Pendahuluan
Superkapasitor merupakan
terobosan baru di dunia piranti penyimpan energi yang memiliki rapat daya yang
besar, kapasitas penyimpanan muatan yang sangat besar, proses
pengisian-pengosongan muatan yang cepat dan tahan lama jika dibandingkan dengan
kapasitor biasa. Keunggulan tersebut menyebabkan superkapasitor telah digunakan
secara luas dalam berbagai bidang seperti bidang teknologi digital, mesin listrik,
peralatan militer serta luar angkasa.
Prinsip kerja
Dalam kapasitor konvensional
seperti kapasitor keramik dan kapasitor film, energi listrik dari sebuah
kapasitor yang telah dimuat disimpan dalam medan listrik statis yang meresapi
dielektrik antara dua pelat logam konduksi, elektroda . Medan listrik berasal
oleh pemisahan pembawa muatan dan kekuatan medan listrik yang berkorelasi
dengan potensial antara dua elektroda. Total energi yang tersimpan dalam
pengaturan ini meningkat dengan jumlah muatan yang tersimpan dan potensi antara
pelat. Jumlah muatan yang tersimpan per unit tegangan pada dasarnya adalah
fungsi dari ukuran elektroda, nilai timbal balik dari ketebalan dielektrik, dan
sifat material ( permitivitas ) dielektrik. Potensi maksimum antara pelat,
kapasitor tegangan maksimal, dibatasi oleh kerusakan kekuatan medan dielektrik
itu.
Penyimpanan statis ini juga
berlaku untuk kapasitor elektrolit di mana sebagian besar potensi menurun atas
lapisan oksida tipis anoda. Elektrolit sebagai katoda mungkin sedikit resistif
sedikit sehingga untuk " basah " kapasitor elektrolit sejumlah kecil
potensi menurun lebih dari elektrolit. Untuk kapasitor elektrolit dengan tinggi
konduktif elektrolit polimer padat drop tegangan ini diabaikan.
Kapasitor konvensional juga
disebut kapasitor elektrostatik. Potensi ( tegangan ) dari kapasitor dibebankan
berkorelasi linier dengan muatan yang tersimpan.
Kapasitor elektrokimia sekarang
adalah jenis baru dari kapasitor dengan prinsip penyimpanan energi yang lengkap
berbeda. Mereka tidak memiliki dielektrik padat konvensional yang memisahkan
muatan. Nilai kapasitansi super ditentukan oleh prinsip-prinsip penyimpanan
muatan elektrostatik dan elektrokimia :
Penyimpanan elektrostatik energi
listrik dicapai dengan pemisahan muatan dalam lapisan ganda Helmholtz pada
antarmuka antara permukaan elektroda konduktor dan larutan elektrolit
elektrolit . Kapasitansi ini disebut double-layer kapasitansi .
Penyimpanan elektrokimia dari
energi listrik yang menghasilkan elektron Faradaic biaya transfer reversibel
pada elektroda dicapai dengan reaksi redoks dengan khusus teradsorpsi ion dari
elektrolit, interkalasi atom di lapisan kisi, atau deposisi underpotential
hidrogen atau logam adatoms di permukaan situs kisi. Kapasitansi Faradaic ini
disebut pseudocapacitance.
Double-layer kapasitansi dan pseudocapacitance
keduanya memberikan kontribusi terhadap total kapasitansi kapasitansi super itu.
Karena setiap super memiliki dua
elektroda, potensi kapasitor menurun secara simetris pada kedua lapisan
Helmholtz, dimana penurunan tegangan kecil di seberang ESR elektrolit dicapai.
Kedua penyimpanan elektrostatik
energi di Helmholtz lapisan ganda dan penyimpanan energi elektrokimia dengan
transfer biaya Faradaic adalah linear sehubungan dengan muatan yang tersimpan
dalam kapasitor seperti konvensional. Perilaku linear Ini berarti bahwa
tegangan kapasitor adalah linear terhadap jumlah energi yang tersimpan. Gradien
tegangan linier ini berbeda dengan baterai isi ulang elektrokimia , di mana
tegangan terminal tetap independen dari bermuatan energi, memberikan tegangan
relatif konstan.
Klasifikasi
Devais superkapasitor berdasarkan
pada jenis elektrodanya dapat dikelompokkan menjadi aktivasi karbon, karbon
aerogel, dan karbon nanotube. Berdasarkan teknologi dan nilai pasar aktivasi
karbon mempunyai teknologi yang lebih sederhana dan nilai pasar yang lumayan.
Bahan dasar yang dapat dijadikan sebagai sumber aktivasi karbon harus memiliki
sifat-sifat: mempunyai kandungan inorganic yang rendah, mudah diperoleh dengan
harga yang murah, mudah dalam penyimpanan, dan mudah diaktivasi.
Kemampuan rapat daya yang besar
pada superkapasitor disebabkan oleh luas permukaan yang besar dari material
elektroda. Kapasitansi tergantung pada akses ion mengisi pori-pori internal
sehingga ukuran ion dan ukuran pori harus optimal. Konstruksi superkapasitor
mirip dengan kapasitor biasa yang terdiri dari sepasang elektroda yang diisi dengan
elektrolit dan dipisahkan dengan material dielektrik (penyekat). Penyekat itu
dapat berupa membran yang memiliki bentuk yang kompak, tahan lama, dan bebas
dari kebocoran. Membran ini harus bersifat semi-permeabel sehingga memungkinkan
pergerakan ion elektrolit antara kedua elektroda.
Dalam jangka waktu relatif
singkat, membran elektrolit dapat mengalami perubahan bentuk (swelling) karena
sifatnya yang peka terhadap kelembaban, perubahan pH, temperatur dan radiasi elektromagnetik.
Hal ini menyebabkan penurunan kekuatan mekanik dan menganggu mobilitas ion-ion.
Untuk itu diperlukan ikatan yang kuat pada rantai polimer.
Salah satu elektroda yang banyak
digunakan pada superkapasitor adalah nanopori karbon yang merupakan karbon
aktif yang memiliki pori dalam skala nanometer. Distribusi pori yang besar pada
nanopori karbon menyebabkan elektroda ini memiliki luas permukaan yang besar.
Nanopori karbon juga memiliki keunggulan lain yaitu mudah diproduksi, mudah
terpolarisasi, stabil terhadap senyawa asam atau basa dan murah karena
ketersediaan sumber karbon sangat melimpah. Hampir semua material organik di alam
mengandung karbon, antara lain tempurung kelapa, biji kopi, gula tebu, biji
kopi, bambu, kayu dan lainnya. Nanopori karbon dihasilkan melalui dekomposisi
sumber karbon dan proses aktivasi secara fisika melalui pemberian gas maupun aktivasi
kimia dengan menyisipkan senyawa kimia (interkalasi).
