Meningkatkan Kinerja Baterai Litium-Sulfur Dengan Menggunakan Sampah Plastik

Pada artikel sebelumnya yang berjudul Baterai Litium-Sulfur Sebagai Baterai Alternatif Masa Depan, permasalahan utama pada baterai litium-sulfur adalah terjadinya perpindahan polisulfida (Li₂S_x) dari katoda menuju anoda yang menurunkan kinerja baterai litium-sulfur. Senyawa polisulfida dihasilkan dari reaksi antara ion litium dengan ion S^2- di katoda. Salah satu cara untuk mencegah terjadi perpindahan polisulfida adalah menggunakan separator dan interlayer. Separator yang umum digunakan adalah membran polietilen (PE) atau polipropilen (PP). Material interlayer umumnya menggunakan material berbasis karbon seperi carbon nanotube (CNT). Namun, pembuatan CNT pun membutuhkan biaya produksi yang tidak murah.

Pada bulan April 2018, para peneliti dari Purdue University membuat material interlayer dari sampah plastik untuk meningkatkan kinerja baterai litium-sulfur. Sampah plastik yang digunakan berjenis low density polyethylene (LDPE)^[1]. Plastik LDPE menggunakan kode “4” dan dijumpai pada botol, kotak penyimpanan dan mainan. Plastik LDPE ini sulit dihancurkan sehingga tidak bisa di daur ulang. Maka, tim peneliti dari Purdue University memanfaatkan sampah plastik LDPE ini untuk dijadikan sebagai material interlayer pada baterai litium-sulfur.

Gambar 1. Plastik LDPE^[2]

Proses pembuatan material interlayer dari sampah plastik LDPE ini cukup mudah. Pertama, plastik LDPE dimasukkan ke dalam larutan asam sulfat. Lalu, dipanaskan di dalam microwave pada temperatur 100 – 120^oC^[1]. Proses tersebut dinamakan proses sulfonasi. Setelah proses sulfonasi, produk yang dihasilkan berupa karbon berbentuk flake yang kemudian dicuci menggunakan air demineralisasi dan dikeringkan di dalam oven vakum pada temperatur 80^oC selama satu malam. Kemudian plastik LDPE yang sudah disulfonasi dimasukkan ke dalam furnace untuk proses pirolisis pada temperatur 900^oC dalam atmosfir argon (Ar) selama 2 jam^[1]. Proses pirolisis bertujuan untuk mendekomposisi karbon dan menghilangkan H₂O dan SO₂. Produk yang dihasilkan dari proses pirolisis adalah karbon yang memiliki gugus SO₃ yang diberi nama porous sulfonated carbon (PSC)^[1].

Gambar 2. Proses pembuatan karbon bergugus SO₃ (PSC) dengan bahan baku sampah plastic LDPE^[1]

Proses sulfonasi membuat ketebalan material meningkat dan proses pirolisis menurunkan ketebalan material. Plastik LDPE memiliki ketebalan 35 µm. Ketika proses sulfonasi, ketebalannya bertambah menjadi 215 µm. Pada proses pirolisis, ketebalan PSC menjadi 150 µm^[1]. Ketebalan yang berkurang disebabkan oleh dekomposisi material pada proses pirolisis. PSC memiliki luas permukaan yang tinggi sebesar 570m²/gram dan distribusi ukuran pori pada rentang 1 – 5 nm^[1]. Hasil SEM plastik LDPE sebelum dan setelah proses sulfonasi dan pirolisis ditunjukkan oleh Gambar 3.

Gambar 3. Hasil SEM (a) plastik LDPE (b) plastik LDPE yang telah disulfonasi (c) plastik LDPE yang telah dipirolisis (PSC)^[1]

PSC interlayer dilapiskan pada separator polipropilen (PP) yang kemudan dikeringkan pada temperatur 50^oC selama satu malam. Fungsi PSC adalah untuk menahan polisulfida dari katoda berpindah menuju anoda ketika proses charging. Ketika proses charging, diharapkan hanya ion litium yang berpindah dari katoda menuju anoda. Ketika polisulfida yang menempel pada anoda litium, maka kinerja baterai litium-sulfur akan menurun. Dalam penelitian, penggunaan PSC mampu meningkatkan kinerja dari baterai litium sulfur dibandingkan dengan menggunakan material karbon. Setelah 200 kali dipakai, kapasitas baterai litium-sulfur yang menggunakan material interlayer karbon menjadi 311 mAh/gram. Sedangkan baterai litium-sulfur yang menggunakan PSC interlayer mempunyai nilai kapasitas 776 mAh/gram setelah 200 kali pakai^[1]. Hambatan yang dihasilkan PSC interlayer pun hanya sebesar 95,5 ohm. Nilai tersebut lebih rendah dibandingkan dengan material karbon interlayer (121 ohm)^[1]. Mekanisme PSC interlayer dalam menghambat perpindahan polisulfida ke anoda ditunjukkan oleh Gambar 4.

Gambar 4. Mekanisme PSC interlayer dalam menghambat perpindahan polisulfida^[1]

Para peneliti juga melakukan uji visual terhadap perubahan warna pada elektrolit. Perubahan warna ini mengindikasikan adanya polisulfida yang menerobos separator dan interlayer. Larutan polisulfida yang digunakan adalah Li₂S₈. Percobaan pertama hanya menggunakan separator tanpa interlayer. Hasil yang diperoleh adalah warna elektrolit berubah sangat signifikan dari bening menjadi coklat tua. Percobaan kedua menggunakan separator dan karbon interlayer. Hasil pada percobaan kedua adalah warna elektrolit berubah dengan warna yang lebih muda dari percobaan pertama. Percobaan ketiga menggunakan separator dan PSC interlayer. Hasil yang diperoleh adalah warna elektrolit berubah dengan warna yang jauh lebih muda dari percobaan pertama dan kedua^[1]. Hal ini menunjukkan bahwa PSC mencegah difusi polisulfida pada baterai litium-sulfur sehingga baterai litium-sulfur dapat digunakan dalam jangka waktu yang lama.

Gambar 5. Percobaan difusi polisulfida pada (a) hanya separator (b) separator/karbon interlayer (c) separator/PSC interlayer^[1]

Pol, salah satu peneliti dalam penelitian ini, mengatakan bahwa setiap material memiliki kelebihan tetapi biomassa tetap yang terbaik dan dapat digunakan untuk tujuan lainnya. Sampah plastik pun merupakan bahan yang tidak bernilai dan sangat melimpah di bumi^[3]. Tetapi sampah plastik LDPE terutama mampu meningkatkan umur pakai baterai litium-sulfur. Pol menambahkan bahwa baterai litium-sulfur akan semakin populer di masa depan sehingga masa pakai baterai tersebut harus bertahan dalam jangka waktu yang lama^[3].

Overview Pembuatan PSC Interlayer pada Baterai Litium-Sulfur^[4]

Referensi

[1] Kim, P.J., Fontecha, H.D., Kim, K dan Pol, V.G. 2018. Towards High Performance Lithium Sulfur Batteries : Upcycling of LDPE Plastic into Sulfonated Carbon Scaffold via Microwave-Promoted Sulfonation. Applied Materials & Interfaces, 10, 14827-14834

[2] Norman, C. 2007. Plastik #4 : LDPE. Diakses dari : https://pranaindonesia.wordpress.com/pemanasan-global/plastik-4-ldpe/ pada 27 Mei 2018

[3] Wiles, K. 2018. Microwaved Plastic Increases Lithium-Sulfur Battery Lifespan. Diakses dari : https://phys.org/news/2018-05-microwaved-plastic-lithium-sulfur-battery-life.html pada 27 Mei 2018

[4] Purdue Engineering. 2018. Upcycled Plastic Increases Lithium-Sulfur Battery Life. Diakses dari : https://www.youtube.com/watch?v=9vgGA4vHaWg&feature=youtu.be pada 27 Mei 2018