ABDIMAS TALENTA 4 (2) 2019: 668-673
Rikson Siburian et.al . Application of coconut battery

## Application of coconut battery waste to graphic as an alternative electrode on primary battery cells
Rikson Siburian 1* , Saur L Raja 1 , Minto Supeno 1 , Crystina Simanjuntak 1
1 Department of Chemistry Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Universitas Sumatera Utara, Medan, Indonesia
*Email: rikson@usu.ac.id

## Abstract
Coconut shell is one of the potential biomass as carbon sources. Coconut shell is converted to charcoal through the  carbonization  process.  The  potential  of  charcoal  from  coconut  shells  can  be  synthesized  into  graphene. Graphene is a derivative of one of the carbon allotropes, namely graphite, where carbon is in the form of thin plates with sp2 orbitals arranged hexagonally. The process of making graphene which is coconut shell dried in the sun then pyrolysis into charcoal then mixed with activated carbon as a reducing agent at 600 ° C for 1 hour to produce graphene. The graphene produced is characterized by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope-Energy  Dispersive  X-Ray  (SEM-EDX).  The  results  by  XRD  analysis  showed  the  resulting  peaks were not sharp and slightly widened at the diffraction peaks at 24 ° and 44 °. The results of SEM-EDX analysis at  4000x  magnification  show  the  surface  size  and  shape  of  the  structure  that  is  smaller,  thinner  and  reduced buildup on the graphene structure. graphene that has been successfully synthesized was tested on a coin battery. The coin battery cathode which was replaced with graphene succeeded in turning on the light.

## Keyword: charcoal, graphene, activated carbon, pyrolysis, coconut shell

## Abstrak
Tempurung kelapa merupakan salah satu biomassa yang berpotensi sebagai sumber karbon. Tempurung kelapa dikonversikan  menjadi arang melalui  proses  karbonisasi.  Potensi arang  dari tempurung kelapa dapat  disintesis menjadi  grafena.  Grafena  merupakan  turunan  dari  salah  satu  alotrop  karbon  yaitu  grafit  dimana  karbon berbentuk  plat  tipis  dengan  orbital  sp2  yang  disusun  secara  heksagonal.  Proses  pembuatan  grafena  dalam pengabdian  ini  yaitu  tempurung  kelapa  dikeringkan  di  bawah  sinar  matahari  selanjutnya  dipirolisis  menjadi arang  kemudian  dicampurkan  dengan  karbon  aktif  sebagai  reduktor  pada  suhu  600°C  selama  1  jam menghasilkan  grafena.  Grafena  yang  dihasilkan  dikarakterisasi  dengan  X-Ray  Diffraction  (XRD),  Scanning Electron  Microscope-Energy  Dispersive  X-Ray  (SEM-EDX).  Hasil  oleh  analisa  XRD  menunjukkan  puncak yang  dihasilkan  yang  tidak  tajam  dan  sedikit  melebar  puncak  difraksi  pada  24°  dan  44°.  Hasil  analisa  SEM- EDX pada  perbesaran 4000x menunjukkan  ukuran  permukaan  dan  bentuk  struktur  yang  lebih  kecil, tipis  serta berkurangnya  penumpukkan  pada  struktur  grafena.  Grafena  yang  telah  berhasil  disintesis  dilakukan  uji  coba terhadap baterai koin. Katoda baterai koin yang telah diganti dengan grafena berhasil menghidupkan lampu.
Kata Kunci: arang, grafena, karbon aktif, pirolisis, tempurung kelapa

## 1. PENDAHULUAN
Material  berbasis  karbon  pada  beberapa  dekade  terakhir  ini  telah  berperan  penting  karena kombinasi unik dari sifat kimia dan fisisnya, yang mencakup konduktivitas termal dan listrik yang baik, kekuatan mekanik yang tinggi, dan sifat optik yang menarik (Islamiyah et al , 2018). Grafena adalah  material  nano  berbasis  karbon  terbaru  yang  memiliki  potensi  aplikasi  yang  sangat  luas (Sarkar et  al ,  2014).  Secara  umum  metode  sintesis  grafena  seperti  metode  penumbuhan  grafena dari silikon karbida (SiC), Chemical Vapor Deposition (CVD) pada logam Ni dan Cu, modifikasi metode  Hummer  dinilai  kurang  efisien  dan  membutuhkan  biaya  yang  relatif  mahal,  sehingga dikembangkan  metode  sintesis  sederhana  yang  mampu  memproduksi  grafena  secara  murah  dan berskala besar (Nugraheni et al , 2015). Metode sintesis grafena yang saat ini sedang dikembangkan adalah sintesis grafena dari biomassa karbon seperti kelapa (cocos nucifera) (Supeno et al , 2018).
ABDIMAS TALENTA 4 (2) 2019: 668-673
Rikson Siburian et.al . Application of coconut battery
Unsur karbon (C) (87.1 wt%) merupakan unsur yang paling mendominasi dalam arang tempurung kelapa.  Dari  biomassa  yang  terbarukan  inilah  dapat  dihasilkan  senyawa  karbon  yakni  produk “green  carbon”  (Supeno et  al ,  2019).  Grafena  yang  dihasilkan  dalam  pengabdian  ini  digunakan sebagai  katoda  pada  sel  baterai  primer.  Baterai  adalah  piranti  elektrokimia  yang  mengkonversi energi  kimia  menjadi  energi  listrik  selama  proses  pertukaran  elektron  diantara  anoda  dan  katoda. Komponen utama penyusun baterai primer yaitu anoda (Zn), katoda (grafit) serta elektrolit (MnO2, NH4Cl).  Permasalahan  utama  baterai  primer  adalah  umur  pakai  yang  singkat  dan  daya  hantar listrik  (DHL)  yang  rendah.  Konsep  yang  digunakan  untuk  menyelesaikan  permasalahan  utama tersebut menggunakan grafitik karbon (C-π) seperti grafena. Keungulannya adalah luas permukaan besar dan konduktivitas yang tinggi (Bo et al , 2014).

## 2. METODE PELAKSANAAN
Pengabdian  dilakukan  di  SMA  Swasta  Muhammadiyah  02  Medan  di  kelas  XII-MIA  1.  SMA Swasta  Muhammadiyah  02  Medan  sebagai  mitra  dalam  pengabdian  menyediakan  bahan  baku limbah tempurung kelapa untuk diubah menjadi grafena sebagai elektroda pada sel baterai primer. Adapun tahapan-tahapan dalam pembuatan elektroda dibagi menjadi 2 tahapan :
1. Pembuatan Arang
Limbah tempurung kelapa digunakan sebagai bahan dasar pada pembuatan elektroda pada sel baterai  primer.  Tempurung  kelapa  yang  sudah  dijemur  di  bawah  sinar  matahari  dipirolisis didalam tungku dalam keadaan bebas oksigen selama 5 jam pada suhu 600°C hingga menjadi arang.  Setelah  arang  menjadi  dingin,  kemudian  dihaluskan  dengan  menggunakan  mortar. Selanjutnya,  diayak  dengan  menggunakan  ayakan  dengan  ukuran  100  mesh  untuk dikarakterisasi dengan menggunakan XRD dan SEM.
2. Sintesis Grafena
Arang  dari  tempurung  kelapa  berbentuk  chip,  selanjutnya  ditimbang  dan  dicampur  dengan serbuk  karbon  aktif.  Selanjutnya  ditanur  pada  suhu 600°C  selama  1 jam. Selanjutnya diayak dengan mengggunakan ayakan dengan ukuran 150 mesh guna memisahkan arang tempurung kelapa  dengan  karbon  aktif.  Tempurung  kelapa  dicuci  dengan  aquadest  hingga  bersih  dan dikeringkan pada oven suhu 70°C. Selanjutnya, dikarakterisasi menggunakan XRD dan SEM.
Gambar 2.1. Skema Sintesis Grafena dari Limbah Tempurung Kelapa
ABDIMAS TALENTA 4 (2) 2019: 668-673
Rikson Siburian et.al . Application of coconut battery

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Grafena digunakan sebagai material pengganti elektroda pada sel baterai primer. Grafena disintesis dari  limbah  tempurung  kelapa.  Sintesis  berhasil  dilakukan  yang  dibuktikan  dari  data  XRD  dan SEM-EDX sebagai berikut :

## 3.1 X-Ray Diffraction (XRD)
Analisa  XRD  menggunakan  alat  difraktometer  sinar-X  Rigaku  Smartlab  3  kW  Radiasi  Cu-Kα digunakan  (1.540598  Å)  untuk  mengamati  sampel  dari  5 o hingga  70 o dengan  kecepatan  scan  2 o min-1,  tegangan  44  kV,  dan  arus  40  mA.  Difaktogram  dari  arang  tempurung  kelapa  dan  grafena tempurung kelapa ditunjukkan pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1. Difraktogram arang tempurung kelapa (a) dan grafena tempurung kelapa(b)
Berdasarkan  pola  difraksi  diatas,  arang  tempurung  kelapa  menunjukkan  puncak  yang  tajam dan rapat pada beberapa daerah 2θ dimulai dari sudut difraksi 21,82°, 24,56°, 27,78°, 45,01° dan 65,05° ini menunjukkan bahwa fasa yang terbentuk adalah fasa kristalin. Data yang di peroleh ini merupakan  ciri  khas  struktur  kristal  dari  grafit  (stroller et  al ,  2008).  Pada  pola  difraksi  grafena, munculnya  dua  puncak  dari  pola  difraksi  yang  dihasilkan  menggambarkan  bahwa  telah  terbentuk fasa  grafena  karena  memiliki  puncak  difraksi  pada  24°  dan  puncak  difraksi  pada  sudut  44° (Raccichini et al , 2010).
3.2 Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (SEM-EDX)
Hasil  analisa  morfologi  arang  tempurung  kelapa  dan  grafena  tempurung  kelapa  dengan menggunakan SEM pada perbesaran 4000x dapat dilihat pada Gambar 3.2.
0 10 20 30 40 50 60 70 24 o C(002) 44 o C(002) 21.82 o C(002) 65.05 o C(002) 45.01 o C(002) 27.78 o C(002) Int ensi tas (a. u) 2  ( o ) (a) (b) 24.56 o C(002)
ABDIMAS TALENTA 4 (2) 2019: 668-673
Rikson Siburian et.al . Application of coconut battery
Gambar 3.2. Foto SEM arang tempurung kelapa (a) dan grafena (b) Pada  perbesaran  4000x  terlihat  arang  tempurung  kelapa  (Gambar  3.2a)  berbentuk  tumpukan yang  menandakan  bahwa  arang  tempurung  kelapa  memiliki  struktur  berlapis.  Grafit  memiliki bentuk  flake  dengan  struktur  pori  yang  besar  yang  merupakan  ciri  khas  dari  grafit  (Allen etal , 2010).  Grafena  (Gambar  3b)  terlihat  memiliki  lapisan  permukaan  tipis,  tidak  tebal  dengan  pori yang  kecil  (Kucinskis et  al ,  2018).  Lembaran  grafena  ini  tersusun  satu  sama  lain  membentuk padatan tidak teratur dengan lapisan yang lebih tipis.
Spektra  EDX  menunjukan  komponen  yang  terkandung  dari  arang  tempurung  kelapa  dan grafena tempurung kelapa. Jumlah komponen yang terkandung dalam arang tempurung kelapa dan grafena tempurung kelapa ditampilkan dalam bentuk data EDX ditunjukkan pada Tabel 3.1.
Nama Atom Kelimpahan Atom Arang Tempurung Kelapa Grafena Tempurung Kelapa Karbon (C) 87.1 84.4 Oksigen (O) 6.4 9.8 Kalium (K) 6.5 5.6 Magnesium (Mg) 0.2
Tabel 3.1 Data EDX dari arang tempurung kelapa dan grafena tempurung kelapa
Tabel  3.1  menunjukkan  bahwa  arang  tempurung  kelapa  didominasi  oleh  atom  C.  Intensitas atom  C  yang  besar  dari  arang  disebabkan  karena  struktur  grafit  terdiri  atas  ikatan-ikatan  atom karbon. Pada grafena, persentase atom karbon mengalami penurunan. Penurunan disebabkan oleh proses  oksidasi  pada  arang  tempurung  kelapa.  Penambahan  karbon  aktif  akan  mereduksi  gugus- gugus fungsi oksigen yang menyusun grafit.
Grafena yang berhasil disintesis dari arang tempurung kelapa diuji coba dengan menggunakan baterai  koin.  Tampak  jelas  pada  Gambar  3.2,  baterai  yang  berisi  grafena  mampu  menghidupkan lampu dengan berkas cahaya yang cukup terang.
ABDIMAS TALENTA 4 (2) 2019: 668-673
Rikson Siburian et.al . Application of coconut battery

## Gambar 3.3. Uji coba grafena pada baterai koin

## 4. KESIMPULAN
Dari  hasil  kegiatan  pengabdian  kepada  masyarakat  yang  telah  dilaksanakan  oleh  tim  pengabdi dapat disimpulkan bahwa :
1. Arang  tempurung  kelapa menunjukkan  puncak  yang  tajam  dan  rapat  pada beberapa  daerah  2θ dimulai  dari  sudut  difraksi  21,82°,  24,56°,  27,78°,  45,01°  dan  65,05°  ini  menunjukkan  bahwa fasa yang terbentuk adalah fasa kristalin.

## 5. UCAPAN TERIMAKASIH
Tim    pengabdian    pada    masyarakat    mengucapkan    terima    kasih    kepada    pihak    LPPM    USU yang  telah memberikan  dana kepada pengabdian ini. Terima  kasih juga  kepada pihak mitra yang telah koopratif di dalam pelaksanaan pengabdian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Berndt,  T.  J.  (1981a).  Age  changes  and  changes  over  time  in  prosocial  intentions  and  behavior between friends. Developmental Psychology, 17, 408-416.
Berndt,  T.  J.  (1981b).  Effects  of  friendship  on  prosocial  intentions  and  behavior.  Child Development, 52, 636-643.
Bo,  Z.,  Shuai,  X.,  Mao,  S.,  Yang,  H.,  Qian,  J.,  Chen,  J.,  Yan,  J.,  Cen,  K.:  Green  preparation  of reduced  graphene  oxide  for  sensing  and  energy  storage  applications.  Scientific  Reports  4, 4684 (2014).
G.  Kucinskis,  G.  Bajars,  and  J.  Kleperis,  Graphene  in  lithium  ion  battery  cathode  materials :  A review, J. Power Sources, 240 (2018) 66–79
Islamiyah,  W.,  Nashirudin,  L.,  Baqiya,  M.A.,  Cahyono,  Y.,  dan  Darminto.:  Sulfuric  acid intercalated-mechanical  exfoliation  of  reduced  graphene  oxide  from  old  coconut  shell.  AIP Conf. Proc. 1945, 020054 (2018).
M.  D.  Stoller, S.  Y. Park,  J.  An.  Zhu,  R.  S.  Ruoff,  Graphene  based  ultracapacitors,  Nano  Lett,  8 (2008)3498–3502.
ABDIMAS TALENTA 4 (2) 2019: 668-673
Rikson Siburian et.al . Application of coconut battery
M. J. Allen, V. C. Tung, R. B. Kaner, Honeycomb carbon: a review of graphene, Chem.Rev, 110 (2010) 132–145
Nugraheni, A.Y., Nashrullah, M., Prasetya, F.A., Astuti, F., Darminto.: Study on phase, molecular bonding,  and  bandgap  of  82  reduced  graphene  oxide  prepared  by  heating  coconut  shell. Materials Science Forum 827, 285-289 (2015).
R. Raccichini, A. Varzi, S. Passerini, B. Scrosati, The role of graphene for electrochemical energy storage, Nat.Mater, 14(2010) 271–279.
Sarkar, S.K., Raul, K.K., Pradhan, S.S., Basu, S., dan Nayak, A.: Magnetic properties of graphite oxide and reduced graphene oxide. Physica E. 64, 78-82 (2014).
Supeno, M., and Siburian, R., New route: Convertion of coconut shell tobe graphite and graphene nano sheets, Journal of King Saud University –  Science. (2018).doi: 10.1016/j.jksus.2018.04.016
Supeno,  M.,  Simanjuntak,  C.,  Siburian,  R.,  Facile  and  Benign  Method  to  Produce  Large  Scale Graphene Nano Sheets, Iranian Journal, (2019).