Proses pengisian dalam kapasitor listrik-lapis ganda (EDLC) bersifat nonfaradic, yang berarti tidak ada transfer elektron yang terjadi secara langsung antara elektroda dan ion dalam elektrolit. Energi disimpan secara elektrostatik melalui pembentukan lapisan ganda listrik di permukaan elektroda. Proses ini menambah kapasitas penyimpanan energi EDLC, karena kontribusi dari transfer elektron yang terjadi pada permukaan elektroda meningkatkan jumlah energi yang dapat disimpan, meskipun kontribusinya lebih kecil dibandingkan dengan mekanisme penyimpanan elektrostatik murni.
Pada Gambar. 1 tegangan ditentukan oleh jumlah muatan yang disimpan dalam lapisan ganda listrik di sekitar elektroda. Arus saat pengisian atau pengosongan lebih rendah dibandingkan dengan kapasitor konvensional karena proses penyimpanan muatan lebih bergantung pada migrasi ion dalam elektrolit, bukan transfer elektron langsung ke elektroda. Kapasitansi pada EDLC berkaitan dengan kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan pada tegangan tertentu. Nilai kapasitansi EDLC dipengaruhi oleh luas permukaan elektroda dan sifat material elektroda.
Material elektroda yang berukuran nano diantaranya karbon nanotube (CNT), graphene, dan mesoporus carbon. Karbon nanotube menjadi komponen elektroda karena memiliki struktur berbentuk tabung dengan diameter nano yang memberikan luas permukaan besar. Struktur pori yang dihasilkan melalui aktivasi kimia biasanya lebih optimal dibandingkan dengan aktivasi fisika, karena bahan kimia yang digunakan bereaksi langsung dengan matriks karbon, menghasilkan gas yang berkontribusi pada pembentukan pori. Terdapat aktivator kimia yang paling umum digunakan seperti mangan klorida (MnCl2), seng klorida (ZnCl2), asam fosfat (H3PO4), dan natrium hidroksida (NaOH).
Karbon nanotube telah menjadi kandidat unggulan untuk elektroda superkapasitor karena luas permukaan pori yang besar, konduktivitas listrik tinggi, dan kekuatan mekanik yang luar biasa. Luas permukaan yang besar pada karbon nanotube memungkinkan penyimpanan muatan yang lebih optimal, sehingga berperan sebagai elektroda superkapasitor yang efisien. Konduktivitas listrik yang tinggi menjadikan karbon nanotube sangat berguna dalam berbagai aplikasi elektronik, termasuk sebagai material elektroda dalam perangkat seperti transistor nanometer, sensor, dan perangkat penyimpan energi seperti superkapasitor.
Struktur berpori pada Gambar. 2 karbon nanotube berkontribusi pada kapasitansi spesifik, yang merupakan jumlah muatan per satuan massa atau volume yang mampu disimpan oleh elektroda. Struktur tersebut mendukung peningkatan kapasitasi spesifik, sehingga memungkinkan penyimpanan energi yang lebih besar. Oleh karena itu, karbon nanotube diprediksi akan terus berkembang pesat di masa mendatang.
Elektrolit memiliki peran penting sebagai sumber muatan yang akan menghasilkan ion-ion melalui media elektroda. Pori elektroda yang berukuran nano dengan luas permukaan mencapai di atas 1000 m2/g mendukung elektrolit dapat menyimpan ion-ionnya. Kinerja perangkat superkapasitor ditentukan oleh konduktivitas elektrolit. Dimana konduktivitas yang lebih tinggi memberikan jalur yang lebih mudah untuk membawa ion menuju permukaan elektroda. Konduktivitas ionik elektrolit bergantung pada jumlah pembawa muatan yang ada, mobilitas ionik, dan valensi ion.
Elektrolit terbagi menjadi elektrolit asam, elektrolit alkali, dan elektrolit netral. Berbagai jenis elektrolit seperti elektrolit asam berupa larutan asam sulfat (H₂SO₄) dan asam klorida (HCl). Elektrolit alkali berupa larutan basa, seperti kalium hidroksida (KOH) atau natrium hidroksida (NaOH). Elektrolit netral yaitu larutan elektrolit dengan pH netral dan biasanya berupa larutan garam atau bahan lain yang tidak bersifat asam maupun basa. Elektrolit asam sulfat (H₂SO₄) merupakan elektrolit khas yang digunakan tidak hanya pada superkapasitor tetapi juga pada baterai karena konduktivitasnya yang tinggi. Konsentrasi elektrolit menentukan konduktivitas ionik. Konduktivitas ionik yang tinggi diperlukan untuk mencapai kinerja elektrokimia yang sangat baik. Jika konsentrasi terlalu rendah, maka konduktivitas elektrolit akan menurun.
Separator berfungsi sebagai pemisah antara elektroda positif dan negatif sehingga mencegah terjadinya arus singkat antara kedua elektroda. Selain itu, separator sebagai media pengendali pergerakan ion-ion pada aliran arus listrik. Separator yang ideal memiliki hambatan listrik yang tinggi dan konduktivitas ion yang baik. Beberapa faktor penting yang mempengaruhi kinerja separator adalah ketebalan. Apabila semakin tebal separator, semakin lama waktu yang dibutuhkan bagi ion untuk melintasi material tersebut. Berbagai jenis material digunakan sebagai separator diantaranya PVDF dan PVA. Separator PVA memiliki kinerja yang efisien dalam aplikasi superkapasitor. Berdasarkan penelitian tersebut, PVA memiliki sifat hidrofilik yang mendukung konduktivitas ionik tinggi.
Anggota :
Dr. Eng. Lusi Ernawati, M.Sc. (Teknik Kimia/JRI/ITK)
Ir. Asful Hariyadi, S.T., M.E.ng. (Teknik Kimia/JRI/ITK)
1. Menyajikan wawasan tentang kajian kapasitansi superkapasitor.
2. Mengetahui proses analisis kapasitansi superkapasitor melalui pengujian CV.
3. Meninjau karakteristik kapasitansi superkapasitor dari aspek komponen yang digunakan.
4. Mengidentifikasi nilai kapasitansi superkapasitor berdasarkan koin sel superkapasitor