bab i pendahuluan

BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Industri baterai merupakan salah satu sektor industri yang penting dan
sangat strategis. Berbagai industri lain memanfaatkan baterai sebagai sumber
tegangan. Industri tersebut antara lain industri elektronika dan telekomunikasi
yang memproduksi ponsel, laptop, wireless, pemancar dan lain sebagainya.
Pertumbuhan industri baterai memperlihatkan kenaikan yang sangat pesat. Jenis
baterai yang sering digunakan oleh
industri adalah baterai ion litium yang
memiliki tiga unsur penting yakni anoda, katoda dan elektrolit.
Penggunaan elektrolit dalam bentuk cairan dapat menimbulkan masalah
seperti terbentuknya gas akibat pengisian listrik yang berlebihan (overcharge),
terjadinya reaksi termal bila dipanaskan sampai temperatur tinggi, dan juga
meningkatnya material beracun dan berbahaya yang keluar ke lingkungan seperti
merkuri. Pengganti alternatif elektrolit cair dalam sel elektrokimia adalah sistem
polimer elektrolit dalam bentuk padatan yang dibentuk melalui penggabungan
garam litium ke dalam matriks polimer. Baterai litium dalam sistem padatan
polimer elektrolit yang dapat diisi berulang-ulang (rechargeable) diharapkan
dapat memiliki kinerja yang lebih baik dibandingkan sistem elektrolit cairan yang
telah ada sekarang. Komponen utama dari baterai litium bermatrik padatan
polimer adalah elektrolitnya. Pemilihan polimer yang diperlukan untuk sel baterai
didasarkan pada beberapa keperluan, yang mencakup konduktivitas, sifat
mekanik, dan juga kompatibilitasnya dengan bahan elektrolit (Arcana et al,
2013).
Permasalahan lain yang timbul yakni keberadaan komponen pendukung
penting baterai ini seperti polimer elektrolit masih sangat tergantung pada luar
negeri dan harganya relatif tinggi. Disamping itu, penggunaan bahan yang tidak
beracun dan tidak berbahaya sebagai pengganti komponen baterai yang berbahaya
belum berkembang dengan baik, sehingga baterai yang sudah tidak terpakai lagi
menjadi masalah yang serius terhadap lingkungan. Hal ini karena baterai
1
2
konvensional menggunakan material polimer sintetik polietilen oksida yang tidak
bisa terdegradasi atau terurai oleh mikroorganisme yang ada di dalam tanah.
Solusi terbaik dari kedua permasalahan tersebut adalah dengan
memanfaatkan polimer alam yang bersifat biodegradable sebagai bahan baku
dalam pembuatan polimer elektrolit pada baterai ion-litium. Polimer alam yang
digunakan
harus
memiliki rantai
yang cukup
panjang
sehingga
bisa
mempertahankan sifat termalnya. Salah satu bahan polimer alam yang memiliki
rantai yang cukup panjang adalah gelatin. Gelatin merupakan polimer yang
diperoleh dari jaringan kolagen hewan yang terdapat pada kulit, tulang dan
jaringan ikat. Gelatin memiliki sifat, biocompatible, tidak beracun, biodegradable,
elastisitas, dan
interkonektivitas yang baik sehingga gelatin memiliki banyak
aplikasi dalam berbagai bidang (Poppe, 1992; Anonim1, 2008). Gelatin juga
memiliki kompatibilitas yang baik dengan bahan elektrolit. Wardah (2012) telah
meneliti gelatin sebagai matriks polimer dalam pembuatan sensor Biochemical
Oksigen Demand dengan pengisi matriks bahan elektrolit berupa elektroda emas
dan boron-doped diamond. Beberapa peneliti juga melaporkan pemanfaatan
gelatin dalam bidang energi diantaranya adalah Montoro et al (2003) yang
melaporkan bahwa gelatin dapat meningkatkan performa elektroda pada baterai
litium, Schnepp et al (2011) melaporkan tentang potensi gelatin sebagai pengganti
pelat platina pada fuel cell.
Disisi lain, perkembangan nanosains dan nanoteknologi cukup pesat
dalam dua dekade belakangan ini. Berbagai aplikasi dalam bidang elektronika,
telekomunikasi, medis, pertanian, peternakan, dan perikanan telah memanfaatkan
nanosains dan nanoteknologi. Salah satu perkembangan dari kedua ilmu ini
adalah nanofiber. Nanofiber merupakan produk nanomaterial satu dimensi yang
memiliki sifat unik seperti diameter yang kecil, porositas yang mencapai 90%,
aspek rasio dan orientasi arah yang tinggi, memiliki interkonektivitas, stabilitas
termal dan kimia yang sangat baik, sehingga memiliki banyak aplikasi dan
menarik perhatian banyak peneliti (Choi et al, 2010; Agarwal et al, 2013). Salah
satu bentuk aplikasi nanofiber yakni pada bidang energi misalnya sebagi anoda,
katoda dan separator pada baterai ion litium (Agarwal et al, 2013).
3
Metode yang telah dikembangkan untuk fabrikasi nanofiber yakni
pertumbuhan uap, arc discharge, laser ablation, deposisi uap kimia dan
elektrospinning. Namun elektrospining telah dianggap sebagai pendekatan yang
sangat menjanjikan untuk menghasilkan nanofiber yang kontinyu pada skala
besar dengan biaya pengoperasian dan pembuatan alat yang relatif lebih rendah
(Nataraj et al, 2012). Selain itu, pada metode elektrospinning, dapat
menyesuaikan diameter fiber dari nanometer sampai micrometer (Fang, 2011).
Proses elektrospining menggunakan medan listrik yang tinggi antara
ujung jarum atau tip dengan kolektor untuk menarik jet larutan polimer pada
ujung taylor cone. Jet larutan selanjutnya mengalami bending instability yang
mengakibatkan terjadinya penipisan dan bergerak membentuk lintasan spiral
menuju kolektor. Proses pergerakan jet larutan menuju kolektor diiringi dengan
penguapan pelarut pada jet tersebut sehingga terbentuk nanofiber berwujud padat.
Pengembangan nanofiber melalui teknik elektrospining dalam pembuatan
baterai ion- litium telah banyak dilakukan oleh para peneliti seperti pengembangan
pada anoda, katoda dan membran polimer elektrolit. Pada polimer elektrolit,
pemanfaatan nanofiber dapat meningkatkan performa baterai ion- litium sehingga
waktu pemakaian baterai lebih lama (Carol et al, 2011; Wu et al, 2011). Hal ini
karena polimer elektrolit nanofiber memiliki porositas yang tinggi sehingga dapat
memperlancar transport ionic antara kedua elektroda (Kim et al, 2007; Li et al,
2007 dan Raghavan et al, 2008).
Morfologi merupakan salah satu karakteristik yang penting karena dapat
mempengaruhi porositas fiber dan potensi aplikasi dari fiber. Karakteristik
morfologi meliputi ukuran diameter, keseragaman, dan kontinuitas. Selain itu
diameter fiber mempengaruhi ukuran pori, dan luas area dari fiber (Fridrikh et al,
2003). Diameter fiber yang kecil, tingkat keseragaman fiber yang tinggi dan
kontinuitas yang baik dapat meningkatkan porositas (Kim et al, 2007). Untuk
memperbaiki struktur morfologi nanofiber gelatin, beberapa peneliti mengkaji
efek penambahan co-solvent terhadap morfologi nanofiber gelatin. Peneliti
tersebut adalah Choktaweeshap et al (2007) dan Song et al (2008). Jenis cosolvent yang telah diteliti adalah ethylene glikol (EG), dimethyl sulfoxide
4
(DMSO), ethyl acetate (EA), formamide (F), 2,2,2-trifluoroethanol (TFE) dan
formic acid. Peningkatan massa dan volume ethylene glycol menyebabkan
perubahan struktur morfologi dari fiber gelatin. Namun penambahan ethylene
glycol masih belum cukup untuk menghasilkan struktur morfologi yang baik
untuk potensi pengembangan baterai, sehingga diperlukan penambahan surfaktan
dalam preparasi larutan polimer elektrospining. Oleh karena itu, penelitian ini
akan difokuskan pada pengaruh rasio penambahan ethylene glycol dan surfaktan
sodium dodecyl sulfate (SDS) dalam proses elektrospining larutan polimer gelatin
sehingga dapat memperbaiki struktur morfologi dari fiber yang dihasilkan.
1.2. Perumusan Masalah
Penelitian ini mencoba untuk memperbaiki struktur nanofiber gelatin
melalui larutan uji yang menggunakan pelarut berbasis air dengan kombinasi
antara ethylene glycol dan surfaktan pada beberapa konsentrasi. Secara spesifik,
dalam penelitian ini terdapat beberapa permasalahan yang akan dikaji yakni:
a. Bagaimana pengaruh ethylene glycol pada larutan Gelatin/AA 20% v/v
terhadap struktur morfologi nanofiber.
b. Bagaimana pengaruh konsentrasi surfaktan pada larutan Gelatin/ AA 20% v/v
/ ethylene glycol terhadap struktur morfologi nanofiber.
c. Bagaimana pengaruh penambahan surfaktan terhadap kristalinitas nanofiber.
d. Bagaimana interaksi antara surfaktan dan Gelatin/ AA 20% v/v/ ethylene
glycol pada nanofiber hasil fabrikasi.
e. Bagaimana potensi nanofiber gelatin sebagai matriks polimer elektrolit pada
baterai ion- litium.
1.3. Batasan Masalah
Penelitian ini mempunyai batasan masalah sebagai berikut :
1. Nanofiber yang dihasilkan hanya menggunakan tiga kombinasi polimer yakni
Gelatin, Gelatin/ethylene glycol dan Gelatin/ethylene glycol dengan beberapa
konsentrasi surfaktan.
2. Polimer yang digunakan adalah gelatin tipe B yang terbuat dari tulang dan
jaringan kolagen sapi.
5
3. Pelarut yang digunakan adalah asam asetat yang telah dicampur dengan
aquabidest, yakni asam asetat dengan kadar 20% v/v.
4. Co-solvent yang digunakan adalah ethylene glycol, pure analyzed.
5. Surfaktan yang digunakan adalah sodium dodecyl sulfate (SDS) dengan berat
molekul 288,37 g/mol.
6. Sumber tegangan tinggi hanya dapat digunakan maksimal 15 KV.
7. Jarak elektroda yang digunakan adalah 11 cm.
8. Diameter jarum yang digunakan adalah 0,5 mm
1.4. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Membuat tiga jenis kombinasi larutan uji nanofiber dengan beberapa
konsentrasi surfaktan.
2. Mengoptimalisasi nanofiber yang dihasilkan dari jarak antara elektroda dan
ujung jarum saat elektrospining.
3. Mengkarakterisasi larutan uji dan nanofiber yang dihasilkan.
1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Bagi Lembaga
Hasil penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat bagi lembaga khususnya
sebagai berikut:
a. sebagai penambah khasanah ilmu pengetahuan dan teknologi terapan bidang
Fisika
b. sebagai penambah kajian teoretis dan praktis tentang pembuatan nanofiber
gelatin melalui metode elektrospinning.
2. Bagi Masyarakat
Hasil penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat bagi masyarakat adalah
sebagai alternatif solusi dalam pembuatan membran baterai ion- litium dengan
memanfaatkan bahan alam dan dapat menekan biaya produksi
6
3. Bagi Mahasiswa
Hasil penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat bagi mahasiswa
khususnya mahasiswa Universitas Gadjah Mada adalah sebagai berikut:
a. sebagai bahan referensi tentang pembuatan nanofiber gelatin melalui metode
elektrospinning dengan menggunakan kombinasi ethylene glycol dan
surfaktan.
b. dapat digunakan sebagai bahan referensi atau kajian untuk pengembangan
penelitian selanjutnya Dalam bidang fisika terapan, khususnya dalam bidang
nanoscience.
1.6 Sistematika Penulisan
Tesis ini ditulis dengan sistematika sebagai berikut :
1. Bab I menjelaskan latar belakang dilakukannya penelitian mengenai
pembuatan dan pengunaan nanofiber gelatin dengan metode elektrospining
sebagai polimer elektrolit dalam baterai ion- litium, rumusan masalah, batasan
masalah, tujuan, manfaat penelitian dan sistematika penelitian.
2. Bab II berisikan tinjauan pustaka yang menjelaskan berbagai penelitian
terdahulu mengenai pembuatan nanofiber gelatin dengan metode elektrospining
dan polimer elektrolit baterai ion-litium.
3. Bab III menjelaskan teori dasar mengenai baterai ion- litium, polimer, gelatin,
jenis-jenis pelarut, jenis-jenis surfaktan, pembuatan nanofiber melalui
elektrospining, teknik karakterisasi larutan polimer dengan pH, konduktivitas,
viskositas dan surface tension, teknik karakterisasi nanofiber dengan SEM,
XRD, dan FTIR.
4. Bab IV menjelaskan alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, prosedur
penelitian, dan teknik pengolahan data.
5. Bab V memuat pembahasan hasil penelitian yang telah dilakukan.
6. Bab VI menunjukkan kesimpulan dari hasil eksperimen dan saran untuk
penelitian dimasa mendatang.
Daftar pustaka mencantumkan seluruh pustaka yang diacu dan lampiran berisi
data data yang diperoleh dalam penelitian dan dokumentasi.