Article Details

SINTESIS DAN KARAKTERISASI KOMPOSIT ZNO-CARBON NANOPOROUS BERBASIS ZIF-8 SEBAGAI ANODA BATERAI LITHIUM-ION

Oleh   Rizki Febrian [23320004]
Kontributor / Dosen Pembimbing : Prof. Brian Yuliarto, Ph.D.;Dr.Eng. Muhammad Iqbal, S.T., M.T.;
Jenis Koleksi : S2 - Tesis
Penerbit : FTI - Teknik Fisika
Fakultas : Fakultas Teknologi Industri (FTI)
Subjek :
Kata Kunci : MOFS, Karbon Komposit, Nanoporous, Anoda, Lithium-Ion
Sumber :
Staf Input/Edit : Alice Diniarti  
File : 1 file
Tanggal Input : 23 Jun 2022

Baterai lithium-ion saat ini menjadi sangat populer seiring dengan meningkatnya aplikasi energi baru terbarukan dan kendaraan listrik. Aplikasi tersebut sangat bergantung dari performa baterai lithium-ion secara keseluruhan. Diantara komponen penyusun baterai lithium-ion adalah anoda. Material komposit antara metal oksida dan karbon merupakan salah satu strategi untuk meningkatkan performa pada anoda baterai lithium-ion, seperti komposit ZnO-Carbon nanoporous yang disintesis pada penelitian ini. Berdasarkan hasil penelitian-penelitian sebelumnya komposit antara metal oksida dan karbon menghasilkan material yang memiliki konduktivitas, kapasitas, dan kestabilan yang tinggi. Hal ini disebabkan kapasitas teoretikal dari metal oksida yang tinggi, disisi lain karbon berperan sebagai akselerator ion lithium dan penopang kestabilan struktur dari metal oksida. Salah satu prekursor atau template yang bisa digunakan untuk menghasilkan komposit metal oksida dan carbon adalah Metal Organic Frameworks (MOFs), seperti ZIF-8 untuk ZnO-Carbon nanoporous. Material metal organic frameworks ini bisa digunakan untuk berbagai macam aplikasi, salah satunya adalah energy storage device seperti pada anoda baterai lithium-ion. Keunggulan dari dari anoda komposit ZnO-Carbon nanoporous berbasis ZIF-8 adalah luas permukaan dan porositas nya yang besar. Luas permukaan dan porositas ini bisa dikontrol sehingga mendukung atau tepat digunakan untuk proses interkalasi ion pada baterai lithium-ion. Pada penelitian ini ZIF-8 disintesis menggunakan logam zinc nitrate hexahydrate dan ligand organik imidazole. Pelarut yang digunakan adalah methanol dan dimethylformamide. Metode yang digunakan adalah non-solvothermal melalui pengendapan pada temperatur ruang selama 1 hari. Setelah diperoleh powder ZIF-8, selanjutnya dikarbonisasi pada temperatur 500, 600, 700° C pada lingkungan gas nitrogen sehingga diperoleh 3 sampel, yaitu ZnO-C 500, ZnO-C 600, dan ZnO-C 700. Jenis karakterisasi yang digunakan adalah XRD, SEM/EDS, TEM, BET, FTIR, dan TGA. Hasilnya menunjukkan pada ZnO-C 500, masih terdapat campuran material organik dari ZIF-8, pada ZnO-C 600 dan ZnO-C 700 sudah terdapat ZnO murni. Jenis kristal ZnO yang terbentuk adalah jenis wuritze golongan hexagonal dimana memiliki parameter yang sama dengan yang ada pada database. Pada ketiga sampel selain terbentuk ZnO-C juga terdapat dopping nitrogen. Morfologi intermediate terdapat pada ZnO-C 500 dan ZnO-C 600, sedangkan morfologi nanospheres terdapat pada ZnO-C 700. Berdasarkan definisi material nano maka ketiga sampel yang dihasilkan termasuk material nano, dimana diameter morfologi terkecil ada pada ZnO-C 700, yaitu 33.44-52.92 nm. Ketiga sampel juga memiliki karakter berpori dengan radius pori berukuran nano. Luas permukanaan dan volume pori terbesar ada pada ZnO-C 700, yaitu 517.67 m2/g dan 1.73 cm3/g. Pengujian Cyclic Voltammetry (CV) dilakukan dengan menggunakan sistem 3 elektroda. Material aktif sebagai working electrode, lithium foil sebagai refference dan counter electrode. Material aktif dibuat dengan menambahkan binder berupa carboxymethyl cellulose dan conductive agent berupa carbon super-p pada komposit ZnO-C hasil sintesis dengan pelarut N-methyl-2-pyrrolidone. Hasil uji CV menunjukkan terbentuknya 3 peak reduksi. Peak pertama terjadi reaksi reduksi pada proses conversion, peak kedua terjadi reaksi reduksi pada proses alloying, dan peak ketiga terjadi reaksi solid electrolyte interface (SEI). Koefisien difusi tertinggi ada pada ZnO-C 700 dengan nilai 3.67 x 10-8 cm2/s. Artinya ZnO-C nanoporous merupakan high performance material untuk anoda. ZnO-C 700 juga memiliki sifat kapasitif tertinggi, yaitu 2.530 Farad. Sifat kapasitif dari ketiga sampel menunjukkan bahwa sifat kapasitif ini dipengaruhi oleh morfologi, porositas, dan luas permukaan material.