## SINTESIS DAN KARAKTERISASI NANOFIBER

## KOMPOSIT PVA/SiO 2 DARI SILIKA SEKAM PADI MENGGUNAKAN METODE ELECTROSPINNING
Iqbal Firdaus 1* , Simon Sembiring 1 , Junaidi 1 , Andrean Johandra 1, TB Ikhwan Rifansyah 1 , Rizky Ponco Rahmadi 1 , Oki Ade Putra 2
1 Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Lampung, Lampung, Indonesia
2 Centre of Excellence for Electrical Energy Storage Technology, Universitas Sebelas Maret, Surakarta, Indonesia *iqbal.firdaus@fmipa.unila.ac.id
Received 13-10-2021, Revised 05-03-2022, Accepted 16-03-2022 Available Online 17-03-2022, Published Regularly April 2022

## ABSTRACT
Membrane  separator  has  been  successfully  made  which  potential  used  for  lithium  batteries, membrane separators are used for the transfer process and prevent short circuits. In this study, the  PVA/SiO 2 separator  membrane  was  synthesized  using  the  electrospinning  method  with variations in weight of SiO 2 (0, 0.6, 1.2, 2) wt%. SiO 2 used is the result of silica extraction of rice husks. The effect of adding SiO2 to PVA to improve the characteristics of the membrane include  porosity,  and  at  high  temperatures.  The  results  of  the  membranes  that  have  been successfully  made PVA, and  PVA/SiO 2 form nanofibers  with a  smaller diameter of the  fiber when  added  SiO 2 which  is  ~  220  nm,  the  smaller  diameter  increases  the  porosity  of  the membrane and improves the performance of the membrane stability at a temperature 165 o C.
Keywords: electrospinning; membrane; separator; nanofiber .

## ABSTRAK
Telah berhasil dibuat membrane separator yang berpotensi diaplikasikan untuk baterai lihitum- ion,  membrane  separator  digunakan  untuk  proses  transfer  ion  dan  mencegah  terjadinya  arus pendek. Dalam penelitian ini membrane separator PVA/SiO 2 disintesis memggunakan metode electrospinning dengan  variasi  berat  SiO 2 (0,  0.6,  1.2,  2)  wt%.  SiO 2 yang  digunakan  adalah hasil ekstraksi silika sekam padi. Pengaruh penambahan SiO 2 pada PVA untuk meningkatkan karakteristik membrane diantaranya porositas, dan stabilitas pada suhu tinggi. Hasil membrane yang  berhasil  dibuat  PVA,  dan  PVA/SiO 2 membentuk  serat  nano  dengan  ukuran  diameter serat semakin kecil ketika ditambahkan  SiO 2 yaitu ~ 220 nm, ukuran diameter semakin kecil meningkatkan  porositas  membrane  dan  meningkatkan  kinerja  membrane  dengan  stabilitas suhu 165 o C
Kata kunci: electrospinning; membrane; separator; serat nano.

## PENDAHULUAN
Baterai  lithium-ion  merupakan  jenis  baterai  sekunder  yang  dapat  diisi  ulang.  Baterai  ini banyak  digunakan  sebagai  sumber  energi  pada  berbagai  perangkat  elektronik  portable seperti  laptop,  handphone,  kamera  digital  dan  saat  ini  digunakan  juga  sebagai  baterai kendaraan  listrik  dan  media  penyimpanan  energi  stasionerkarena  memiliki  karakteristik berupa kapasitas spesifik tinggi [1] , pengunaan dalam waktu lama ( lifetime ) [2] .dan memiliki tingkat self discharge yang rendah. Komponen utama yang terdapat pada baterai lithium- ion  terdiri  dari  elektroda positif (katoda),  elektroda negatif  (anoda), cairan elektrolit,  dan
separator [3] . Separator adalah komponen baterai berpori sebagai media transfer lithium-ion selama  proses  pengisian  (charging)  atau  pengosongan  (discharging).  Sekaligus  separator juga  berfungsi  untuk  mencegah  terjadinya  aliran  elektron  (korsleting)  dari  kedua elektroda [4] .  Separator  yang  baik  memiliki  karakteristik  yang  terdiri  dari  mikro  struktur yang  seragam [5] ,  porositas  tinggi,  serapan  elektrolit  tinggi [6] ,  daya  tahan  terhadap temperatur  tinggi [1] .  dan  sifat  mekanik  kuat [3] .  Saat  ini  ini  bahan  separator  komersial menggunakan  bahan  dasar  poly  (ethylene)  (PE)  dan  poly  (propylene)  (PP).  Kelemahan separator berbahan dasar PE dan PP adalah porositas rendah dan tidak tahan terhadap suhu tinggi  karena  secara  berturut-turut  memiliki  titik  leleh  135 o C  dan  165 o C [1] .  Polimer  lain yang  dapat  digunakan  sebagai  separator  adalah  Polyvinylalcohol  (PVA),  PVA  memiliki titik leleh 200 o C. Separator berbahan dasar PVA memiliki peluang sebagai separator pada baterai  yang  mampu  bekerja  pada  suhu  tinggi.  Untuk  meningkatkan  porositas  material PVA  dilakukan  rekayasa  dengan  membentuk  membran nanofiber yang  dikompositkan dengan  material  anorganik  yaitu  Silika  (SiO 2 ).  SiO 2 mempunyai  karakteristik  luas permukaan  tinggi,  adsorpsi  yang  kuat  serta  merupakan  material  berpori [5] .mengatakan bahwa SiO 2 mampu meningkatkan daya tahan membran serat-nano terhadap suhu tinggi, meningkatkan sifat mekanik, porositas dan penyerapan elektrolit [5] .
Sekam  padi  dikenal  sebagai  limbah  pertanian  yang  mengandung  cukup  banyak  jumlah silika,  yang  dapat  diekstraksi  dengan  metode  yang  relatif  sederhana  untuk  mendapatkan kemurnian  tinggi,  dan  silika  aktif.  Penelitian [7-9] silika  murni  dapat  diekstraksi  dengan kemurnian  berkisar  94-98%  sebagai  amorf  dan  reaktif.  Dalam  beberapa  referensi,  silika amorf  dari  sekam  padi  telah  digunakan  untuk  persiapan  dari  berbagai  bahan  berbasis silika, seperti produksi nanosilika [10-13] , karbon nanopori [14,15] , silika gel [16] .
Sejalan  dengan  potensi  Silika  sekam  padi  dan  penelitian  Yanilmaz  dkk,  2019  yang menyatakan  bahwa  SiO 2 dapat  dapat  meningkatkan  ketahanan  membran  serat  nano terhadap  suhu  tinggi  dan  meningkatkan  porositas  untuk  absorpsi  elektrolit.  Maka  pada penelitian  bertujuan  untuk  sintesis  nanofiber  PVA/SiO 2 menggunakan  metode electrospinning serta  mengetahui  pengaruh  variasi  penambahan  SiO 2 terhadap struktur mikro,  morfologi,  ketahanan  termal  dan  porositas  dari  nanofiber  PVA/SiO 2 yang terbentuk.

## METODE

## Ekstraksi Silika Sekam Padi
Sekam  padi  sebanyak  50  gr  direndam  dalam  larutan  NaOH  5%,  dipanaskan  hingga mendidih, didiamkan selama 24 jam menurut prosedur sebelumnya [17] . Kemudian disaring dengan kertas saring whatman 42 untuk memisahkan filtrate yang mengandung sol silika. Sol  Silika  yang  diperoleh,  ditetesi  sedikit  demi  sedikit  HNO 3 hingga  membentuk  gel. Silika  gel  yang  diperoleh  dipanaskan  dalam  oven  pada  suhu  105 o C  hingga  gel  berubah menjadi  serbuk,  selanjutnya  dihaluskan  dengan  mortar  dan  diayak  dengan  ukuran  200 mesh, hasil ayakan digunakan sebagai sumber silika.
Persiapan Larutan Precursor PVA/SiO 2
Persiapan  larutan precursor dimulai  dengan  membuat  larutan  PVA  9  %wt  kedalam aquades,  larutan  diaduk  selama  1  jam  dengan  suhu  90 o C,  setelah  larutan  homogen selanjutnya  campurkan  SiO 2 dengan  variasi  berat  (0,  0.6,  1.2,  2  %wt)  terhadap  larutan PVA. Campuran diaduk menggunakan magnetic stirrer pada suhu 90 o C selama 30 menit untuk menghasilkan larutan yang homogen.
Sintesis Nanofiber PVA/SiO 2
Larutan  PVA/SiO 2 yang  telah  dihasilkan  kemudian  dimasukkan  kedalam syringe untuk menyemprotkan  larutan  komposit  PVA/SiO 2 selama  3  jam  dengan  Jarak  antara  jarum semprot  dengan  kolektor,  sejauh  15  cm, high  voltage tegangan  DC  yang  digunakan sebesar  20  KV,  dan  Kecepatan  laju  aliran  polimer  dibuat  sebesar  2,0  ml/jam.  Diagram skematik proses electrospinning seperti pada gambar 1.
Gambar1 . Diagram skematik set up proses electrospinning [18]
Membran  komposit  PVA/SiO 2 yang  telah  terbentuk  kemudian  di  oven  pada  suhu  80 o C selama 8 jam. Pengeringan ini dilakukan agar pengotor organik  serta pelarut  yang masih terdapat pada membran dapat menguap sehingga diharapkan terbentuk membran separator yang murni terdiri dari PVA dan SiO 2 .

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Mikrostruktur Komposit Nanofiber PVA/SiO 2
Untuk mengetahui morfologi membran separator PVA dan PVA/SiO 2 dengan variasi berat SiO 2 (0,  0.6,  1.2,  dan  2  wt  %)  dilakukan  analisis  menggunakan  Scanning  Electron Micrsocopy  (SEM)  Zeiss  Evo  MA  10  dengan  perbesaran  10.000  x  dan  hasilnya ditunjukkan pada Gambar 2.
Pada  gambar  menunjukkan  gambar  SEM  PVA  dan  PVA/SiO 2 dengan  variasi  berat  SiO 2 (0, 0.6, 1.2, dan 2 wt %), membran separator yang terbentuk memiliki serat yang seragam dan  porositas  yang  tinggi  tanpa  adanya  beads  dan  agregasi  partikel  diamati  dari  semua membran  separator  berbasis  PVA.  Gambar  SEM  menunjukkan  bahwa  penambahan  SiO 2 mengubah  kekasaran  permukaan  dan  diameter  serat  rata-rata.  Serat  lebih  tipis  dengan permukaan yang lebih halus dapat dilihat pada kandungan SiO 2 yang tinggi [5,19] . Diameter nanofiber rata-rata yang dihitung adalah PVA ~ 236 nm, dan menurun ketika ditambahkan SiO 2 yaitu berturut-turut ~ 232 nm, ~ 227 nm, dan ~ 220 nm. Penurunan diameter rata-rata nanofiber  yang  terbentuk  tidak  begitu  signifikan  dikarenakan  kadar  SiO 2 yang  sedikit, namun  tetap  terdapat  perubahan  yaitu  dengan  meningkatnya  kandungan  SiO 2 menyebabkan  diameter  serat  rata-rata  lebih  tipis  yang  dapat  dikaitkan  dengan  gaya  tolak SiO 2 yang membatasi belitan/keterikatan rantai polimer dan sehingga menyebabkan serat menjadi lebih tipis [19] .
Gambar  2 .  Gambar  SEM  membran  separator  a).  PVA,  b)  PVA/SiO 2 (0.6  wt  %),  c) PVA/SiO 2 (1.2 wt %), d) PVA/SiO 2 (2 wt %)

## Porositas Komposit PVA/SiO 2
Porositas di uji dengan merendam PVA, dan PVA/SiO 2 (0.6, 1.2, 2 wt %) dan PP sebagai variabel  control.  Pengujian  porositas membran separator  dilakukan  untuk  mengetahui kemampuan afinitas elektrolit  suatu  membran.  Uji  serapan  menggunakan  larutan  n- buthanol untuk menentukan nilai porositas secara kuantitatif menggunakan persamaan 1:
V W W Porosity dry wet    (%) (1)
Dimana, W wet adalah berat membran basah, W dry adalah berat membran kering,  densitas n-buthanol,  dan  V  volume  geometris  membran.  Penggunaan  larutan  ini  karena  n-butanol dapat masuk ke pori-pori dan mengisi celah dalam pori-pori membran. Tabel 1 merupakan hasil pengujian porositas PP, PVA, dan PVA/SiO 2 .
a) b) c) d) 2  m 2  m
2  m 2  m
Tabel 1. Porositas membran pada suhu kamar
Membran Porositas (%) PVA 51 PVA/SiO 2 - 0.6 58 PVA/SiO 2 - 1.2 63 PVA/SiO 2 - 2 68 PP 41
Tabel  1  menunjukkan  peningkatan  porositas  dengan  semakin  banyaknya  penambahan SiO 2. Hal  ini  berkorelasi  dengan  semakin  kecil  ukuran fiber (~236  nm)  yang  dihasilkan mengakibatkan  terbentuknya  pori-pori  berdiameter  lebih  kecil,  hal  ini  menyebabkan peningkatan  nilai  porositas  separator,  peningkatan  nilai  porositas  terjadi  akibat  pengaruh penambahan SiO 2 sehingga banyak ruang  yang tersedia di antara fiber yang lebih tipis [5] , dan  dapat  meningkatkan  kemampuan  membran  separator  PVA  yang  digunakan  untuk transfer  ion.  Semakin  besar  porositas,  semakin  tinggi  penyerapan  elektrolit  ketika diaplikasikan sebagai separator baterai [20] ., dan sangat menguntungkan karena transportasi ion antar electrode semakin cepat dan dapat meningkatkan kinerja sifat elektrokimia yang lebih baik [19] .

## Shrinkage Ratio Komposit PVA/SiO 2
Shrinkage (penyusutan) membran adalah salah satu karakteristik membran separator yang penting. Hasil uji penyusutan membran dihitung dengan persamaan:
% 100 0 1 x A A A S o   (2)
dimana A 0 luas  membran  sebelum  perlakuan  panas, A 1 luas  membran  setelah  perlakuan panas. Rasio shrinkage membran ditentukan dengan memotong membran dengan diameter yang sama yaitu 3 cm kemudian dimasukkan ke dalam oven pada suhu 165 o C selama 30 menit. Hasil pengujian shrinkage membran dihitung ditunjukkan pada tabel 2.
Tabel 2. Shrinkage Ratio membran pada suhu kamar
Membran A 0 (cm 2 ) A 1 (cm 2 ) S (%) PVA 28.26 19.63 30.56 PVA/SiO 2 - 0.6 28.26 24.62 12.89 PVA/SiO 2 - 1.2 28.26 28.26 0 PVA/SiO 2 - 2 28.26 28.26 0 PP 28.26 11.34 59.89
Tabel  2.  Menunjukkan  hasil  pengujian  ketahanan  termal  setelah  dipanaskan  selama  30 menit pada suhu 165 o C terjadi penyusutan besar pada membran separator PP (komersial) 59.89  %,  PVA  30.56%  dan  PVA/SiO 2 –  0.6  12.89%  Penyusutan  yang  terjadi  pada  PP sangat signifikan, sehingga membran menyusut berubah menjadi lebih kecil. Ini berbahaya
jika diaplikasikan pada baterai dengan suhu kerja 150 o C, separator dengan bahan PP akan menyebabkan  arus  pendek,  kebakaran  hingga  ledakan  di  baterai.  Faktor  penyebab terjadinya penyusutan dengan bahan PP adalah karena lelehnya Titik lebur PP adalah 135 o C,  sehingga  jika  suhu  mendekati  atau  di  atas  titik  leleh  akan  menyebabkan  penyusutan membran  separator.  Penyusutan  membran  separator  pemisah  PVA  tanpa  SiO 2 PVA 30.56%  dan  PVDF/SiO 2 –  0.6  12.89%.  Penyusutan  terjadi  pada  PVA  tidak  begitu signifikan, sehingga ketika digunakan pada baterai dengan area kerja 150 o C, baterai akan tetap  aman  walaupun  akan  terjadi  sedikit  gangguan  karena  penyusutan  yang  terjadi. Penyebab  penyusutan  PVA  membran  separator  tanpa  SiO 2 karena  mendekati  titik  leleh PVA  adalah  200 o C.  Membran  separator  hasil  tes  ketahanan  termal  terlihat  seperti  pada gambar 3.
Gambar 3 Foto membran separator PVA/SiO 2 (0, 0.6, 1.2, dan 2 wt %) dan PP (a). sebelum perlakuan  panas  dan  (b)  setelah  perlakuan  panas  pada  suhu  165 o C  selama  30 menit.

## KESIMPULAN
Membran  separator  telah  berhasil  dibuat  dengan  diameter  serat  rata-rata  PVA  ~236  dan ukuran diameter rata-rata serat menurun ketika ditambahkan SiO 2 ~232 nm, ~227 nm, dan ~220 nm. Dengan penambahan SiO 2 mampu meningkatkan posositas membrane separator dari  58  menjadi  68%  hal  ini  mampu  meningkatkan  ketika  digunakan  untuk  penyerapan elektrolit  dan  transefer  ion,  dan  membrane  separator  yang  dibuat  dengan  variasi  berat penambahan  SiO 2 mampu  meningkatkan  kinerja  saat  pengujian  termal  dibandingkan dengan PP komersil dan PVA. Dari hasil  yang  ada membrane  yang telah berhasil dibuat mempunyai potensi untuk diaplikasikan pada baterai Li-Ion.
a)
b)

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  LPPM  Universitas  Lampung  dukungan  dana penelitian yang diberikan melalui Hibah BLU Universitas Penelitian Pemula Tahun 2021 No: 1636/UN26.21/PN/2021.

## DAFTAR PUSTAKA
1 Zhang,  T.,  Cheng,  X.  B.,  Zhang,  Q.,  Lu,  Y.,  &  Luo,  G.  2016.  Construction  of  a cathode  using  amorphous  FePO 4 nanoparticles  for  a  high-power/energy-density lithium-ion battery with long-term stability. Journal of Power Sources , 324 , 52-60.
2 Wang, L., Wang, Q., Jia, W., Chen, S., Gao, P., & Li, J. 2017. Li metal  coated with amorphous  Li3PO4  via  magnetron  sputtering  for  stable  and  long-cycle  life  lithium metal batteries. Journal of Power Sources , 342 , 175-182.
3 Li, Y., Li, Q., & Tan, Z. 2019. A review of electrospun nanofiber-based separators for rechargeable lithium-ion batteries. Journal of Power Sources , 443 , 227262.
4 Costa, C. M., Silva, M. M., & Lanceros-Méndez, S. J. R. A. 2013. Battery separators based on vinylidene fluoride (VDF) polymers and copolymers for lithium ion battery applications. Rsc Advances , 3 (29), 11404-11417.
5 Yanilmaz,  M.,  Lu,  Y.,  Zhu,  J.,  &  Zhang,  X.  2016.  Silica/polyacrylonitrile  hybrid nanofiber membran separators via sol-gel and electrospinning techniques for lithium- ion batteries. Journal of Power Sources , 313, 205–212.
6 Alias,  N.,  &  Mohamad,  A.  A.  2015.  Advances  of  aqueous  rechargeable  lithium-ion battery: A review. Journal of Power Sources , 274, 237–251.
7 Haslinawati,  M.  M.,  Matori,  K.  A.,  Wahab,  Z.  A.,  Sidek,  H.  A.  A.,  &  Zainal,  A.  T. 2009.  Effect  of  temperature  on  ceramic  from  rice  husk  ash. International  Journal  of Basic & Applied Sciences , 9 (9), 22-25.
8 Rafiee,  E.,  Shahebrahimi,  S.,  Feyzi,  M.,  &  Shaterzadeh,  M.  2012.  Optimization  of synthesis  and  characterization  of  nanosilica  produced  from  rice  husk  (a  common waste material). International nano letters , 2 (1), 1-8.
9 Ugheoke,  B.  I.,  &  Mamat,  O.  2012.  A  novel  method  for  high  volume  production  of nano silica from rice husk: Process development and product characteristics. International Journal of Materials Engineering Innovation , 3 (2), 139- 155.
10 Amutha,  K.,  Ravibaskar,  R.,  &  Sivakumar,  G.  2010.  Extraction,  synthesis  and characterization  of  nanosilica  from  rice  husk  ash. International  Journal  of Nanotechnology and applications , 4 (1), 61-66.
11 Dung,  L.  T.  K.,  Hien,  N.  Q.,  Van  Phu,  D.,  &  Du,  B.  D.  2017.  Preparation  and characterization  of  nanosilica  from  rice  husk  ash  by  chemical  treatment  combined with calcination. Vietnam Journal of Chemistry , 55 (4), 455.
12 Liou,  T. H., & Yang, C. C. 2011. Synthesis  and  surface characteristics of nanosilica produced  from  alkali-extracted  rice  husk  ash. Materials  science  and  engineering: B , 176 (7), 521-529.
13 Carmona, V. B., Oliveira, R. M., Silva, W. T. L., Mattoso, L. H. C., & Marconcini, J. M. 2013. Nanosilica from rice husk: extraction and characterization. Industrial Crops and Products , 43 , 291-296.
14 Mehta,  A.,  &  Ugwekar,  R.  P.  2015.  Extraction  of  silica  and  other  related  products from rice husk. International Journal of Engineering Research and Applications , 5 (8), 43-48.
15 Xu,  H.,  Gao,  B.,  Cao,  H.,  Chen,  X.,  Yu,  L.,  Wu,  K.,  &  Fu,  J.  2014.  Nanoporous activated carbon derived from rice husk for high performance supercapacitor. Journal of Nanomaterials , 2014 .
16 Tadjarodi, A., Haghverdi, M., Mohammadi, V. 2012. Preparation and characterization of  nano-poroussilica  aerogel  from  rice  husk  ash  by  drying  at  atmospheric pressure. Materials Research Bulletin, 47, 584-2589.
17 Sembiring,  S.,  Riyanto,  A.,  Situmeang,  R.,  Sembiring,  Z.,  Susanti,  N.,  &  Firdaus,  I. 2020.  Effect  of  amorphous  rice  husk  silica  addition  on  the  structure  of  asphalt composite. Journal of Metals, Materials and Minerals , 30 (4), 113-118.
18 Bhardwaj,  N.,  &  Kundu,  S.  C.  2010.  Electrospinning:  a  fascinating  fiber  fabrication technique. Biotechnology advances , 28 (3), 325-347
19 Yanilmaz,  M.  2019.  Evaluation  of  electrospun  PVA/SiO 2 nanofiber  separator membranes  for  lithium-ion  batteries. The  Journal  of  The  Textile  Institute ,  Volume 111, Issue 3
20 Ade  Putra,  O.,  Ilham,  B.  M.,  &  Widiyandari,  H.  2021.  The  Physicochemical Properties of PVDF/SiO 2 Composite Nanofibers for Potential Application of Lithium- Ion Battery Separators. Materials Science Forum , 1044, 81–87.