ANALISA SIFAT FISIS ELEKTRODA DAN SIFAT ELEKTROKIMIA SEL SUPERKAPASITOR DARI SERABUT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
DENGAN VARIASI KONSENTRASI KOH
Sugianto1 , Vivi Melinda2 , Rakhmawati Farma1 , Walfred Tambunan1 , Yanuar1 , Awitdrus1
1Dosen Bidang Fisika Material Jurusan Fisika 2Mahasiswa Program S1 Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Kampus Bina Widya Pekanbaru, 28293, Indonesia
vivimelindav@yahoo.com
ABSTRACT
Carbon electrodes in this study were produced from oil palm empty fruit bunches. The carbon electrodes production utilized chemical activation using Kalium Hydroxyde (KOH) which various concentrations of 0.3 M, 0.6 M and 0.9 M. The samples were chemically
activated and mold to form pellets of 0.75 g mass, then were flowed by N2 gas at a
temperature of 600°C and followed by physical activation process at 700°C in a CO
2 gas.
The densities of electrodes for concentration KOH of 0.3 M, 0.6 M and 0.9 M were 1.036 g/cm3, 1.093 g/cm3 and 1.161 g/cm3 respectively. The densities value of electrodes showed
that increase KOH concentration causing composition of the particles is more dense and the little amount of pores produced. Analysis using XRD showed two peaks of carbon at 2θ angles of 24and 44 Specific capacitance value for cell supercapacitor 0.3 M, 0.6 M and
0.9 M KOH were obtained as high as 110.724 F/g, 101.205 F/g and 96.392 F/g respectively.
Keywords : Oil palm empty fruit bunches, carbon electrodes, various KOH concentrations
ABSTRAK
Elektroda karbon pada penelitian ini dibuat dari serabut tandan kosong kelapa sawit (STKKS). Pembuatan elektroda karbon dengan aktivasi kimia menggunakan aktivator KOH dengan variasi konsentrasi 0,3 M, 0,6 M, dan 0,9 M. Sampel diaktivasi kimia dan dicetak membentuk pelet dengan massa 0,75 g, kemudian dilanjutkan proses karbonisasi pada suhu 600 °C dialirkan gas N2 dan proses aktivasi fisika dialirkan gas CO2 pada
suhu 700 °C . Densitas dari masing-masing elektroda dengan konsentrasi KOH 0,3 M,
0,6 M dan 0,9 M adalah 1,036 g/cm3, 1,093 g/cm3 dan 1,161 g/cm3. Nilai densitas elektroda
didapatkan bahwa semakin besar konsentrasi KOH maka susunan partikel lebih padat dan sedikitnya jumlah pori yang dihasilkan. Pengujian XRD menunjukkan munculnya dua puncak karbon disudut 2θ yaitu 24dan 44. Nilai kapasitansi spesifik masing-masing
konsentrasi KOH diperoleh hasil sebesar 110,724 F/g, 101,205 F/g dan 96,392 F/g.
PENDAHULUAN
Krisis energi menjadi masalah serius yang sedang dihadapi dunia dikarenakan masih kurangnya pemanfaatan sumber daya penghasil energi listrik itu sendiri sehingga diperlukan suatu piranti penyimpan energi yaitu superkapasitor.
Superkapasitor memiliki
beberapa keunggulan diantaranya memiliki kapasitas penyimpanan muatan yang relatif besar, waktu Superkapasitor pada umumnya menggunakan bahan karbon sebagai cukup banyak dan berpotensi sebagai sumber karbon aktif tetapi belum termanfaatkan secara optimal dari industri pengolahan sawit. Basis satu ton tandan buah segar akan dihasilkan limbah dalam bentuk tandan kosong konsentrasi aktivator KOH terhadap
nilai kapasitansi spesifik sel serat-serat, lalu di pra-karbonisasi dengan suhu 200°C dengan waktu pengovenan selama 3 jam, dilanjutkan
dengan proses penggilingan 0,75 g dan pemberian tekanan 8 ton. Pelet dikarbonisasi pada suhu 600°C
dialirkan gas N2 dilanjutkan dengan
proses aktivasi fisika pada suhu 700°C.
Tahap akhir pembuatan elektroda yaitu pemolesan pelet dengan tebal 0,2 mm lalu proses pencucian pelet hingga pH netral. Setelah pelet netral selanjutnya dilakukan proses pengeringan dengan suhu 100°C.
Mekanisme pembuatan sel superkapasitor dimulai dengan menyiapkan teflon sebagai penyangga superkapasitor dan akrilik sebagai badan superkapasitor. Stainless steel
316L sebagai pengumpul arus diletakkan diatas teflon yang telah dibentuk sesuai dengan diameter elektroda. Kedua elektroda karbon direndam dalam larutan elektrolit H2SO4 1 M selama 24 jam. Setelah itu,
komponen digabung dengan separator ditempelkan diantara kedua elektroda.
densitas serta karakterisasi dengan menggunakan uji Difraksi Sinar-X (XRD) untuk mengetahui struktur mikro elektroda karbon. Karakterisasi sifat elektrokimia sel superkapasitor
dengan metode Cyclic Voltammetry
(CV).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakterisasi sifat fisis dari elektroda karbon dilakukan dengan pengukuran nilai densitas pelet dan uji XRD.
Nilai densitas bergantung pada proses karbonisasi, aktivasi kimia dan aktivasi fisika. Ketiga proses tersebut berperan penting mengembangkan struktur rongga yang ada pada karbon. Pengukuran densitas dihitung pada kondisi sebelum proses karbonisasi dan setelah proses aktivasi fisika. Nilai densitas ini akan berpengaruh terhadap besarnya nilai kapasitansi spesifik yang di dapatkan pada pengujian
Cyclic Voltammetry (CV). Hasil pengukuran nilai densitas masing– masing variasi konsentrasi KOH 0,3 M, 0,6 M dan 0,9 M ditunjukkan pada Tabel 1. kode elektroda C dengan variasi KOH 0,9 M mempunyai ukuran partikel yang lebih kecil setelah aktivasi kimia sehingga pelet yang dihasilkan lebih padat dan densitasnya lebih tinggi. Aktivator KOH akan bereaksi dengan pori bagian dalam karbon sedangkan proses aktivasi fisika berhubungan dengan pori yang terdapat pada permukaan karbon dan membuka pori-pori yang masih tertutup sehingga luas permukaannya semakin meningkat. Penambahan molaritas KOH menyebabkan partikel – partikel
menjadi lebih kecil sehingga
kepadatan dari partikel akan meningkat. Besarnya nilai densitas pada variasi konsentrasi KOH 0,9 M menyebabkan susunan partikel lebih padat dan sedikitnya jumlah pori yang dihasilkan. Kenaikan densitas menyebabkan porositas menurun sehingga nilai Csp berkurang (Deraman
dkk, 2010).
Hasil uji XRD untuk elektroda STKKS pada variasi KOH 0,3 M, 0,6 M dan 0,9 M memperlihatkan adanya struktur mikro elektroda, parameter kisi dan jarak antar atom. Hasil olahan
data XRD menggunakan software
Microcal Origin 3.5 memberikan informasi mengenai besar sudut 2θ untuk puncak difraksi (002) dan (100) untuk melihat tinggi lapisan mikrokristalin (Lc) dan lebar lapisan
mikrokristalin (La). Menurut Farma
dkk, (2013) uji XRD untuk bahan karbon umumnya menunjukkan pola difraksi yang sama dengan dua puncak yang muncul di sudut 2θ yaitu 24dan
(002) dan (100) seperti yang terlihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Pola XRD elektroda karbon dengan variasi konsentrasi KOH
Gambar 1 terlihat adanya kehadiran puncak karbon pada sampel KOH 0,3 M ditunjukkan pada sudut 2θ yaitu sebesar 24,151dan 46,425.
Sampel KOH 0,6 M pada sudut 2θ
sebesar 24,576 dan 46,989
sedangkan sampel KOH 0,9 M memiliki sudut 2θ sebesar 24,927 dan
48,028. Berdasarkan Gambar 1
puncak pada sampel KOH 0,3 M dan 0,9 M berbentuk lengkung yang menandakan bahwa elektroda STKKS bersifat amorf sedangkan sampel KOH 0,6 M terdapat puncak yang tajam yang mengindikasikan terdapatnya unsur silika (SiO2) yang terdeteksi
pada uji XRD. Berdasarkan data
National Bureau of Standars (NBS) unsur SiO2 dideteksi berada pada sudut
260, 360, 390, 420, dan lain-lain (Morris
dkk, 1981). Puncak silika merupakan bahan selain karbon dan bersifat kristal. Terdeteksinya unsur silika dikarenakan saat proses penetralan
sampel masih terdapatnya zat pengotor pada permukaan elektroda STKKS.
Tabel 2. Data parameter kisi elektroda
STKKS dengan variasi
0,3 M 3,682 1,954 10,603 6,836
0,6 M 3,619 1,932 7,926 7,001
0,9 M 3,569 1,892 7,343 7,275
Tabel 2 menunjukkan sampel
mengindikasikan luas permukaan karbon aktif yang semakin besar dengan nilai La yang semakin kecil
(Qu, 2002).
Karakterisasi sifat elektrokimia sel superkapasitor menggunakan
metode Cyclic Voltammetry (CV). CV
digunakan untuk mengukur nilai
kapasitansi spesifik dari sel
superkapasitor. Menurut Wang dkk,
(2013) Kapasitansi spesifik (Csp)
Besarnya nilai kapasitansi
spesifik (Csp) untuk elektroda STKKS
variasi konsentrasi KOH 0,3 M, 0,6 M
dan 0,9 M dengan laju scan 1 mV/s
dengan rentang tegangan dari 0 volt sampai dengan 0,5 volt dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Kurva CV untuk elektoda karbon STKKS pada sel superkapasitor dengan laju scan 1 mV/s
Gambar 2 menunjukkan kurva hubungan antara rapat arus (A/cm2)
dengan tegangan (V) pada variasi konsentrasi KOH 0,3 M, 0,6 M dan 0,9 M. Berdasarkan Gambar 2 terlihat bahwa KOH 0,3 M memiliki lebar kurva yang lebih besar dibandingkan KOH 0,6 M dan 0,9 M. Perbedaan siklus charge dan discharge pada setiap variasi konsentrasi KOH mempengaruhi besarnya bentuk kurva yang dihasilkan. Semakin lebar bentuk kurva arus charge dan discharge maka nilai kapasitansi spesifik yang dihasilkan dari pasangan elektroda semakin besar (Taer dkk, 2015).
Nilai kapasitansi spesifik
masing-masing konsentrasi yaitu
110,724 F/g, 101,205 F/g dan 96,392 F/g.
Pengaruh adanya penambahan molaritas KOH pada elektroda berpengaruh terhadap ukuran pori yang terbentuk pada sampel. Ukuran diameter ion yang lebih kecil dapat dengan mudah untuk berdifusi ke dalam pori-pori elektroda. Besarnya ukuran pori akan mempengaruhi nilai kapasitansi spesifik pada sel superkapasitor yang dihasilkan.
KESIMPULAN
Pembuatan sel superkapasitor menggunakan elektroda karbon dari serabut tandan kosong kelapa sawit dengan variasi konsentrasi KOH telah berhasil dilakukan. Hasil uji karakterisasi sifat fisis dan sifat elektrokimia menunjukkan bahwa KOH 0,3 M memiliki kandungan karbon yang tinggi dan nilai kapasitansi spesifik yang besar
sehingga berpotensi untuk
dikembangkan sebagai sel
superkapasitor.
UCAPAN TERIMAKASIH
Kami mengucapkan terimakasih kepada Bapak Drs. Sugianto, M.Si selaku pembimbing dan Ibu Dr. Rakhmawati Farma, M.Si atas bantuan pendanaan melalui DIPA Universitas Riau tahun 2017.
Kotz, R. and Carlen, M. 2000. Principles and applications of electrochemical Capacitors.
Electrochim Acta. 45 (15-16):2483-2498.
Darnoko. 1992. Potensi Pemanfaatan Limbah Lignoselulosa Kelapa Sawit Melalui Biokonversi. Medan: Berita Penelitian Perkebunan.
Deraman, M., Saad, S.K.Md., Ishak, M.M., Awitdrus, Taer, E., Talib, I., Omar, M.H. and Jumali. 2010. Carbon nanotubes (CNTs) composites from green pellets contain cnts and self adhesive carbon grains from fibres of oil palm empty fruit bunch. The Third Nanoscience And Nanotechnology Symposium. 179-186.
Farma, R., Deraman, M., Awitdrus, A., Talib, L.A., Taer, E., Basri, N.H., Manjunatha, J.G., Ishak, M.M., Dollah, B.N.M. and
Hashmi, S.A. 2013.
Preparation of highly porous binderless activated carbon electrodes from fibres of oil palm empty fruit bunches for application in supercapacitors.
Bioresource Technology. 132:254–261.
Morris, M.C. Howard, T. Mc Murdie. Evans, E.H. Paretzkin, B. Parker, H.S. Nicolas, C.
Panagiotopoulos. 1981. NBS
Monograph 25- Section 18 Standar X-Ray Diffraction Powder Pattern. International Centre for Diffraction Data U.S
Department of Commerce, Wasington DC.
Taer, E., Mustika, W.S., Zulkifli., Syam, I.D.M. dan Taslim, R.
2015. Pengaruh suhu
pengaktivan CO2 terhadap luas
permukaan elektroda karbon dan sifat kapasitan sel superkapasitor dari kayu karet. Prosiding Seminar Nasional Fisika Universitas Andalas. 96-100.
Qu, D. 2002. Studies of the activated carbons used in double-layer
supercapacitors. Journal of
Power Sources 109 (2002) 403–411.
Wang ,H., Zhang, D., Yan, T., Wen, X., Zhang, J. and Shi, L. 2013.Three-dimensional
macroporous graphene
architectures as high
performance electrodes for capacitive deionization. J Mater
