SUPERKAPASITOR SEBAGAI PIRANTI PENYIMPAN ENERGI LISTRIK MASA DEPAN Oleh: Agus Riyanto
Abstrak Superkapasitor merupakan teknologi baru yang dikembangkan dari kapasitor konvensional yang dikembangkan untuk penyimpan energi yang modern. Kapasitor ini memanfaatkan permukaan elektroda yang luas dan bahan dielektrik yang tipis untuk mencapai nilai kapasitansi yang jauh lebih besar daripada kapasitor konvensional. Hal ini memungkinkan superkapasitor akan memiliki rapat energi yang jauh lebih besar dibanding dengan kapasitor konvensional dan memiliki rapat daya jauh lebih besar daripada baterai. Sehingga, superkapasitor akan menjadi solusi yang sangat baik sebagai piranti penyimpan energi. Keyword: superkapsitor, kapasitansi, rapat energi, dan rapat daya
lebih
1. Pendahuluan Dalam kehidupan yang serba
singkat
untuk
memenuhi
kebutuhan teknologi dimasa mendatang.
modern saat ini, energi listrik menjadi
Sejauh ini telah terdapat minat
kebutuhan utama yang tidak dapat
yang besar dikalangan para peneliti
dielakkan. Bebagai teknologi yang ada
untuk
saat ini, sebagaian besar membutuhkan
menyempurnakan
piranti penimpan energi listrik. Sebagai
penyimpanan energi yang lebih efisien.
contohnya telepon selular dan laptop
Salah satu perangkat tersebut ialah
membutuhkan baterai sebagai piranti
superkapasitor.
penyimpan energi. Namun, kendalanya
dikenal
baterai memiliki rapat daya yang cukup
kapasitor elektrokimia, memanfaatkan
kecil disamping itu juga dibutuhkan
permukaan
waktu
elektrolit
yang
cukup
lama
untuk
mengembangkan
dan perangkat
Superkapasitor,
juga
ultrakapasitor
atau
sebagai
elektroda dielektrik
dan
larutan
tipis
untuk
mengecas (penimpanan) enegi listrik
mencapai kapasitansi beberapa kali lipat
kedalam piranti tersebut. Oleh sebab itu,
lebih besar dibandingkan kapasitor
dibutuhkan teknologi yang memiliki
konvensional [1-5].
rapar energi dan rapat daya yang lebih besar serta waktu pengecasan yang
Kapasitor konvensional terdiri dari dua elektroda yang dipisahkan oleh bahan dielektrik. Saat tegangan listrik diberikan
pada
berlawanan
kapasitor,
(2)
muatan
(berbeda)
akan
ialah konstanta dielektrik
Dengan
terakumulasi pada setiap permukaan
atau permitivitas ruang vakum dan
elektroda. Muatan-muatan tersebut akan
ialah konstanta dielektrik bahan isolasi
tetap terpisah oleh bahan dielektrik
antara
yang
antarpelat
kerapatan dapat dihitung sebagai jumlah
menghasilkan
per satuan massa atau per unit volume.
menyebabkan
Energi
mengisi
kapasitor, medan
ruang
sehingga
listrik
yang
elektroda.
yang
kapasitor
kapasitor dapat menyimpan energi.
Untuk
mengukur
tersimpan
berbanding
dalam
lurus
dengan
kapasitansi: Kapasitansi
didefinisikan
sebagai perbandingan antara muatan yang
tersimpan
dalam
kapasitor
( )dengan potensial listrik ( ) yang
(3)
diberikan. Secara umum, daya
adalah
energi yang dikeluarkan per satuan waktu.
(1)
Untuk
kapasitor, Untuk berbanding
kapasitor lurus
konvensional dengan
luas
permukaan pada setiap permukaaan dan banding terbalik dengan jarak antar muatan
menentukan
daya
kita
harus
mempertimbangkan bahwa kapasitor umumnya
direpresentasikan
sebagai
sirkuit seri dengan hambatan eksternal ,
seperti yang
Gambar 1.
ditunjukkan
pada
Gambar 1. Kapasitor konvensional Komponen (misalnya
internal
kolektor,
kapasitor
elektroda,
dan
Hubungan ini menunjukkan bagaimana ESR dapat membatasi daya maksimum
bahan dielektrik) juga berkontribusi
sebuah
terhadap resistansi (hambatan), yang
konvensional memiliki kerapatan daya
diukur
dengan
yang relatif tinggi, namun relatif rendah
sebagai
kepadatan energi bila dibandingkan
equivalent series resistance (ESR).
dengan baterai elektrokimia dan baterai.
Tegangan selama tidak dalam proses
Baterai dapat menyimpan lebih banyak
pengisian ditentukan oleh resistensi ini.
energi dibanding kapasitor, tetapi tidak
Ketika
dapat dilakukan pengisian (pengecasan)
secara
kuantitas
yang
diukur
akumulatif dikenal
pada
impedansi
kapasitor.
Kapasitor
penyesuaian (R=ESR) [1-2, 5], yang
secara
daya maksimum untuk sebuah kapasitor
kerapatan daya rendah. Disisi lain,
diberikan oleh:
kapasitor menyimpan energi per satuan
cepat,
yang
berarti
bahwa
massa atau volume relatif lebih kecil,
(4)
tapi
energi
listrik
dapat
dengan
cepat
untuk
banyak
daya,
sehingga
disimpan
menghasilkan kerapatan
dayanya tinggi relatif lebih tinggi.
mengikuti
kapasitor konvensional, supercapacitors
prinsip-prinsip dasar yang sama seperti
juga dapat mencapai kepadatan daya
konvensional kapasitor. Namun, pada
yang
superkapasitor luas area permukaan
Selain itu, supercapacitors memiliki
elektroda
beberapa
Superkapakitor
dibuat lebih besar dan
sebanding.
keunggulan
dibandingkan
ketebalan bahan dielektrik dibuat jauh
baterai elektrokimia dan baterai, yaitu
lebih tipis sehingga menurunkan jarak
kerapatan daya lebih tinggi, pengisian
antara elektroda. Dengan demikian,
lebih pendek, dan siklus hidup dan
menurut
persamaan 2 dan 3, hal ini
umur simpan yang lebih lama [1-3].
dapat menyebabkan peningkatan baik
Gambar
kapasitansi dan energi pada kapasitor.
skematik superkapasitor.
Selain
itu,
2
dengan
mempertahankan karakteristik low ESR
Gambar 2. Skema Superkapasitor
memberikan
diagram
Gambar 3. Performa Superkapasitor Performa superkapasitor ditunjukkan
superkapasitor
yang
pada Gambar 3, grafik tersebut disebut
dikembangkan oleh para peneliti.
telah
dengan "Ragone plot." Grafik tersebut menyajikan
rapat
daya
berbagai
perangkat
penyimpanan
energi
2. Taksonomi Superkapakitor Berdasarkan
perkembangan
dibandingkan dengan rapat energinya.
riset saat ini, superkapakitor dapat
Pada
dibagi menjadi tiga kelas utama yaitu:
Gambar
3,
terlihat
bahwa
supercapakitor menempati daerah antara
kapasitor
kapasitor konvensional dan baterai [3].
pseudokapasitor, dan kapasitor hibrid.
Meskipun, kapasitansi memiliki yang
Setiap kelas memiliki mekanisme yang
lebih
unik dalam menyimpan muatan, yaitu
besar
daripada
kapasitor
elektrokimia
mekanisme
double-layer,
konvensional, supercapacitors belum
dengan
non-Faradaic,
mencapai rapat energi yang dimiliki
Faradaic, dan kombinasi dari dua.
baterai dan fuel cell.
Proses Faradaic terjadi sebagaimana ini
reaksi oksidasi-reduksi yang melibatkan
dideskripsikan taksonomi dan prinsip
transfer muatan antara elektroda dan
kerja superkapasitor sehingga dapat
elektrolit. Sebaliknya, mekanisme non-
memberikan gambaran nyata mengenai
Faradaic
Dalam
makalah
tidak
menggunakan
mekanisme
kimia.
Muatan
mencapai energi yang lebih tinggi
didistribusikan pada permukaan oleh
kepadatan
dibandingkan
proses fisik yang tidak melibatkan
konvensional [1-3]. Karena
terbentuk atau terputusnya ikatan kimia.
tidak
kapasitor
ada
transfer
muatan antara elektrolit dan elektroda, 2.1.
Electrochemical
double-layer
tidak
terdapat
bahan
kimia
atau
komposisi muatan yang terkait dengan
capacitors (EDLCs) Electrochemical
double-layer
proses
non-Faradaic.
Untuk
capacitors (EDLCs) tersusun atas dua
alasan ini, muatan yang tersimpan di
elektroda berbasis karbon, elektrolit,
EDLCs
dan pemisah. Gambar 2 menunjukkan
memungkinkan muatan tersebut dapat
skema EDLCs. Sebagaimana kapasitor
mencapai kestabilan siklus. EDLCs
konvensional,
umumnya beroperasi dengan performa
muatan
EDLCs
secara
menyimpan
elektrostatis
(non-
sangat
reversibel
yang
yang stabil dengan banyak siklus
Faradaic) dan tidak ada transfer muatan
charge-discharge,
antara elektroda dan elektrolit.
sebanyak 106 siklus. Di sisi lain, baterai
EDLCs memanfaatkan muatan elektrokimia menyimpan
double-layer energi.
Bila
untuk tegangan
kadang-kadang
elektrokimia umumnya terbatas pada hanya
sekitar
stabilitas
103
siklusnya,
siklus.
Karena
EDLCs
sangat
diterapkan, muatan terakumulasi pada
cocok untuk aplikasi pada wilayah yang
permukaan elektroda. Ion-ion dalam
sulit dijangkau seperti laut, pegunungan,
larutan
dan laut dalam [1-3, 6].
elektrolit
mengalir
melalui
separator ke dalam pori-pori elektroda
Performa sebuah EDLCs dapat
muatan pada elektroda yang berlawanan
disesuaikan dengan mengubah sifat
muatan. Namun, elektroda direkayasa
elektrolit.
untuk
memanfaatkan larutan atau elektrolit
mencegah
Sehingga,
rekombinasi
ion.
doble
layer
muatan
Sebuah
EDLCs
dapat
organik.
dihasilkan di setiap elektroda elektroda.
Elektrolit seperti H2SO4 dan KOH,
Double-layer tersebut, tercipta seiring
umumnya memiliki ESR yang lebih
dengan peningkatan luas permukaan
rendah dan memiliki ukuran pori lebih
dan penurunan jarak antara elektroda,
kecil dibandingkan dengan elektrolit
hal
organik, seperti asetonitril. Namun,
memungkinkan
EDLCs
untuk
larutan
elektrolit
juga
Kapasitor hibrid mencoba untuk
memiliki
tegangan breakdown yang lebih rendah.
mengeksploitasi
manfaat
Oleh karena itu, pemilihan antara
mengidentifikasi kerugian EDLCs dan
larutan elektrolit atau organik, harus
psudokapasitor
mempertimbangkan kapasitansi, ESR,
performa superkapasitor yang lebih
dan tegangan [1-3, 6].
baik.
unntuk
Kapasitor
dan
menciptakan
ini
memanfaatkan
proses Faradaic dan non-Faradaic untuk menyimpan energi. Kapasitor hibrid
2.2. Psudokapasitor Berbeda dengan EDLCs yang
dapat mencapai dapat mencapai rapat
menyimpan muatan secara elektrostatis,
energi
psudokapasitor
muatan
dibandingkan EDLCs tanpa mengurangi
secara Faradaic melalui transfer muatan
stabilitas siklusnya. Saat ini riset telah
antara elektroda dan elektrolit. Hal
difokuskan pada tiga jenis kapasitor
tersebut terjadi melalui electrosorption,
hibrid yaitu kapasitor dengan elektroda
reaksi
komposit, asimetri, dan tipe baterai.
menyimpan
reduksi-oksidasi,
dan
proses
dan
daya
lebih
besar
interkalasi [1,7-8]. Proses Faradaic ini memugkinkan psudokapasitor mencapai kapasitansi yang lebih besar dan rapat
3. Kesimpulan Superkapasitor yang
10]. Terdapat dua material elektroda
menjadi piranti penyimpanan energi
yang
listik karena memiliki rapat energi dan
untuk
menyimpan
daya
untuk
pontesi
energi yang lebih besar dari EDLCs [9-
digunakan
besar
memiliki
yang
dikembangkan
muatan dalam psudokapasitor yaitu
rapat
polimer konduktif dan logam oksida
pengecasan yang lebih pendek,
serta
(metal oxide).
memiliki
lebih
siklus
besar,
hidup
yang
waktu
panjang daripada baterai. 2.3. Kapasitor Hibrid Technological
4. Daftar Pustaka Conway,
B.
E.
(1999).
Applications.
New York, Kluwer-Plenum.
Electrochemical Supercapacitors Fundamentals
:
Scientific
Burke, A. (2000). "Ultracapacitors:
and
why, how, and where is the
technology." Journal of Power
highpower
Sources 91(1): 37-50.
batteries
lithium-ion for
power-assist
applications in hybrid electric Kotz, R. and M. Carlen (2000).
vehicles
I.
Initial
"Principles and applications of
characterization." Journal of
electrochemical
Power Sources 112(1): 236-
Electrochimica
capacitors." Acta
45(15-
246.
16): 2483-2498. Amatucci, G. G. (2006). Private Aricò, A. S., P. Bruce, et al. (2005).
communication.
"Nanostructured materials for advanced energy conversion
Conway, B. E., V. Birss, et al.
and storage devices." Nature
(1997).
Materials(4): 366-377.
utilization
"The
role
and of
pseudocapacitance for energy Chu, A. and P. Braatz (2002).
storage by supercapacitors."
"Comparison of commercial
Journal of Power Sources 66(1-
supercapacitors
2): 1-14.
and
Kim, I. H. and K. B. Kim (2001). "Ruthenium oxide thin film electrodes
supercapacitors." Journal of Power Sources 97-8: 812-815.
for Ryu, K. S., K. M. Kim, et al. (2002).
supercapacitors." Electrochemical
and
Solid
State Letters 4(5): A62-A64.
"Symmetric
redox
supercapacitor conducting
Mastragostino, M., C. Arbizzani, et al. .
(2001).
"Polymer-based
with polyaniline
electrodes." Journal of Power Sources
103(2):
305-309
