Sintesis Hidrogel Selulosa Berbasis Sabut Kelapa sebagai Elektrolit pada Baterai Timbal Asam

Sari, Nur Shiyama Purnama (2025) Sintesis Hidrogel Selulosa Berbasis Sabut Kelapa sebagai Elektrolit pada Baterai Timbal Asam. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 7008202002-Dissertation.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 April 2027. Download (2MB) | Request a copy

Abstract

Baterai timbal-asam (Lead-Acid Battery, LAB) merupakan salah satu teknologi penyimpanan energi yang paling banyak digunakan secara global, namun masih memiliki tantangan terkait keamanan, kebocoran, dan penguapan elektrolit yang dapat mempengaruhi kinerja dan umur pakai baterai. Salah satu pendekatan untuk mengatasi permasalahan ini adalah dengan mengimmobilisasi elektrolit dalam hidrogel, sehingga dapat meningkatkan efisiensi elektrokimia serta memperpanjang umur baterai. Dalam penelitian ini, dikembangkan elektrolit hidrogel berbasis selulosa dari serat sabut kelapa sebagai alternatif gel elektrolit yang lebih ramah lingkungan, stabil, dan berkelanjutan untuk LAB. Penelitian ini dilakukan melalui dua tahap utama, yaitu pemurnian selulosa dari serat sabut kelapa dan sintesis hidrogel selulosa sebagai media elektrolit. Pada tahap pertama, lignin dan hemiselulosa dalam serat sabut kelapa dihilangkan melalui perlakuan mekanik dan kimia, menghasilkan pulp selulosa dengan kemurnian tinggi. Pada tahap kedua, hidrogel selulosa disintesis melalui jalur pelarutan-koagulasi dalam sistem alkali-urea, membentuk jaringan polimer tiga dimensi yang dapat menyerap elektrolit secara efektif. Hidrogel yang terbentuk kemudian direndam dalam larutan asam sulfat, sehingga berfungsi sebagai elektrolit hidrogel dalam LAB. Karakterisasi mekanik dan elektrokimia menunjukkan bahwa hidrogel selulosa memiliki kekuatan mekanik yang baik, dengan kekuatan tarik mencapai 4.5 MPa dan modulus Young sekitar 39.02 MPa, memastikan stabilitas struktural hidrogel saat digunakan sebagai separator dalam LAB. Konduktivitas ionik hidrogel selulosa mencapai ≈0.183 mS cm-1, mendekati konduktivitas elektrolit asam sulfat cair konvensional yang digunakan dalam LAB, menunjukkan bahwa hidrogel ini mampu mendukung pergerakan ion secara efisien. Meskipun kapasitas pelepasan muatan (discharge capacity) LAB berbasis hidrogel selulosa sedikit lebih rendah dibandingkan LAB dengan elektrolit cair (1907 vs. 2051 mAh g-1), baterai dengan hidrogel selulosa menunjukkan stabilitas siklus yang lebih baik, dengan retensi kapasitas yang lebih tinggi setelah siklus pengisian-pengosongan berulang. Dengan hasil yang diperoleh, penelitian ini membuktikan bahwa hidrogel selulosa berbasis serat sabut kelapa merupakan alternatif yang menjanjikan sebagai gel elektrolit dalam LAB, menawarkan peningkatan stabilitas elektrokimia dan mekanik, sekaligus mengurangi dampak lingkungan dari penggunaan polimer sintetis berbasis minyak bumi. Pemanfaatan limbah biomassa sabut kelapa dalam pengembangan hidrogel ini tidak hanya memberikan solusi berkelanjutan bagi industri baterai, tetapi juga membuka peluang inovasi dalam teknologi penyimpanan energi berbasis material terbarukan.
====================================================================================================================================
Lead-Acid Batteries (LAB) are among the most widely used energy storage technologies globally. However, they still face challenges related to safety, leakage, and electrolyte evaporation, which can affect battery performance and lifespan. One approach to addressing these issues is immobilizing the electrolyte within a hydrogel, which enhances electrochemical efficiency and extends battery life. This study aims to develop a cellulose-based hydrogel electrolyte derived from coconut fiber as an alternative gel electrolyte that is more environmentally friendly, stable, and sustainable for LAB applications. This research was conducted in two main stages, namely cellulose purification from coconut fiber and cellulose hydrogel synthesis as an electrolyte medium. In the first stage, lignin and hemicellulose in coconut fiber were removed through mechanical and chemical treatments, resulting in high-purity cellulose pulp. In the second stage, cellulose hydrogel was synthesized via a dissolution-coagulation process in an alkali-urea system, forming a three-dimensional polymer network capable of effectively absorbing electrolytes. The formed hydrogel was then immersed in a sulfuric acid solution, allowing it to function as a hydrogel electrolyte in LAB. Mechanical and electrochemical characterization demonstrated that the cellulose hydrogel possesses excellent mechanical strength, with a tensile strength of up to 4.5 MPa and a Young’s modulus of approximately 39.02 MPa, ensuring the structural stability of the hydrogel when used as a separator in LAB. The ionic conductivity of the cellulose hydrogel reached ≈0.183 mS cm-1, which is close to the conductivity of conventional liquid sulfuric acid electrolytes used in LAB, indicating that the hydrogel effectively facilitates ion movement. Although the discharge capacity of LAB using cellulose hydrogel electrolyte was slightly lower than that of LAB with liquid electrolyte (1907 vs. 2051 mAh g-1), the battery with cellulose hydrogel exhibited better cycle stability, maintaining higher capacity retention after multiple charge-discharge cycles. Based on the results obtained, this study demonstrates that coconut fiber-based cellulose hydrogel is a promising alternative as a gel electrolyte for LAB,offering enhanced electrochemical and mechanical stability while reducing the environmental impact of petroleum-based synthetic polymers. The utilization of coconut fiber biomass waste in hydrogel development not only provides a sustainable solution for the battery industry but also opens opportunities for innovation in renewable material-based energy storage technologies.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	Hidrogel selulosa, serat sabut kelapa, baterai timbal-asam, elektrolit gel, separator baterai, energi berkelanjutan, Cellulose hydrogel, coconut fiber, lead-acid battery, gel electrolyte, battery separator, sustainable energy
Subjects:	T Technology > TA Engineering (General). Civil engineering (General) > TA418.75 Corrosion-resistant materials T Technology > TA Engineering (General). Civil engineering (General) > TA433 Strength of materials. T Technology > TK Electrical engineering. Electronics Nuclear engineering > TK2941 Storage batteries T Technology > TK Electrical engineering. Electronics Nuclear engineering > TK2945 Lead-acid batteries.
Divisions:	Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Chemical Engineering > 24001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Nur Shiyama Purnama Sari
Date Deposited:	18 Feb 2025 07:48
Last Modified:	18 Feb 2025 07:48
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/118792

Actions (login required)

View Item