Superkapasitor berbahan dasar semen membuat sistem penyimpanan energi baru – Dunia Fisika

Superkapasitor berbahan dasar semen membuat sistem penyimpanan energi baru – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 25 Agustus 2023 4

sebuah rumah dengan fondasi yang terbuat dari superkapasitor semen dapat menyimpan energi selama sehari
Karena beton “superkapasitor” baru akan mempertahankan kekuatannya, rumah dengan fondasi yang terbuat dari bahan ini dapat menyimpan energi yang dihasilkan oleh panel surya atau kincir angin untuk satu hari, dan memungkinkannya digunakan kapan pun dibutuhkan. (Sumber: Franz-Josef Ulm, Laksamana Masic dan Yang-Shao Horn)

Superkapasitor baru yang hemat biaya dan efisien yang terbuat dari karbon hitam dan semen dapat menyimpan energi sehari-hari di fondasi beton sebuah bangunan atau menyediakan pengisian ulang tanpa kontak untuk mobil listrik saat mereka melintasinya. Perangkat ini juga dapat memfasilitasi penggunaan sumber energi terbarukan seperti tenaga surya, angin, dan tenaga pasang surut, menurut para peneliti di Massachusetts Institute of Technology (MIT) dan Wyss Institute, keduanya di AS, yang mengembangkannya.

Superkapasitor secara teknis dikenal sebagai kapasitor listrik lapis ganda atau kapasitor elektrokimia, dan kemampuannya berada di antara baterai dan kapasitor konvensional (dielektrik). Meskipun kurang baik dalam menyimpan muatan dibandingkan baterai, superkapasitor lebih baik daripada kapasitor konvensional dalam hal ini berkat elektrodanya yang berpori, yang memiliki luas permukaan hingga beberapa kilometer persegi. Lapisan ganda yang terbentuk pada antarmuka elektrolit-elektroda perangkat tersebut ketika tegangan diterapkan semakin meningkatkan jumlah muatan yang dapat disimpan.

Superkapasitor juga memiliki beberapa keunggulan dibandingkan baterai. Meskipun baterai membutuhkan waktu berjam-jam untuk diisi dan dikosongkan, superkapasitor melakukannya dalam hitungan menit. Mereka juga mempunyai umur yang lebih panjang, bertahan selama jutaan siklus, bukan ribuan. Dan tidak seperti baterai, yang bekerja melalui reaksi kimia, superkapasitor menyimpan energi dalam bentuk ion bermuatan listrik yang berkumpul di permukaan elektrodanya.

Luas permukaan internal yang sangat tinggi

Perangkat baru tersebut, dikembangkan oleh tim yang dipimpin oleh Franz-Josef Ulm, Laksamana Masic dan Tanduk Yang-Shao, mengandung bahan berbahan dasar semen yang memiliki luas permukaan bagian dalam yang sangat tinggi. Para peneliti mencapai hal ini dengan memulai dengan campuran semen kering yang mengandung karbon hitam, yang menyerupai arang yang sangat halus. Untuk campuran ini, mereka menambahkan air dan superplasticizer – bahan tambahan standar yang dapat mengurangi air dalam produksi beton. Saat air bereaksi dengan semen, secara alami air membentuk jaringan pori-pori bercabang di dalam struktur, dan karbon bermigrasi ke pori-pori ini untuk membentuk filamen tipis dengan struktur mirip fraktal. Struktur jaringan yang padat dan saling berhubungan inilah yang menyediakan material dengan luas permukaan yang sangat besar.

“Kami mengisi bahan segar ke dalam tabung plastik dan membiarkannya mengeras setidaknya selama 28 hari,” jelas Ulm. “Kami kemudian memotong sampel menjadi potongan seukuran elektroda, merendam elektroda ini dalam larutan elektrolit standar (kalium klorida) dan membuat superkapasitor dari dua elektroda yang dipisahkan oleh membran isolasi.”

Para peneliti kemudian mempolarisasi elektroda dengan menghubungkan satu elektroda ke muatan positif dan yang lainnya ke muatan negatif. Selama pengisian, ion bermuatan positif dari elektrolit terakumulasi pada kawat karbon volumetrik yang bermuatan negatif, sedangkan ion bermuatan negatif terakumulasi pada kawat karbon bermuatan positif.

Energi yang cukup untuk satu hari

Jika membran menghalangi, ion bermuatan tidak dapat berpindah antar elektroda. Ketidakseimbangan ini menghasilkan medan listrik yang mengisi superkonduktor. “Fakta bahwa kawat volumetrik mengisi ruang yang tersedia – sesuatu yang kami konfirmasikan dengan spektroskopi EDS-Raman – memungkinkan kita menyimpan banyak energi pada permukaan karbon hitam yang sangat besar,” kata Ulm. “Saat kami memutuskan sumber energi dari superkapasitor, energi yang tersimpan akan dilepaskan, dan dengan demikian dapat menyediakan daya untuk berbagai aplikasi.”

Menurut perhitungan mereka, yang mereka rincikan PNAS, sebuah balok material berukuran 45 m3 (setara dengan kubus berukuran 3.55 m), akan mampu menyimpan energi sekitar 10 kWh. Jumlah ini hampir sama dengan rata-rata konsumsi listrik harian sebuah rumah tangga pada umumnya. Sebuah rumah yang dibangun dengan fondasi yang mengandung komposit karbon-beton dapat menyimpan energi dalam sehari – yang dihasilkan oleh panel surya, misalnya – dan melepaskannya saat dibutuhkan. Bahan tersebut juga dapat dimasukkan ke dalam generator listrik yang terputus-putus seperti turbin angin, yang kemudian dapat menyimpan energi di pangkalannya dan melepaskannya selama periode tidak aktif.

Penerapan potensial lainnya untuk superkapasitor – meskipun merupakan superkapasitor kelas atas – adalah menambahkannya ke jalan raya beton. Jalan super ini kemudian dapat menyimpan energi (mungkin dihasilkan oleh panel surya yang terletak di sampingnya) dan menyalurkannya ke kendaraan listrik yang lewat melalui induksi elektromagnetik. Teknologi ini pada dasarnya sama dengan yang digunakan untuk mengisi ulang ponsel secara nirkabel, dan para peneliti mengatakan teknologi ini juga dapat digunakan untuk mengisi ulang kendaraan listrik saat tidak bergerak – misalnya di tempat parkir.

Mereka menambahkan, penggunaan jangka pendek mungkin dilakukan di gedung-gedung yang jauh dari jaringan listrik, yang dapat ditenagai menggunakan panel surya yang terpasang pada superkapasitor.

Sistem yang sangat terukur

Sistem ini sangat terukur, kata Ulm, karena kapasitas penyimpanan energi meningkat sebanding dengan volume elektroda. “Anda dapat beralih dari elektroda setebal 1 milimeter ke elektroda setebal 1 meter, dan dengan melakukan hal tersebut pada dasarnya Anda dapat meningkatkan kapasitas penyimpanan energi mulai dari menyalakan LED selama beberapa detik, hingga memberi daya pada seluruh rumah,” jelasnya. Tergantung pada sifat yang diperlukan untuk aplikasi tertentu, sistem dapat disesuaikan dengan menyesuaikan campurannya, tambahnya. Untuk pengisian daya kendaraan di jalan raya, diperlukan tingkat pengisian dan pengosongan yang sangat cepat, sedangkan untuk memberi daya pada rumah “Anda mempunyai waktu seharian untuk mengisi dayanya”, sehingga bahan dengan pengisian daya yang lebih lambat dapat digunakan.

“Fakta bahwa bahan penyusunnya mudah didapat membuka cara baru untuk memikirkan kembali solusi penyimpanan energi,” kata Ulm Dunia Fisika. “Beton, setelah air, merupakan material yang paling banyak dikonsumsi di bumi, namun dampaknya terhadap lingkungan tidak dapat diabaikan, karena sekitar 8% CO di seluruh dunia2 emisi dihasilkan dari 4 gigaton produksi global tahunan di seluruh dunia. Oleh karena itu, fokus kami secara keseluruhan adalah menjadikan beton sebagai material multifungsi yang dapat memberikan fungsi tambahan yang berguna bagi masyarakat.”

Penyimpanan energi saat ini sangat penting jika kita ingin mengekang dampak perubahan iklim, ujarnya, dan penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa campuran semen-karbon dapat digunakan untuk membuat semen penghantar elektron. Namun konduktivitas listrik tidak cukup untuk menyimpan energi. “Kami berhipotesis bahwa menghidrasi semen hidrofilik dengan adanya karbon hitam hidrofobik secara alami akan memenuhi dua kriteria lain yang diperlukan: porositas penyimpanan dan pengangkutan,” kata Ulm.

Fokus langsung para peneliti adalah membuat superkapasitor yang dapat menyimpan jumlah muatan yang sama dengan baterai 12V. “Kami menganggap perangkat ini sebagai landasan dasar menuju perangkat yang lebih canggih,” kata Ulm.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika