Katoda Daun Karbonisasi dengan Selenium Difusi Leleh untuk Baterai Natrium-Selenium Berkinerja Tinggi

Pendahuluan

Lonjakan elektronik portabel dan kendaraan listrik membutuhkan baterai yang menggabungkan densitas energi tinggi dengan stabilitas jangka panjang. Baterai ion lithium mendominasi saat ini, namun biaya dan keterbatasan sumber daya mereka membatasi skalabilitas. Baterai ion natrium (SIB) muncul sebagai alternatif yang menarik, memanfaatkan sumber daya Na yang melimpah dan potensi elektrokimia yang serupa. Di antara kimia SIB, sel natrium-selenium (Na-Se) telah menarik perhatian baru karena konduktivitas elektron superior selenium (10⁻³ S cm⁻¹) dan densitas energi teoretis tinggi (~3.3 kWh kg⁻¹). Namun, shutle poliselenide, serupa dengan masalah polisulfida dalam baterai Li-S, menghambat usia siklus. Mengenkapsulasi Se dalam karbon poros konduktif adalah strategi yang terbukti untuk menekan shutle ini. Pendekatan tradisional bergantung pada sintesis multi-tahap yang kompleks dan aditif berbahaya, sedangkan biomassa terbarukan—seperti daun—menawarkan prekursor karbon kaya heteroatom dan poros hierarkis yang dapat diproses dalam satu tahap roda tunggal. Di sini, kami melaporkan katoda Se-impregnasi bebas berdiri daun yang mencapai 84 % kapasitas teoretis selenium dan kemampuan laju yang luar biasa, membuka jalan untuk baterai Na-Se berkelanjutan dan berkinerja tinggi.

Metode

Persiapan Daun Karbonisasi

Wafer daun kering (diameter 17 mm) di-seal di antara slide keramik untuk mencegah keriting selama pirolisis. Wafer dikarbonisasi pada 800 °C selama 2 jam di bawah N₂ (ramp 5 °C min⁻¹). Film R800 yang dihasilkan dicuci asam dalam 3 M HCl (12 jam) untuk menghilangkan garan anorganik, kemudian diobati dengan 1 M KOH (12 jam) dan diaktifkan pada 600 °C selama 2 jam di bawah N₂, menghasilkan R800A poros. Sampel dicuci dengan air deion dan dikeringkan pada 70 °C.

Persiapan Se-R800A

Lapisan serbuk Se ditempatkan dalam perahu porsele; film R800A digantung di atasnya dalam tabung terseal. Dengan rasio berat Se:C 2:1, Se dilelehkan pada 260 °C di bawah N₂ selama 10 jam untuk mempromosikan difusi uap ke dalam matriks karbon. Muatan Se akhir dikuantifikasi oleh TGA.

Karakterisasi Material

Morfologi diperiksa dengan SEM, FE-SEM, dan TEM. Struktur dan spektrum Raman diperoleh dengan XRD (Cu-Kα) dan mikroskop Raman Renishaw. Isoterm adsorpsi-desorpsi N₂ (BELSORP-max) memberikan luas permukaan BET dan distribusi pori. XPS (Thermo K-Alpha⁺) menilai status kimia.

Pengukuran Elektrokimia

Sel koin (CR2032) dirakit dalam kotak saraf Ar (O₂/H₂O < 1 ppm). Foil Na berfungsi sebagai elektroda lawan; pemisah Whatman GF; elektrolit 1 M NaClO₄ dalam EC/DEC (1:1). Film Se-R800A digunakan secara langsung sebagai katoda, tanpa perekat atau aditif konduktif. CV dicatat pada CHI660D; uji charge-discharge galvanostatis (0.005–3.0 V) dilakukan pada Land CT-2001A. EIS (CHI 760D) mengukur impedansi (5 mV, 10⁻²–10⁵ Hz). GITT menilai difusi Na⁺ dengan langkah charge-discharge 10 menit diikuti oleh istirahat 40 menit. Semua kapasitas dihitung per massa Se.

Hasil dan Pembahasan

Pembuatan Se-R800A. Elektroda bebas berdiri dihasilkan melalui pirolisis berturut-turut, aktivasi KOH, dan impregnasi uap Se (Gambar 1). Setelah karbonisasi pada 800 °C, wafer menyusut secara modest (17 mm → 12 mm) tetapi menipis secara dramatis (800 µm → 240 µm) dengan penurunan berat 74 %. Aktivasi KOH mengurangi massa sekitar 9 %, sementara impregnasi Se meningkatkan 90 % (Gambar 1d,e). Strategi difusi leleh memastikan distribusi Se yang seragam tanpa partikel terisolasi.

Mikrostruktur. Citra optik dan SEM mengungkapkan bahwa daun mempertahankan poros hierarkis alaminya: permukaan atas datar, sisi belakang kaya stomata, dan spons internal dari sel palisade dan spongy (Gambar 2). TEM silang menunjukkan lapisan karbon tumpang tindih (< 100 nm) yang mempersingkat jalur difusi Na⁺. Elektroda Se-R800A mempertahankan arsitektur ini; HRTEM mengonfirmasi garis jaring (0.2 nm) yang sesuai dengan bidang Se (111), yang menunjukkan infiltrasi yang berhasil.

Pemetaan Elemen. Pemetaan EDX (Gambar 3) menunjukkan distribusi Se yang seragam di seluruh film, dengan N dan O dari biokarbon yang lebih lanjut estabilisasi poliselenida melalui doping heteroatom.

Analisis Struktural. Pola XRD (Gambar 4a) menunjukkan hilangnya puncak kristal Se, mengonfirmasi dispersi Se amorf. Spektrum Raman (Gambar 4b) menunjukkan puncak legang C–Se stretching (250–300 cm⁻¹) dan rasio I_D/I_G sebesar 0.92, yang menunjukkan grafitasi sedang dan konduktivitas tinggi. Luas permukaan BET meningkat dari 270 m² g⁻¹ (R800) menjadi 934 m² g⁻¹ (R800A), lalu menurun menjadi 434 m² g⁻¹ setelah pemuatan Se, yang mencerminkan pengisian pori. TGA mengungkapkan kandungan Se 47 % dalam Se-R800A. XPS mengonfirmasi ikatan Se–O–C, yang menancarkan Se dan menekan shutle.

Kinerja Elektrokimia. CV (Gambar 5a) menunjukkan satu puncak katodik pada ~1.2 V (Se → Na₂Se) dan satu puncak anodik pada 1.7 V (Na₂Se → Se), yang menunjukkan konversi reversible satu langkah dan penekanan shutle yang efektif. Kurva galvanostatis (Gambar 5b) menunjukkan kapasitas discharge awal 1,100 mAh g⁻¹, menetap menjadi 700 mAh g⁻¹ setelah beberapa siklus. Selama 120 siklus pada 100 mA g⁻¹, elektroda mempertahankan 520 mAh g⁻¹ (84 % dari teoretis). Uji laju (Gambar 5d) memberikan 745, 674, 655, 610, 573, dan 486 mAh g⁻¹ pada 20–600 mA g⁻¹, dan luar biasa 300 mAh g⁻¹ setelah 500 siklus pada 2 A g⁻¹ (Gambar 5e), outperforming sebagian besar katoda karbon-Se.

Impedansi dan Difusi. EIS (Gambar 6a) menunjukkan resistensi transfer muatan (R_ct) dan difusi ion (R_id) yang lebih rendah untuk Se-R800A, yang disebabkan oleh kerangka mikropori dan konduktivitas yang diinduksi Se. GITT (Gambar 6d) menghasilkan koefisien difusi Na⁺ sekitar 10⁻¹⁶ cm² s⁻¹, yang lebih tinggi dari R800 atau R800A saja.

Stabilitas Siklus. SEM pasca-siklus (Gambar 7) mengonfirmasi integritas struktural Se-R800A setelah 500 siklus; pori hierarkis daun dan doping heteroatom mempertahankan morfologi dan menekan migrasi poliselenida.

Kesimpulan

Katoda daun impregnasi Se difusi leleh menunjukkan bahwa elektroda bebas perekat yang berasal dari biomassa dapat mencapai kapasitas tinggi, kemampuan laju yang excellent, dan siklus yang tahan lama dalam baterai Na-Se. Dengan kapasitas reversible 520 mAh g⁻¹ pada 100 mA g⁻¹ dan 300 mAh g⁻¹ pada 2 A g⁻¹ setelah 500 siklus, arsitektur bebas berdiri ini menawarkan alternatif berkelanjutan dan berkinerja tinggi terhadap material elektroda konvensional.

Singkatan

BET:

Brunauer-Emmett-Teller

CV:

Voltametri siklik

DEC:

Karbonat dietil

EC:

Karbonat etilena

EIS:

Spektroskopi impedansi elektrokimia

FESEM:

Mikroskopi elektron skaning emisi medan

GITT:

Teknik titrasi intermiten galvanostatis

LIBs:

Baterai ion lithium

Li‑S:

Lithium-sulfur

Na‑Se:

Natrium-selenium

SEI:

Antarmuka elektrolit padat

SEM:

Mikroskopi elektron skaning

SIBs:

Baterai ion natrium

TEM:

Mikroskopi elektron transmisi

TGA:

Analisis termogravimetrik

XPS:

Spektroskopi fotoelektron X-ray

XRD:

Difraksi X-ray