Anoda Karbon Nanoporos Berbasis Batang Ganja untuk Baterai Litium-Ion Kapasitas Tinggi
Abstrak
Batang ganja, limbah biomass yang melimpah dan murah, menawarkan jalur yang menjanjikan untuk materi anoda berkinerja tinggi. Dalam studi ini, kami menyiapkan karbon aktif (AC) dari batang ganja melalui karbonisasi suhu rendah diikuti dengan aktivasi ZnCl2 pada 500–800 °C. Arsitektur fibrous alami ganja menghasilkan karbon berpori tinggi dengan terutama mikropori, complemented oleh meso- dan makropori. Sebagai anoda baterai litium-ion, AC memberikan kapasitas reversibel 495 mAh g–1 setelah 100 siklus pada 0,2 C, melebihi grafit dan unggul dibandingkan karbon tidak diaktivasi (UAC) karena distribusi pori yang dioptimalkan. Karya ini menunjukkan pendekatan yang biaya rendah dan dapat diskalakan untuk memproduksi anoda kapasitas tinggi dari limbah terbarukan.
Pendahuluan
Limbah biomass, seperti batang ganja, tetap sebagian besar belum digunakan meskipun potensinya sebagai materi fungsional. Karbon aktif yang berasal dari sisa tanaman telah dieksplorasi untuk adsorpsi, penyimpanan hidrogen, dan elektroda superkapasitor [1–9]. Pentingnya, anoda karbon untuk baterai litium-ion telah muncul sebagai aplikasi utama dari karbon yang berasal dari biomass [10–17]. Misalnya, bola grafik hollow yang dibuat melalui emulsi kantong minyak menunjukkan penyimpanan litium yang luar biasa, sementara karbon aktif mesopor dari tangkai jagung memberikan kapasitas reversibel 504 mAh g–1 setelah 100 siklus pada 0,2 C [11]. Kemajuan terbaru mencakup serat karbon dari bambu yang mencapai 627,1 mAh g–1 selama 100 siklus [18]. Keberhasilan ini menyoroti limbah biomass sebagai sumber subur dari materi energi tinggi. Ganja (Cannabis sativa) adalah tanaman hijau, hasil tinggi dengan kultivasi yang semakin meluas di seluruh dunia. Selain serat dan bio-bahan bakar, sisa ganja telah menemukan penggunaan dalam agregat beton [24,25], biokomposit [26], dan bahkan produksi etanol [27]. Namun, batang—sering dibuang sebagai limbah—tetapi sebagian besar belum digunakan. Porositas inheren dan jaringan fibrous mereka menjadikan mereka calon yang menarik untuk sintesis karbon poros. Pekerjaan sebelumnya telah menunjukkan bahwa batang ganja menghasilkan karbon aktif dengan luas permukaan besar dan kapasitas adsorpsi yang utm [28–35]. Namun, aplikasi mereka sebagai anoda baterai litium-ion belum pernah dilaporkan. Studi ini menyelidiki performa elektrokimia AC yang berasal dari batang ganja, mengungkapkan bahwa struktur pori alami dan proses aktivasi secara sinergis meningkatkan kemampuan penyimpanan litium. Hasil materi ini menawarkan jalur biaya rendah dan nilai tinggi menuju anoda baterai generasi depan.
Metode
Persiapan Karbon Aktif Berbasis Batang Ganja
Batang ganja mentah dikumpulkan dari Provinsi Heilongjiang, dibersihkan, dikering pada 60 °C, dan digiling menjadi bubuk. Bubuk dikarbonisasi pada 300 °C selama 3 jam di bawah argon (5 °C min–1) untuk menghilangkan volatil. Selanjutnya, dicampur dengan ZnCl2 (rasio massa 1:5) dan diaktivasi dalam tabung furnace pada 500–800 °C selama 3 jam, kemudian pendingin ke suhu kamar. Setelah aktivasi, produk digiling, dicuci dalam HCl 2 M selama 24 jam untuk menghilangkan residu anorganik, dan dicuci berulang dengan air deion hingga pH netral. Sampel diberi label AC-λ, di mana λ menunjukkan suhu aktivasi. Sampel referensi, karbon tidak diaktivasi (UAC), disiapkan dengan karbonisasi pada 600 °C tanpa ZnCl2.
Karakterisasi Bahan
Diffraksi X-ray (XRD) dilakukan pada diffractometer Siemens D5000 menggunakan radiasi Cu Kα. Spektrum Raman dicatat pada spektrometer Renishaw invia. Morfologi diperiksa melalui mikroskop elektron pencabutan emission field (JEOL JSM-6700F) dan mikroskop transmisi elektron (TEM, JEM-2100F). Luas permukaan spesifik dan distribusi ukuran pori diukur melalui adsorpsi-desorpsi nitrogen (Micromeritics ASAP2420) dengan analisis BET dan BJH.
Pengukuran Elektrokimia
Slurry elektroda disiapkan dengan mencampur materi aktif, asetilen hitam, dan PVDF dalam rasio massa 8:1:1 dengan N-metil-2-pironidon (NMP). Setelah diaduk, slurry dilapisi pada folium tembaga dan dikering pada 120 °C di bawah vakum selama 12 jam. Sel koin (CR2032) dirangkai dalam glove box argon (<0,1 ppm H2O dan O2) menggunakan elektroda kontra logam litium, pemisah polipropilena, dan elektrolit EC:DMC:EMC (1:1:1 v/v) yang mengandung 1 M LiPF6. Uji siklus dilakukan dengan sistem baterai LAND dari 0,02 hingga 3 V. Voltametri siklik (CV) dan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan pada stasiun elektrokimia.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1 menggambarkan transformasi dari batang ganja mentah ke AC akhir. Citra SEM (Gambar 1c–d) mengungkapkan bahwa UAC terdiri dari matriks besarnya amorf dengan porositas terbatas, sedangkan AC-600 menunjukkan arsitektur seperti celah berlapis yang meningkatkan luas permukaan dan situs aktif. TEM dan HRTEM (Gambar 2c–d) mengonfirmasi bahwa AC-600 memiliki densitas mikropori yang lebih tinggi dibandingkan UAC, sesuai dengan performa elektrokimia yang superior.
a Bubuk batang ganja. b Karbida batang ganja. c Citra SEM UAC. d Citra SEM AC
a Pola TEM UAC. b Pola TEM AC. c Pola HRTEM UAC. d Pola HRTEM AC
Pola XRD (Gambar 3a) menunjukkan puncak lebar pada 22°, karakteristik dari refleksi (002) dalam grafik tidak teratur, dan puncak lemah 44° yang dikaitkan dengan domain sarang lebah sp2, yang mengonfirmasi sifat keduanya yang amorf. Spektrum Raman (Gambar 3b) mengungkapkan rasio ID/IG sebesar 1,15 (UAC) dan 1,17 (AC), yang menunjukkan densitas defek yang tinggi dan banyak situs tepi yang memfasilitasi penyerapan litium.
a Pola difraksi X-ray. b Spektrum Raman UAC dan AC
Analisis serapan nitrogen (Gambar 4) mengonfirmasi isoterm tipe I dengan loop histeresis H4 yang terlihat, yang menunjukkan mikropori yang melimpah dan mesopori seperti celah. AC memiliki luas permukaan BET 589,54 m2 g–1, volume pori 0,332 cm3 g–1, dan diameter pori rata-rata 2,25 nm. Porositas hierarki ini meningkatkan transportasi ion dan penyimpanan muatan.
Kurva adsorpsi-desorpsi isotherma AC (ilustrasi adalah distribusi ukuran pori)
Performa elektrokimia diringkas pada Gambar 5. Pada 0,2 C, AC-600 memberikan kapasitas reversibel 495,4 mAh g–1 setelah 100 siklus, melebihi teoritis grafit 372 mAh g–1 dan unggul dibandingkan UAC (≈313 mAh g–1). Kapasitas pengisian pertama adalah 2469,7 mAh g–1 karena pembentukan SEI awal; efisiensi Coulomb stabil mendekati 100 % setelah siklus pertama. Uji kemampuan laju (Gambar 5d) menunjukkan AC-600 mempertahankan 65,2 mAh g–1 pada 5 C, dan pulih menjadi 416,3 mAh g–1 saat kembali ke 0,2 C, yang menekankan kinetika yang robust.
a Kurva performa siklus berbagai materi. b, c Kurva tegangan pengisian-pengosongan UAC dan AC-600. d Performa laju UAC dan AC-600
TEM pasca-siklus (Gambar 6) mengungkapkan gangguan parsial permukaan pada AC-600, mengungkap pori internal dan menunjukkan bahwa aktivasi yang terlalu agresif dapat mengurangi integritas permukaan, yang mengarah pada penurunan kapasitas ringan. Spektra EIS (Gambar 7a–b) menunjukkan hambatan transfer muatan yang lebih rendah untuk AC-600 relatif terhadap UAC, yang mencerminkan difusi litium yang melalui pori hierarki. Kurva CV (Gambar 7c–d) menunjukkan pembentukan SEI yang tidak dapat diubah dalam siklus pertama (puncak pada 0,7 V dan 1,35 V) diikuti oleh interkalasi/deinterkalasi stabil pada ~0,25 V. Siklus berikutnya menunjukkan pemindaian yang tumpang tindih, yang mengonfirmasi stabilitas elektroda.
Pola TEM materi elektroda yang habis digunakan setelah siklus
a Spektra impedansi AC-600. b Spektra impedansi UAC. c Profil voltamogram siklik AC-600. d Profil voltamogram siklik UAC
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan bahwa karbon aktif yang berasal dari batang ganja, yang dihasilkan melalui karbonisasi suhu rendah dan aktivasi ZnCl2, merupakan anoda yang viable untuk baterai litium-ion. AC yang enak memiliki luas permukaan BET tinggi (589,54 m2 g–1) dan jaringan pori hierarki yang didominasi oleh mikropori, yang mendasari kapasitas reversibel 495 mAh g–1 setelah 100 siklus pada 0,2 C. Dibandingkan dengan karbon tidak diaktivasi, langkah aktivasi secara signifikan meningkatkan kapasitas, performa laju, dan stabilitas siklus. Meskipun ada kerusakan permukaan ringan dari aktivasi yang agresif, metode ini menawarkan jalur yang dapat diskalakan dan biaya rendah untuk mengubah limbah ganja menjadi materi baterai bernilai tinggi, meningkatkan pemanfaatan sumber daya terbarukan dan teknologi penyimpanan energi.
Ketersediaan Data dan Bahan
Kesimpulan yang diambil dalam naskah ini didasarkan pada data yang disajikan di sini.
