Sintesis N-Doped Hard Carbon dari pati sagu dengan roses karbonisasi hidrotermal dan aktivasi NaNH2

Abstract

Lithium ion batteries (LIBs) merupakan inovasi yang sudah banyak dikenal di dalam dunia teknologi penyimpan energi elektrokimia, sehingga banyaknya permintaan pasar menyebabkan ketersediaan litium tidak dapat memenuhi kebutuhan tersebut. Karena itu, sodium ion batteries (SIBs) telah menjadi salah satu alternatif yang menjanjikan sebagai pengganti baterai litium dengan hard carbon sebagai anodanya. Hard carbon atau biasa disebut non-graphitizable carbon adalah material yang mengandung karbon tetapi tidak mengalami perubahan bentuk menjadi grafit pada temperatur di atas 3000 °C (Dou dkk., 2019). Selain itu, hard carbon sebagai material anoda baterai perlu memiliki konduktivitas listrik yang tinggi. Peningkatan konduktivitas ini dapat dilakukan dengan modifikasi penambahan unsur nitrogen sehingga dihasilkan material N-doped hard carbon. Hard carbon yang dihasilkan dalam percobaan ini berasal dari biomassa yang ramah lingkungan, murah, dan mudah didapat yaitu pati sagu. Penelitian ini terdiri dari 2 jenis tahap, yaitu tahap sintesis dan karakterisasi N-doped hard carbon. Tahap sintesis dibagi menjadi 2 tahap, dimana akan dilakukan penambahan sodamide pada pati dan hydrochar hasil karbonisasi hidrotermal. Sodamide di sini berperan sebagai N-doping dan aktivator. Karbonisasi hidrotermal dilaksanakan dalam autoclave pada temperatur 200 °C selama 24 jam. Variasi jumlah penambahan sodamide dengan pati dan hydrochar bervariasi diantaranya adalah 1:1 dan 1:2. Kemudian, aktivasi termal dilakukan dengan menggunakan furnace dengan temperatur 500 °C dan 700 °C selama 1 jam beserta pengaliran gas nitrogen. Selanjutnya, tahap karakterisasi dilakukan melalui analisis BET, Scanning Electron Microscopy (SEM) dengan Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), dan X-ray Diffraction (XRD) untuk mengetahui sifat-sifat produk N-doped hard carbon yang dihasilkan. Analisis dari produk N-doped hard carbon ini menunjukan sintesis yang melalui proses HTC terlebih dahulu menghasilkan yield lebih sedikit dari proses direct pyrolysis. Namun, sintesis dengan proses HTC tersebut berhasil menghasilkan produk dengan doping nitrogen yang lebih banyak dibanding direct pyrolysis, dimana produk N-doped hard carbon mengandung nitrogen sebesar 0,88 % hingga 1,58 %. Dari analisis SEM, diperoleh produk dari proses melalui HTC memiliki morfologi berupa microspheres, sedangkan produk direct pyrolysis berbentuk flakes dan berpori. Selanjutnya, analisis XRD menunjukan bahwa kedua variasi proses ini menghasilkan N-doped hard carbon dengan interlayer spacing (d002) di rentang 0,363 hingga 0,393 nm, dimana nilai tersebut lebih besar dari d002 grafit yang bernilai 0,335 nm. Maka dari itu, dapat disimpulkan bahwa material N-doped hard carbon dapat memfasilitasi interkalasi ion Na+ sehingga cocok digunakan sebagai material anoda sodium ion batteries.