Membran Elektrolit Polimer

Adalah benar bahwa keterampilan yang terutama dimiliki dan harus ditekuni oleh seorang akademis adalah menulis. Literasi menulis tentunya didukung oleh kemampuan untuk berpikir (thinking skill) dan dimodali oleh pengalaman membaca.

Saya sebagai mahasiswa doktor (postgraduate student) yang sedang menekuni bidang penelitian Kimia Material untuk aplikasi storage devices mengisi hari-hari dengan membaca artikel-artikel yang telah dipublish dalam rangka mendukung penelitian untuk disertasi, sehingga diharapkan dapat mengeluarkan karya berupa artikel ilmiah yang berhubungan dengan penelitian. Di samping untuk tujuan menyumbangkan pengetahuan untuk khasanah keilmuan, khususnya ilmu Kimia, saya juga memiliki keinginan untuk memanfaatkan keterampilan yang saya miliki dari pengalaman membaca, meneliti dan meneliti untuk pengabdian kepada masyaakat.

Berikut, saya ingin membagikan beberapa hasil studi yang dilakukan oleh Ilmuwan di belahan dunia, yang dikemas dalam bentuk summary berhubungan dengan Membran Elektrolit Polimer (Polymer Electrolyte Membrane).

1. Preparation of Hydrophilic Polyethylene/Methylcellulose blend Microporous Membranes for Separator of Lithium-ion Batteries (oleh Haiyang Liao dari School of Materials and Energy, Guangdong University, China)

Pembuatan Membran Berpori Mikro dari Blend antara Polietilena/Metil Selulosa Hidrofil untuk Separator Baterai Ion Litium

Membran berpori mikro dari blend Polietilena hidrofil dengan kerapatan besar dan metil selulosa dibuat melalui proses separasi fasa terinduksi secara panas. Pengaruh dari MC terhadap membran HDPE diinvestigasi melalui pengujian morfologi dan penentuan diagram fasa, hidrofilisitas, kristalinitas dan sifat mekanik. Demikian pula, sifat elektrokimianya dievaluasi dengan sel baterai kecil (watch batteries) dengan membandingkan membran HDPE murni dan membran berpori mikro blend HDPE/MC sebagai separator yang ditambahkan garam LiPF6. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa titik awan meningkan dan morfologi permukaan dari membran berubah dari rapat menjadi berpori, dengan penambahan massa MC. Membran blend juga memiliki serapan elektrik yang lebih tinggi dibandingkan membran HDPE murni. Bahkan, konduktivitas ion maksimum (1,01 x 10^-3 S/cm) dan energi aktivasi minimum (Ea) 10,48 kJ/mol diperoleh ketika massa MC 2%. Selanjutnya, jika dibandingkan dengan membran HDPE murni, sel baterai (button cell) yang terdiri dari membran berpori mikro blend HDPE/MC menghasikan kapasitas pemakaian dan pengosongan yang lebih besar dan kinerja pemakaian lebih baik dalam kerapatan arus yang beragam.

Poin utama : peran MC

Penggunaan membran dalam baterai ion litium sangat bergantung pada konduktivitas ion.
Kondukstivitas ion berpengaruh signifikan terhadap kinerja elektrokimia baterai. Konduktivitas ion bertambah seiring penambahan massa MC hingga 2% dan mengalami penurunan setelah kondisi tersebut. Konduktivitas ini berbeda-beda sesuai jumlah pembawa ion dan mobilitasnya, yang keduanya bergantungpada daerah amorf. Konduktivitas membran dapat ditingkatkan dengan meningkatkan daerah amorf. Masuknya MC dapat meningkatkan daerah amorf dan pada gilirannya mengaktifkan fraksi yang luas untuk mobilitas pembawa ion.

Pergerakan ion Li+ dipelajari melalui transfer number  (t+), suatu parameter dalam menjelaskan baterai ion litium yang dapat diisi ulang. Pengaruh penambahan MC adalah dihubungkan dengan ikatan hidrogen yang dapat dengan mudah terbentuk antara gugus hidroksil MC dan atom fluor dari PF6; ikatan hidrogen ini menghalangi gerakan anion tetapi memfasilitasi gerakan ion Li+.

2. Konduktor-konduktor Ion Tunggal Berbahan Poly(aryne ether) untuk Baterai Li-ion

Penulis:

1.    Hykkeun Oh dari Departemen Sains dan Teknik Material, Universitas Negeri Pennsylvania, Amerika Serikat

2.    Kui Xu dari Departemen Sains dan Teknik Material, Universitas Negeri Pennsylvania, Amerika Serikat

3.    Dae Soo Kim dari Departemen Teknik Kimia dan Biologi, Univeristas Nasional Seoul, Korea

4.    Chalathorn Chanthad dari Departemen Sains dan Teknik Material, Universitas Negeri Pennsylvania, Amerika Serikat

5.    Guang Yang dari Departemen Sains dan Teknik Material, Universitas Negeri Pennsylvania, Amerika Serikat

6.    Jiezhu Jin dari Departemen Sains dan Teknik Material, Universitas Negeri Pennsylvania, Amerika Serikat

7.    Ismail Alperen Ayhan dari Departemen Sains dan Teknik Material, Universitas Negeri Pennsylvania, Amerika Serikat

8.    Seung M. Oh dari Departemen Teknik Kimia dan Biologi, Univeristas Nasional Seoul, Korea

9.    Chalathorn Chanthad dari Departemen Sains dan Teknik Material, Universitas Negeri Pennsylvania, Amerika Serikat

10.  Qing Wang dari Departemen Sains dan Teknik Material, Universitas Negeri Pennsylvania, Amerika Serikat

Abstrak

Elektrolit yang mengonduksi ion tunggal (single-ion) merupakan suatu pilihan yang menarik pada konduktor-konduktor garam biner tradisional yang biasa digunkan dalam baterai Li-ion. Secara teoritis dijelaskan bahwa elektrolit ion tunggal yang mengembangkan sistem garam biner, dapat mengurangi gradien konsentrasi dan menghilangkan polarisasi dalam sel, memperbaiki substansi dalam penggunaanya pada daya dan kerapatan energi yang tinggi. Di sini, kami menjelaskan sintesis dan karakterisasi dari suatu kelas elektrolit ion tunggal berbahan dasar poly(arylene ether) dengan litium perfluoroetil sulfonat. Film polimer mikropori dijenuhkan dengan karbonat organik menghasilkan nilai tranfer Li⁺ mendekati satu, konduktivitas yang sangat tinggi ( > 10^-3 pada suhu ruang) pada rentang suhu yang panjang, kestabilan elektrokimia yang baik, dan sifat mekanik yang unggul. Kemampuan siklus yang sempurna mendekati kapasitas charge - discharge   yang telah ditunjukkan pada suhu ruang pada baterai yang terbuat dari konduktor ion tunggal.

Pendahuluan

Baterai Li-ion telah menjadi teknologi pilihan pada perangkat penyimpan energi yang dapat diisi-ulang seperti elektronik portabel, jaringan stasioner dan perangkat hibrida/elektrik. Elektrolit yang mengkonduksi listrik oleh ion-ion di antara elektrode merupakan bagian terintegrasi dalam baterai Li-ion. Hampir semua elektrolit cairan dan polimer yang berlaku pada saat ini, baik sebagai baterai  Li-ion prototipe maupun komersil merupakan konduktor garam biner di mana baik ion litium maupun counter-anionnya bermigrasi di antara elektrode-elektrode selama proses pengisi dan pemakaian. Konduktivitas garam biner sebenarnya didominasi oleh pergerakan anion, karena anion dari garam memiliki pergerakan yang sangat tinggi dan bergerak 5-10 kali dari ion Li⁺, tanpa melihat jenis anionnya. Nilai transfer Li⁺ (t_Li⁺) adalah suatu parameter yang berdimensi untuk mendonasikan fraksi aliran yang dibawa oleh Li-ion untuk transportasi muatan di dalam sel (baterai). Untuk polimer-elektrolit yang terdiri dari garam Li (misalnya, LiXF₆, X = P, As, Sb) yang dilarutkan dalam koordinasi polimer, seperti polietilena oksida (PEO), nilai tipikal, t_Li⁺-nya adalah 0,2 – 0,3; yaitu hanya 20-30% konduktivitas terukur yang dikaitkan dengan pergerakan Li⁺. Akan tetapi, tidak terjadi reaksi elektrode dengan anion. Alhasil, penumpukan anion pada permukaan elektrode/elektrolit menyebabkan polarisasi konsentrasi, yang menyebabkan hilangnya daya tarikan baterai. Oleh karena itu, pergerakan anion harus dikurangi atau secara total dieliminasi, yang dilakukan dengan pengikatan secara kovalen anion pada kerangka polimer untuk membentuk konduktor ion (misalnya ionomer). Dikarenakan ukuran dan sifat dari rantai polimer yang tidak bergerak, hanya kation yang mampu bermigrasi sepanjang interval  di dalam keadaan padatan pada skala waktu yang beralasan, dan satuan t_Li⁺ dapat dicapai dalam konduktor ion tunggal. Keuntungan penggunaan ion tunggal dalam baterai telah lama dikenal secara teoritis, terutama penurunan gradien konsentrasi dan kehilangan polarisasi di dalam sel baterai yang berkembang dalam sistem garam biner, yang menghasilkan perbaikan substansi dalam pemanfaatan material dalam aplikasi daya tinggi dan kerapatan energi. Keuntungan teoritis juga meliputi distribusi anion spasial merata yang memungkinkan bagian dari aliran yang lebih besar yang mengurangi permasalahan termal dan ketiadaan interaksi elektrokimia dari anion dengan elektrode untuk meningkatkan kestabilan. Studi teoritis saat ini telah menyarankan  bahwa elektrolit yang mengonduksi ion tunggal dapat menekan pertumbuhan lithium dendrites, yang diikuti dengan beberapa kerja ekperimen yang mengkonfirmasi kekuatan elektrolit pengkondusi ion tunggal untuk memperpanjang waktu hidup sel baterai yang menggunakan anode logam litium.

Beberapa kelas dari konduktor ion tunggal telah dilaporkan sebelumnya, yang paling sederhana, penelitian ini secara signifikan menekan konduktivitas elektrolit secara keseluruhan. Telah diterima secara luas bahwa konduksi ion dalam polimer-elektrolit berhubungan dengan sangat erat dengan gerakan segmen lokal dan dengan fenomena transisi polimer. Konsekuensinya, sebelumnya kebanyakan konduktor ion tunggal bergantung pada suhu transisi gelas (T_g) polimer seperti PEO. Pendekatan ini hanya sebatas peningkatan konduktivitas pada suhu ruang. Hingga sekarang, elektrolit ion tunggal padat yang dilaporkan memiliki konduktivitas dengan rentang 10^-7 s.d.  10^-5 S cm^-1 pada suhu ruang, setingkat lebih rendah  daripada aplikasi praktis. Bahkan, pemanfaatan polimer T_g rendah menurunkan kekuatan mekanik dan kestabilan termal dari membran, sehingga menjadi suatu kelemahan konduktor ion tunggal, karena hal-hal tersebut memiliki peran penting pada separator di antara elektrode. Lebih baru, konduktor ion tunggal yang diturunkan dari kopolimer blok rakitan (self-assembled), yang terdiri dari segmen PEO sebagai blok konduktor ion dan blok polistirena atau polimetakrilat memberikan peningkatan kekuatan mekanik. Nilai konduktivitas 1,3 x 10^-5 S cm^-1 pada suhu 60 ^oC telah diperoleh dalam kopolimer tiga blok : polistirena-b-PEO-b-polistirena, di mana litium bis(trifluorometana)sulfon-imida (LiTFSI) tercangkok secara kovalen pada blok polistirena ini. Suatu kelompok konduktor ion tunggal yang terdiri dari blend polimer berbahan poli(etilenimina) telah dilaporkan menunjukkan konduktivitas 4 x 10^-4 S cm^-1 pada suhu ruang. Kelas lainnya dari konduktor ion tunggal adalah elektrolit polimer gel, yang telah dilaporkan menunjukkan konduktivitas ion 10^-6 s.d 10^-3 S cm^-1 pada suhu ruang. Watanabe melaporkan suatu blend dari garam litium-polimer dan kerangka polieter, yang mencapai konduktivitas ion 10^-4 S cm^-1 ketika diplastisasi dengan etilena karbonat (EC). Belakangan ini, elektroit polimer gel berbahan polisiloxane, polimer-garam litium (fenilsulfonil)imida, dan polimer garam litium borat telah dilaporkan menghasilkan konduktivitas ion dalam rentang ^10-4 s.d 10^-3 S cm^-1 pada suhu ruang. Sel baterai yang menggunakan polimer-garam litium borat sebagai elektrolit polimer gel diuji dalam bentuk kinerja siklus pada temperatur yang berbeda. Cheng dkk. Membuat elektrolit polimer ion tunggal berpori dari litium poli(4-styrenesulfonyl-(phenylsulfonyl)imida yang mengandung suatu campuran pelarut EC dan propilena karbonat (PC), yang menghasilkan konduktivitas io 6,3 x 10^-3 S cm^-1 pada suhu ruang.

Pada penelitian ini, kami menjelakan sintesis dan karakterisasi dari konduktor ion tunggal berbasis poli(arilen eter) dengan pendant litium perfluoroetil sulfonat, yang memberikan karakteristik elektrolit padatan dan cairan. Konduktor ion tunggal dicelupkan pada karbonat organik menghasilkan konduktivitas sempurna pada interval suhu luas, yaitu 3,1 dan 0,74 x 10^-3 S cm^-1 pada 25 dan -20^oC, berturut-turut, dan sifat elektrokimia yang baik yang mempertahankan kestabilan mekanik dan termal sebagai separator dan konduktor di antara elektroda dalam sel baterai. Fitur pengonduksi ion tunggal dari membran telah diinvestigasi. Kinerja baterai yang bernilai baik telah ditunjukkan melalui sel yang dirakit dari konduktor ion tunggal pada suhu ruang.