Uspen Ta Annisa Fix.docx

FM-PM-STTN-7.5.2-23 USULAN JUDUL TUGAS AKHIR JURUSAN TEKNOKIMIA NUKLIR PROGRAM TEKNOKIMIA NUKLIR 1

Nama

: Annisa

2

NIM

: 011400368

3

Alamat

: Gang Sri Rahayu, CT Kledokan

4

Nomor HP

: 081528648196

5

Dosen Wali

: Maria Christina Prihatiningsih, S.ST, M.Eng

6

Unit/Instansi Asal

: STTN BATAN

7

Jenis TA yang diusulkan

: Proses Pembuatan Material dan Karakterisasi

8

Judul yang diusulkan

: Perakitan Superkapasitor Berbasis Polianilin Graphene-selulosa dan Ionogel Copolymer Grafting Karagenan-Polivinil Alkohol-Silika dengan Teknik Iradiasi Gamma

9

1.1 Latar Belakang Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi menciptakan kehidupan modern yang tak terlepas dari penggunaan alat elektronik sebagai fasilitas penunjang kehidupan. Sehingga energi listrik menjadi kebutuhan utama dalam kehidupan manusia saat ini. Untuk memenuhi kebutuhan energi, maka dibutuhkan piranti penyimpan energi listrik. Saat ini, baterai merupakan penyimpan energi yang paling sering dijumpai. Baterai mempunyai beberapa kelemahan diantaranya rapat daya yang kecil dan membutuhkan waktu lama dalam pengisian energi dalam piranti. Superkapasitor merupakan sebuah piranti yang mempunyai rapat daya yang beberapa kali lipat dari baterai dan waktu pengisian energi listrik yang lebih cepat. Dalam merancang superkapasitor terdapat dua hal penting yang harus diperhatikan yakni kapasitansi dan konduktivitas. Superkapasitor dengan performa tinggi akan memiliki kapasitansi yang tinggi dan volume antar pelat yang rendah. Hal ini disebabkan, kapasitansi berbanding lurus dengan kerapatan energi dan berbanding terbalik dengan volume antar pelat [1]. Kemampuan superkapasitor dalam menyimpan energi dipengaruhi pula oleh konduktivitas. Berdasarkan hukum ohm, dapat diuraikan bahwa konduktivitas berbanding terbalik dengan resistansi.

Beberapa penelitian terkait perakitan superkapasitor solid-state dengan struktur “sandwich” dimana tersusun dari dua elektroda padat dan elektrolit berbentuk gel ditengah menemukan permasalahan yakni resistansi internal yang tinggi dan kapasitansi volumetrik yang rendah. Hal ini diakibatkan struktur elektroda yang padat sehingga tidak dapat menghasilkan kontak yang baik dengan elektrolit polimer gel yang memiliki viskositas besar dan difusi yang buruk [2]. Beberapa penelitian membahas adanya pengaruh ketebalan elektroda terhadap peningkatan kapasitansi superkapasitor. Peningkatan ketebalan elektroda cenderung berbanding terbalik dengan nilai kapasitansi superkapasitor. Hal ini dikarenakan perpindahan ion-ion elektrolit dari atau kepada lapisan aktif menjadi lebih sulit [3]. Sehingga dilakukan penentuan

ketebalan

optimal

untuk

mencapai

nilai

kapasitansi

maksimum

dari

superkapasitor. Nilai ESR (Equivalent Series Resistance) dapat menurunkan performa superkapasitor dalam waktu charge-discharge yang panjang [5]. Salah satu faktor yang dapat meningkatkan nilai ESR adalah ketebalan elektroda yang digunakan. Hal ini berkaitan dengan stabilitas adhesi dari partikel aktif karbon elektroda. Pada elektroda yang tebal terjadi penurunan stabilitas adhesi yang disebabkan oleh pembentukan ruang (void) antara elektroda dan elektrolit [4]. Kekuatan charge-discharge menunjukkan kemampuan pengisian muatan pada superkapasitor yang berbanding lurus dengan nilai konduktivitas ionik. Sehingga untuk meningkatkan nilai konduktivitas pada superkapasitor dilakukan dengan menentukan ketebalan optimal elekroda pada nilai ESR minimum. Dalam perakitan superkapasitor diperlukan pengikat (binder) yang berfungsi untuk mengabungkan elektroda membentuk lapisan kompak dan menempel secara homogen pada pengumpul arus (current collector) [6]. PVDF (Polyvynilidene Fluoride) merupakan salahsatu jenis binder dengan stabilitas mekanik yang tinggi, sifat swelling yang tepat, dan kemampuan integrasi pada elektroda yang tinggi. Apabila dibandingkan dengan fluoropolymer yang lain, PVDF memiliki densitas yang rendah dan tidak larut dalam larutan elektrolit seperti halnya PVA [6]. Namun, harus dilakukan penentuan terhadap %berat PVDF optimal yang digunakan. Sebab, binder dapat menutupi luas muka dan pori aktif material yang mana hal ini akan menghalangi ion bergerak melewati pori-pori. Sehingga akan menurunkan konduktivitas ionik material superkapasitor [6]. Selanjutnya, beberapa penelitian solid-state superkapasitor mengabungkan elektroda, elektrolit serta current collector dengan teknik aplikasi tekanan untuk meningkatkan performa dari superkapasitor [7]. Namun, perakitan superkapasitor berbasis polianilin

graphene-selulosa dan ionogel Copolymer Grafting Karagenan Polivinil Alkohol-Silika dilakukan dengan metode doubled-layer dengan struktur menyerupai sandwich tanpa aplikasi tekanan. Viskositas elektrolit yang besar dan rendahnya interaksi interface antara elektroda dan polimer elektrolit diatasi dengan aplikasi iradiasi gamma. Seluruh komponen superkapasitor yang telah dirakit kemudian diiradiasi sehingga terjadi polimerisasi. Iradiasi gamma diharapkan mampu menginisiasi polimerisasi pada monomer-monomer polimer elektrolit

dalam pori elektoroda. Sehingga perakitan superkapasitor berbasis polianilin

graphene-selulosa dan ionogel Copolymer Grafting Karagenan Polivinil Alkohol-Silika dengan teknik iradiasi gamma ini perlu dilakukan.

1.2. Rumusan Masalah Berdasarkan penjelasan yang telah diutarakan pada latar belakang sebelumnya, maka dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut: 1. Apa yang dimaksud dengan perakitan superkapasitor? 2. Apakah polianilin graphene-selulosa dan ionogel Copolymer Grafting Karagenan Polivinil Alkohol-Silika dapat dirakit menjadi superkapasitor? 3. Bagaimana pengaruh konsentrasi penambahan binder PVDF (Polyvynilidene Fluoride) terhadap kinerja elektrokimia superkapasitor? 4. Bagaimana pengaruh ketebalan elektroda graphene selulosa terhadap kinerja elektrokimia superkapasitor? 5. Bagaimana proses perakitan superkapasitor dengan teknik iradiasi gamma? 6. Bagaimana pengaruh dosis radiasi terhadap kinerja elektrokimia superkapasitor? 7. Bagaimana hubungan antara dosis radiasi gamma, ketebalan graphene selulosa dan konsentrasi binder PVDF terhadap kinerja elektrokimia superkapasitor?

1.3. Batasan Masalah 1. Pembuatan elektroda komposit polianilin graphene selulosa mengacu penelitian (Jundy, 2016) 2. Pembuatan polimer elektrolit berupa ionogel copolymer grafting karagenan Polivinil Alkohol (PVA)-silika dengan larutan ion 1-Butyl- 2,3,dimethylimidazolium hexafluorophosphate mengacu penelitian (Fauziah, 2017) 3. Pembuatan pengumpul arus (Current Collector) berupa logam alumunium aging mengacu penelitian (Shuwen Kang, 2015)

4. Binder yang digunakan adalah PVDF (Polyvynilidene Fluoride).

1.4. Keaslian Tugas Akhir Beberapa penelitian yang berkaitan dengan pengaruh ketebalan elektroda, binder PVDF dan dosis iradiasi gamma terhadap konduktivitas dan kapasitasi superkapasitor-solid state, yaitu :

Impact of Binder

Pengarang, tahun Allan

- Kapasitansi

Concentration and

Daraghmeh,

tertinggi

superkapasitor

Pressure on Performance Shahzad

superkapasitor

berbasis

of symmetric CNFs Based Hussain,

berbasis CNFs

material

Supercapacitors

Llorenc¸

(Carbon

komposit

Servera,

Nanofibers)

polianilin

Elena

dicapai dengan

graphene-

Xuriguera,

10 %wt binder

selulosa yang

Albert

PVDF

telah diiradiasi

Cornet,

- Nilai ESR

Judul penelitian

Hasil

Albert

meningkat dari

Cirera, 2017

0.3 menjadi 0.9

Perbedaan - Perakitan

Ω dengan peningkatan jumlah PVDF Rate and Cycle

Keh-Chyun

Performances of

Tsay, Lei

spesifik

berupa ionogel

Supercapacitors with

Zhang,

kapasitansi dan

Copolymer

Different Electrode

Jiujun

ESR dari

grafting

Thickness Using Non-

Zhang, 2012

superkapasitor

karagenan

berbasis

polivinil

Activated

alkohol silika

Carbon (AC)

yang digrafting

dengan ketebalan

dengan iradiasi

10 μm tidak

gamma

aqueous Electrolyte

- Stabilitas

meningkat secara

- Elektrolit

signifikan

- Elektroda berupa material

- Dengan elektrolit

komposit

1 M TEMA

polianilin

BF4/PC

grapheneselulosa yang telah diiradiasi

- Dengan variasi ketebalan elektroda 1;2;4;6;8 mm dalam bentuk pouch cell

Flexible all-solid-state

Haojie Fei ,

supercapacitors based on

Chongyang

Graphene/ carbon

material

graphene/carbon black

Yang, Hua

black nanoparticle

komposit

nanoparticle film

Bao ,

(GCB) film

polianilin

elektroda dan

graphene

cross-linked

selulosa yang

poly(vinyl

telah diiradiasi

electrodes

and

cross- Gengchao

linked Poly (Vinyl Alcohol)-H2SO4 gel electrolytes

Wang, 2014 porous

- Perakitan

- Menggunakan

alcohol)-H2SO4 porous gel

- Menggunakan

electrolytes

ionogel

(gPVAP-H2SO4)

Copolymer

menghasilkan

grafting

peningkatan

karagenan

kapasitansi

polivinil

sebesar specific

alkohol

144.5 F g-1

yang digrafting

silika

dengan iradiasi - Menggunakan

gamma

binder PVDF - Menggunakan - Menggunakan

teknik iradiasi

silver glue yang

gamma dalam

diolesi pada sisi

proses

elektroda

perakitan

untuk

electrical contact

komponen superkapasitor

High-Performance

Bihag

- Perangkat

Flexible Solid-State

Anothumak

prototipe

aplikasi iradiasi

Supercapacitor with an

kool, Arun

superkapasitor ini

sinar gamma

Extended Nanoregime

Torris A. T.,

memiliki

dalam proses

Interface through in Situ

Sajna

kapasitansi 130 F

Polimerisasi

Polymer Electrolyte

Veeliyath,

/ g pada resistansi

Generation

Vidyanand

internal yang

Vijayakuma

berkurang secara

ionogel

r, Manohar

substansial 0,5 Ω

Copolymer

V.Badiger,

dan retensi

grafting

dan

kapasitansi tinggi

karagenan

Sreekumar

84% setelah

polivinil alkohol

Kurungot,

32000 siklus

silika

2015

- Menggunakan

- Menggunakan

yang

digrafting - Menggunakan

dengan iradiasi

aplikasi iradiasi

gamma sebagai

sinar UV dalam

elekrolit

proses polimerisasi

- Menggunakan copolymer (PHEMA-coTMPA)-based gel mengandung

H3PO4 sebagai elektrolit Reduction of porous

Chunhong

- Efek tekanan dan

carbon/Al contact

Lei a,

modifikasi Al

material

resistance for an electric

Foivos

menurunkan

komposit

double-layer

Markoulidis

resistansi

polianilin

capacitor (EDLC)

a, Zenya

interface, di mana

graphene

Ashitakab,

menggunakan

selulosa yang

Constantina

kolektor Aliran

telah diiradiasi

Lekakoua,

nano whiskers

sebagai

2013

Al4C3

elektroda

- Menggunakan

- Menggunakan

- Menggunakan

metode

ionogel

EDLC(electric

Copolymer

double-layer

grafting

Capacitor)

karagenan polivinil alkohol

- Menggunakan

silika

yang

elektrolit 1 M

digrafting

TEABF4

dengan iradiasi gamma

- Menggunakan komposite karbon yang merupakan campuran antara Karbon Aktif /AC (Sigma–Aldrich, specific surface area 1000 m2/g), acetylene carbon black (CB) (Alfa Aesar) dan poly(vinylidene

fluoride) (PVDF) sebagai elektroda. Design of a High

Bihag

Performance Thin All-

Anothumak

polyaniline

aplikasi iradiasi

Solid-State

kool, Arun

(PANI)-coated

sinar gamma

Supercapacitor

Torris A. T.,

carbon paper

dalam proses

dengan polimer

polimerisasi

Mimicking

the

Active Siddheshwar

- Mengimpregnasi

- Menggunakan

Interface of Its Liquid- N. Bhange,

elektrolit

State Counterpart

Sreekuttan

polyvinyl alcohol- - Menggunakan

M. Unni,

H2SO4 (PVA-

ionogel

Manohar V.

H2SO4)

Copolymer

Badiger, dan - Specific

grafting

Sreekumar

capacitance dari

karagenan

Kurungot,

PANI 647 F/g

polivinil alkohol

2013

dengan area

silika yang

kapasitansi 1

digrafting

F/cm2 pada 0.5

dengan iradiasi

A/g.

gamma sebagai

- Elektrolit

elekrolit

menunjukkan kapasitansi 12 F /

- Menggunakan

g dengan arus

material

bocor yang

komposit

rendah sebesar16

polianilin

μA2.

grapheme

- Menunjukkan

selulosa yang

stabilitas yang

telah diiradiasi

sangat baik untuk

sebagai

10.000 siklus

elektroda

dengan efisiensi coulombic 100%.

- Menggunakan

aplikasi tekanan untuk menurunkan interface resistance

1.5. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah: 1. Memperoleh superkapasitor dengan kapasitansi dan konduktivitas sama atau lebih dari 1 F/gram dan 10-6 S/cm2

1.6. Manfaat Penelitian Manfaat penelitian ini adalah: 1. Menciptakan kemandirian bangsa dari produk impor luar negeri dalam bidang energi 2. Menciptakan peluang ekspor produk anak bangsa 3. Mengangkat nama baik bangsa Indonesia dalam bidang penguasaan IPTEK di kancah internasional.

1.7. Metodologi 1.7.1. Waktu dan Tempat Penelitian ini dilakukan pada bulan Maret 2018 – Juli 2018 di Laboratorium STTNBATAN Yogyakarta

1.7.2. Bahan Material komposit PANI/GO-Selulosa dopan lanthanum [8], PVDF, ionogel copolymer grafting

karagenan

PVA-silika,

larutan

ion

1-Butyl-2,3,dimethylimidazolium

hexafluorophosphate, silver glue, dan plat Al.

1.7.3. Alat Iradiator Gamma, oven, alat gelas, magnetic stirrer, kapasitansi meter, dan multimeter.

1.7.4. Langkah Kerja a. Persiapan material komposit polianilin graphene selulosa dengan dopan lantannum [8]

1. Material komposit PANI/GO-Selulosa dopan lanthanum yang telah diiradiasi di filtrasi 2. Kemudian, endapan material komposit PANI/GO-selulosa dopan lanthanum dikeringkan pada suhu 80°C hingga menjadi serbuk kering. 3. Serbuk material komposit PANI/GO-selulosa dopan lanthanum dicampur dengan binder PVDF dalam 15 ml aseton dengan variasi konsentrasi PVDF 4. Campuran material elektroda dan binder PVDF diaduk selama 1 jam dengan pengaduk mekanik 5. Kemudian, campuran slurry dikeringkan pada suhu 80°C hingga menjadi serbuk kering 6. Selanjutnya, serbuk material komposit PANI/GO-selulosa dopan lanthanum dicetak dalam bentuk pouch cell dengan variasi ketebalan (2;4;6;8;10) mm.

b. Persiapan elektrolit: ionogel copolymer grafting karagenan PVA-silika yang digrafting dengan iradiasi gamma [9] 1. Larutan ionogel pada proses polimerisasi ditambahkan larutan ion 1-Butyl2,3,dimethylimidazolium hexafluorophosphate 0,01 M 2. Ionogel copolymer grafting karagenan PVA-silika dicetak dengan ketebalan 2 mm 3. Selanjutnya, ionogel

copolymer grafting karagenan PVA-silica siap untuk

perakitan superkapasitor

c. Perakitan superkapasitor berbasis polianilin graphene-selulosa dopan lanthanum dan ionogel copolymer grafting karagenan PVA-silika 1. Sebelum perakitan, pada sisi material komposit PANI/GO-Selulosa dopan lanthanum diolesi silver glue agar terjadi electrical contact bersama ionogel saat proses perakitan 2. Selanjutnya, dua buah komposit PANI/GO-Selulosa dopan lanthanum yang telah diolesi silver glue disusun mengapit ionogel copolymer grafting karagenan PVAsilika 3. Susunan komposit PANI/GO-Selulosa dopan lanthanum dan ionogel copolymer grafting karagenan PVA-silika hasil perakitan diiradiasi dengan sinar gamma pada variasi dosis terhadap waktu 4. Kemudian, susunan elektroda dan elektrolit yang telah diiradiasi dirakit bersama

plat Al sebagai pengumpul arus menjadi alat superkapasitor 5. Superkapasitor diukur kapasitansi, konduktivitas dan kestabilan siklik

1.8. Daftar Pustaka 1. Allan Daraghmeh, S. H. (2017). Impact of binder concentration and pressure on performance of symmetric CNFs based supercapacitors. Electrochimica Acta. 2. Duane Finello, S. F. (1992). Patent No. 5,151,848. The United State of America. 3. Fauziah, S. (2017). Pembuatan Ionogel Copolymer Grafting Karagenan-Polivinil Alkohol-Silika Menggunakan Iradiasi Gamma. Yogyakarta: Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir. 4. Haojie Fei, C. Y. (2014). Flexible all-solid-state supercapacitors based on graphene/carbon black nanoparticle film electrodes and cross-linked poly(vinyl alcohol)-H2SO4 porous gel electrolytes. Journal of Power Sources, 489. 5. Jundy, A. (2016). Pembuatan Dan Karakterisasi Material Komposit Polianilin Graphene Selulosa Sebagai Elektrode Superkapasitor. Yogyakarta: Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir. 6. Kai Wang, X. Z. (2016). Conducting polymer hydrogel materials for highperformance flexible solid-state supercapacitors. SCIENCE CHINA Materials, 412. 7. Kai-Bing Lia, D.-W. S.-Y.-L.-A. (2015). Studies on the equivalent serial resistance of carbon supercapacitor. Electrochimica Acta, 597. 8. Keh-Chyun Tsay, L. Z. (2012). Effects of electrode layer composition/thickness and electrolyte concentration on both spesific capacitance and energy density of supercapacitor. Electrochimica Acta, 435. 9. Seiji Kumagaia, K. M. (2015). Rate and cycle performances of supercapacitors with different electrode thickness using non-aqueous electrolyte. Journal of Energy Storage, 16.

11

Usulan pembimbing dari STTN

: Dr. Deni Swantomo, SST., M.Eng

12 Usulan Pembimbing dari luar STTN :

13 Rencana tempat kegiatan 14

Alamat tempat kegiatan

: STTN-BATAN Yogyakarta : Jl. Babarsari, Depok, Caturtunggal, Sleman, Yogyakarta, Kotak pos 6106 YKBB Yogyakarta 55281

Yang Mengusulkan

Annisa NIM : 011400368 Menyetujui,

Pembimbing I

Dr. Deni Swantomo.,S.ST.,M.Eng NIP.19820104 200604 1 002

Pembimbing II

Lutfi Aditya Hasnowo, S.Pd.,M.Sc