Sintesis komposit karbon sulfur dari jerami padi menggunakan karbonisasi hidrotermal dan aktivasi kimia

Abstract

Baterai litium sulfur (Li-S) merupakan baterai masa depan yang memiliki kepadatan daya dan kepadatan energi yang tinggi untuk menggantikan baterai litium ion yang saat ini digunakan dalam sistem penyimpanan energi. Baterai ini menggunakan sulfur sebagai katoda. Namun, sulfur membutuhkan struktur kerangka untuk meningkatkan konduktivitas dan meminimalkan efek ekspansi volume selama proses charging dan discharging. Kerangka ini berupa karbon aktif yang dapat disintesis dari biomassa berlignoselulosa tinggi seperti jerami padi. Penelitian ini terfokus pada pemanfaatan karbon aktif sebagai kerangka difusi sulfur pada katoda baterai litium sulfur. Tujuan dari penelitian ini adalah menghasilkan karbon aktif dengan luas permukaan dan porositas tinggi yang dilakukan komposit karbon sulfur sehingga berguna sebagai katoda baterai litium sulfur. Penelitian ini dilakukan sintesis karbon aktif dari jerami padi dengan karbonisasi hidrotermal dalam autoklaf teflon pada temperatur 200 °C selama 24 jam dan dilanjutkan aktivasi kimia menggunakan KOH dan H3PO4 dengan memvariasikan rasio massa hydrochar dengan zat pengaktif (1:2 dan 1:4) yang dipanaskan pada temperatur 900 °C selama 1 jam. Karbon aktif yang dihasilkan dikarakterisasi menggunakan metode SEM/EDX untuk karakterisasi morfologi dan komposisi atomik serta XRD untuk karakterisasi struktur kristal. Karbon aktif kemudian dilakukan sintesis komposit karbon sulfur dengan metode melt-diffusion pada temperatur 155 °C selama 3 jam. Hasil sintesis komposit karbon sulfur juga dikarakterisasi lebih lanjut untuk digunakan sebagai katoda dalam baterai litium sulfur. Peningkatan rasio impregnasi zat pengaktif KOH menghasilkan perolehan massa yang lebih kecil dan morfologi karbon aktif yang lebih berpori dengan pelebaran pada permukaannya. Akan tetapi, peningkatan rasio impregnasi zat pengaktif H3PO4 tidak memberikan pengaruh yang signifikan terhadap perolehan massa karbon aktif, namun menghasilkan morfologi yang lebih berpori. Penggunaan zat pengaktif KOH menghasilkan perolehan massa yang lebih rendah dan morfologi yang lebih berpori dibandingkan penggunaan zat pengaktif H3PO4. Profil XRD terhadap keempat karbon aktif yang dihasilkan menunjukkan struktur amorf yang ditandai dengan puncak lebar pada 2θ 24° dan 43°. Komposit karbon sulfur yang dilakukan pada karbon aktif HAC-K4 menghasilkan struktur kristalin yang ditunjukkan oleh puncak-puncak tajam yang menyerupai sulfur pada profil XRD.