Penggunaan Grafin sebagai Bahan Superkapasitor

Dizaman yang super modern seperti saat ini, zaman dimana sangat dibutuhkan keefisienan kerja dengan memperoleh hasil sebaik mungkin dan ketepatan waktu, barang elektronik sudah menjadi hal biasa dalam kehidupan sehari-hari. Bahkan saat ini mayoritas barang elektronik yang ada sudah terkomputerisasi. Jika meninjau dari tuntutan zaman super canggih seperti saat ini yang menuntut ketepatan waktu dan keefektifan kerja, maka dari berbagai alat elektronik yang sekarang ini ada masih menyisakan satu masalah utama. Masalah utama tersebut adalah lamanya waktu pengisian baterai hingga terisi secara penuh (baterai apapun).
Barang elektronik saat ini yang mempergunakan baterai diantaranya adalah laptop, handphone, handycam, kamera digital, dan masih banyak lagi alat elektronik lainnya. Kita misalkan laptop dan handphone. Kedua alat elektronik tersebut mempergunakan baterai sebagai sumber energinya dan merupakan perangkat yang sangat penting dalam kehidupan kita sehari-hari. Handphone sangat penting dipergunakan untuk komunikasi jarak jauh dengan orang lain, sedangkan laptop sangat penting karena kita pergunakan untuk menyelesaikan berbagai macam tugas sekolah, kuliah, dan kantor. Berdasarkan data yang dihimpun dari berbagai produsen laptop dan handphone, secara umum baterai laptop dan handphone membutuhkan waktu pengisian antara 3-8 jam hingga terisi penuh. Waktu 3-8 jam merupakan waktu yang sangat lama pada zaman gobal saat ini. Untuk itu dibutuhkan sebuah alat atau piranti yang berfungsi seperti baterai, sebagai penyimpan energi listrik, namun memiliki waktu pengisian (recharge) yang sangat singkat. Salah satu perangkat elektronik yang berpotensi untuk menggantikan peran dari baterai superkapasitor grafin.
Sebelum kita membahas tentang superkapasitor Grafin, kita terlebih dahulu berkenalan dengan kapasitor, superkapasitor dan grafin terlebih dahulu. Sejak SMP kita telah belajar tentang fisika elektronik. Di situ kita belajar mengenai beberapa komponen elektronika dasar, salah satunya adalah kapasitor. Kapasitor merupakan suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791 – 1867) dan untuk mengenang jasanya maka satuan Kapasitor disebut Farad yang berasal dari nama sang penemu. Kapasitor juga biasa disebut dengan kondensator karena karena pada masa itu pada tahun 1782 dunia masih kuat akan pengaruh ilmuan kimia lainnya yaitu Alessandro Volta, yang berkebangsaan itali. Dimana pada masa tersebut segala komponen yang berkenaan dengan kemampuan untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya ia sebut dengan nama Condensatore (Bahasa Italia).
Kapasitor memiliki sifat yang mirip dengan baterai yaitu mampu menyimpan energi. Hanya saja, baterai menyimpan energi melalui reaksi kimia antara elektroda logam dan cairan elektrolit. Energi kimia itu lalu diubah menjadi energi listrik. Perubahan energi listrik ke energi kimia (juga sebaliknya) butuh waktu yang pada akhirnya ketika kita men-charge dan me-recharge baterai ponsel atau laptop relatif lambat dan butuh waktu beberapa jam, rata-rata antara 3-8 jam, untuk diisi secara penuh. Kapasitor tak butuh konversi energi kimia ke energi listrik pada proses charging sehingga listrik dalam kapasitor dapat diisi jauh lebih cepat ketimbang baterai. Akan tetapi, kapasitor tidak dapat menyimpan energi listrik dalam waktu lama. Listrik dalam kapasitor bisa habis dalam waktu beberapa detik. Superkapasitor sendiri merupakan kapasitor yang memiliki nilai kapasitansi yang sangat besar dengan ukuran yang relatif kecil. Superkapasitor dikenal juga dengan istilah EDLC (Electric Double Layer Capasitor). Nilai kapasitansi terbesar dari superkapasitor hingga tahun 2010 adalah sekitar 5000 Farad.
Kemudian sebenarnya apa sih yang dimaksud dengan grafin itu ? Grafin atau yang biasa disebut dengan Grafena berasal dari kata GRAPHITE + -ENE, grafit sendiri terdiri dari banyak lembaran grafena yang ditumpuk secara bersama. Grafin merupakan unsur struktur dasar dari alotrop karbon yang berbentuk lembaran datar tipis di mana setiap atom karbon memiliki ikatan sp2 dan dikemas rapat dalam bentuk kisi kristal seperti sarang lebah dengan ketebalan sekitar hanya satu atom saja. Ia dapat dilihat sebagai sebuah jaring-jaring berskala atom yang terdiri dari atom karbon beserta ikatannya.. Alotrop merupakan modifikasi struktural yang berbeda-beda dari sebuah unsur. Pada tiap alotrop, atom-atom unsur tersebut terikat dalam bentuk yang berbeda-beda. Sebagai contoh unsur karbon memiliki dua alotrop umum yaitu intan, yang terdiri atas atom karbon yang terikat bersama-sama dalam susunan kisi tetrahedral, dan grafit, yang terdiri atas atom karbon yang terikat dalam lembaran-lembaran kisi heksagonal. Ikatan karbon-karbon pada grafena adalah sekitar 0,142 nm. Grafena juga dapat dianggap sebagai molekul aromatik yang sangat besar, yang merupakan kelompok senyawa hidrokarbon polisiklik aromatik datar.
Grafin ditemukan oleh dua orang ilmuwan kimia asal Rusia yaitu Andre Geim dan Konstantin Novoselov, dari Universitas Manchester, Inggris, pada tahun 2004 yang pada akhirnya mendapat hadiah Nobel di bidang Fisika pada Selasa, 5 Oktober 2010 karena karyanya dalam mengembangkan grafena 2 dimensi. Saat itu Andre Geim dan Konstantin Novoselov sedang mencari akal bagaimana mengambil sampel material dari grafit, bahan yang biasa dipakai untuk pensil. Kedua ilmuwan kelahiran Rusia itu sedang berupaya mengambil lapisan paling tipis dari grafit sampai pada ikatan atom-atom karbonnya. Mereka pun mencoba memakai selotip buatan pabrik 3M (scotch tape) yang sudah terkenal daya lekatnya yang sangat kuat. Selotip besar itu ditempelkan di grafit untuk mengambil sampel serbuk-serbuk karbonnya. Alasan mereka mempergunakan scotch tape adalah karena grafit, sebagai bahan grafin (salah satu bentuk alami karbon), terdiri atas tiga juta lapisan grafin yang berdiri satu sama lain pada tiap satu milimeternya dan bila grafit itu diiris tipis-tipis menggunakan selotip hingga tersisa satu lapisan tunggal atom saja dengan metode chemical exfoliation (pengelupasan kimiawi), maka grafin tersebut akan menjadi material yang sangat kuat, walau pada mulanya grafin-grafin tersebut terikat dalam susunan yang lemah. Dengan metode sederhana itu, keduanya kemudian menulis hasil penelitian atas lapisan ikatan atom karbon di grafit, yang dikenal dengan nama grafin, dalam jurnal Nature Materials tahun 2007 dengan judul ”for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene”.
Melalui eksperimen yang dilakukan, Andre Geim dan Konstantin Novoselov menuturkan bahwa grafin memiliki banyak sekali sifat unggul yang mampu mendukung grafin untuk diaplikasikan pada bidang elektronik, khususnya pada alikasi superkapasitor. Diantaranya adalah tipis, kuat, konduktivitas listrik yang tinggi dan baik (seperti halnya tembaga), massa efektif elektronnya bernilai nol dengan nilai pita celah energi (band gap) yang juga nol, elektron-elektron di dalamnya pun bersifat relativistik (yang berarti kecepatannya tinggi). Grafin juga hampir transparan, dengan persentase cahaya yang diserap hanya sekitar 2,3 % yang artinya grafin bisa dipakai sebagai lapisan konduktor transparan, seperti panel sel surya. Sifat-sifatt elektron grafin diataslah yang membuatnya sangat cocok dipakai dalam aplikasi elektronika.
Melalui penggabungan sifat superkapasitor (charging hanya dalam hitungan detik) dan sifat grafin diatas, maka tercetuslah ide oleh para ilmuwan dari Angstron Material, Amerika serikat, dan Universitas Teknologi Dalian, Cina yang tergabung dalam sebuah tim riset untuk membuat superkapasitor berbasis grafin pada tahun 2006. Bor Jang, salah satu pendiri Angstron Material dan juga peneliti di tim riset tersebut, mengatakan bahwa teknologi baru ini (superkapasitor berbasis grafin) mampu menyimpan energi hampir sebanyak pada baterai NiMH (nickel metal hydride) walau dalam volume yang kecil dan dapat diisi ulang hanya dalam hitungan menit atau bahkan beberapa detik. Bor Jang juga mengatakan bahwa nantinya superkapasitor ini akan diaplikasikan pada beberapa perangkat elektronik seperti ponsel, kamera digital, dan kendaraan listrik mikro EV. Dengan luas permukaan elektroda yang tinggi dan celah yang sangat sempit antara elektroda, superkapasitor, juga dikenal sebagai kapasitor lapisan ganda atau kapasitor elektrokimia. Perangkat baru yang dikembangkan memiliki elektroda yang terbuat dari grafin yang dicampur dengan asetilena hitam. Campuran yang dihasilkan dilapisi pada permukaan arus kolektor dan dirakit di kapasitor berukuran sebesar koin. Antarmuka elektrolit-elektroda “Celguard-3501” dan elektrolit adalah bahan kimia yang disebut EMIMBF4.
Superkapasitor berbasis grafin ini memiliki densitas energi spesifik (ukuran berapa banyak listrik dapat disimpan per berat) sebesar 85,6 Wh/kg pada suhu kamar (25 oC – 27 oC) dan 136 Wh/kg pada 80 oC (176 M). Nilai densitas energi spesifik tersebut merupakan nilai tertinggi yang pernah ada dari superkapasitor “electric double layer”. Menurut Jang, tujuan utama dari dirinya beserta tim adalah untuk membuat superkapasitor yang mampu menyimpan banyak energi sebaik baterai lithium-ion (untuk berat yang sama) tetapi juga dapat diisi ulang dalam waktu kurang dari dua menit. Meskipun secara teoritis tinggi permukaan area tertentu dari grafin lapisan tunggal (yang dapat mencapai hingga 2675 m2/g), namun suatu superkapasitanse dari 550 F/gr belum bisa dicapai pada perangkat yang sebenarnya karena lembaran grafin cenderung bertumpuk bersama kembali. Jang menambahkan bahwa dia dan timnya sedang mencoba untuk mengatasi masalah ini dengan mengembangkan strategi yang mencegah lembaran muka grafin menempel satu sama lain. Hal ini dapat dicapai jika lembaran grafin yang dipergunakan adalah melengkung dan bukan datar.”. Bor Jang beserta timnya percaya bahwa penemuan mereka, superkapasitor berbasis grafin, merupakan sebuah penemuan terobosan besar dalam teknologi energi.
Dengan adanya penemuan superkapasitor grafin sebagai pengganti baterai pada laptop, handphone, dan perangkat elektronik lainnya, diharapkan mampu meningkatkan keefektifan kerja dan keefektifan waktu bagi manusia dalam melakukan berbagai macam aktifitasnya. Di masa yang akan datang diharapkan grafin akan dimanfaatkan juga untuk membuat komputer berkecepatan tinggi, pesawat terbang dengan berat super ringan, dan layar sentuh transparan.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *