p-ISSN : 2528-3561 e-ISSN : 2541-1934
Proses Pembuatan Nanomaterial Elektroda Baterai Lithium Dari Pasir Besi Alami Magnetik Fe 3 O 4 Didoping PVDF
Maulinda 1* , T. Muhammad Zulfikar 2 , Saisa 3
1 Prodi Teknik Industri, Fakultas Teknik, Universitas Serambi Mekkah, Banda Aceh 23245, Indonesia
2 Prodi Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik, Universitas Serambi Mekkah, Banda Aceh 23245, Indonesia
3 Prodi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Serambi Mekkah, Banda Aceh 23245, Indonesia *Koresponden email : maulinda@serambimekkah.ac.id
Diterima : 7 Maret 2022
Disetujui: 28 Mei 2022

## Abstract
Lithium battery is a portable battery which has the advantages of long cycle life  and high energy density. The improvement of electrode quality performance can be done by adding a binder to maintain the physical structure  of  the  electrode,  namely  Fe 3 O 4 magnetic  nanoparticles  whose  electrical  conductivity  has  been increased by the addition of PVDF. Then the Fe 3 O 4 /PVDF compound doping process was carried out using the sol-gel method (10:10, 10:20 and 10:30 ratios). This study aims to determine the best comparison of the addition  of  PVDF  as  an  electrode  binding  material  capable  of  binding  magnetic  nanoparticles  (Fe 3 O 4 ) observed with XRF, XRD, SEM and Electrical analysis of materials using LC-Meter. The results of the best  Fe 3 O 4 magnetic  chemical  composition  based  on  XRF  characterization  showed  a very  high  number, namely 87.10%. The value of the electrical analysis of Fe 3 O 4 nanoparticles with the addition of a PVDF electrode binding matrix shows the best electrical conductivity treatment results are obtained by adding a PVDF electrode binding material ratio of 10:30, the greater the addition of PVDF, the higher the capacitance and inductance values, while the smaller the resistance value. indicates that the value of the conductivity or electrical conductivity of the Fe 3 O 4 /PVDF material is getting higher. Keywords : Fe 3 O 4 magnetite nanoparticles, iron sand, lithium batteries, syiahkuala beach, PVDF

## Abstrak
Baterai lithium adalah baterai portabel yang memiliki keunggulan siklus hidup yang panjang dan kepadatan energi  yang  tinggi.  Peningkatan  kinerja  kualitas  elektroda  dapat  dilakukan  dengan  menambahkan bahan pengikat untuk menjaga struktur fisik elektroda yaitu nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 yang telah ditingkatkan konduktivitas  listriknya  dengan  penambahan polivinilidensi  fluorida (PVDF).  Penelitian  ini  melakukan proses pembuatan nanopartikel magnetik dari pasir besi pantai di Syiah Kuala-Aceh. Kemudian dilakukan proses  doping  senyawa  Fe 3 O 4 /PVDF  menggunakan  metode  sol-gel  (rasio  10:10,10:20  dan  10:30). Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui perbandingan terbaik penambahan PVDF sebagai bahan pengikat elektroda yang mampu mengikat  nanopartikel magnetik (Fe 3 O 4 ) yang diamati dengan  XRF, XRD, SEM dan  analisis  Listrik  bahan  menggunakan  LC-Meter.  Hasil  komposisi  kimia  magnetik  Fe 3 O 4 terbaik berdasarkan karakterisasi XRF menunjukkan angka yang sangat tinggi yaitu 87,10%. Nilai analisis listrik nanopartikel Fe 3 O 4 dengan penambahan matriks pengikat elektroda PVDF menunjukkan hasil perlakuan konduktivitas  listrik  terbaik  diperoleh  dengan  penambahan  rasio  bahan pengikat  elektroda  PVDF  10:30, semakin besar penambahan PVDF maka nilai Kapasitansi dan Induktansi semakin tinggi, sedangkan nilai Resistansi semakin kecil, ini menandakan bahwa nilai Konduktivitas atau daya hantar listrik pada material Fe 3 O 4 /PVDF semakin tinggi. Kata Kunci: nanopartike l magnetit Fe 3 O 4 , pasir besi , pantai syiahkuala, baterai lithium, PVDF

## 1. Pendahuluan
Pengembangan penelitian tentang Baterai Lithium merupakan salah satu jenis penelitian yang terus dikembangkan hingga saat  ini. Beberapa tahun terakhir  ini baterai Lithium menjadi sumber energi listrik yang paling banyak digunakan Baterai Lithium adalah Baterai isi ulang  yang sangat  menjanjikan karena memiliki kapasitas energi yang tinggi, siklus  hidup  yang panjang, dan dampak  lingkungan yang rendah [1].  Saat  ini  penggunaan baterai Lithium tidak  hanya  pada  peralatan  elektronik  skala  kecil  seperti  jam, kamera, handphone dan laptop tetapi juga pada peralatan listrik skala besar seperti kendaraan listrik. Hal ini  karena  baterai Lithium -ion  memiliki  beberapa  kelebihan  yang  membuatnya  unggul  dibandingkan
p-ISSN : 2528-3561 e-ISSN : 2541-1934
dengan  baterai  jenis  lainnya,  diantaranya  adalah  memiliki energi  spesifik,  densitas  dan  efisiensi  energi yang tinggi, kapasitas spesifik yang  tinggi dan lifecycle yang panjang (500-1000 siklus),( Serta memiliki kemampuan  pengisian  yang  cepat  dan  masa  hidup  yang  relatif  Panjang  [2].Meninjau  pengaplikasian baterai Li-ion yang begitu luas, maka hal ini berpengaruh terhadap meningkatnya kebutuhan akan baterai yang  memiliki performa  yang baik. Salah satu faktor yang dapat  mempengaruhi performa baterai adalah kualitas elektrodanya. Contohnya adalah terjadinya pengelupasan elektroda yang akan menjadi penyebab utama kerusakan baterai, lifetime nya relatif singkat, dan hancur  jika benar-benar habis,  dan kekurangan lain yaitu harga baterai yang relatif mahal [3].
Berdasarkan penelitian yang telah telah dilakukan oleh [4], tentang penggunaan Fabrikasi Komposit Graphen  sebagai  Elektoda  Lithium  Ion  dengan  mengkarakterisasi  Konduktivitas  Listriknya,  dari  hasil penelitian  diperoleh  nilai  konduktivitas  listrik  tinggi  serta  memiliki  struktur  yang  bagus.  Dikarenakan harga Graphen dari baterai Lithium sangat  mahal, solusinya adalah dengan mengganti jenis baterai,  atau dengan membuat baterai dengan harga relatif murah. Solusi yang paling tepat adalah membuat  elektroda baterai  Lithium  dari  bahan  alam,  yaitu  nanokomposit Iron  Oxide (Fe3O4)  yang dicampurkan dengan Poly Vinylidence Fluoride (PVDF).
Provinsi Aceh adalah salah satu daerah yang kaya akan unsur besi. Berdasarkan penelitian terdahulu, diketahui bahwa pasir alam  di  pantai  Syiah  Kuala  Provinsi  Aceh  mengandung  bahan Magnetite Fe3O4 yang  besar,  dan  juga  disertai  dengan  unsur  pengotor  lainnya.  Namun  karena  kurangnya  pengetahuan masyarakat tentang struktur nano, bahan alam di Provinsi Aceh belum dieksplorasi secara intensif. Untuk memaksimalkan  kinerja  Fe 3 O 4 sebagai  anoda  pada  baterai Lithium ,  maka  dikombinasi  dengan  polimer PVDF.
Gambar 1 . (a) Serbuk Fe3O4, (b) Struktur Magnetit Fe3O4 Sumber : [1]
PVDF  memiliki  beberapa  fase  kristal  yang  baik  dan  berorientasi  pada  kepuasan.  Selain memiliki struktur yang baik PVDF juga memiliki sifat sebagai material piezoelektrik, gelombang microwave , dan bidang  biomedis.  Partikel  Fe 3 O 4 akan  menghambat  rantai  rekonstruksi  polimer  dalam  kristal,  semakin banyak PVDF maka akan semakin besar nilai bahan baku material listrik [4] . Baterai Lithium -ion memiliki kemampuan penyimpanan energi tinggi per satuan volume. Energi yang tersimpan merupakan jenis energi elektrokimia. Energi elektrokimia merupakan jenis energi listrik yang berasal dari reaksi kimia yang dalam hal ini terjadi di dalam baterai.  Agar  bisa  berfungsi,  setiap  sel  elektrokimia  harus  memiliki  dua  elemen penting yaitu elektroda dan elektrolit[5].
p-ISSN : 2528-3561 e-ISSN : 2541-1934

## 2. Metode Penelitian

## Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian  dilakukan  di Laboratorium  MIPA USM,  Laboratorium  Kimia  USM,  dan Laboratorium Fisika  Material  Unsyiah.  Jenis  penelitian  ini  adalah  penelitian  eksperimen,  dimana  penelitian menggunakan alat karakterisasi yaitu Reactive Mechanical Ball Milling (untuk membuat partikel menjadi berukuran nano) serta  SEM, XRF,  XRD,  dan LCR Meter.  Karakterisasi alat  uji SEM untuk mengetahui morfologi dari suatu  sampel dan untuk  mengetahui ukuran butirnya,  XRD  digunakan untuk  mengetahui struktur  kristalnya,  dan  LCR  Meter  yang  digunakan  untuk  mengetahui  nilai  kapasitas.

## Prosedur Kerja
Gambar 2. Diagram alir penelitian

## 3. Hasil dan Pembahasan

## Analisis dengan XRF
Hasil  analisis  Persentase  kemurnian  Pasir  besi  setelah  sintesis  menggunakan  metode  sol-gel selanjutnya  dikarakterisasi  dengan  menggunakan  analisis  X-Ray Fluorescence (XRF)  untuk  mengetahui besar  persentase  kemurnian  dan  komposisi  kandungan  kimia  dari  Pasir  besi.  Berdasarkan  analisis karakterisasi  komposisi,  diketahui  bahwa  kandungan  magnetit  Fe3O4  dalam  pasir  besi  adalah  87,10%. Komposisi kimia pasir besi hasil sintesis ditunjukkan pada Tabel 1 .
Tabel 1 . Hasil analisis XRF Fe 3 O 4 dengan metode Sol gel No. Nama Senyawa Metode Sol-Gel (%) 1. Fe3O4 87.10 2. TiO2 6.56 3. Al2O3 2.01 4. SiO2 1.15 5. MgO 1.17 6. CaO 0.30 7. Cr2O3 0.52
p-ISSN : 2528-3561 e-ISSN : 2541-1934 No. Nama Senyawa Metode Sol-Gel (%) 8. P2O5 0.12 9. K2O 0.03 Sumber: Hasil pengolahan data (2022)
Analisis dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Gambar 3 . Pola difraksi sinar-X Fe 3 O 4 +PVDF
Sumber: Hasil pengolahan data (2022)
Dapat diamati bahwa pada sampel Fe 3 O 4 tanpa penambahan PVDF mempunyai ukuran kristal yang lebih besar dibandingkan sampel dengan penambahan PVDF. Proses pelapisan Fe 3 O 4 /PVDF dengan rasio 10:10, dan 10:30 menunjukkan terjadi penambahan puncak difraksi yang banyak dan menurunnya intensitas secara  signifikan  pada  Fe 3 O 4 yang  berarti  telah  terjadi  penggabungan  antara  nanopartikel  Fe 3 O 4 dengan matriks  PVDF.  Pada  rasio  10:20  juga  terjadi  hal  yang  sama  begitu  juga  pada  rasio  10:30,  hanya  saja perubahan/penambahan  pola  difaksi  lebih  banyak  pada  rasio  10:30,  sehingga  rasio  10:30  dinyatakan sebagai  rasio  terbaik  pada  penelitian  ini.  Hal  ini  terjadi  karena  dengan  semakin  banyaknya  penggunaan PVDF maka pelapisan partikel Fe 3 O 4 akan lebih sempurna. Jadi, dapat disimpulkan bahwa semakin besar komposisi matriksnya (PVDF) maka ukuran butirnya akan semakin kecil dan akan banyak pola 2θ yang terbentuk  [7]. Dari  hasil  Penelitian  sebelumnya  tentang  pengaruh  variasi  terhadap  strukturnya,  dimana semakin banyak PVDF yang dimasukkan kedalam Fe 3 O 4 maka semakin kecil Fluks membrannya dan akan semakin  kecil  pula  ukuran  butirnya  [8].  Dari  pembahasan  diatas  membuktikan  bahwa  penelitian  sesuai dengan teori yang menyebutkan bahwa , semakin banyak PVDF yang didoping dalam suatu material  maka akan semakin besar nilai bahan baku material listrik [4].

## Analisis dengan Scanning Electron Microscopy (SEM)
Berdasarkan pengukuran yang dilakukan dengan SEM didapatkan data ukuran nanopartikel Fe 3 O 4 . Bentuk  analisis  dapat  dilihat  pada Gambar  4 .  Dari Gambar  4 dapat  dihitung  diameter  rata-rata nanopartikel Fe 3 O 4 adalah 176,446 nm. Nanopartikel didefinisikan sebagai partikel-partikel padatan dengan ukuran  partikel  berkisar  10  –  100  nm  [9].  Pada Gambar  4 memperlihatkan  hanya  2  ukuran  partikel nanopartikel yaitu 68,08 nm pada Pa 5 dan 87,54 nm pada Pa1, sedangkan pada partikel Fe 3 O 4 masih banyak partikel-partikel yang ukuran nano yang tidak diperlihatkan atau dihitung. Dikarenakan hasil dari uji SEM tidak dihitung semua ukuran partikelnya, maka kita bisa melihat ukuran partikel yang aslinya dari uji XRD. Hal ini membuktikan ada kaitan erat antara hasil uji XRD dan hasil uji SEM.
Pengujian SEM dilakukan untuk mengidentifikasi morfologi permukaan secara kualitatif yaitu untuk mengetahui  gambaran  mikrostruktur.  Pengujian  ini  hanya  dilakukan  pada  rasio  terbaik  dari  uji  XRD sebelumnya  (rasio  10:30).  Hasil  uji  SEM  terhadap  Fe 3 O 4 /PVDF  dengan  rasio  10:30  dapat  dilihat  pada Gambar 5 .
p-ISSN : 2528-3561 e-ISSN : 2541-1934
Gambar 4 . Hasil SEM nanopartikel Fe 3 O 4 Sumber: Hasil pengolahan data (2022)
Gambar 5 . Hasil SEM nanopartikel Fe 3 O 4 + PVDF Sumber: Hasil pengolahan data (2022)
Gambar  5 memperlihatkan  bahwa  ukuran  dan  bentuk  nanopartikel  Fe 3 O 4 telah  terlapisi  dengan PVDF, namun tidak terdistribusi dengan merata serta masih terbentuk morfologi yang kasar. Hal ini bisa dipengaruhi  oleh  kurangnya  kecepatan  pengadukan,  dimana  semakin   tinggi   kecepatan  pengadukan maka  konsentrasi senyawa  yang  ada dalam  larutan  akan  semakin  sempurna [10].
Sifat Listrik Nanokomposit (Fe 3 O 4 /PVDF) Nanokomposit (Fe 3 O 4 /PVDF) yang sudah didapatkan dari proses ekstraksi melalui perlakuan kimia dengan menggunakan metode Sol-Gel dalam bentuk serbuk nano di uji resistansi, kapasitas dan induktivitas untuk memperoleh sifat listrik yang terbaik dari rasio dengan menggunakan LCR meter.
Tabel 2 . Sifat listrik nanokomposit Fe 3 O 4 /PVDF No. Rasio Capasitance (pF) Inductance (µH) Resistance (Ω) 1. 10:10 11,70 0,11 0,062 2. 10:20 20,02 0,17 0,054 3. 10:30 37,01 0,23 0,032 Sumber: Hasil pengolahan data (2022)
Gambar 6 memperlihatkan grafik yang menyatakan hubungan antara  nilai kapasitansi, induktansi, dan  resistansi  dari  Fe 3 O 4 /PVDF  dengan  variasi  rasio  10:10,  10:20  dan  10:30.  Untuk  nilai  kapasitansi sebesar,  11x10 -6 F,  20x10 -6 F,  dan  37x10 -6 F,    nilai  Induktansi  sebesar  0,11µH,  0,17µH,  dan  0,23  µH, sedangkan nilai  resistansi  sebesar  0,062  Ω, 0,054  Ω, dan 0,032  Ω. Dari  grafik  dapat  dilihat  bahwa  nilai kapasitansi dan induktansi berturut-turut mengalami kenaikan.
p-ISSN : 2528-3561 e-ISSN : 2541-1934
a. Nilai Kapasitansi
b. Nilai Induktansi c. Nilai Resistansi
Gambar 6 . Grafik hubungan fraksi konsentrasi terhadap nilai listrik nanokomposit Fe3O4/PVDF Sumber : Hasil pengolahan data (2022)
Jika dibandingkan dengan hasil kapasitansi yang diperoleh oleh Susana  yaitu sebesar 327,93 x 10 -6 F,  hasil  yang  diperoleh  paling  besar  yaitu  37x10 -6 F  tetapi  hasil  ini  lebih  kecil  dibandingkan  dengan penelitian sebelumnya. Hal ini disebabkan karena perbedaan sampel yang digunakan karena pada penelitian ini  peneliti  membuat  sampel  dalam  bentuk  pelet  sedangkan  pada  penelitian  terdahulu  membuat  sampel dalam  bentuk  lapisan  tipis  [4].  Dari grafik  juga  terlihat  bahwa  nilai  resistansi  mengalami  penurunan,  ini menandakan bahwa semakin kecil nilai resistansi maka daya hantar listrik pada suatu material akan semakin baik.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  penelitian  yang  telah  dilakukan  didapatkan  nilai  dari    kapasitansi,  induktansi  dan resistansi  listrik    dari  lapisan  nanokomposit  Fe 3 O 4 /PVDF.  Besarnya  nilai  kapasitansi,  induktansi  dan resistansi  pada  fraksi  konsentrasi  10:10,  10:20  dan  10:30,bertuturut-turut  yaitu  11x10 -6 F,  20x10 -6 F,  dan 37x10 -6 F  , 0,11µH,  0,17µH,  dan 0,23  µH,  dan  0,062  Ω, 0,054  Ω, dan  0,032  Ω.  Agar  dihasilkan  lapisan nanokomposit yang lebih bagus lagi proses sol gel dilakukan dengan lebih baik yaitu larutan yang dihasilkan lebih  kental  sehingga  pada  proses  pelapisan  di  atas  substrat  menggunakan spin  coating lapisan  lebih homogen dan lebih lengket.

## 5. Daftar Pustaka
[1]  Rahmi, Ramli, and Y. Darvina, “Analisis sifat listrik nanokomposit fe3o4/pvdf yang disintesis dengan metode sol gel untuk aplikasi elektroda baterai lithium ion,” P illa r o f Ph ysics ,  Vo l.  11,  No.  2, 2018.
[2]  Ahmad, M. A. A. Undu, S. R. Ahmanas, Erniwati, and S. Fayanto,  “Utilization of iron sand and activated  carbon  of  cashew  nut  shell  as  a  material  basic  of  lithium  battery,”  in  AIP  Conference Proceedings, Vol. 2169, No. 1, 2019.
[3]     Darvina, Y. (2018). Analysis of the electrical properties of Fe3O4/PVDF nanocomposites synthesized by  sol  gel  method  for  lithium  ion  battery  electrode  applications.  Pillar  of  Physics  11. http://dx.doi.org/10.24036/4647171074.
[4]  H .  Susana  and  Astuti,   “Pengaruh  Konsentrasi  LiOH  terhadap  Sifat  Listrik Anoda  Baterai Litium Berbasis  Karbon  Aktif Tempurung  Kemiri,” J.  Fisika  Unand , Vol. 5, No. 2, pp. 136-141, 2016.
[5]  Rr. R. A. R. Rahardjo and Z. A. I. Supardi, “Sintesis  dan  karakterisasi  Material  Li5FeO4, PVDF (Polyvinylidene Fluoride) dan Karbon aktif dengan aktivasi HCL sebagai Katoda Baterai Li-Ion,” J. Fisika , Vol. 4, No. 1, hal 23–26, 2015.
[6]  Maulinda, M., Zein, I., and Jalil, Z. (2019). Characteristics of Natural Magnetite (Fe3O4) from Beach Sand as Catalyst Application in Materials Industry. Jurnal Natural 19, 1-5. https://doi.org/10.24815/jn.v19i1.12475.
[7]  Zhou, X., Dai, Z., Liu, S., Bao, J., and Guo, Y.-G. (2014). Ultra-Uniform SnOx/Carbon Nanohybrids toward  Advanced  Lithium-Ion  Battery  Anodes.  Advanced  Materials  26,  3943-3949. https://doi.org/10.1002/adma.201400173.
[8]  A. P. Venugopal  and S. Russel,  “Controlling  dielectric  and  magnetic properties of PVdF/magnetite nanocomposite  fibre  webs,” Int. J.  of  Polymer  Science , 2014.
[9]  Hu, P., Chang, T., Chen, W.-J., Deng, J., Li, S.-L., Zuo, Y.-G., Kang, L., Yang, F., Hostetter, M., and Volinsky,  A.A.  (2019).  Temperature  effects  on  magnetic  properties  of  Fe3O4  nanoparticles synthesized  by  the  sol-gel  explosion-assisted  method.  Journal  of  Alloys  and Compounds 773,  605- 611. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.09.238.
p-ISSN : 2528-3561 e-ISSN : 2541-1934
[10]  Fauzi, F., Azizi, F., Musawwa, M.M., and Dwandaru, W.S.B. (2021). Synthesis and Characterisations of Reduced Graphene Oxide Prepared by Microwave Irradiation with Sonication. Journal of Physical Science 32, 1-13. https://doi.org/10.21315/jps2021.32.2.1
[11]  Girishkumar,  G.,  McCloskey,  B.,  Luntz,  A.C.,  Swanson,  S.,  and  Wilcke,  W.  (2010).  Lithium−Air Battery:  Promise  and  Challenges.  The  Journal  of  Physical  Chemistry  Letters  1,  2193-2203. https://doi.org/10.1021/jz1005384
[12]  Ahmad,  A.,  Erniwati,  E.,  and  RM,  V.H.  (2020). Analisis  Nilai  Kapasitansi  Komposit  Lithium Besi Oksida (Li5FeO4) dan Karbon Aktif Kulit Biji Mete sebagai Bahan Dasar Elektroda Baterai Lithium: Efek Variasi Massa. Jurnal
Penelitian Pendidikan Fisika 5, 233-240.
http://dx.doi.org/10.36709/jipfi.v5i3.13932.
[13]  Zul, N.A., Ganesan, S., and Hussin, M.H. (2020). Biodiesel Synthesis through Methanolysis of Palm Olein Using Calcium Oxide Catalyst Derived from Staghorn Coral. Journal of Physical Science 31. https://doi.org/10.21315/jps2020.31.1.3.
[14]  E.G. Karvelas, T.E. Karakasidis, I.E. Sarris, Computational analysis of paramagnetic spherical Fe3O4 nanoparticles  under  permanent  magnetic  fields,  Comput.  Mater.  Sci.  154  (2018)  464–471, https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.07.047.
[15]  I.O. Wulandari, V.T. Mardila, D.J.D.H. Santjojo, A. Sabarudin, Preparation and characterization of chitosan-coated Fe3O4 nanoparticles using ex-situ Co-precipitation method and Tripolyphosphate/Sulphate  as  dual  crosslinkers,  IOP  Conf.  Ser.  Mater.  Sci.  Eng.  (2018), https://doi.org/10.1088/1757-899X/299/1/012064.