Makalah Material: Superkapasitor

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).