Green Synthesis of [EMIm]Ac Ionic Liquid for Plasticizing MC-based Biopolymer Electrolyte Membranes

Abstract

Lithium-ion batteries (LIBs) are favorable power source devices in recent years, due to their high energy density, rechargeable, long life cycle, portable, safe, rechargeable, good performances and environmentally friendly. To support the LIBs development, in this research, we have successfully prepared the biopolymer electrolyte membranes based on 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate, [EMIm]Ac, ionic liquid-plasticized methyl cellulose/lithium perchlorate (MC/LiClO₄). [EMIm]Ac ionic liquid was easily synthesized by metathesis reaction between 1-ethyl-3-methylimidazolium bromide,    [EMIm]Br, ionic liquid and potassium acetate (CH₃COOK) at ambient temperature, for 1 hour. The functional groups within the structure of [EMIm]Ac was analyzed using Fourier Transform Infra-red (FTIR) spectroscopy and its structure was further analyzed using ¹H-NMR and ¹³C-NMR spectroscopy. The [EMIm]Ac-plasticized MC/LiClO₄ biopolymer electrolyte membranes were prepared by casting solutions, with various [EMIm]Ac ionic liquid contents of 0, 5, 10, 15, 20, 25, and 30% (w/w).  The effect of 15% (w/w) [EMIm]Ac ionic liquid incorporation to MC/LiClO₄ exhibited the best condition, and it was further selected as the optimum condition to reveal the ionic conductivity, tensile strength, elongation break and thermal stability properties, which are 9.16 x 10^-3 S.cm^-1, 24.19 MPa, 36.43%, ~256 and ~370 ^oC, respectively. These results confirmed that the [EMIm]Ac ionic liquid has capability to plasticize the MC/LiClO₄ biopolymer electrolyte membranes with outstanding performances that fulfill the LIBs’ separator requirement.

Keywords:  Biopolymer electrolytes, Cellulose; Ionic Liquids; Lithium-ion Batteries; Methyl cellulose.

Authors: Sun Theo Constan Lotebulo Ndruru¹, Deana Wahyuningrum², Bunbun Bundjali¹, I Made Arcana¹

¹ Inorganic and Physical Chemistry Division, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha 10, Bandung 40132, Indonesia

² Organic Chemistry Division, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha 10, Bandung 40132, Indonesia

LAPORAN PERTANGGUNG-JAWABAN AKADEMIK PROMOTOR ATAS DITERIMANYA DISERTASI PROMOVENDUS SUN THEO CONSTAN LOTEBULO NDRURU

Nama Promovendus             : Sun Theo Constan Lotebulo Ndruru, S.Pd., MSi

NIM                                      : 30515002

                                                                              Judul Disertasi: 

Pengembangan Biopolimer Elektrolit Padat Berbasis Paduan Turunan Selulosa Berisi Cairan Ion untuk Aplikasi Baterai Ion Litium

Dengan berkembangnya peralatan elektronik portabel, khususnya telepon mobil dan komputer notebook, serta pemerintah telah mencanangkan akan membuat mobil listrik untuk mengurangi transportasi dengan bakar bakar solar dan minyak bumi, menyebabkan meningkatnya kebutuhan baterai yang dapat menyimpan energi listrik yang cukup tinggi dan dengan waktu kerja yang lebih panjang. Pada saat ini industri baterai merupakan salah satu sektor penting dan sangat strategis, serta memperlihatkan pertumbuhan yang sangat pesat, akan tetapi komponen-komponen pendukung penting baterai litium seperti polimer elektrolit masih sangat tergantung pada luar negeri.

Disamping itu, penggunaan bahan yang tidak beracun dan berbahaya sebagai pengganti komponen baterai belum berkembang dengan baik, sehingga baterai yang sudah tidak terpakai lagi menjadi masalah yang serius terhadap lingkungan. Untuk itu diperlukan riset yang berkesinambungan untuk pengembangan material yang bersifat aplikatif sehingga dapat dimanfaatkan dalam pengembangan energi baru dan terbarukan, khususnya pada aplikasi sel elektrokimia seperti fuel cell dan baterai litium.

Selulosa merupakan biopolimer yang mengandung gugus hidroksil bebas yang dapat dimodifikasi membentuk beberapa turunan selulosa seperti metil selulosa dan karboksimetil selulosa sehingga turunan selulosa tersebut dapat digunakan sebagai bahan dasar polimer elektrolit untuk berbagai aplikasi, baik untuk sel bahan bakar (fuel cell) maupun sel baterai litium. Karboksimetil selulosa merupakan polimer yang sangat menarik karena memiliki sifat- sifat seperti permeabilitas dan biodegradabilitasnya cukup tinggi, tidak beracun, dan memiliki kapasitas untuk dicampur secara homogen dengan berbagai bahan. Disamping itu, karboksimetil selulosa dapat disiapkan dengan mudah melalui proses karboksimetilasi dengan asam monokloroasetat dan selulosanya sendiri dapat diperoleh dari alam seperti limbah kulit buah kakao yang banyak terdapat di Indonesia.

Bila turunan selulosa seperti metil selulosa dan karboksimetil selulosa digunakan sebagai polimer elektrolit untuk aplikasi baterai ion litium, hantaran, sifat mekanik dan sifat termal membran masih relatif rendah dibandingkan polimer elektrolit yang ada di pasaran. Untuk meningkatkan hantaran dan sifat-sifat membran tersebut di atas, maka perlu dilakukan penambahan cairan ionik yang dapat berperan sebagai pemlastis untuk meningkatkan sifat mekanik dan mempertinggi hantaran membran, sehingga diharapkan diperoleh membran elektrolit yang memiliki hantaran dan sifat mekanik yang lebih tinggi.

Promovendus telah berhasil mengisolasi selulosa dari limbah kulit buah kakao dengan metoda MAE (microwave-assisted extraction) dan membuat karboksimetil selulosa dari selulosa hasil isolasi dengan asam monokloroasetat dalam pelarut isopropil alkohol dengan metoda MAOS (Microwave Assisted Organic Synthesis) yakni menggunakan gelombang mikro, dan penelitian ini belum pernah dilakukan peneliti lain sebelumnya. Pada pembuatan membran polimer elektrolit telah dilakukan melalui tiga tahap reaksi yang masing-masing melalui casting larutan polimer yakni sintesis membran paduan metil selulosa-karboksimetil selulosa (MC/CMC) pada berbagai komposisi. Dari hasil optimal yang diperoleh berdasarkan hantaran ion dan sifat mekanik membran paduan MC/CMC, kemudian ditambahkan garam litium (LiClO4) dari komposisi 0 s/d 25%, dan terakhir dari hasil yang optimal paduan membran MC/CMC/Li ditambahkan cairan ion (EMIm/Ac) sebagai bahan pemlastis dari komposisi 0 s/d 30%, dan cairan ion (EMIm/Ac) telah dapat dibuat di laboratorium dengan harga yang jauh lebih murah. Sebagai pembanding telah disintesis juga karboksimetil selulosa dari selulosa mikro kristalin (MCC) yang diperoleh secara komersial.

Dalam sintesis dan karakterisasi membran komposit tersebut, promovendus telah menemukan pengaruh komposisi karboksimetil selulosa, komposisi garam litium, dan komposisi cairan ion terhadap karakteristik membran komposit yang dihasilkan, terutama sifat hantaran ion litium, sifat mekanik, dan sifat termal membran.

Berdasarkan karakteristik konduktivitas ion dan sifat mekaniknya, maka dipilih komposisi optimum membran paduan untuk menjadi polimer inang (host polymer) ion litium masing-masing MC/CMC-MCC (50/50), MC/CMC-KBK (50/50) dan MC/CMC-KBK (80/20). Penambahan garam LiClO4 sebagai sumber ion litium sebesar 10% dapat meningkatkan nilai konduktivitas ion membran paduan MC/CMC, akan tetapi menurunkan kestabilan mekanik, derajat kristalinitas dan kestabilan termalnya untuk semua komposisi.

Kelemahan-kelemahan yang diakibatkan penambahan garam LiClO4 pada paduan polimer MC/CMC diperbaiki dengan penambahan aditif cairan ion [EMIm]Ac. Cairan ion [EMIm]Ac (10-15%) mampu meningkatkan kestabilan mekanik dan kestabilan termal secara signifikan membran paduan polimer tanpa mengganggu nilai konduktivitas ionnya. Semua karakteristik berdasarkan konduktivitas ion, sifat mekanik dan sifat termal didukung pula dengan analisis kristalinitas dan morfologi permukaan serta penampang melintang untuk masing-masing keadaan optimum dari membran paduan MC/CMC yang dipreparasi. Adapun membran dengan karakteristik yang terbaik dari semua komposisi adalah membran paduan MC/CMC-KBK (50/50) + 10% LiClO4 + 10% [EMImAc].

Penelitian ini telah menghasilkan suatu membran polimer elektrolit yang nantinya dapat dimanfaatkan untuk aplikasi baterai ion litium, sehingga dapat membuka peluang penggunaan membran polimer elektrolit ini dalam pengembangan energi baru dan terbarukan, khususnya pada aplikasi sel elektrokimia seperti sel bahan bakar dan baterai polimer-ion litium. Disamping itu hasil penelitian ini dapat memberikan kontribusi yang positif dalam mengatasi masalah lingkungan, terutama akibat semakin banyaknya limbah baterai yang terbuang ke lingkungan, serta sekaligus dapat memberi nilai tambah pada limbah kulit buah kakao, yang tadinya tidak bermanfaat menjadi membran polimer elektrolit, yang merupakan salah satu komponen terpenting dalam menunjang pengembangan sel baterai litium di Indonesia.

Penelitian lebih lanjut yang masih diperlukan adalah evaluasi kinerja membran dalam sel baterai dan kemampuan biodegradasinya di alam, sehingga dapat mengetahui sampai sejauh mana kinerja membran tersebut dalam sel baterai, serta bagaimana biodegradabilitas membran di alam, sehingga jika sel baterai tersebut nantinya dibuang ke lingkungan tidak menyebabkan polusi terhadap lingkungan.

Berdasarkan hasil-hasil yang telah diperoleh promovendus, serta cara promovendus mempertanggung-jawabkan secara ilmiah hasil-hasil penelitian yang telah diperoleh, maka tim pembimbing sepakat untuk merekomendasikan saudara promovendus untuk mempertahankan disertasinya dihadapan Sidang Terbuka Komisi Program Doktor, ITB.

Bandung, Agustus 2019 

Ketua Tim Pembimbing

Prof. Dr. I Made Arcana, MS