mendapat perhatian khusus. Haltersebut berkaitan dengan keungguian-keungguianyang dimiliki P ANI dibanding polimer konduktiflain. Keungguian tersebut antara lain, P ANImemiIiki stabiIitas yang tinggi terhadap gangguanoksigen (temtama dalam bentuk basa emeraldine),P ANI dapat disintesa dengan cara elektrokimia dankimia, proses dopingidedoping P ANI dapatdilakukan dengan cara elektrokimia(oksidasi/reduksi) dan dengan cara kimia melaluiperlakuan asam/basa (protonasi/deprotonasi). Dalampenelitian ini sintesis P ANI menggunakan metodakimia. Hal tersebut berdasarkan beberapapertimbangan yang antara lain: pembutan P ANIsecara kimia memerlukan biaya relatif murah,peralatan yang digunakan dalam sintesis ini relatif

sederhana, daD dipandang lebih praktis untukproduksi dalamjumlah banyak (mass production).

Bahan polimer P ANI merupakan polimerkonduktif yang mempunyai struktur ikatanterkonjugasi yang memiliki tiga bentuk yaituleukoemeraldin, emeraldin, daD pernigranilin sepertiyang diperlihatkan oleh Gambar 1. P ANI basilsintesa kimia berbentuk basa emeraldin (EB) yangbersifat isolator. Polimer basil sintesis tersebut dapatdibuat menjadi konduktif dengan proses doping yaitudengan memberikan perlakuan asarn atau proto nasi,sehingga menjadi PANI-ES (garam emeraldin).Proses protonasi tersebut berkaitan dengan cacatrantai dalam bentuk pasangan dikation dan dopan A-seperti yang diperlihatkan oleh Gambar 2 [3].

Salah satu kekurangan P ANI sebagai bahanpolimer konduktif adaIah sifat mekanik danfleksibilitasnya yang kurang baik. P ANI dalambentuk basa emeraldin maupun garam emeraldinmempunyai sifat yang rapuh sehingga mempunyaiketerbatasan dalam aplikasi. Ada cara yang cukupefisien untuk meningkatkan fleksibilitas P ANI yaitumenggunakan metoda pelarutan (solution casting)menggunakan pelarut organik N-methylpirrolidinon(NMP) yang bersifat sebagai p/astisiser. NMPmempunyai struktur kimia sebagaimana ditunjukkanpada Gambar I.

Dari basil karakterisasi film PANI-NMPdiharapkan didapat film yang mempunyai sifatunggul yaitu fleksibilitasnya baik dan sifat listrikP ANI murni masih dapat dipertahankan. Selanjutnyafilm PANI-NMP tersebut dikaji potensi aplikasmyasebagai elektroda baterei sekunder dengan

'Dipresentasikan pada Pertemuan ilmiah gains Materi 19972Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Padjadjaran

246

Pro.viding Pertemuan /lmiah Sains Materi 1997 /SSN /4/0-2897

70N

CH3

-N-~N-~N---fi-

N-H~H~H~H

-@- :-~ -:--<0) ~. ~Em-lin

FN-

N::::(

GambarPom~

Hcrbagai bentuk struktur P ANI

'<Q)-1--<O)

-~--<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 K

Gambar 2 Proses Doping Polianilin

konfigurasi (steanlessteal PANI-NMP LiCIO4 +PC I Lit AI). Dari basil ~ngujian sistem batereitersebut diharapkan film P ANI-NMP menjadi salahsatu aIternatif material baterei baru yang mempunyaikeunggulan dari segi rapat kapasitas yang jauh lebihbesar dibanding material inorganik.

EKSPERIMEN

1M. Pencampuran dilakukan dengan penetesanlarutan inisiator ke dalam larutan anilin dengankecepatan sekitar 2 mVmenit pada temperatur sekitarO°C. Proses polimerisasi P ANI ditandai olehtimbulnya perubahan WarDa campuran yangberturut -turut dari bening menjadi kuning belling.hijau muda, hijau tua, biru muda, biru tua danterbentuk endapan biru kehitaman. Endapan yangterbentuk disaring kemudian dicuci dengan metanolteknis dan di deprotonasi dengan larutan O,IM~OH. Selanjutnya dilakukan pengeringan dalamdesikator vakum sehingga diperoleh P ANI bubukdalam bentuk basa emernldin (pANI-EB).

Pembuatan film tipis P ANI-NMP diawalidengan pembuatan larutan PANI-NMP yaitu denganmencampur 0,143 gr PANI-EB (polianilin basaemernldin) dengan 10 ml NMP (1,4%). Larutantersebut diaduk selama kurang lebih 8 jam sehinggadiperoleh larutan yang homogen. Selanjutnyapembuatan film PANI-NMP dilakukan dengancasting pada substrat yang disesuaikan dengankebutuhan karakterisasi.Karakterisasi yang dilakukan :

Pengukuran Spektrum infra merab (IR)Pengukurnn spektnun IR dilakukan pada P ANI

basa emeraldin (PANI-EB), NMP, daD film PANI-NMP. PANI-EB diukur dalam bentuk pelet yangdibuat daTi campuran bubuk P ANI -EB dengan KBr.NMP diukur dalam bentuk cair dan film P ANI-NMPda1am bentuk free standing. Pengukuran spektnunIR menggunakan Shirnadzu Ff-IR 8101 denganrnnge ukur 400 cm-1 sampai dengan 4600 cm-l.

Pengukuran Spektrum UV-VisPengukurnn spektnun UV -Vis hanya dilakukan

pada film PANI-NMP. Sampel yang digmJakanberupa film tipis yang menempel diatas substratkaca mikroskop yang berfungsi sebagai latarbelakang pengukuran. Pengukurnn spektrum UV -Vismenggunakan Beckman DU 7000, dengan rnngeukur 300 om sampai 800 om. PengukuranKonduktivitas

Pengukuran konduktivitas dilakukan denganmetoda four line frobe menggunakan Adventest R6142 sebagai sumber arus dan Adventest TR 8652sebagai pengukur tegangan. Sampel yang digunakanberupa filmfree standing berukuran 2x2 cm2.

Pengukuran Voltamogram Siklik (CV)Pengukurnn CV dilakukan dengan metoda

potensiostatik menggunakan PotensiostaUGalvanostat HA-501 Hokuto Denko Ltd dan X-Yrecorder Yokogawa. Pengukuran kurva CVdilakukan dalam larutan 1M HCI, jangkauantegangan .{),3 Volt sampai I Volt dan laju scantegangan 10 mV/detik. Sampel yang digunakan

Bahan-bahan yang digunakan dalameksperimen ill adalah : asam klorida (HCI, 37%)produksi Merck, anilin (~5NH2, 99%) produksiMerck, ammonilIm persulfat «NH4hS20g, 98%)produksi Merck, arnoniak (NH3, 25%) produksiMerck, 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 dalameksperimen ill adalah basil polimerisasimenggunakan metoda kimia. Proses polimerisasimetoda kimia dilakukan melalui pencampuran 16,6rnl aniIin yang terlarut dalam 250 ml HCI 1M dengan13,68 gr <NH4hS20g yang terlarut dalam 250 ml HCI

."t7

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 berasaldari NMP. Hal tersebut menyatakan bahwa dalamfilm PANI-NMP, PANI-EB lebih dorninandibandingkan NMP.

Basil Pengukuran Spektrum UV-Vis

Hasil pengukuran spektrum UV-Vis film PANI-NMP diperlihatkan pada gambar 3. Seperti terlihatpada gambar 3. spektrum UV-Vis film PANI-NMP

berupa film PANI-NMP yang di casting padasubstrat frO (indium tin oksida).

Pengujian Kinerja Sistem BatereiAlat-alat yang digunakan untuk proses

pengujian sistem baterei adalah : Adventest R 6142sebagai sumber arus, Adventest TR 8652 sebagaipengukur tegangan, HP 34401A sebagai pengukuraruS, dan komputer 386Dx sebagai pencatat arus dantegangan selarna proses charge-discharge. FilmPANI-NMP yang digunakan sebagai elektrodabaterei di casting pada plat steanlessteal berukurnn3x3 cm2. Sistem baterei yang dibuat berupa sistemberlapis yang terdiri dari (steanlessteal I PANI-NMPI LiCIO4 + PC I LilAI).

Pengujian kinerja baterei meliputi : pengukurankapasitas charge-dischrage dilakukan dengan rapataruS 0,5 mNcm2 dan jangkauan tegangan kerja 1,7Volt sampai 3,10 Volt, pengujian pengaruh rapatarus discharge terhadap kapasitas dilakukan denganvariasi rapat arus discharge (0,1; 0,2; 0,5; 0,75; dan1,0) mNcm2 dengan rapat arus charge konstansebesar 0,5 mNcm2, dan pengujian siklibilitas untukkapasitas 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 inframernh untuk PANI ememldine base (PANI-EB),NMP. dan film PANI-NMP diperlihatkan pada tabel1

Berdasarkan tabel I dapat dibandingkan bahwastmktur kimia film PANI-NMP mernpakan

Tabel I. Hasil pengukuran spektrumInfra 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 laporansebelumnya [5], puncak pada 71.= 346 om berkaitandengan transisi daTi pita 7[ ke pita 7[", sedangkanpuncak absorpsi pada 71.= 637 om berkaitan dengantransisi pada rantai kuinoid (pita bipolaron).

3. Rasil Pengukuran Konduktivitas

Kurva yang menyatakan hubungankondUktivitas clan waktu protonasi diperlihatkanpada gambar 4. Konduktivitas film PANI-NMPtampak naik dengan bertambahnya waktu protonasi.

Gfuubar4. Grafik konduktivitas film PANI-NMP terlladap waktu protonasi

248

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 ISSN 1410-2897

Konduktivitas talnpak naik secara tajam setelah filmdiprotonasi lebih dari 20 meDii, tetapi setelah 30meDii kenaikan konduktivitas tidak terIalu besarwalaupun waktu protonasi semakin lama.Konduktivitas film PANI-NMP terbesar yaitu 19,09Siemen/crn yang diperoleh setelah film diprotonasiselama 60 meDii di daIam larutao HCI dengan pH O.

""., ,""."""."

E """;jj-""""J!-""">~" "",."0"0 '."'"~

'."'""""",."

coulomb mencapai 88 %. Dari basil tersebut dapatdiketahui bahwa film PANI-NMP mempunyaikemampuan menyimpan muatan yang Cukup baik,tetapi masih perlu perbaikan lebih lanjut untukmenghasilkan material baterei yang layak pakai.Pengamh rap at ams Discharge terhadap efisiensiCoulomb

Tampak pada gambar 7, semakin besar rapataruS discharge efisiensi yang dihasilkan semakinkecil. Kecenderungan seperti ini sarna dengan yangdilaporkan oleh Sugito [6 ) untuk sistem baterei(pANI-E I ZnCI2+PC IZn).

" z z

pH Larutan Protonasi

Gambar 5. Pengaruh pH larutan protonasiterhadap konduktivitas.

Kurva pada gambar 5 memperlihatkan pengamhpH larutao proto nasi terhadap konduktivitas filmPANI-NMP. Film PANI-NMP yang diprotonasidengan pH rendah mempunyai konduktivitas tinggi.Konduktivitas tertinggi yang diperoleb dari basileksperimen ini adalah 18,97 Siemen/cm yaitu padasaat diprotonasi dengan pH O. Hasil tersebutmenunjukkan film PANI-NMP peka terhadapprotonasi, terutama protonasi pada daerah pHrendah.

. '0' o. oC:S 0" -

bt.Atu.DI.~h.~(MA/cm1)~Gambar 7. Pengaruh rapat arus discharge

terhadap efisiensi

SiklibilitasPada gambar 8 tampak bahwa efisiensi

Coulomb menunm dengan bertambahnya jumlahsiklus charge discharge. Efisiensi Coulomb yangberarti hanya dapat dipertabankan sampai 13 kalisiklus charge discharge. Berdasarkan hal tersebut,film PANI-NMP dengan komposisi 1 gr : 70 mIsangat mudah msak dengan pemlangan charge

.-:;";~

u ,.,~R

.a '""0 '"

~ ..Ra. .,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-DischargeDari gambar 6. taIDpak bahwa efisiensi

Coulomb sistem baterei semakin menunm denganbertambahnya kapasitas charge. Untuk kapasitascharge kurang dari 100 mC (30 Ah/Kg) efisiensi

, .I , , , 7 ...0 11 ,. 11 "

Jumlab Sido.

Gambar 8 HublUlgan antarn siklibilitasdengan efisiensi Coulomb.

249

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 /SSN/4/0-2897

discharge.Untuk eksperimen selanjutnya, peningkatan

kekuatan film PANI-NMP dapat dilakukan denganmemvariasikan komposisi film tersebut, sehinggadidapatkan karnkteristik film PANI-NMP yangpaling optimum untuk material elektroda batereisekunder.

KESIMPULAN

Film PANI-NMP yang dibuat dengan metodapelaruatan menggunakan pelarut NMP dapat melekatbaik pada substratnya daD mempunyai sifatelektroaktif yang menarik. Proses doping denganteknik protonasi dapat meningkatkan konduktivitasPANI-NMP dengan besar konduktivitas yangbergantung pada konsentrasi dopan. Sifat elektroaktifPANI-NMP dirnanfaatkan untuk pembuatanelektroda baterei sekunder pada sistem set(steanlessteal I PANI-NMP I LiCIO4 + PC I LilAI).Hasil eksperimen menunjukkan film PANI-NMPdapat diaplikasikan sebagai elektroda batereisekunder yang mempunyai kapasitas penyimpananmuatan cukup baik. Hasil pendahuluan ini membukapeluang untuk aplikasi P ANI basil sintesa kirniasebagai elektroda baterei sekunder.

UCAPAN TERIMA KASm

Terima kasih disampaikan kepada Dewan RisetNasionai yang telah menyediakan dana penelitianmelaiui 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 andApplications of Conducting Polymers, Salaneck W.R., Clark D. T. and Samuelsen (ed.) E. J., AdamRigler, New York, (1991)131-152

[3] CHIANG, MACDIARMm A. G., Synth. Metal,(1986)193-203

[4] SARlKH M., Absorbtion Spectroscopy of OrganicMolecules, Addisen-Wesley Publishing Company,(1974)

[5) TJIA M. 0., SlREGAR R. E., MIKRAJUDIN,HIDAYAT R., Pengernbangan Bahan Polimer danAplikasinya, Laporan Hibah Bersaing, (1994)

[6] SUGffO, Pernbuatan, Pengujian, dan Studi UnjukKerja 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 ElectronicComponents, (1980)128-142.

250