Sintesis Komposit ZIF-8/Karbon Aktif sebagai Anoda Baterai Litium: Analisis Kinerja Baterai dan Studi Interaksi Li-ZIF-8 Melalui Simulasi DFT
Muhammad Bima Yudha SY, Fajar Inggit Pambudi, S.Si., M.Sc., Ph.D. ; Dr. Abdulloh Rifai, S.T., M.Eng.
2025 | Tesis | S2 Ilmu Kimia
Sintesis material anoda hibrida dengan menggabungkan kerangka zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) dan karbon aktif (AC) berbasis biomassa dari limbah pohon kelapa telah berhasil dilakukan dan bertujuan untuk meningkatan kinerja dan efisiensi dari baterai litium. Sintesis material komposit dilakukan secara in-situ dengan mereaksikan 2-metilimidazol, seng nitrat heksahedrat dan karbon aktif dalam pelarut metanol kemudian sebagian komposit hasil sintesis dikalsinasi pada suhu 800 °C, yang bertujuan untuk mempelajari pengaruh kalsinasi suhu tinggi pada struktur ZIF-8. Karakterisasi material dilakukan menggunakan XRD, FTIR, Raman, FE-SEM-EDX, dan TEM. Uji aktivitas elektrokimia dari material yang akan disintesis dilakukan menggunakan CV (0-3 V), EIS (0,01-100 Hz), RC (0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; dan 5 C), GCD (300 siklus) untuk mengetahui kapasitas energi, efesiensi dan daya tahan baterai. Interaksi antara kluster litium dengan ZIF-8 juga dipelajari dengan melakukan perhitungan energi interaksi menggunakan metode DFT.
Sintesis yang dilakukan pada penelitian ini menghasilkan komposit ZIF-8-AC dan ZIF-8-AC-800. Hasil karakterisasi menggunakan XRD, FE-SEM, dan TEM menunjukkan bahwa struktur kristal dodekahedral ZIF-8 tetap terjaga dengan ukuran partikel sekitar 200 nm serta tersebar merata dalam matriks AC. Proses kalsinasi pada suhu 800 °C menghasilkan fase ZnO sebagai produk turunan dari ZIF-8 dan meningkatkan tingkat grafitisasi pada AC, seperti yang ditunjukkan oleh analisis FTIR dan Raman. Studi elektrokimia menunjukkan bahwa ZIF-8-AC-800 memiliki hambatan transfer muatan yang lebih rendah (41,9 ?) dibandingkan dengan ZIF-8-AC (53,3 ?), yang menunjukkan peningkatan konduktivitas akibat proses karbonisasi. Sebagai material anoda dalam baterai litium-ion, ZIF-8-AC-800 mampu memberikan kapasitas spesifik reversibel yang tinggi sebesar 491 mAh g?¹ pada arus 0,1 A g?¹, lebih unggul dibandingkan ZIF-8-AC yang tidak dikalsinasi (223 mAh g?¹), berkat sinergi antara konduktivitas tinggi dari matriks karbon dan aktivitas litiasi dari ZnO. Kedua material juga mampu mempertahankan coulombic efficiency yang tinggi pada jumlah siklus mencapai 300 siklus. Hasil dari perhitungan DFT menunjukkan bahwa interaksi antara kluster litium dan ZIF-8 umumnya lebih disukai pada energi interaksi rendah (Li <5>n, energi deformasi juga meningkat, menunjukkan penurunan relatif dalam stabilitas struktur ZIF-8.
The synthesis of hybrid anode materials by combining zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) and activated carbon (AC) based on biomass from coconut tree waste was successfully carried out with the aims to improve the performance and efficiency of lithium batteries. The synthesis of the composite material was carried out in-situ by reacting 2-methylimidazole, zinc nitrate hexahydrate and activated carbon in methanol solvent then a portion of the synthesized composite was calcined at 800 °C, which aims to study the effect of high temperature calcination on the structure of ZIF-8. Material characterization will be carried out using XRD, FTIR, Raman, FE-SEM-EDX, and TEM. Electrochemical activity tests of the materials to be synthesized are carried out using CV (0-3 V), EIS (0.01-100 Hz), RC (0.1; 0.2; 0.5; 1; 2; and 5 C), GCD (300 cycles) to determine the energy capacity, efficiency and battery life. The interaction between lithium clusters and ZIF-8 was also studied by calculating the interaction energy using the DFT method.
This synthesis performed on this study resulted in ZIF-8-AC composite and ZIF-8-AC-800 calcined version. Characterization results using XRD, FE-SEM, and TEM showed that the dodecahedral crystal structure of ZIF-8 was maintained with a particle size of about 200 nm and evenly distributed in the AC matrix. The calcination process at 800 °C produced ZnO phase as a derivative product of ZIF-8 and increased the degree of graphitization in AC, as shown by FTIR and Raman analysis. Electrochemical studies show that ZIF-8-AC-800 has a lower charge transfer resistance (41.9 ?) compared to ZIF-8-AC (53.3 ?), indicating an increase in conductivity due to the carbonization process. As an anode material in lithium-ion batteries, ZIF-8-AC-800 is able to provide a high reversible specific capacity of 491 mAh g-¹ at a current of 0.1 A g-¹, superior to that of ZIF-8-AC (223 mAh g-¹), thanks to the synergy between the high conductivity of the carbon matrix and the lithiation activity of ZnO. Both materials were also able to maintain high coulombic efficiency at cycle counts reaching 300 cycles. Results from DFT calculations show that the interaction between lithium clusters and ZIF-8 is generally favored at low interaction energies (Li < 5>n cluster increases, the deformation energy also increases, indicating a relative decrease in the stability of the ZIF-8.
Kata Kunci : anoda, baterai litium, karbon aktif, kerangka logam-organik, ZIF-8
