Potensi Tersembunyi Sekam Padi dalam Mendukung Pengembangan Teknologi Baterai

Potensi Tersembunyi Sekam Padi dalam Mendukung Pengembangan Teknologi Baterai: Hasil Penelitian Mahasiswa Universitas Diponegoro dalam Kegiatan MBKM di Badan Riset dan Inovasi Nasional

Siapa yang tidak mengenal sekam padi? Sekam padi adalah lapisan keras yang harus digiling terlebih dahulu untuk dipisahkan dari berasnya[1], yang kemudian beras tersebut menjadi nasi yang kita makan sehari-hari. Bagi kebanyakan orang, sekam padi hanya akan digunakan sebagai pakan ternak, atau paling banter menjadi "arang" untuk dibakar[1]. Namun, siapa sangka di dalam sekam padi yang sering dipandang sebelah mata ini, terdapat potensi tersembunyi yang dapat mendukung pengembangan energi, dalam hal ini adalah baterai. Yup, Anda tidak salah baca, mengejutkan bukan?

Potensi sekam padi untuk mendukung pengembangan baterai terungkap dalam sebuah penelitian yang dilakukan oleh mahasiswa Universitas Diponegoro dalam kegiatan MBKM di Badan Riset dan Inovasi Nasional. Menurut penelitian, sekam padi mengandung selulosa, hemiselulosa, dan lignin[2]. Ketiga kandungan tersebut pada dasarnya adalah unsur karbon[3]. Karbon merupakan unsur yang sangat penting, membentuk hampir sepuluh juta unsur senyawa yang ada[4].

Unsur karbon yang berasal dari sekam padi akan digunakan sebagai prekursor suatu bahan dengan dimensi mikroskopis, yaitu karbon kuantum dot. Karbon kuantum dot merupakan bahan baru berdimensi nol yang canggih dengan ukuran kurang dari 10nm[3]. Karbon kuantum dot memiliki keunggulan, antara lain biokompatibilitas[5], mudah larut dalam air[6], tidak beracun[7], dan dapat berpendar[8]. Karbon kuantum dot dapat menjadi alternatif baru dalam mengoptimalkan pengembangan baterai dibandingkan dengan karbon biasa. Bagaimana bisa?

Dalam hal ini, baterai isi ulang mengalami tekanan terhadap permintaan konversi energi, yang menyebabkan perlunya eksplorasi baru terkait penyimpanan energi secara elektrokimia[9]. Dibutuhkan baterai isi ulang dengan karakteristik keamanan yang baik, biaya rendah, dan efisiensi yang tinggi[9]. Baterai isi ulang yang ada saat ini adalah baterai lithium-ion. Baterai lithium-ion dapat dioptimalkan dengan mencari bahan alternatif untuk elektroda dan elektrolit[10]. Di sinilah peran karbon kuantum dot masuk.

Tidak seperti karbon biasa, karbon kuantum dot dapat menjadi bahan alternatif karena efisiensinya dalam penyimpanan muatan, siklus hidup yang panjang, gugus fungsi permukaan yang banyak, keterbasahan antarmuka yang tinggi, dan luas permukaan yang spesifik. Hal ini dikarenakan karbon quantum dot memiliki komposisi dan struktur yang beragam dan kompatibel dengan bahan elektroda[11].

Metode untuk mensintesis sekam padi menjadi karbon kuantum dot disebut dengan metode hidrotermal[12]. Metode hidrotermal sendiri merupakan metode yang menggunakan reaksi kimia dalam air dengan bejana bertekanan tertutup, yang sebenarnya merupakan jenis reaksi yang memanfaatkan temperatur dan tekanan tinggi[13]. Metode hidrotermal dipilih karena mudah, efisien, dan ramah lingkungan[12].

Hasil penelitian yang didapat, menyimpulkan bahwa sekam padi memiliki potensi untuk mendukung kemajuan baterai, dimana sekam padi telah berhasil disintesis menjadi karbon kuantum dot yang memiliki sifat amorf yang baik untuk bahan elektroda baterai lithium[14]. Karbon kuantum dot hasil sekam padi menunjukkan nilai konduktivitas listrik -- yang mengindikasikan seberapa baik suatu bahan elektroda[15] -- memperlihatkan perbedaan yang tidak signifikan dengan bahan semikonduktor lainnya[15]. Karbon kuantum dot dari sekam padi juga memiliki potensi untuk menjadi elektrolit, dengan nilai konduktivitas ioniknya yang menunjukkan hasil yang lebih baik daripada elektrolit yang sering digunakan sebagai elektrolit cair[16] dan mendekati nilai dari elektrolit padat[17]. Berdasarkan hasil ini, sekam padi dapat menjadi bahan alternatif baru untuk aplikasi baterai lithium-ion mengingat potensinya sebagai prekursor karbon kuantum dot.

*Catatan: Hasil riset lengkapnya hadir pada paper yang akan diterbitkan segera (link akan disertakan nantinya)

Referensi:

[1]      Xu QT, Li JC, Xue HG, Guo SP. Binary iron sulfides as anode materials for rechargeable batteries: Crystal structures, syntheses, and electrochemical performance. J Power Sources. 2018 Mar 1;379:41--52.

[2]      Astuti ES, Sonief AA ad, Sarosa M, Ngafwan N, Wardana ING. Synthesis, characterization and energy gap of silica quantum dots from rice husk. Bioresour Technol Reports [Internet]. 2022;20(167):101263. Available from: https://doi.org/10.1016/j.biteb.2022.101263

[3]      Das R, Bandyopadhyay R, Pramanik P. Carbon quantum dots from natural resource: A review. Mater Today Chem [Internet]. 2018;8:96--109. Available from: https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2018.03.003

[4]      Chemistry Operations. Carbon [Internet]. Los Alamos National Laboratory. [cited 2022 Aug 18]. Available from: https://www.lanl.gov/errors/service-unavailable.php

[5]      Zhu S, Song Y, Zhao X, Shao J, Zhang J, Yang B. The photoluminescence mechanism in carbon dots (graphene quantum dots, carbon nanodots, and polymer dots): current state and future perspective. Nano Res. 2015;8(2):355--81.

[6]      Lin X, Xiong M, Zhang J, He C, Ma X, Zhang H, et al. Carbon dots based on natural resources: Synthesis and applications in sensors. Microchem J [Internet]. 2021;160(PA):105604. Available from: https://doi.org/10.1016/j.microc.2020.105604

[7]      Hasan AMM, Hasan MA, Reza A, Islam MM, Susan MABH. Carbon dots as nano-modules for energy conversion and storage. Mater Today Commun [Internet]. 2021;29(July):102732. Available from: https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102732

[8]      Sutanto H, Alkian I, Romanda N, Lewa IWL, Marhaendrajaya I, Triadyaksa P. High green-emission carbon dots and its optical properties: Microwave power effect. Vol. 10, AIP Advances. 2020.

[9]      Guo R, Li L, Wang B, Xiang Y, Zou G, Zhu Y, et al. Functionalized carbon dots for advanced batteries. Energy Storage Mater. 2021;37(January):8--39.

[10]    Purwamargapratala Y, Safitri, Fakhriyah; J, Nursanto BE, Jodi H, Kartini E, et al. Effect of ammonia on the synthesis of NMC 541 cathode materials with the sol-gel method. J Sains Mater Indones. 2019;XX(Xx):1--9.

[11]    Song TB, Huang ZH, Niu XQ, Liu J, Wei JS, Chen XB, et al. Applications of Carbon Dots in Next-generation Lithium-Ion Batteries. ChemNanoMat. 2020;6(10):1421--36.

[12]    Ma H, Sun C, Xue G, Wu G, Zhang X, Han X, et al. Facile synthesis of fluorescent carbon dots from Prunus cerasifera fruits for fluorescent ink, Fe 3+ ion detection and cell imaging. Spectrochim Acta - Part A Mol Biomol Spectrosc [Internet]. 2019;213:281--7. Available from: https://doi.org/10.1016/j.saa.2019.01.079

[13]    Chand N, Fahim M. Natural fibers and their composites. Tribol Nat Fiber Polym Compos. 2021 Jan 1;1--59.

[14]    Parekh MH, Parikh VP, Kim PJ, Misra S, Qi Z, Wang H, et al. Encapsulation and networking of silicon nanoparticles using amorphous carbon and graphite for high performance Li-ion batteries. Carbon N Y [Internet]. 2019;148:36--43. Available from: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.03.037

[15]    Purwamargapratala Y, Sari CN, Kartini E, Zulfia A, Giyatmi, Sujatno A, et al. Effect of yttrium oxide (Y2O3) on the conductivity of LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM 523) as lithium-ion batteries cathode material. AIP Conf Proc. 2021;2381(Ncm 523):0--6.

[16]    Kumar S, Goswami M, Singh N, Sathish N, Reddy M V., Kumar S. Exploring carbon quantum dots as an aqueous electrolyte for energy storage devices. J Energy Storage [Internet]. 2022;55(PB):105522. Available from: https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105522

[17]    Purwamargapratala Y, Syahrial AZ, Panca Putra TYS, Kartini E, Jodi H. The Conductivity Enhancement of 1.5Li2 O-P2O5 Solid Electrolytes by Montmorillonite Addition. Int J Renew Energy Dev. 2023;12(1):186--92.