Analisis Komparatif Superkapasitor Simetrik Nanofiber Karbon dan Karbon Aktif dalam Elektrolit Aqueous

Latar Belakang

Superkapasitor telah muncul sebagai perangkat penyimpanan energi penting karena padat daya tinggi dan umur siklus panjang, sehingga cocok untuk kendaraan listrik, elektronik portabel, dan aplikasi alat tenaga [1]. Pilihan bahan elektroda menentukan apakah perangkat memprioritaskan daya atau energi: bahan konduktivitas tinggi mendukung daya, sedangkan bahan luas permukaan tinggi mendukung energi [2]. Performa elektroda bergantung pada komposisi bahan, ketebalan, luas permukaan, distribusi ukuran pori, dan grup fungsional permukaan [3]. Bahan karbon mendominasi bidang ini karena hemat biaya, kemampuan morfologi yang serbaguna, dan stabilitas kimia/termal [4–7]. Nanofiber karbon (CNFs) menawarkan morfologi tabung unik yang menggabungkan resistensi rendah dengan porositas tinggi, sementara karbon aktif (AC) menyediakan porositas yang luar biasa, kelimpahan, dan stabilitas siklus [8–9].

Pembuatan elektroda biasanya mengintegrasikan pembalur seperti PVDF, PTFE, atau PVDC dalam proporsi 5–10 wt % untuk menjaga integritas struktural [10–13]. Namun, pembalur dapat menutupi porositas dan meningkatkan resistensi listrik, mengurangi kapasitivitas. Pilihan elektrolit juga mempengaruhi performa; elektrolit aqueous memungkinkan jendela potensi stabil hingga 1,0 V dan memungkinkan ion kecil untuk mengakses poro mikro dan meso, sedangkan elektrolit organik memperluas jendela hingga ~2,7 V tetapi kurang ramah lingkungan [14]. Kapasitivitas lapisan ganda listrik (EDL) proporsional dengan luas permukaan yang dapat diakses dan berbanding terbalik dengan jarak ion-poro, yang mengarahkan dua strategi utama untuk peningkatan: meningkatkan luas permukaan dan mengurangi jarak ion-poro [15].

Studi ini menawarkan perbandingan langsung antara superkapasitor simetrik AC dan CNF, menggunakan konten pembalur PVDF yang identik (7 wt %) untuk mengisolasi efek bahan.

Metode/Eksperimen

Persiapan Elektroda AC dan CNF

Sel simetrik dibuat dari AC (Carbopal CCP80, Donau Carbon) dan CNFs (helikoidal grafitik, diameter 20–80 nm, panjang >30 µm, 6 % Ni, resistensi 10⁻² Ω cm). Keduanya dicampur dengan 7 wt % pembalur PVDF dalam 15 mL aseton menggunakan ball mill planet (Pulverisette 7) pada 500 rpm selama 30 menit. Slurry diaduk secara mekanis selama 60 menit, diultrasonik selama 30 menit, dan dikeringkan pada 70 °C selama 60 menit. Cakram (diameter 10 mm) ditekan pada 10 ton. Massa elektroda akhir adalah 0,018 g (CNF) dan 0,020 g (AC).

Karakterisasi Permukaan

Serap nitrogen pada 77 K (Micromeritics TriStar 3000) mengukur luas permukaan BET dan distribusi ukuran pori. Sampel di-outgas pada 100 °C selama 4 jam. Analisis BET dilakukan pada 0,02–0,2 P/P₀; volume pori total diambil pada P/P₀≈0,9932. Parameter mikroporos diperoleh melalui metode t-plot, sementara BJH dan MP memberikan data poro meso dan makro untuk CNF dan AC, masing-masing.

Karakterisasi Morfologi

Mikroskopi elektron pemindaian (SEM) dan mikroskopi elektron transmisi (TEM, Philips Tecnai G2 F20, 300 kV) menilai morfologi. Sampel didisperdi dalam etanol, diultrasonik selama 15 menit, dan ditetapkan pada grid tembaga dilapisi karbon.

Karakterisasi Elektrokimia

Performa elektrokimia dievaluasi dalam sel Swagelok dua elektroda menggunakan potensiostat Gamry 600 dan elektrolit 6 M KOH. Voltametri siklik (CV), charge-discharge galvanostatis (GCD), dan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) digunakan.

Hasil dan Pembahasan

Karakterisasi Morfologi

Gambar SEM dan TEM (Fig. 1) mengonfirmasi integrasi pembalur yang efektif dan morfologi yang berbeda: CNFs muncul sebagai tabung silinder, sedangkan AC menunjukkan partikel bola yang terhubung. Keduanya menunjukkan permukaan halus dan distribusi partikel yang homogen.

Gambar SEM dan TEM (inset) untuk a CNFs dan b AC

Tekstur Pori CNFs dan AC

Isoterm serap/desorpsi N₂ (Fig. 2) mengungkapkan arsitektur pori yang berbeda. CNFs menunjukkan isoterm tipe II dengan loop histeresis kecil, yang menunjukkan mesoporositas; distribusi pori: 59 % poro meso (2–50 nm), 18 % poro mikro (0,5–2 nm), 23 % poro makro (>50 nm). AC menunjukkan isoterm tipe I yang didominasi poro mikro: 55 % poro mikro ultraterpendek (0,2–0,5 nm), 33 % poro mikro super (0,5–2 nm), 12 % poro meso. Luas permukaan BET adalah 83 m² g⁻¹ (CNF) dan 1042 m² g⁻¹ (AC). Distribusi ukuran pori (Fig. 3) lebih mengonfirmasi mesoporo CNFs yang berpusat pada ~3,4 dan ~7,1 nm, sementara pori AC berkelompok pada 0,47 nm.

Isoterm serap/desorpsi nitrogen, a CNFs dan b AC. Luas permukaan BET c CNFs dan d AC

Distribusi ukuran pori. a CNFs dengan metode BJH. b AC dengan metode MP

Perilaku Elektrokimia CNFs dan AC

Kurva CV (Fig. 4) menunjukkan bentuk hampir persegi panjang untuk kedua bahan pada laju skan rendah, mengonfirmasi perilaku lapisan ganda. AC menghasilkan arus yang lebih tinggi dan mempertahankan performa hingga 500 mV s⁻¹, sedangkan kapasitivitas CNF menurun dari 52 menjadi 32 F g⁻¹ pada rentang yang sama. Profil GCD (Fig. 5) simetris, dengan CNF menunjukkan penurunan IR minimal (0,28 Ω) dibandingkan AC (3,72 Ω). Kapasitivitas spesifik dari GCD: CNF—23,8 F g⁻¹ (0,23 A g⁻¹) hingga 19 F g⁻¹ (2 A g⁻¹); AC—159 F g⁻¹ (0,5 A g⁻¹) hingga 139 F g⁻¹ (2,5 A g⁻¹).

a, b CVs dari CNFs dan AC, masing-masing, pada laju skan 5, 10, 20, 50, 100, 150, dan 500 mV s⁻¹; c, d perbandingan kapasitivitas spesifik pada berbagai laju skan; e, f CVs dari CNFs dan AC, masing-masing, dari siklus ke-1 hingga ke-100

a Kurva GCD pada berbagai densitas arus dari CNFs. b Kurva GCD pada berbagai densitas arus dari AC

Analisis Ragone (Fig. 6b) menunjukkan CNF mencapai daya spesifik puncak 1860 W kg⁻¹ pada 2 Wh kg⁻¹, sementara AC mencapai 1650 W kg⁻¹ pada 5,5 Wh kg⁻¹. Densitas energi: CNF—2,3 Wh kg⁻¹; AC—18,1 Wh kg⁻¹. Keduanya mempertahankan >95 % kapasitivitas setelah 2500 siklus (Fig. 6c).

a Perbandingan kapasitivitas spesifik dari kurva discharge GCD. b Plot Ragone daya spesifik terhadap energi spesifik untuk CNFs dan AC. c Stabilitas siklus CNFs dan AC

EIS (Fig. 7a) mengonfirmasi ESR rendah CNF (0,28 Ω) dibandingkan AC (3,72 Ω). CNF juga menampilkan kemiringan frekuensi rendah yang lebih curam, yang menunjukkan perilaku kapasitif yang superior. Kapasitivitas spesifik yang diambil dari impedansi (Fig. 7b) selaras dengan nilai CV: 36 F g⁻¹ (CNF) dan 284 F g⁻¹ (AC) pada 0,1 Hz.

a Plot Nyquist dari CNFs dan AC. b Perbandingan Csp yang dihitung dari EIS.

Analisis konstanta waktu (Fig. 8) menunjukkan τ₀ AC pada 5 kHz dan τ₀ CNF pada 2 Hz, yang menunjukkan relaksasi yang lebih cepat untuk AC. Plot pergeseran fase (Fig. 8c) mengungkapkan perilaku kapasitif hampir ideal pada frekuensi rendah untuk kedua bahan.

a Bagian nyata dan b bagian imajiner digraf sebagai fungsi dari log frekuensi dan c pergeseran fase sebagai fungsi frekuensi untuk AC dan CNFs

Secara keseluruhan, luas permukaan BET yang tinggi dan jaringan mikroporos ultraterpendek AC menghasilkan kapasitivitas spesifik dan densitas energi yang superior, sementara ESR yang lebih rendah dan struktur mesoporos CNF memberikan padat daya yang lebih tinggi.

Kesimpulan

Kedua elektroda CNF dan AC dibuat dalam kondisi yang identik dan dievaluasi sebagai superkapasitor simetrik dalam elektrolit aqueous. Luas permukaan BET AC sebesar 1042 m² g⁻¹, yang didominasi poro mikro ultraterpendek, menghasilkan kapasitivitas spesifik 334 F g⁻¹ dan energi spesifik 18,1 Wh kg⁻¹. Luas permukaan CNF sebesar 83 m² g⁻¹ dan kerangka mesoporos memberikan kapasitivitas spesifik 52 F g⁻¹, daya spesifik 1860 W kg⁻¹, dan ESR 0,28 Ω. Akibatnya, AC ideal untuk aplikasi padat energi, sementara CNF unggul dalam skenario daya tinggi. Kedua bahan menunjukkan stabilitas siklus yang luar biasa (>95 % retensi setelah 2500 siklus).