Sintesis Dan Karakterisasi Zeolitic Imidazolate Framework-8 (ZIF-8) Serta Aplikasinya Sebagai Elektroda Baterai Litium Ion

Tika Dwi Utari, Fajar Inggit Pambudi, S.Si., M.Sc., Ph.D.;Prof. Eko Sri Kunarti, M.Si., Ph.D.

2024 | Skripsi | KIMIA

Pada penelitian ini, telah dilakukan sintesis dan karakterisasi Zeolitic Imidazolate Frameworks-8 (ZIF-8) yang digunakan sebagai elektroda pada baterai litium ion. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui aktivitas elektrokimia dari ZIF-8 sebagai elektroda baterai litium ion, serta untuk mengetahui interaksi yang terjadi antara ZIF-8 dengan ion litium dalam kerangka ZIF-8. Penelitian diawali dengan mensintesis ZIF-8 menggunakan metode solvotermal, dengan Zn(NO₃)₂.6H₂O dan 2-metilimidazol sebagai prekursor dan metanol sebagai pelarut. Analisis elektrokimia elektroda ZIF-8 dilakukan menggunakan baterai koin setengah sel (half-cell) 2032 dengan lithium foil sebagai elektroda counter. Setelah itu dilakukan juga pemodelan menggunakan metode DFT untuk mengetahui interaksi antara ion litium dengan ZIF-8.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa ZIF-8 berhasil disintesis pada suhu ruang dengan wujud berupa serbuk berwarna putih. Hasil analisis XRD menujukkan ZIF-8 hasil sintesis memiliki kristalinitas tinggi dengan unit sel 16,992 Å dari analisis Le-bail fitting. ZIF-8 hasil sintesis memiliki karakteristik morfologi dedokahedron dan ukuran partikel rata-rata 55-60 nm dengan luas permukaan BET ZIF-8 sebesar 990,9 m²/g. Analisis elektrokimia elektroda ZIF-8 menunjukan reversibilitas yang cukup baik berdasarkan voltamogram. Pada siklus pertama dalam voltamogram muncul puncak Solid Electrolyte Interface (SEI) sekitar puncak 0,005; 0,58; dan 1,28 V. Hasil analisis EIS elektroda ZIF-8 memiliki memiliki Rp sebesar 303 ? memungkinkan terjadinya transfer muatan antara elektrolit dengan elektroda ZIF-8. Hasil perhitungan DFT menunjukkan ion litium yang disisipkan ke dalam ZIF-8 mengakibatkan penyusutan kerangka ZIF-8, sedangkan substitusi ion litium ke dalam kerangka ZIF-8 menyebabkan ekspansi kerangka ZIF-8. Posisi ion Li pada ZIF-8 yang ideal adalah ketika menempel pada atom N gugus imidazol (ZIF-8₂).

In this research, Zeolitic Imidazolate Frameworks-8 (ZIF-8) has been synthesis and analyzed as a lithium-ion battery electrode. This study aims to assess the electrochemical behavior of ZIF-8 as a lithium-ion battery electrode and to understand the interactions that occur between ZIF-8 and lithium ions in the ZIF-8 framework. The research begins by synthesizing ZIF-8 using solvothermal method, with Zn(NO₃)₂.6H₂O and 2-methylimidazole as precursor and methanol as solvent. Electrochemical analysis of ZIF-8 electrodes was carried out using a 2032 half-cell coin battery with lithium foil as the counter electrode. After that, modeling using DFT was carried out to determine the interaction between lithium ions and ZIF-8.

The results showed that ZIF-8 was successfully synthesized at room temperature as a white powder. XRD analysis showed that the synthesized ZIF-8 has high crystallinity with a unit cell of 16,992 Å from the Le-bail fitting analysis. The synthesized ZIF-8 has a characteristic of dodecahedron morphology and an average particle size of 55-60 nm with a BET surface area of 990,9 m²/g. Electrochemical analysis of ZIF-8 electrodes showed good reversibility based on voltammograms. SEI peaks appeared around 0,005; 0,58; dan 1,28 V. The results of EIS analysis of ZIF-8 electrodes have an Rp of 303 ? allowing charge transfer between the electrolyte and the ZIF-8 electrode. The DFT results show that lithium ions inserted into ZIF-8 result in the shrinkage of the ZIF-8 framework. In contrast, substituting lithium ions into the ZIF-8 framework causes the expansion of the ZIF-8 framework. The ideal Li-ion position in ZIF-8 is when it is attached to the nitrogen atom of the imidazole group (ZIF-8₂).

Kata Kunci : Baterai litium ion, DFT, elektroda, ZIF-8