Superkapasitor adalah jenis perangkat yang dapat menyimpan dan menyalurkan energi lebih cepat daripada baterai konvensional. Permintaannya tinggi untuk aplikasi termasuk mobil listrik, telekomunikasi nirkabel, dan laser bertenaga tinggi.

Namun untuk mewujudkan aplikasi ini, superkapasitor memerlukan elektroda yang lebih baik, yang menghubungkan superkapasitor ke perangkat yang bergantung pada energinya. Elektroda ini harus lebih cepat dan murah untuk dibuat dalam skala besar dan juga mampu mengisi dan melepaskan beban listriknya lebih cepat. Sebuah tim insinyur di Universitas Washington berpikir mereka telah menemukan proses pembuatan bahan elektroda superkapasitor yang akan memenuhi tuntutan industri dan penggunaan yang ketat ini.

Para peneliti, yang dipimpin oleh asisten profesor ilmu dan teknik material UW Peter Pauzauskie, menerbitkan sebuah makalah pada 17 Juli di jurnal Nature Microsystems dan Nanoengineering yang menjelaskan elektroda superkapasitor mereka dan cara pembuatannya yang cepat dan murah. Metode baru mereka dimulai dengan bahan kaya karbon yang telah dikeringkan menjadi matriks dengan kepadatan rendah yang disebut aerogel. Aerogel ini sendiri dapat bertindak sebagai elektroda mentah, namun tim Pauzauskie meningkatkan kapasitansinya lebih dari dua kali lipat, yang merupakan kemampuannya untuk menyimpan muatan listrik.

Bahan awal yang murah ini, ditambah dengan proses sintesis yang efisien, meminimalkan dua hambatan umum dalam penerapan industri: biaya dan kecepatan.

“Dalam penerapan industri, waktu adalah uang,” kata Pauzauskie. “Kami dapat membuat bahan awal untuk elektroda ini dalam hitungan jam, bukan minggu. Dan hal ini dapat secara signifikan menurunkan biaya sintesis untuk pembuatan elektroda superkapasitor berkinerja tinggi.”

Elektroda superkapasitor yang efektif disintesis dari bahan kaya karbon yang juga memiliki luas permukaan tinggi. Persyaratan terakhir ini penting karena cara unik superkapasitor menyimpan muatan listrik. Jika baterai konvensional menyimpan muatan listrik melalui reaksi kimia yang terjadi di dalamnya, superkapasitor malah menyimpan dan memisahkan muatan positif dan negatif langsung pada permukaannya.

“Superkapasitor dapat bertindak lebih cepat dibandingkan baterai karena tidak dibatasi oleh kecepatan reaksi atau produk sampingan yang dapat terbentuk,” kata salah satu penulis utama Matthew Lim, seorang mahasiswa doktoral UW di Departemen Sains & Teknik Material. “Superkapasitor dapat mengisi dan mengosongkan daya dengan sangat cepat, itulah sebabnya mereka hebat dalam menyalurkan 'denyut' daya ini.”

“Mereka memiliki aplikasi yang bagus dalam situasi di mana baterainya terlalu lambat,” kata rekan penulis utama Matthew Crane, seorang mahasiswa doktoral di Departemen Teknik Kimia UW. “Pada saat baterai terlalu lambat untuk memenuhi kebutuhan energi, superkapasitor dengan elektroda dengan luas permukaan tinggi dapat bekerja dengan cepat dan menutupi defisit energi.”

Untuk mendapatkan luas permukaan yang tinggi untuk elektroda yang efisien, tim menggunakan aerogel. Ini adalah zat basah seperti gel yang telah melalui perlakuan khusus berupa pengeringan dan pemanasan untuk menggantikan komponen cairnya dengan udara atau gas lainnya. Metode ini mempertahankan struktur 3-D gel, sehingga memberikan luas permukaan yang tinggi dan kepadatan yang sangat rendah. Ini seperti menghilangkan semua air dari Jell-O tanpa menyusut.

“Satu gram aerogel mengandung luas permukaan yang setara dengan satu lapangan sepak bola,” kata Pauzauskie.

Crane membuat aerogel dari polimer mirip gel, bahan dengan unit struktural berulang, dibuat dari formaldehida dan molekul berbasis karbon lainnya. Hal ini memastikan bahwa perangkat mereka, seperti elektroda superkapasitor saat ini, akan terdiri dari bahan kaya karbon.

Sebelumnya, Lim mendemonstrasikan bahwa menambahkan graphene—yang merupakan lembaran karbon yang tebalnya hanya satu atom—ke dalam gel akan memberi sifat superkapasitor pada aerogel yang dihasilkan. Namun, Lim dan Crane perlu meningkatkan kinerja aerogel, dan membuat proses sintesis lebih murah dan mudah.

Dalam percobaan Lim sebelumnya, penambahan graphene tidak meningkatkan kapasitansi aerogel. Jadi mereka malah mengisi aerogel dengan lembaran tipis molibdenum disulfida atau tungsten disulfida. Kedua bahan kimia tersebut saat ini digunakan secara luas dalam pelumas industri.

Para peneliti mengolah kedua bahan tersebut dengan gelombang suara frekuensi tinggi untuk memecahnya menjadi lembaran tipis dan memasukkannya ke dalam matriks gel kaya karbon. Mereka dapat mensintesis gel basah yang terisi penuh dalam waktu kurang dari dua jam, sedangkan metode lain memerlukan waktu berhari-hari.

Setelah mendapatkan aerogel kering dengan kepadatan rendah, mereka menggabungkannya dengan perekat dan bahan lain yang kaya karbon untuk menciptakan “adonan” industri, yang dapat dengan mudah digulung oleh Lim menjadi lembaran yang tebalnya hanya seperseribu inci. Mereka memotong cakram berukuran setengah inci dari adonan dan merakitnya menjadi wadah baterai sel berbentuk koin sederhana untuk menguji efektivitas bahan tersebut sebagai elektroda superkapasitor.

Elektrodanya tidak hanya cepat, sederhana dan mudah disintesis, namun juga memiliki kapasitansi setidaknya 127 persen lebih besar dibandingkan aerogel yang kaya karbon saja.

Lim dan Crane memperkirakan bahwa aerogel yang diisi dengan lembaran molibdenum disulfida atau tungsten disulfida yang lebih tipis—ketebalannya sekitar 10 hingga 100 atom—akan menunjukkan kinerja yang lebih baik. Tapi pertama-tama, mereka ingin menunjukkan bahwa aerogel yang dimuat akan lebih cepat dan lebih murah untuk disintesis, sebuah langkah penting untuk produksi industri. Penyempurnaan dilakukan berikutnya.

Tim percaya bahwa upaya ini dapat membantu memajukan ilmu pengetahuan bahkan di luar bidang elektroda superkapasitor. Molibdenum disulfida yang tersuspensi aerogel mungkin tetap cukup stabil untuk mengkatalisis produksi hidrogen. Dan metode mereka untuk menjebak material dengan cepat dalam aerogel dapat diterapkan pada baterai atau katalisis berkapasitas tinggi.