Superkapasitor: Harapan di Masa Depan

Gema undang-undang kendaraan bermotor bebas emisi yang akan diberlakukan di California mulai 1998 telah berkumandang ke seluruh pelosok dunia.

UNDANG-UNDANG INI MENDESAK PERUSAHAAN MOBIL untuk mencari sumber energi alternatif baru yang ramah lingkungan. Mobil listrik yang digerakkan oleh baterai, sel bahan bakar (fuel cell), atau energi surya menawarkan harapan baru. Namun, dalam pengembangannya masih menemui sejumlah kelemahan.

Akhir-akhir ini, superkapasitor (supercapacitor) dan ultrakapasitor (ultracapacitor) juga sering disebut-sebut. Pasalnya, memiliki kerapatan daya (power density) yang lebih tinggi. Kapasitor jenis baru ini tidak hanya dapat dipakai untuk penyimpan energi, melainkan dapat pula dipakai dalam berbagai aspek. Sehingga para ahli menyatakan aplikasinya yang serbaguna.

KAPASITOR: DUA PLAT LOGAM KONDUKTOR
Sebuah kapasitor terdiri dari dua plat logam konduktor yang. dipisahkan oleh film tipis material dielektrik. Material dielektrik biasanya terbuat dari kertas, mika, plastik, keramik, atau film tipis oksida logam. Polaritas dari kapasitor elektrolitik (kapasitor konvensional) harus tetap dalam satu arah. Jika arah polarisasinya dibalik, maka film oksida akan direduksi dan kapasitor menjadi rusak.

Bila kapasitor dihubungkan dengan sebuah baterai, maka elektron akan mengalir dari kutub negatif baterai ke salah satu bagian plat logam kapasitor. Sedangkan elektron pada bagian plat yang lain akan ditolak dan mengalir ke bagian positif baterai. Aliran arus ini berangsur-angsur turun dan akan berhenti kalau potensial yang melewati kapasitor sama dengan potensial baterai. Besarnya kapasitas C (dalam satuan farad) dapat dihitung dengan persamaan C = Q/V. Q adalah muatan yang mengalir dalam satuan coulumb dan V adalah potensial yang melewati kapasitor itu dalam satuan volt.

Kapasitor dapat mempunyai ka-pasitans dari beberapa pikofarad (pF=10^-12 farad) hingga beberapa ribu mikrofarad (mF=10^-6 farad). Kapasitor elektrolitik biasanya mempunyai kapasitas yang lebih tinggi. Namun, kapasitor elektrolitik memiliki tegangan dadal (breakdown voltage) yang paling rendah.

KAPASITOR SEBAGAI SUMBER ENERGI
Energi listrik dapat disimpan baik secara elektrostatik dalam kapasitor konvensional maupun secara elektrokimia dalam sel atau baterai. Besarnya energi yang dapat disimpan dalam kapasitor (Wel) sama dengan besarnya perbedaan potensial yang dipasang (AV) jika sejumlah muatan listrik (Q) terdapat pada platnya atau Wel = QAV = CAV. Pada kapasitor ideal, C adalah suatu konstanta dan hubungan antara Q dan AV adalah linier seperti tampak di gambar 1a.

Baterai menyimpan dan menyediakan energi listrik melalui mekanisme yang berbeda. Pada baterai, energi listrik disimpan dalam bentuk energi kimia yang lalu diubah pada antarmuka kedua elektroda sel elektrokimia. Umpamanya, reaksi pengosongan pada elektroda PbO2 dan Pb dalam baterai lead-acid adalah PbO2 + Pb + 2H2SO4 —PbSO4 + 2H2O. Idealnya, pengosongan berlangsung pada nilai potensial V yang sesuai dengan nilai AG (energi bebas Gibbs) dari reaksi kimia yang disebutkan di atas AG=- nFV. Di sini n adalah jumlah muatan yang ditransfer untuk perubahan satu mol reaktan dan F adalah konstanta Faraday.

Baterai, pada prinsipnya, akan memiliki AV konstan selama material aktif masih ada dalam baterai tersebut (lihat gambar 1b). Sesuai dengan teori listrik, kapasitas baterai akan tak terbatas. Namun kenyataannya, berhubung selama pengisian dan pengosongan muatan listrik melewati antarmuka elektroda/larutan elektrolit, maka baterai lebih bersifat menyerupai sebuah resistor ketimbang sebagai kapasitor. Lantaran Q sangat besar, maka Wel akan mempunyai orde yang lebih tinggi dibanding kapasitor konvensional. Walau demikian, kerapatan daya kapasitor konvensional lebih tinggi daripada baterai karena ukuran kapasitor lebih kecil. Kerapatan daya adalah daya persatuan volume.

KAPASITOR ELEKTROKIMIA ATAU KAPASITOR LAPIS-RANGKAP
Kapasitor elektrokimia atau kapasitor lapis-rangkap (double-layer capacitor) akan mengisi lowong antara kedua kategori di atas (lihat tabel 1). Energi listrik dapat disimpan di antarmuka elektroda/larutan elektrolit. Sebab pemisahan muatan spontan yang terjadi di sistem mencapai kesetimbangan elektrostatik atau elektrokimia. Skemanya tersaji di gambar 2.

Andaikan elektroda (logam) bermuatan negatif, maka kation menumpuk di antarmuka dalam jarak beberapa diameter molekul dari elektroda. Berhubung medium mempunyai konstanta dielektrik yang tinggi dan encer, maka kapasitor lapis-rangkap mempunyai kapasitans 20 hingga 100 mF/cm² yang tergantung pada jenis logam dan larutan. Jika antarmuka elektrokimia dapat dipolarisasi, yakni tidak dapat ditembus oleh muatan listrik, maka antarmuka itu bersifat sebagai sebuah kapasitor nonideal (lihat gambar 1).

Antarmuka elektrokimia tidak dapat diisi hanya derigan memakai elektroda tunggal. Jadi, dua elektroda harus berkontak dengan elektrolit (gambar 3a). Ukurannya sangat kecil dan mekanisme pengisian serta pengosongannya berbeda dengan baterai (gambar 3b). Pada sistem kapasitor elektrokimia dibutuhkan antarmuka yang bersifat reversible ke salah satu aliran arus. Kapasitas totalnya adalah setengah nilai antarmuka tunggal lantaran kedua elektroda disusun secara seri (lihat gambar 3c).

Pada prakteknya, sebuah kapasitor lapis-rangkap ideal hampir tidak dapat direalisasikan. Sebab selama pengisian lapis-rangkap biasanya juga terjadi reaksi redoks permukaan. Kapasitor karbon adalah suatu protipe kategori ini. Dalam kapasitor karbon selalu terdapat struktur oksida permukaan, misalnya gugus quinon.

Tabel 1. Sifat-sifat dari baterai, kapasitor elektokimia, dan kapasitor konvensional.

SUPERKAPASITOR DAN SEJARAHNYA
Superkapasitor adalah suatu kategori khusvs dari kapasitor lapis-rangkap elektrokimia. Di dalarn superkapasitor selalu terdapat muatan kapasitans (Qc) dan muatan raraday permukaan (QF) bersama-sama. Umpamanya, bila atom hidrogen monolayer terbentuk di permukaan elektroda platinum akibat pengosongan katodik H⁺ (aq) + e — H_ad(Pt). Muatan dari adsorpsi hidrogen dapat mencapai kira-kira 200 mC/cm2 dari luas permukaan nyata. Muatan ini merupakan kapasitans-semu lantaran tidak berhubungan langsung dengan fenomena kapasitas mumi. Sedangkan muatan kapasitans (Qc) adalah muatan lapis-rangkap “sejati.”

Nilai QF + Qc mempertinggi daya kapasitor elektrokimia secara dramatis dan pengaruh waktu respons sangat kecil. Oleh karena itu, istilah superkapasitor sering dipakai jenis kapasitor ini. Kapasitor seperti adsorpsi hidrogen yang disebutkan di atas tidaklah terdapat di superkapasitor. Sebab daerah operasi potensial efektif sangat kecil, yakni hanya 0,3 sampai 0,4 V.

Sifat kapasitans antarmuka elektrokimia telah dikenal sejak 1879 dari hasil penelitian Helmholtz. Namun pemakaian praktis lapis-rangkap listrik untuk penyimpanan energi barulah akhir-akhir ini diperhatikan banyak peneliti.

Helmholtz adalah orang yang pertama kali memperkenalkan struktur bidang batas logam-elektrolit. Kemudian Gouy (1910) dan Chapman (1913) mengembangkan teori Helmholtz. Caranya, menganggap fase larutan dari lapis-rangkap terdistribusi dalam ruang statis. Penelitian penting yang menjelaskan struktur lapis-rangkap dilakukan oleh Grahame. Tahun 1947 ia meneliti electrocapillarity air raksa. Tahun 1960-an banyak penelitian dilakukan untuk menyempurnakan teori lapis-rangkap ini. Antara lain penelitian tentang adsorpsi hidrogen pada platinum, paladium, rhodium, iridium, dan emas.

Standard Oil Company (SOHIO) menyadari tingginya nilai kapasitans dari lapis-rangkap elektroda karbon. Dan di musim panas 1962 kapasitor karbon 3 sel/6 Volt ukurannya sebesar baterai mobil dapat menggerakkan sebuah kano di suatu danau selama lebih kurang 10 menit. Bulan April 1969 diterbitkan brosur untuk calon pembeli berjudul Non-Polar Electrokinetic Capacitor, 0,6 farad, 6 Volt. Tetapi riset ini berakhir kontraknya tahun 1971. Dan teknologi tersebut lalu dibeli izinnya oleh Nippon Electric Company dengan mempabrikasi Super Capacitor sejak 1979. Di tahun yang sama Matsushita mendesain Gold Capacitor yang memakai karbon aktif dalam elektrolit organik.

Elektroda yang berdasarkan oksida logam platinum dikembangkan tahun 1970-an. Elektroda ini didesain untuk dipakai sebagai anoda stabil dalam sel alkali-klor. Kemudian oksida ruthenium dipakai dalam Pinnacle Ultracapacitor. Dan tahun 1990 Giner Inc. mempersembahkan Capacitor RuOx/ carbon/Nafion.

Baru-baru ini US Council for Automotive melaporkan bahwa ultrakapasitor dapat dikomersialkan dengan energi spesifik sekitar 1 sampai 2 watt-hours per kg. Sedangkan untuk protipe laboratorium dapat mencapai 4 hingga 5 watt-hours per kg. Di masa menda-tang kapasitor jenis baru ini akan dapat menyaingi sumber energi lainnya.

APLIKASI DI MASA DEPAN
Kapasitor elektrokimia nampaknya membuka dimensi baru dalam rekayasa energi dan elektronik. Manfaat utamanya adalah kapasitans spesifiknya yang besar. Kapasitor elektrokimia dapat mempunyai kerapatan daya lebih dari 3 kW/kg dan 10 kW/dm³. Ini berarti 100 kali lebih besar ketimbang kerapatan daya baterai yang berenergi tinggi sekalipun.

Kapasitor keramik dan elektrolitik yang ada kini hanya memiliki kerapatan daya sekitar 5 kW/dm3. Kapasitor konvensional dapat menyimpan muat-an sebesar 1 C. Sementara itu baterai menyimpan 10⁴ sampai 10⁸ C. Oleh karena itu, kapasitor elektrokimia dapat mengisi jurang antara kapasitor konvensional dan baterai. Berlawanan dengan akumulator, kapasitor elektro-kimia dapat diisi dan dikosongkan dalam waktu singkat. Dan kemampuan pengisian kembalinya hampir tak terbatas.

Kapasitor elektrokimia, secara global, dapat dipakai untuk keperluan yang beraneka-ragam. Di antaranya (1) peralatan daya tinggi bagi sistem penyimpan energi, stabilisator tegangan, perlindungan kerusakan daya, pulsed lasers, antena satelit, sistem komunikasi ruang angkasa, penggerak mobil listrik, starter pada kendaraan bermotor, regenerative braking, peralatan kedokteran semisal defibrillator, sekring elektronik di industri mineral, dan senjata canggih. (2) Pengganti baterai untuk pemakai alat elektronik, memory back-up di komputer, Mldisplay, video recorder, solars watches, dan mainan anak-anak. (3) Pengganti kapasitor konvensional pada elektronik untuk saringan persediaan daya, peralatan pengontrol, dan alat pengaman alarm. Kapasitor dapat melindungi elektronik yang sensitif terhadap fluktuasi daya, line transients, dan shutdowns.

[Emriadi sedang mengikuti program S3 Kimia Fisika di Freie Universitat Berlin]

Sumber: Majalah AKUTAHU 139/DESEMBER 1994