Semen, Karbon Hitam, Elektrolit, dan Air Membuat Resep Sederhana untuk Superkapasitor Baru yang Serbaguna

Jika perkembangan terbaru dalam ilmu material berhasil, dunia kita akan tampak sangat berbeda dalam hanya beberapa tahun. Selama minggu terakhir, tidak hanya ada daftar ilmuwan yang semakin panjang yang berusaha mereplikasi dan membuktikan validitas klaim terbaru mengenai superkonduktor potensial pada suhu kamar dan tekanan atmosfer yang disebut ‘LK-99’, tetapi Massachusetts Institute of Technology (MIT) juga mengumumkan penemuan menarik miliknya sendiri. Ini akan menjadi superkapasitor yang hemat biaya terbuat dari bahan non-eksotis.

Apa Itu Kapasitor?

Apa yang Membuatnya ‘Super’?

Superkapasitor, juga dikenal sebagai ultrakapasitor atau kapasitor lapisan ganda, adalah jenis kapasitor yang memiliki kapasitansi sangat tinggi.  Berikut cara superkapasitor berbeda dari kapasitor standar:

• Kapasitas Penyimpanan: Superkapasitor dapat menyimpan jumlah muatan listrik yang jauh lebih besar dibandingkan kapasitor standar. Hal ini disebabkan oleh luas permukaan elektroda yang tinggi dan jarak yang sangat tipis di antara keduanya, yang memungkinkan lebih banyak muatan disimpan.
• Densitas Energi dan Daya: Sementara kapasitor umumnya memiliki densitas daya yang lebih tinggi (mereka dapat mengirimkan energi dengan cepat) tetapi densitas energi yang lebih rendah (mereka menyimpan energi lebih sedikit), superkapasitor menjembatani kesenjangan antara kapasitor dan baterai dengan memiliki densitas daya tinggi serta densitas energi yang relatif tinggi.
• Konstruksi: Superkapasitor sering menggunakan bahan dan metode konstruksi yang berbeda. Mereka biasanya memanfaatkan bahan karbon berpori untuk elektroda, yang memberikan luas permukaan besar, serta elektrolit yang memungkinkan pergerakan ion. Luas permukaan yang besar dan konstruksi khusus memungkinkan superkapasitor menyimpan lebih banyak energi.
• Laju Pengisian dan Pengosongan: Superkapasitor dapat diisi dan dikosongkan jauh lebih cepat daripada baterai, dan mereka dapat menahan siklus pengisian dan pengosongan yang jauh lebih banyak tanpa degradasi signifikan. Sementara kapasitor standar juga mengisi dan mengosongkan dengan cepat, superkapasitor dapat mempertahankan muatan lebih lama karena kapasitas penyimpanan mereka yang lebih besar.

Singkatnya, meskipun kapasitor standar dan superkapasitor beroperasi berdasarkan prinsip dasar yang sama yaitu menyimpan energi dalam medan listrik, superkapasitor dibedakan oleh kapasitas penyimpanan yang jauh lebih tinggi, bahan konstruksi yang berbeda, dan kemampuannya menggabungkan karakteristik baik kapasitor maupun baterai.

Di Mana Superkapasitor Digunakan?

Jadi sekarang setelah Anda mengetahui apa itu superkapasitor, di mana mereka berguna?  Superkapasitor biasanya digunakan dalam aplikasi di mana pengiriman energi cepat dan penyimpanan efisien sangat penting. Berikut beberapa bidang umum di mana Anda mungkin menemukan superkapasitor:

• Kendaraan Listrik (EV): Superkapasitor dapat memberikan lonjakan daya cepat yang diperlukan untuk akselerasi dan juga dapat menangkap energi selama pengereman regeneratif, meningkatkan efisiensi keseluruhan kendaraan.
• Transportasi Umum: Pada bus dan trem, superkapasitor dapat digunakan untuk menyimpan energi dengan cepat selama pemberhentian singkat dan kemudian menyediakan energi yang dibutuhkan untuk akselerasi, mengurangi beban pada sumber daya utama.
• Sistem Energi Terbarukan: Superkapasitor dapat menyimpan energi dari sumber terbarukan seperti tenaga surya dan angin, melepaskannya saat dibutuhkan. Hal ini membantu meratakan fluktuasi pasokan energi ketika sinar matahari dan angin terbatas.
• Catu Daya Tak Terputus (UPS): Dalam sistem yang memerlukan pasokan listrik terus-menerus, superkapasitor dapat menyediakan daya sementara selama pemadaman singkat atau hingga generator cadangan aktif.
• Elektronik Konsumen: Pada beberapa perangkat, superkapasitor dapat memberikan lonjakan energi cepat yang diperlukan untuk fungsi tertentu, seperti fotografi flash pada kamera dan instalasi audio mobil kelas atas.
• Perangkat Medis: Superkapasitor dapat digunakan dalam perangkat medis seperti defibrillator yang memerlukan penyediaan daya yang andal dan instan.
• Peralatan Industri: Dalam lingkungan industri, superkapasitor dapat menyediakan daya tinggi yang dibutuhkan untuk durasi singkat pada berbagai mesin dan alat.
• Stabilisasi Grid: Superkapasitor dapat digunakan pada jaringan listrik untuk memberikan respons cepat terhadap perubahan permintaan atau pasokan, membantu menstabilkan grid dan mencegah fluktuasi.
• Perangkat Komunikasi Nirkabel: Mereka dapat digunakan untuk menyediakan energi yang diperlukan untuk mentransmisikan sinyal, terutama di lokasi terpencil atau sulit dijangkau di mana penggantian baterai menantang.
• Aplikasi Smart Grid dan Mikrogri: Superkapasitor dapat menjadi bagian dari sistem manajemen energi cerdas, membantu menyeimbangkan beban dan menyimpan energi secara lokal untuk penggunaan yang lebih efisien.
• Dirgantara dan Pertahanan: Dalam aplikasi dirgantara, superkapasitor dapat menyediakan daya yang andal untuk sistem kritis yang memerlukan keandalan dan kinerja tinggi.

Secara keseluruhan, keanekaragaman, densitas daya tinggi, dan kemampuan pengisian/pengosongan cepat superkapasitor menjadikannya cocok untuk berbagai aplikasi di mana penyimpanan energi dan pelepasan energi cepat diperlukan. Seperti yang Anda lihat dari daftar di atas, superkapasitor sudah digunakan dalam banyak industri. Oleh karena itu, penemuan terbaru yang dibuat oleh MIT sangat menarik karena potensinya untuk mengembangkan begitu banyak implementasi yang berbeda.

Resep Baru

Menurut MIT, peneliti yang terlibat dalam penemuan ini mengembangkan metode untuk menghasilkan material berbasis semen dengan luas permukaan internal yang tinggi dengan memperkenalkan karbon hitam ke dalam campuran beton. Material yang dihasilkan, ketika direndam dalam elektrolit standar seperti kalium klorida, membentuk superkapasitor yang kuat. Secara khusus, jumlah karbon yang dibutuhkan sangat sedikit, sehingga proses ini murah dan mudah direproduksi.
Saat membuat superkapasitor, penting untuk diingat bahwa kinerjanya sangat bergantung pada luas permukaan internal pelat konduktifnya.  MIT menyatakan bahwa,

“Kunci superkapasitor baru yang dikembangkan oleh tim ini berasal dari metode menghasilkan material berbasis semen dengan luas permukaan internal yang sangat tinggi karena jaringan padat yang saling terhubung dari material konduktif di dalam volume massanya.”

Yang menjadi kunci penemuan ini, bagaimanapun, adalah bahwa ia dicapai dengan bahan-bahan yang sangat sederhana, yang dapat ditemukan dengan murah di seluruh dunia – menjadikannya teknologi yang sangat mudah diakses.

Di mana penemuan ini menjadi menarik adalah ketika memikirkan potensi aplikasi masa depannya dalam menstabilkan jaringan energi dan permintaan. Tim menggambarkan satu implementasi di mana fondasi rumah terbuat dari material ini. Tidak hanya material dapat dibuat sekuat semen biasa, fondasi rumah akan memiliki kapasitansi yang dapat menyediakan listrik untuk seluruh hari. Ini dapat dimanfaatkan selama pemadaman listrik, pada jam beban puncak, atau situasi serupa lainnya.

Ini juga berguna untuk rumah yang memanfaatkan energi terbarukan, di mana pasokan tidak konstan. Selama periode produksi berlebih, energi yang disimpan di fondasi dapat diisi ulang, sementara pada periode kekurangan energi, dapat dimanfaatkan. Implementasi lain termasuk teknologi pengisian nirkabel, melayani komunitas dan rumah yang terputus dari jaringan listrik tradisional, dan lainnya.

Kata Penutup

Pentingnya superkapasitor berbasis semen sangat besar, mengingat kecenderungan manusia untuk membangun dengan material ini.  Secara keseluruhan, tim percaya bahwa,

“…desain material komposit karbon-porous semen menyediakan solusi material yang dapat diskalakan untuk penyimpanan energi guna mendukung transisi mendesak dari bahan bakar fosil ke energi terbarukan.”

Tidak hanya akan mudah diakses, tetapi juga dapat diimplementasikan dengan cukup mudah dalam proyek berskala kecil maupun besar.