Superkapasitor Berbasis Graphene sebagai Penyimpan Energi Fleksibel yang Futuristik

Mengingat saat ini sumber daya energi semakin menipis dan memburuk, terlebih semakin populernya peralatan telekomunikasi, perangkat elektronik portable, kendaraan listrik dan lain-lain yang telah membangkitkan minat terhadap penyimpanan energi [1]. Di antara berbagai perangkat penyimpanan energi, superkapasitor telah menarik perhatian luar biasa karena sifatnya yang luar biasa, seperti kepadatan daya (power density) tinggi, pengisian daya (charge) dan laju pelepasan daya (discharge) sangat cepat, perawatan rendah, masa pakai (cycling life) yang lama, serta stabilitas yang sangat baik menjadikan superkapasitor sebagai sistem penyimpanan energi generasi berikutnya. Namun saat ini, kepadatan energi volumetric  dari superkapasitor yang paling banyak tersedia secara komersial adalah sekitar 5-8 Wh L-1, jauh lebih rendah daripada asam timbal (50-90 Wh L-1) dan baterai Li-ion (250-850 Wh L-1) [2].

Untuk mengatasi masalah ini, masih menjadi tantangan yang signifikan bagi ilmuwan material untuk merancang dan mengembangkan superkapasitor canggih dengan gravimetri dan performance volumetric yang tinggi serta masa pakai yang panjang untuk memenuhi kebutuhan mendesak akan clean energy untuk aplikasi masa depan

Superkapasitor berbasis Graphene

Dan akhirnya, baru-baru ini University College London, telah berhasil mengembangkan superkapasitor berbasis graphene. Tim peneliti ini membuat elektroda dari beberapa lapisan graphene, menciptakan bahan padat tetapi berpori yang mampu menjebak ion bermuatan dengan berbagai ukuran. Kemudian dikarakterisasi menggunakan berbagai teknik dan ditemukan tampilan sangat baik yaitu ukuran pori sesuai dengan diameter ion dalam elektrolit.

Desain baru ini, dengan meggunakan elektroda graphene dengan pori-pori yang dapat diubah ukurannya menyebabkan mampu menyimpan muatan lebih efisien. Hal ini dapat memaksimalkan densitas energi superkapasitor. Dalam penelitian ini mencapai rekor 88,1 Wh/L (Watt-jam per liter), dimana merupakan kepadatan energi tertinggi yang pernah dilaporkan untuk superkapasitor berbasis karbon. Sementara teknologi fast-charging komersial yang serupa memiliki kerapatan energi yang relatif buruk yaitu 5-8 Wh / L, dan juga baterai asam-timbal yang biasanya digunakan dalam mobil listrik beorperasi lama namun slow-charging, memiliki densitas energi 50-90 Wh / L. 

Superkapasitor ini sangat menjanjikan sebagai teknologi penyimpanan energi generasi mendatang. Hal ini dikarenakan superkapasitor memiliki karakteristik power density yang tinggi yaitu seberapa cepat dapat mengisi daya atau melepaskan daya; serta densitas energi (energy density) yang tinggi yang akan menentukan berapa lama dapat digunakan. Selain itu, superkapasitor dengan sifat fleksibel dapat ditekuk 180 derajat tanpa mempengaruhi kinerjanya. Dalam penggunaanya tidak memerlukan elektrolit cair, sehingga dapat meminimalkan resiko ledakan.

Superkapasitor dengan ukuran 6cm x 6cm, dibuat dari dua elektroda identik yang kedua sisinya dilapisi zat seperti gel, berfungsi sebagai medium kimia untuk transfer muatan listrik. Ini digunakan untuk menyalakan puluhan dioda pemancar cahaya (LED) dan ditemukan menjadi sangat kuat, fleksibel dan stabil. Bahkan ketika ditekuk 180 derajat, kinerjanya hampir sama ketika dalam bentuk normal, dan setelah 5.000 siklus, tetap mempertahankan 97,8% dari kapasitasnya.

Supercapacitor berbasis graphene yang dapat ditekuk ini menunjukkan potensi yang sangat besar dan membuatnya sempurna untuk digunakan ke dalam bendy phone (telepon yang lentur), sebagai power supply portabel dalam beberapa aplikasi praktis termasuk kendaraan listrik, telepon, dan wearable technology (teknologi yang dapat dipakai).

Kesimpulan

Berhasil menyimpan energi dalam sistem yang ringkas dengan aman adalah langkah yang signifikan untuk menuju peningkatan teknologi penyimpanan energi. Penelitian ini telah menunjukkan pengisian daya sangat cepat; memiliki daya tahan dan fleksibilitas sangat baik, menjadikannya ideal untuk digunakan dalam kendaraan listrik dan barang elektronik. Bayangkan hanya sepuluh menit untuk mengisi penuh mobil listrik atau beberapa menit untuk mengisi penuh ponsel dan akan bertahan sepanjang hari [4].

Sumber Pustaka

[1] S. Korkmaz and İ. A. Kariper, “Graphene and graphene oxide based aerogels: Synthesis, characteristics and supercapacitor applications,” J. Energy Storage, vol. 27, p. 101038, Feb. 2020, doi: 10.1016/j.est.2019.101038.

[2] P. Simon and Y. Gogotsi, “Materials for electrochemical capacitors,” Nat. Mater., vol. 7, no. 11, pp. 845–854, Nov. 2008, doi: 10.1038/nmat2297.

[3] “Tuning the interlayer spacing of graphene laminate films for efficient pore utilization towards compact capacitive energy storage”; by Zhuangnan Li, Srinivas Gadipelli, Hucheng Li, Christopher A. Howard, Dan J. L. Brett, Paul R. Shearing, Zhengxiao Guo, Ivan P. Parkin and Feng Li, 17 February 2020, Nature Energy. DOI: 10.1038/s41560-020-0560-6

[4] Next-Generation Energy Storage Breakthrough: Fast-Charging, Long-Running, Flexible; https://scitechdaily.com/next-generation-energy-storage-breakthrough-fast-charging-long-running-flexible/  (diakses pada 8 Mei 2020)