Table of Contents
Metode Baru Menghasilkan Nanofiber PEDOT dengan Konduktivitas Listrik Lebih Tinggi dan Luas Permukaan Lebih Besar untuk Penyimpanan Energi yang Lebih Baik
Ahli kimia dari UCLA telah mengembangkan versi baru PEDOT, sebuah plastik konduktif yang umum digunakan dalam perlindungan elektronik dan perangkat seperti sel surya dan layar elektrokromik. Versi inovatif ini memiliki tekstur seperti bulu, yang secara signifikan meningkatkan luas permukaannya. Hasilnya, material ini mampu menyimpan hampir sepuluh kali lipat muatan listrik dibandingkan PEDOT biasa dan dapat bertahan hingga hampir 100.000 siklus pengisian ulang. Terobosan ini berpotensi menjadikan superkapasitor sebagai solusi penyimpanan energi yang lebih besar di era energi terbarukan dan berkelanjutan.
Evolusi Plastik Konduktif
Plastik telah merevolusi dunia modern, awalnya dikenal karena sifat isolasinya yang sangat baik. Namun, pada 1970-an, ilmuwan menemukan bahwa beberapa jenis plastik juga bisa menghantarkan listrik. Penemuan ini membuka jalan bagi aplikasi baru di bidang elektronik dan penyimpanan energi.
Salah satu plastik konduktif yang paling umum digunakan saat ini adalah poly(3,4-ethylenedioxythiophene), atau PEDOT. PEDOT membentuk film fleksibel dan transparan yang sering digunakan untuk mencegah penumpukan statis pada film fotografi dan komponen elektronik. Material ini juga digunakan dalam layar sentuh, sel surya organik, dan perangkat elektrokromik seperti jendela pintar.
Namun, penggunaan PEDOT dalam penyimpanan energi masih terbatas karena konduktivitas listrik yang rendah dan luas permukaan kecil pada bentuk komersialnya. Kedua faktor ini membatasi kemampuannya dalam menyimpan energi dalam jumlah besar.
Inovasi Nanofiber PEDOT
Para ilmuwan dari UCLA berhasil mengatasi keterbatasan ini dengan mengembangkan metode baru untuk mengontrol morfologi PEDOT. Dengan proses pertumbuhan fase uap, mereka menciptakan nanofiber PEDOT vertikal yang memiliki konduktivitas tinggi dan luas permukaan yang jauh lebih besar.
Nanofiber ini tumbuh seperti rumput lebat pada permukaan grafit. Penambahan tetesan cairan yang mengandung graphene oxide dan ferik klorida, lalu dipaparkan pada uap prekursor PEDOT, memungkinkan pembentukan struktur seperti bulu alih-alih lapisan datar tipis.
Dengan struktur yang lebih berpori dan luas permukaan tinggi, superkapasitor berbasis PEDOT nanofiber ini mampu menyimpan lebih banyak muatan dalam ruang yang lebih kecil, membuatnya efisien dalam ukuran dan kinerja.
Superkapasitor vs Baterai
Berbeda dengan baterai yang menyimpan energi melalui reaksi kimia lambat, superkapasitor menyimpan energi dengan mengumpulkan muatan listrik di permukaannya. Ini membuatnya dapat mengisi dan mengosongkan energi dengan sangat cepat, cocok untuk aplikasi seperti sistem pengereman regeneratif pada kendaraan listrik dan kilatan kamera.
Namun, tantangan utama dalam pengembangan superkapasitor adalah menciptakan material dengan luas permukaan yang cukup besar untuk menyimpan energi dalam jumlah tinggi. Di sinilah nanofiber PEDOT dari UCLA menawarkan solusi.
Baterai memang unggul dalam menyimpan energi dalam jangka panjang, tetapi mereka memiliki siklus hidup yang terbatas dan membutuhkan waktu pengisian ulang yang lama. Sebaliknya, superkapasitor unggul dalam daya tahan siklus dan kecepatan pengisian, sehingga cocok untuk aplikasi yang membutuhkan respons cepat.
Kinerja dan Daya Tahan Luar Biasa
Struktur unik nanofiber PEDOT memungkinkan pembuatan elektroda superkapasitor dengan kapasitas penyimpanan luar biasa dan stabilitas siklus yang sangat baik—hingga hampir 100.000 siklus. Material ini memiliki konduktivitas 100 kali lebih tinggi dibandingkan produk PEDOT komersial.
“Pertumbuhan vertikal material memungkinkan kami menciptakan elektroda PEDOT yang mampu menyimpan jauh lebih banyak energi,” kata Maher El-Kady, ilmuwan material UCLA dan penulis utama studi ini. “Muatan listrik disimpan di permukaan, dan PEDOT tradisional tidak memiliki cukup luas permukaan. Dengan meningkatkan luas permukaan, kami meningkatkan kapasitasnya secara signifikan.”
Hal ini membuka potensi besar untuk pengembangan perangkat portabel yang lebih efisien, kendaraan listrik yang dapat mengisi ulang dalam hitungan menit, serta sistem penyimpanan energi skala besar untuk jaringan listrik berbasis energi terbarukan.
Artikel Lainnya : Peluang Emas atau Investasi yang Mubazir?
Proses Sintesis dan Mekanisme
“Polimer pada dasarnya adalah rantai panjang molekul yang tersusun dari blok-blok kecil yang disebut monomer,” jelas El-Kady. “Bayangkan seperti kalung yang terbuat dari manik-manik. Kami memanaskan bentuk cair monomer dalam ruang, dan saat uapnya naik dan menyentuh permukaan graphene, mereka bereaksi dan membentuk nanofiber vertikal.”
Proses ini menghasilkan permukaan aktif elektrokimia empat kali lebih besar dari PEDOT tradisional. Dengan kapasitas penyimpanan lebih dari 4600 miliFarad per sentimeter persegi—hampir sepuluh kali lipat PEDOT konvensional—material ini kini memiliki salah satu kinerja terbaik yang pernah dicapai untuk PEDOT.
Potensi Aplikasi di Berbagai Industri
Superkapasitor berbahan dasar PEDOT nanofiber ini memiliki potensi luas untuk digunakan di berbagai sektor industri. Dalam bidang otomotif, superkapasitor dapat digunakan dalam sistem start-stop kendaraan, mendukung akselerasi cepat pada kendaraan listrik, dan memaksimalkan efisiensi pengereman regeneratif.
Di bidang elektronik konsumen, superkapasitor dapat menggantikan baterai pada perangkat wearable seperti jam tangan pintar dan pelacak kebugaran, menawarkan daya tahan lebih lama dan waktu pengisian yang jauh lebih cepat. Di sektor industri, superkapasitor ini bisa digunakan dalam sistem penyimpanan energi untuk jaringan listrik, memungkinkan penyeimbangan beban dan penyimpanan energi surya atau angin saat tidak digunakan.
Dampak Lingkungan dan Keberlanjutan
Selain efisiensi dan kinerjanya, material ini juga lebih ramah lingkungan dibandingkan baterai lithium-ion. Baterai konvensional mengandung logam berat dan elektrolit beracun yang sulit didaur ulang. Sementara itu, superkapasitor PEDOT menggunakan bahan-bahan yang relatif lebih aman dan dapat diproduksi dengan metode yang lebih bersih.
Penggunaan superkapasitor juga mengurangi ketergantungan pada logam tanah jarang yang banyak digunakan dalam baterai, sehingga dapat menurunkan jejak lingkungan dan tekanan terhadap sumber daya alam.
Komparasi dengan Teknologi Lain
Jika dibandingkan dengan teknologi penyimpanan energi lainnya seperti baterai lithium-ion dan fuel cell, superkapasitor unggul dalam hal kecepatan pengisian dan umur siklus. Namun, kapasitas energinya memang masih lebih rendah dibandingkan baterai. Karena itu, dalam banyak kasus, pendekatan hybrid antara superkapasitor dan baterai menjadi solusi yang menarik, menggabungkan keunggulan kedua teknologi.
Dengan meningkatnya performa PEDOT nanofiber, kesenjangan antara kapasitas superkapasitor dan baterai mulai mengecil. Ini membuka peluang untuk menggantikan baterai di banyak aplikasi di masa depan.
Implikasi untuk Energi Terbarukan
Daya tahan dan efisiensi yang tinggi dari superkapasitor ini menjadikannya kandidat ideal untuk sistem penyimpanan energi masa depan. Keunggulan ini penting untuk transisi global menuju sumber energi bersih dan terbarukan.
“Performa luar biasa dan daya tahan elektroda kami menunjukkan potensi besar untuk penggunaan graphene-PEDOT dalam superkapasitor guna memenuhi kebutuhan energi masa depan,” kata Richard Kaner, profesor kimia dan ilmu material di UCLA yang telah memimpin riset polimer konduktif selama lebih dari 37 tahun.
Sebagai mahasiswa doktoral, Kaner terlibat dalam penemuan plastik konduktif bersama Alan MacDiarmid dan Alan Heeger, yang kemudian meraih Nobel atas karya tersebut.
Referensi
“Direct Fabrication of 3D Electrodes Based on Graphene and Conducting Polymers for Supercapacitor Applications” oleh Musibau Francis Jimoh, Gray Scott Carson, Mackenzie Babetta Anderson, Maher F. El-Kady, dan Richard B. Kaner. Diterbitkan 23 Juli 2024, dalam jurnal Advanced Functional Materials.
Baca Juga : Hotel Ayata
