Berita SMM 24 April:
Menurut data terbaru dari General Administration of Customs, volume impor arang cangkang pada Maret 2025 mencapai 9.871,1 ton, naik 11% MoM tetapi turun 40,5% YoY. Harga impor rata-rata arang cangkang pada Maret adalah $492,39/ton.
Arang cangkang yang diimpor memiliki berbagai aplikasi domestik, termasuk penyerapan dan penyucian industri, penyucian air, perbaikan tanah, dan penggunaan sebagai anoda karbon keras dalam sel baterai ion natrium. Cangkang kelapa, sebagai limbah pertanian, dengan struktur poros alami dan kandungan karbon tinggi (sekitar 50%), menyediakan prekursor ideal untuk produksi karbon keras. Dibandingkan dengan bahan baku tradisional seperti kokas minyak, karbon keras berbasis cangkang kelapa menawarkan keunggulan signifikan seperti biaya rendah, keberlanjutan (produksi global cangkang kelapa melebihi dua puluh juta ton per tahun), dan ramah lingkungan. Lalu bagaimana arang cangkang kelapa berubah menjadi anoda karbon keras?
Langkah-1: Modifikasi Arang Cangkang Kelapa
Tahap Pra-Pemrosesan
Setelah menghancurkan dan menyaring cangkang kelapa hingga 20-40 mesh, metode "asam-basa dua langkah" digunakan untuk menghilangkan kotoran: pertama, merendam dalam larutan NaOH 5% pada 80°C selama 12 jam untuk menghilangkan abu, kemudian pencucian asam dengan larutan HCl 3% untuk menghilangkan ion logam, dan akhirnya mendapatkan bubuk cangkang kelapa dengan kadar air < 2% melalui teknologi pengeringan kilat. Proses ini mengurangi kandungan abu dari awal 3,5% menjadi di bawah 0,3%.
Proses Aktivasi dan Pembentukan Poros
Metode aktivasi KOH digunakan untuk membangun struktur poros hierarkis: bubuk cangkang kelapa dicampur dengan KOH dalam rasio 1:3, dipanaskan hingga 800°C dengan laju 5°C/menit dalam atmosfer nitrogen, dan ditahan selama 2 jam. Selama proses ini, KOH bereaksi dengan karbon (6KOH + 2C → 2K + 3H₂↑ + 2K₂CO₃), dan gas CO₂ yang dihasilkan menggerogoti rangka karbon, membentuk struktur mesopor dengan luas permukaan spesifik 1.200-1.500 m²/g.
Karbohidrasi Suhu Tinggi dan Stabilisasi
Produk yang diaktifkan menjalani karbohidrasi sekunder dalam atmosfer inert pada 1.200-1.400°C, membentuk struktur karbon keras stabil dengan mengontrol laju pemanasan (10°C/menit) dan waktu tahan (4 jam). Pada tahap ini, derajat grafitisasi (La) meningkat dari awal 2,1 nm menjadi 3,5 nm, dan jarak antar lapisan (d002) stabil pada 0,37-0,39 nm, memenuhi persyaratan interkalasi ion natrium.
Optimasi Teknik Rekayasa Permukaan
Teknologi "lapisan bifungsional karboksil-karbonyl" digunakan untuk meningkatkan kinerja antarmuka: bubuk karbon keras didispersi secara ultrasonik dengan asam sitrat (rasio massa 1:0,1) dalam larutan etanol selama 2 jam, dikeringkan vakum (120°C, 12 jam), dan kemudian diberi perlakuan panas dalam atmosfer argon pada 400°C selama 2 jam. Analisis XPS menunjukkan bahwa lapisan pelapis memperkenalkan 0,8 at% ikatan C=O, mengurangi impedansi film SEI dari 320 Ω menjadi 120 Ω.
Langkah-2: Persiapan Elektroda dan Pengujian Kinerja
Karbon keras yang dimodifikasi (80%), Super P (10%), dan PVDF (10%) dicampur menjadi slurry dalam NMP, dilapiskan pada foil tembaga (densitas areal 1,5 mg/cm²), dan dikeringkan vakum pada 80°C selama 12 jam untuk membentuk elektroda. Dalam pengujian setengah sel, anoda karbon keras ini menunjukkan kapasitas reversibel 280 mAh/g, dengan efisiensi Coulomb awal meningkat menjadi 85%, dan tingkat retensi kapasitas 92% setelah 200 siklus. Ketika dipasangkan dengan katoda fosfat besi natrium, kepadatan energi sel penuh mencapai 105 Wh/kg, dengan umur siklus melebihi 1.500 siklus.
Langkah-3: Terobosan Teknologi Kunci untuk Industrialisasi
Peralatan Produksi Kontinyu: Tungku karbohidrasi bantu mikro gelombang dikembangkan, mengurangi siklus produksi dari 24 jam dalam proses tradisional menjadi 6 jam, dengan pengurangan konsumsi energi 40%.
Sistem Modifikasi Cerdas: Berdasarkan algoritma pembelajaran mesin, kontrol presisi rasio aktivator (KOH/C) dan suhu karbohidrasi dicapai, meningkatkan stabilitas batch produk menjadi 98%.
Elektrolit Biaya Rendah: Sistem campuran etilen karbonat (EC)/dimetil karbonat (DMC)/etil metil karbonat (EMC)=3:3:4 digunakan, dikombinasikan dengan garam 1,2 M NaClO4, mengurangi biaya sebesar 60% dibandingkan garam litium tradisional.
Saat ini, karbon keras berbasis cangkang kelapa masih menghadapi tantangan seperti kepadatan ketukan rendah (0,6-0,8 g/cm³) dan kinerja tingkat tinggi yang tidak memadai (tingkat retensi kapasitas 10C < 60%). Pencapaian terobosan dalam hambatan kinerja di masa depan mungkin dapat dicapai melalui desain nanostruktur (misalnya, menyiapkan komposit karbon keras/grafena) dan optimasi elektrolit (misalnya, menggunakan elektrolit cairan ion). Dengan lonjakan permintaan global untuk penyimpanan energi terbarukan, anoda karbon keras berbasis cangkang kelapa diharapkan mencapai aplikasi komersial skala besar pada 2030, mendorong biaya baterai ion natrium di bawah ￥0,3/Wh.
Tim Penelitian Energi Baru SMM
Cong Wang 021-51666838
Rui Ma 021-51595780
Disheng Feng 021-51666714
Yanlin Lyu 021-20707875
