Supercapacitors, atau supercaps singkat, adalah perangkat penyimpanan energi yang cepat dan kuat. Mereka melengkapi baterai pengisian daya yang relatif lambat dalam berbagai aplikasi mulai dari mobil listrik hingga mesin industri dan turbin angin. Sebuah tim peneliti ingin mengembangkan supercaps yang lebih baik berdasarkan graphene – dan membuatnya siap untuk produksi komersial skala besar.
Superkapasitor adalah adik baterai kecil yang gesit. Kedua teknologi menyimpan energi listrik. Baterai memiliki kepadatan energi yang tinggi tetapi kepadatan daya yang rendah. Dengan kata lain, mereka dapat menyimpan banyak energi, tetapi pengisian dan pelepasan agak lambat. Supercapacitors justru sebaliknya: mereka menyerap dan melepaskan energi dengan kecepatan kilat tetapi hanya dapat menyimpan sedikitnya.
“Baterai seperti wadah besar dengan leher sempit yang hanya bisa terisi perlahan. Superkapasitor lebih seperti cangkir kecil dengan lubang lebar. Mereka terisi dengan cepat, tetapi memiliki sedikit volume,” jelas peneliti EMPA Sina Azad. Kedua teknologi ini sering kali dipadukan: di mobil listrik, supercaps dengan cepat menangkap energi pengereman dan kemudian meneruskannya ke baterai yang lebih lambat untuk penyimpanan. Supercaps juga dapat ditemukan di pertanian surya dan turbin angin, serta di mesin industri yang terkadang membutuhkan banyak listrik dengan cepat.
Azad, seorang peneliti postdoctoral di Laboratorium Polimer Fungsional EMPA, dan timnya telah menetapkan tujuan untuk meningkatkan perangkat penyimpanan cepat yang ada di mana -mana dengan mengembangkan jenis elektroda baru berdasarkan graphene. Bentuk karbon dua dimensi ini harus memungkinkan supercaps untuk mencapai kepadatan energi yang secara signifikan lebih tinggi.
“Catatan kepadatan energi untuk superkapasitor telah dijelaskan beberapa kali dalam literatur ilmiah,” Azad mengakui. Fokus proyek penelitiannya tidak memecahkan rekor, tetapi skalabilitas. Sejak awal, para peneliti berfokus pada bahan dan proses yang dapat diimplementasikan tidak hanya di laboratorium tetapi juga pada skala industri. Untuk alasan ini. Proyek mereka didukung oleh Bridge, program pendanaan bersama dari Swiss National Science Foundation (SNSF) dan Innosuisse.
Mirip dengan baterai, superkapasitor terdiri dari dua elektroda yang dikelilingi oleh elektrolit cair. Selama pengisian dan pelepasan, elektrolit mengangkut ion – pembawa muatan – dari satu elektroda ke yang lain. Tidak seperti dalam baterai, bagaimanapun, tidak ada reaksi kimia yang terjadi. “Supercapacitors menyimpan energi secara elektrostatik dengan menyimpan sebanyak mungkin partikel bermuatan pada permukaan elektroda,” kata Jakob Heier, kepala kelompok penelitian solusi tipis fungsional di laboratorium untuk polimer fungsional, tempat Sina Azad berada.
Oleh karena itu, semakin besar luas permukaan elektroda, semakin banyak ion dapat menempel padanya – dan semakin tinggi kepadatan energi superkapasitor. “Hari ini, karbon aktif yang sangat berpori biasanya digunakan sebagai bahan elektroda pilihan,” kata peneliti EMPA Vahid Charkesht. Namun, berbeda dengan graphene, karbon aktif memiliki konduktivitas listrik yang sangat rendah, yang merusak kapasitas penyimpanan elektroda.
Kerugian lain muncul selama pemrosesan materi. Dalam industri, elektroda dicetak ke film-film fleksibel dalam proses roll-to-roll, kemudian dipotong dan digulung menjadi supercaps jadi. Untuk dapat mencetak karbon aktif bubuk ke bahan pembawa, ia dicampur dengan agen pengikat dan aditif lain yang merusak porositasnya.
Mencetak graphene juga tidak diberikan. Graphene murni untuk aplikasi industri biasanya diperoleh dari grafit. Metode produksi konvensional memiliki hasil graphene murni yang sangat rendah, yang harus dipisahkan dari produk limbah dengan biaya besar. Namun, berkat proyek penelitian sebelumnya, para peneliti memiliki kartu as mereka: mereka mengembangkan proses yang dapat dikeluarkan oleh graphene berkualitas tinggi dari grafit baik secara efektif dan efisien, dan diproses menjadi tinta yang dapat dicetak seperti gel.
Tinta graphene ini menawarkan keunggulan yang menentukan dalam produksi elektroda supercapacitor. Dengan mencampur dua jenis graphene yang berbeda, para peneliti dapat secara selektif mempengaruhi ukuran pori -pori antara lapisan graphene. “Jika ukuran pori elektroda dicocokkan dengan ukuran ion dalam elektrolit, kepadatan energi superkapasitor meningkat secara dramatis,” jelas Azad. Dengan karbon aktif, pengendalian ukuran pori tidak mungkin.
Dengan konduktivitas tinggi, ukuran pori yang tepat, luas permukaan yang besar dan skalabilitas, elektroda baru cenderung menjadi produk berteknologi tinggi. “Di akhir proyek, kami ingin membawa teknologi kami ke pasar, baik dengan mitra industri atau dengan spin-off kami sendiri,” kata Jakob Heier.
Namun, masih banyak yang harus dilakukan – para peneliti tidak hanya ingin mengembangkan teknologi elektroda, tetapi juga memproduksi elektroda dan memasangnya dalam prototipe fungsional. Tujuannya adalah untuk menentukan langkah -langkah proses yang tepat, menemukan elektrolit yang sesuai dan kemudian dengan tepat mengkarakterisasi supercaps yang sudah jadi. “Kami ingin mengembangkan produk yang nyata dan andal,” merangkum AZAD.
