5.6 Komponen dan Material Superkapasitor
5.6.2 Elektrolit dalam Superkapasitor
Meningkatkan kepadatan energi superkapasitor dapat dilakukan dengan meningkatkan tegangan operasi. Tujuannya sama seperti baterai, adalah untuk mengembangkan elektrolit dengan stabilitas elektrokimia terbesar yang mungkin dengan tetap mempertahankan konduktivitas ionik yang cukup (Tarascon and Simon, 2015). Sifat elektrolit, termasuk: (a) jenis dan ukuran ion; (b) konsentrasi ion dan pelarut; (c) interaksi antara ion dan pelarut; (d) interaksi antara elektrolit dan bahan elektroda; dan (e) jendela potensial, semua memiliki pengaruh pada kapasitansi EDL dan pseudokapasitansi, kepadatan energi/daya serta siklus hidup superkapasitor. Secara umum, berbagai jenis elektrolit telah dikembangkan dan dilaporkan dalam literatur sampai saat ini seperti yang ditunjukkan pada gambar 5.4 (Zhong et al., 2015).
Setiap elektrolit memiliki kelebihan dan kekurangan, dan layak untuk memenuhi semua spesifikasi di atas dengan satu elektrolit. Upaya penelitian tanpa henti dan luar biasa telah dilakukan di masa kini dan juga akan terus berlangsung di masa depan untuk penyelidikan pengembangan elektrolit (Ramachandran and Wan, 2018).
5.6.2.1 Elektrolit Berair
Untuk memperoleh kerapatan energi yang tinggi, elektrolit yang digunakan dalam EDLC harus memiliki tegangan dekomposisi tinggi maksimum dan rentang potensial stabil yang luas.
Selain itu, mereka harus stabil di kisaran suhu − 30 hingga + 70 ∘C. Kerugian utama dari penggunaan elektrolit larutan berair adalah tegangan pengeluaran rendah, kisaran suhu kerja terbatas, aktivitas korosi yang tinggi (Bagotsky et al., 2015). Beberapa pertanyaan mendasar seperti apakah ion yang ditampung dalam pori-pori elektroda berada dalam keadaan terlarut.
Analisis hasil menunjukkan bahwa semua kation yang digunakan adalah elektroadsorb dalam pori-pori elektroda dalam keadaan terhidrasi (Eliad et al., 2001).
Gambar 5.4 Klasifikasi elektrolit untuk superkapasitor (Zhong et al., 2015).
Tabel 5.3 Karakteristik ion pada elektrolit berair (Ramachandran and Wan, 2018).
Tipe ion
Ukuran ion (Å)
Ukuran ion terhidrasi (Å)
Energi Gibbs (kkal.mol-1)
Konduktivitas ionic (S.cm2.mol-1)
H+ 1.15 2.80 - 350.1
Li+ 0.60 3.82 138.4 38.69
Na+ 0.95 3.58 162.3 50.11
K+ 1.33 3.31 179.9 73.5
NH4+ 1.48 3.31 - 73.7
Mg2+ 0.72 4.28 - 106.12
Ca2+ 1.00 4.12 - 119
Ba2+ 1.35 4.04 - 127.8
Cl- 1.81 3.32 - 76.31
NO3- 2.64 3.35 - 71.42
SO42-
2.90 3.79 - 160.0
OH- 1.76 3.00 - 198
ClO4-
2.92 3.38 - 67.3
PO43-
2.23 3.39 - 207
CO32-
2.66 3.94 - 138.6
Untuk mengevaluasi kinerja keseluruhan dari elektrolit berair, beberapa kriteria khas harus dipertimbangkan seperti pada tabel 5.3, aliran ion yang mengubah konduktivitas ionik,
serta kapasitansi spesifik. Elektrolit berair dapat dikategorikan menjadi tiga kelompok seperti larutan alkali, asam, dan netral. Elektrolit encer yang paling umum digunakan adalah KOH, H2SO4, dan Na2SO4 (Ramachandran and Wan, 2018). Tabel 5.4 mencantumkan jenis elektrolit berair dan kinerjanya untuk superkapasitor. Dapat dilihat bahwa untuk elektrolit asam dan basa, tegangan sel semuanya dibatasi dalam 1.3 V tidak peduli apa bahan elektroda yang digunakan. Untuk elektrolit netral, tegangan sel tertinggi yang dilaporkan pada Tabel xx adalah 2.2 V. Selain itu, kisaran suhu operasi ES dengan elektrolit air juga harus dibatasi di atas titik beku air dan di bawah titik didih (Zhong et al., 2015).
Tabel 5.4 Elektrolit Berair pada Superkapasitor
Elektrolit Elektroda Kapasitansi spesifik (F/g)
Superkapasitor berbasis elektrolit organik memiliki kelebihan dari elektrolit berair karena jendela potensial operasi tinggi dalam kisaran 2.5 hingga 2.8 V. Peningkatan tegangan sel operasi dapat memberikan peningkatan yang signifikan dalam kepadatan energi dan daya.
Selain itu, menggunakan elektrolit organik memungkinkan penggunaan bahan yang lebih murah (seperti Al) untuk pengumpul arus. Elektrolit organik yang khas untuk EDLC komersial terdiri dari garam konduktif (seperti Tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEABF4)) yang dilarutkan dalam pelarut ACN atau PC. Tabel 5.5 mencantumkan sistem superkapasitor yang menggunakan elektrolit organik yang berbeda dan kinerja yang terkait (Zhong et al., 2015).
Namun, ada masalah lain yang harus dipertimbangkan saat menggunakan elektrolit organik untuk superkapasitor. Dibandingkan dengan superkapasitor yang menggunakan elektrolit berair, superkapasitor dengan elektrolit organik biasanya memiliki biaya yang lebih tinggi, kapasitansi spesifik yang lebih kecil, konduktivitas yang lebih rendah, dan masalah keamanan terkait dengan sifat mudah terbakar, volatilitas dan toksisitas. Selain itu, elektrolit organik membutuhkan proses pemurnian dan perakitan yang rumit di lingkungan yang dikontrol ketat untuk menghilangkan segala kotoran yang tidak terpakai (seperti air) yang dapat menyebabkan degradasi kinerja yang besar dan masalah pelepasan sendiri yang serius (Zhong et al., 2015).
Tabel 5.5 Elektrolit Organik pada Superkapasitor
Elektrolit Elektroda Kapasitansi (F/g) Potensial sel (V)
Et4N-BF4 = tetraethylammonium tetrafluoroborat; ACN = Acetonitrile; CACP = commercial activated carbon powder; TSAC = Tobacco stem activated carbon; PC = propylene carbonate; BAC = Bamboo activated carbon;
PANI/GR = Polianiline/Graphite; MTN = Molybdenum Trioxide Nanosheets, DMF = N,N-dimethylformamide, [Bmim]PF6 = 1-butyl-3-methyl-imidazolium hexafluorophosphate.
5.6.2.3 Elektrolit Cair Ionik
Cairan ionik (Ionic Liquid (IL)) umumnya didefinisikan sebagai garam-garam yang hanya terdiri dari ion (kation dan anion) dengan titik lebur di bawah 100oC. IL biasanya terdiri dari kation organik asimetris yang besar dan anorganik atau anion organik, dan kombinasi khusus kation dan anion tertentu ini berkontribusi pada titik leleh yang rendah. Karena struktur dan sifat yang unik, IL dapat digunakan sebagai elektrolit alternatif untuk superkapasitor. Biasanya, IL memiliki beberapa potensi keuntungan termasuk stabilitas termal, kimia dan elektrokimia yang tinggi, volatilitas yang dapat diabaikan, dan tidak mudah terbakar (tergantung pada
kombinasi kation dan anion). Selain itu, sifat fisik dan kimia IL dapat diatur karena variasi kation dan anionnya yang sangat terbatas, serta komposisi elektrolit ysng dapat dioptimalkan atau disesuaikan untuk memenuhi persyaratan kinerja superkapasitor tertentu seperti tegangan sel operasi, kisaran suhu kerja, ESR (terkait dengan konduktivitas ionik), dsb (Zhong et al., 2015).
Dalam beberapa literatur yang diterbitkan, kation IL yang digunakan untuk superkapasitor umumnya didasarkan pada imidazolium, pyrrolidinium, ammonium, sulfonium, kation fosfonium, dsb. Anion khas IL adalah tetrafluoroborate (BF4−), hexafluorophosphate (PF6−), bis(trifluoromethanesulfonyl) imide (TFSI−), bis(fluorosulfonyl)imide (FSI−), dan dicyanamide (DCA−) (Zhong et al., 2015). Tabel 5.6 mencantumkan sistem superkapasitor yang menggunakan elektrolit cair ionic yang berbeda dan kinerja yang terkait
Tabel 5.6 Elektrolit Cair Ionik pada Superkapasitor
Elektrolit Elektroda Kapasitansi
MPPp-TFSI SWNT/G 151 pada 0.2 A/g 146 pada 0.2 A/g EMI-TFSI = ethyl-methylimmidazolium-bis(trifluoro-methane-sulfonyl)imide; TiC-CDC = Titanium carbide derived carbon; CS-AC = Cotton stalk activated carbon; ACP = Activate carbon powder; EMIM Ac = 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate; BMIM Cl = 1-butyl-3-1-ethyl-3-methylimidazolium chloride; GBL = γ-butyrolactone, SWNT/G = single-wall carbon nanotubes/Graphene, EMI-BF4 = 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, MPPp-TFSI = 1-methyl-1-propylpiperidinium bis (trifluoromethyl sulfonyl) imide
5.6.2.4 Elektrolit Padat- dan Kuasi Padat
Perangkat superkapasitor dengan elektrolit zat padat telah menarik minat besar dalam beberapa tahun terakhir. Elektrolit zat padat tidak hanya dapat berfungsi sebagai media penghantar ion tetapi juga sebagai pemisah elektroda. Keuntungan utama saat menggunakan
elektrolit solid-state adalah penyederhanaan proses pengemasan dan fabrikasi dan bebas kebocoran cairan. Sampai saat ini, jenis utama dari elektrolit zat padat yang dikembangkan untuk superkapasitor telah didasarkan pada elektrolit polimer, dan hanya pekerjaan yang sangat terbatas yang difokuskan pada bahan padat anorganik (misalnya Keramik elektrolit) (Zhong et al., 2015).
Elektrolit padat berbasis polimer untuk superkapasitor dapat dikelompokkan menjadi tiga jenis: (1) solid polymer electrolyte (SPE, juga dikenal sebagai dry polymer electrolyte), (2) gel polymer electrolyte (GPE) dan (3) polielektrolit. Karena adanya fase cair dalam GPE, beberapa penelitian menyebutnya sebagai elektrolit kuasi-padat. SPE terdiri dari polimer (misal, PEO) dan garam (misal, LiCl), tanpa pelarut apa pun. Konduktivitas ionik SPE disediakan oleh pengangkutan ion garam melalui polimer. Sebaliknya, GPE terdiri dari polimer inang (misal, PVA) dan elektrolit berair (misal, H2SO4) atau garam konduktif yang dilarutkan dalam pelarut.
Dalam hal ini, polimer berfungsi sebagai matriks, yang dapat membengkak oleh pelarut, dan ion-ion mengangkut dalam pelarut alih-alih dalam fase polimer, yang berbeda dari yang dimiliki SPE. Mengenai polimer inang, berbagai matriks polimer telah dieksplorasi untuk pembuatan GPE, termasuk poly(vinyl alcohol) (PVA), poly(acrylic acid) (PAA), potassium polyacrylate (PAAK), poly(ethyl oxide) (PEO), poly-(methylmethacrylate) (PMMA), poly(ether ether ketone) (PEEK), poly(acrylonitrile)-block-poly(ethylene glycol)-block-poly(acrylonitrile) (PAN-b-PEG-b-PAN), and poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) (Zhong et al., 2015; Pal et al., 2019).
Elektrolit padat telah digunakan untuk berbagai jenis superkapasitor seperti EDLC, pseudokapacitor dan hybrid superkapasitor dengan berbagai jenis bahan elektroda. Ketika mengembangkan elektrolit zat padat, persyaratan kritis berikut harus dipertimbangkan: (1) konduktivitas ionik tinggi, (2) stabilitas kimia, elektrokimia dan termal yang tinggi, dan (3) kekuatan mekanik yang cukup dan stabilitas dimensi (Zhong et al., 2015). Tabel 5.7 mencantumkan sistem superkapasitor yang menggunakan elektrolit padat dan kuasi-padat yang berbeda dan kinerja yang terkait
Tabel 5.7 Elektrolit Padat dan Kuasi-padat pada Superkapasitor
Elektrolit Elektroda Kapasitansi (F/g) Potensial sel (V) acid graphene hydrogel, CNF/RGO/MoOxNy = cellulose nanofibril –reduced graphene oxide (RGO)–molybdenum oxynitride (MoOxNy) aerogel film, PEDOT = poly-(3,4-ethylenedioxythiophene), CMC = carboxymethylcellulose,
5.6.2.5 Elektrolit Aktif Redoks
Penelitian terbaru telah dilakukan dalam hal eksplorasi sifat pseudokapasitansi dari elektrolit aktif redoks untuk meningkatkan kapasitansi superkapasitor. Dalam hal ini, pseudokapasitansi tidak hanya dikontribusikan oleh bahan elektroda pseudokapasitif tetapi juga dapat dikontribusikan dari elektrolit. Jenis elektrolit ini dapat dikelompokkan menjadi tiga yakni elektrolit aktif redoks berair, tidak berair dan zat padat (Zhong et al., 2015). Tabel 5.8 mencantumkan sistem superkapasitor yang menggunakan elektrolit aktif redoks yang berbeda dan kinerja yang terkait.