Kapasitor pada dasarnya adalah perangkat penyimpan muatan listrik, namun jika dibandingkan dengan baterai, kapasitor mempunyai kapasitas yang lebih kecil untuk menyimpan muatan listrik. Namun, masa pakainya jauh lebih lama dibandingkan baterai, prinsip dasar kerja kapasitor tetap sama meskipun dibagi ke dalam kategori berbeda berdasarkan konstruksi bagian dalamnya. Kapasitor graphene adalah jenis superkapasitor yang memiliki lapisan graphene yang memberikan pergerakan elektron lebih bebas dan memungkinkan pembuangan panas secara efektif.
Garis besar:
- Apa itu superkapasitor?
- Cara kerja superkapasitor
- SuperKapasitor Grafena
- Elektroda berbasis Graphene di Superkapasitor
- Kinerja superkapasitor berbasis graphene
- Kesimpulan
Apa itu superkapasitor?
Untuk memahami kapasitor graphene, diperlukan pengetahuan tentang superkapasitor karena kapasitor graphene juga termasuk dalam kategori kapasitor super. Berbeda dengan kapasitor pada umumnya, kapasitor makan malam memiliki konstruksi internal yang berbeda, yang juga mempengaruhi sifat-sifatnya. Superkapasitor memiliki elektrolit yang dipisahkan oleh media isolasi dan memiliki elektroda karbon aktif yang bersentuhan dengan elektrolit. Elektrolitnya terutama asam sulfat atau kalium oksida, dan pemisahnya biasanya Kapton:
Cara Kerja Superkapasitor
Ketika superkapasitor tidak dihubungkan ke sumber listrik apa pun, muatan terlepas dari polaritasnya tersebar di seluruh elektrolit, ketika sumber listrik dihubungkan melaluinya, arus mulai mengalir dari kapasitor, dan ketika anoda mendapatkan muatan positif semuanya. ion negatif dalam elektrolit cenderung bergerak menuju elektroda anoda. Sedangkan katoda bermuatan negatif dan semua ion positif bergerak menuju katoda:
Gaya tarik menarik antara elektroda dan elektrolit disebut gaya elektrostatik dan tarikan ion ke elektroda menyebabkan terbentuknya lapisan ganda listrik. Lapisan ini bertanggung jawab untuk menyimpan muatan dan karena pembentukan lapisan ini superkapasitor juga disebut kapasitor lapisan ganda listrik.
Ini adalah bagaimana superkapasitor diisi dan ketika beban apa pun dihubungkan melalui terminal superkapasitor, muatan pada elektroda mulai mengalir dari beban. Dengan cara ini kedua elektroda mulai kehilangan muatan karena keduanya tidak mampu menarik muatan dan akibatnya ketika semua muatan meninggalkan elektroda, kapasitor akan habis.
Jadi sekarang ion-ion tersebut kembali tersebar ke seluruh elektrolit, dan beginilah cara kerja superkapasitor sederhana.
SuperKapasitor Grafena
Grafena berasal dari grafit yang sebagian besar terdapat di dalam pensil dan merupakan elektroda karbon yang memiliki jumlah atom yang sama, tetapi susunannya berbeda. Berbeda dengan grafit, graphene memiliki lapisan atom tunggal dua dimensi yang tersusun dalam bentuk sarang lebah heksagonal. Struktur ini memungkinkan atom untuk menciptakan ikatan kovalen yang kuat sehingga memberikan kekuatan tarik lebih tinggi dan fleksibilitas tinggi. Karena sifat ini, graphene memungkinkan elektron bergerak bebas dan memiliki konduktivitas listrik yang lebih tinggi.
Karena superkapasitor memiliki jarak antar pelat yang lebih pendek sehingga memungkinkannya menyimpan lebih banyak muatan statis, graphene memiliki lapisan yang sangat tipis seukuran atom dibandingkan dengan lapisan aluminium. Dengan demikian, kapasitor graphene memiliki luas permukaan yang jauh lebih luas, sehingga memungkinkannya menyimpan lebih banyak energi dibandingkan dengan superkapasitor lainnya.
Elektroda Berbasis Grafena dalam Superkapasitor
Graphene seperti disebutkan di atas memberikan luas permukaan yang lebih besar yang meningkatkan kapasitas kapasitor untuk menyimpan muatan. Berbagai teknik digunakan untuk pembuatan elektroda menggunakan graphene dan dua di antaranya adalah:
Fabrikasi dengan Graphene Foam
Elektroda graphene yang dibuat menggunakan busa graphene memberikan konduktivitas yang lebih tinggi, elektroda ringan dan fleksibel yang luasnya dapat diperluas hingga beberapa cm 2 dan tingginya hingga beberapa milimeter. Busa graphene dibuat dengan teknik pengendapan uap kimia dengan menumbuhkannya pada busa nikel atau tembaga. Ketika busa graphene dibuat pada busa tembaga, ia menghasilkan lapisan graphene berkualitas tinggi, namun strukturnya dapat dengan mudah runtuh jika penyangga logamnya dilepas. Namun, busa Nikel dapat digunakan untuk membuat lapisan graphene multilapis yang dapat ditarik dengan hati-hati dari penyangga logam tanpa kerusakan apa pun. Selain itu, oksida grafena tereduksi juga dapat dibentuk melalui busa Nikel menggunakan sintesis kimia ini. Beberapa aditif digunakan dengan graphene yang membantu mencapai kepadatan daya tinggi dan menyediakan jalur yang lebih pendek bagi elektron dan ion sehingga meningkatkan kecepatan muatan. Aditif ini dapat berupa oksida logam, polimer konduktif, dan hidroksida logam, yang membuat pembuatan elektroda berbasis graphene lebih murah.
Gambar di atas menggambarkan proses pembentukan lapisan graphene menggunakan metode deposisi uap kimia.
Fabrikasi dengan Penulisan Laser
Metode penulisan laser relatif lebih murah dan menghasilkan graphene berpori 3D dalam satu langkah dengan mengurangi teknik reduksi area yang luas. Dalam metode ini, pertama-tama, lapisan tipis graphene diendapkan ke cetakan, dan kemudian laser komersial menyinari lapisan oksida graphene. Ketika sinar laser mengenai graphene oksida, hal itu menciptakan bahan konduktif berpori di area paparan.
Akibatnya, luas permukaan ion elektrolit meningkat dan kandungan oksigen berkurang drastis. Seperti pada metode sebelumnya, beberapa bahan tambahan dapat digunakan dalam penulisan laser langsung yaitu substratnya dapat berupa campuran oksida grafena dan polimer atau substratnya hanya dapat berupa polimer juga. Berikut adalah gambar yang mengilustrasikan proses penulisan laser langsung:
Kinerja superkapasitor berbasis graphene
Kapasitor graphene memiliki transfer elektron dan ion yang efektif, yang menghasilkan kapasitas gravimetri dan volumetrik yang tinggi. Selain itu, mereka menunjukkan stabilitas laju siklus yang lebih tinggi dan kemampuan energi yang lebih tinggi.
Untuk mempelajari kinerja dan perilaku berbagai perangkat penyimpan energi digunakan plot Ragone yang mana nilai energi spesifik (Wh/Kg) diplot terhadap daya spesifik (W/Kg). Grafik menggunakan skala log untuk kedua sumbu. Sumbu y mengukur energi spesifik, yaitu jumlah energi per satuan massa. Sumbu x mengukur kepadatan daya, yang merupakan laju pengiriman energi per satuan massa.
Dengan kata lain, suatu titik dalam plot Ragone memberikan jumlah waktu yang diperlukan untuk menyalurkan energi (per satuan massa) pada sumbu y dalam bentuk daya (per satuan massa) pada sumbu x, dan waktu tersebut ( dalam satu jam) diberikan sebagai rasio antara energi dan kepadatan daya. Selanjutnya kurva iso (waktu pengiriman konstan) pada plot Ragone berupa garis lurus dengan kemiringan satu kesatuan. Plot Ragone di bawah ini menunjukkan energi spesifik (Wh/Kg) Versus Daya spesifik (W/Kg) untuk berbagai perangkat penyimpan energi:
Kesimpulan
Kapasitor graphene merupakan salah satu jenis supercapcaitor yang elektrodanya terbuat dari graphene yang berasal dari grafit. Graphene memberikan luas permukaan yang besar pada elektrolit yang mengakibatkan peningkatan kapasitansi dan juga memiliki waktu pengisian yang kecil. Selain itu, terdapat berbagai macam teknik pembuatan elektroda graphene, dua di antaranya adalah: busa graphene dan penulisan laser langsung.