Tahun 2019 lalu perusahaan kendaraan listrik, Tesla, Membeli perusahaan penyimpan energi Maxwell Technologies. Ini merupakan alasan mengapa kita harus melihat lebih dekat tentang superkapasitor. 

Beberapa pakar mengemukakan bahwa superkapasitor dapat diintegrasikan ke dalam kendaraan listrik (Electric vehicles) masa depan. Tapi sebelum kesana, apa sebenarnya superkapasitor itu? Dan apa yang membuatnya begitu berbeda dengan baterai? Apakan benar sebagai penyimpanan energi masa depan?

Sebelum masuk ke seluk beluk apakah superkapasitor benar-benar dapat mengubah penyimpanan energi yang digunakan sekarang ini, ada baiknya melihat apa itu superkapasitor dan perbedaanya dari baterai yang umum digunakan sekarang yakni lithium ion.

Baterai lithium-Ion

Baterai dan kapasitor sama-sama digunakan untuk menyimpan energi, tetapi baterai Lithium-Ion bergantung pada reaksi kimia untuk menyimpan dan melepaskan energi. Baterai Lithium Ion terdiri dari sisi positif dan negatif, yang disebut katoda dan anoda. 

Kedua sisinya terendam oleh larutan elektrolit dan dipisahkan oleh pemisah yang berlubang sangat kecil (mikro), yang hanya memungkikan ion melewatinya. Ketika baterai diisi dan dikosongkan, ion mengalir bolak-balik antara anoda dan katoda. Selama proses ini baterai akan mengalami kenaikan suhu, mengambang, dan menyusut. 

Reaksi ini menurunkan kondisi baterai dari waktu ke waktu, menjadikan umur baterai menjadi terbatas. Salah satu keunggulan baterai adalah energi spesifik atau kepadatan energi yang sangat tinggi, sehingga dapat menyimpan banyak energi yang akan digunakan nantinya.

Fungsi dari kapasitor

Kapasitor sangat berbeda, kapasitor tidak tergantung pada permainan kimia untuk berfungsi. Sebaliknya, kapasitor menyimpan energi potensial secara elektrostatik. Kapasitor menggunakan dielektrik atau isolator antara pelatnya untuk memisahkan kumpulan muatan positif dan negatif yang terbentuk di setiap pelat. Pemisahan inilah yang memungkinkan kapasitor dapat menyimpan dan melepas energinya dengan cepat. 

Salah satu keunggulannya kapasitor 3V saat ini akan tetap menjadi kapasitor 3V di waktu 15-20 tahun yang akan datang. Sementara baterai akan kehilangan kapasitas tegangannya seiring waktu dan penggunaan. 

Tidak seperti baterai, kapasitor memiliki daya keluaran yang jauh lebih tinggi, sehingga dapat mengisi dan mengeluarkan daya yang besar dalam waktu singkat. Tetapi kapasitor memiliki energi spesifik yang sangat rendah. Disitulah superkapasitor mengambil peran untuk menjembatani antara baterai dan kapasitor. 

Superkapasitor

Konsep superkapasitor bukanlah hal baru. Faktanya, di tahun 1957 perangkat superkapasitor pertama dibuat oleh General Electric, tetapi tidak ada aplikasi secara komersial yang diketahui. Di tahun 1966, Standard Oil secara tidak sengaja menemukan kapasitor lapis ganda ketika bekerja pada sel bahan bakar, tetapi pada akhir tahun 1970-an perusahaan Jepang, NEC, mulai menawarkan superkapasitor pertama sebagai pencadangan (backup) memori komputer secara komersial. 

Faktanya kita sudah sering menyebut banyak produk sebagai superkapasitor atau ultra kapasitor, keduanya sebenarnya sama. Itu hanya istilah yang digunakan bergantian dan sangat bergantung pada perusahaan yang memproduksi ingin menyebutnya sebagai apa. Sebagian besar itu hanya sebagai merek dagang.

Pada tahun 1990-an produk seperti ECOND’s PSCap, starter untuk kereta diesel, mulai memasuki pasar dan mendorong batas penyimpanan energi dan aplikasi kapasitor. Perusahaan seperti Maxwell Technologies, Murata, dan Tecate umumnya mendominasi bidang superkapasitor. Namun perkembangan terbaru dalam kapasitor berbasis graphene sekali lagi mendorong pertumbuhan efisiensi dan aplikasi superkapasitor.

Bagaimana cara kerja superkapasitor

Sebelum bicara lebih jauh mengenai perkembangan superkapasitor, kita terlebih dahulu sebaiknya mempelajari tentang bagaimana superkapasitor bekerja? Dan apa bedanya dengan kapasitor biasa?

Kapasitor terdiri dari dua atau lebih pelat konduktor yang dipisahkan oleh dielektrik. Ketika arus listrik memasuki kapasitor, dielektrik menghentikan aliran dan muatan menumpuk dan disimpan dalam medan listrik di antara pelat. Setiap kapasitor dirancang untuk memiliki kapasitansi tertentu (penyimpanan energi). Ketika kapasitor dihubungkan ke sirkuit eksternal, arus akan cepat habis. 

Dalam superkapasitor, tidak ada dielektrik antara pelat. Sebaliknya, ada elektrolit dan isolator tipis seperti karton atau kertas. Ketika arus dimasukkan ke superkapasitor, ion terbentuk di kedua sisi isolator untuk menghasilkan lapisan muatan ganda. Superkapasitor terbatas pada tegangan rendah, tetapi kapasitansi sangat tinggi, karena tegangan tinggi akan memecah elektrolit.

Penyebab superkapasitor jauh lebih unggul dari kapasitor pada umumnya

Apa yang membuat superkapasitor lebih unggul dari kapasitor biasa? Atau bahkan baterai? Jawabannya adalah jarak antara pelat logam. Dalam kapasitor normal jaraknya sekitar 10-100 mikron. 

Jarak pada superkapasitor diperpendek menjadi seperseribu mikron, dan jarak yang lebih pendek mengarah ke medan listrik yang lebih besar, yakni lebih banyak menyimpan energi. Belum ditambah plat berlapis karbon pada superkapasitor meningkatkan luas permukan yang tersedia untuk kapasitas penyimpanan hingga 100.000 kali lipat. Artinya lebih banyak energi yang tersimpan untuk digunakan daripada kapasitor normal/biasa.

Jadi sebenarnya untuk apa superkapasitor ini?

Secara umum, superkapasitor yang telah ditemukan memiliki potensi besar untuk aplikasi dalam transportasi hybrid. Toyota, Peugeot-Citroen, Mazda dan bahkan Lamborghini telah merilis semua model kendaraan yang menggunakan beberapa kombinasi superkapasitor dan baterai Li-Ion konvensional. 

Percaya atau tidak, meskipun Tesla telah menginvestasikan 200 juta dolar untuk membeli Maxwell Technologies, Elon Musk mengatakan bahwa fokusnya bukan pada perluasan penggunaan dan pengembangan dari Superkapasitor Maxwell untuk kendaraan Tesla tetapi sebagai pengganti dalam teknologi pembuatan baterai. 

Namun mobil seperti konsep Toyota Hybrid-R dan Lamborghini menggunakan superkapasitor untuk peran yang spesifik yakni sebagai sistem regenerasi daya selama regenerasi.

Dengan kata lain, ketika mobil melambat energi yang dihasilkan akan tersimpan oleh superkapasitor dan digunakan untuk akselerasi. Hal ini dapat menghemat baterai karena memanfaatkan  daya superior dari superkapasitor.

Penerapan superkapasitor di masyarakat

Sebuah contoh fantastis tentang betapa efektifnya superkapasitor dapat dilihat di Swiss. Armada bus Swiss akan bertemu dengan stasiun pengisian di berbagai pemberhentian di sepanjang rute bus. Hanya memerlukan waktu 15 detik untuk mengisi daya dan hanya beberapa menit untuk mengisi penuh. 

Dengan pengecasan yang sering maka dapat menutupi kekurangan superkapasitor yaitu energy density-nya. Dan karena superkapasitor menarik arus yang lebih rendah selama beberapa menit sekali sehingga mampu mengurangi tekanan pada jaringan.

Namun, superkapasitor belum bisa bersaing dengan baterai Li-ion dalam hal specific energy yang tinggi dan penyimpanan energi jangka Panjang.

Mengapa superkapasitor belum bisa dipakai secara massal

Dengan segala pertimbangan di atas, tampaknya tidak ada Gerakan massal penggantian baterai dengan superkapasitor dalam teknologi sehari-hari. Mengapa demikian?

Jawaban singkatnya adalah meskipun superkapasitor lebih unggul dari kapasitor biasa dalam kemampuan menyimpan dan melepas energi, namun masih belum mampu menggantikan baterai Li-ion konvensional. 

Baterai Li-ion memiliki kemampuan yang tidak dimiliki superkapasitor yakni dalam bentuk specific energy dan energy density. Bahkan perusahaan yang berfokus pada teknologi superkapasitor seperti Skeleton Technologies, mengakui bahwa hibridisasi antara Li-ion dan sistem tenaga yang digerakkan oleh superkapasitor dapat mendorong teknologi listrik masa depan. Pada kenyataannya adalah bahwa sebagian besar aplikasi yang kita lihat saat ini adalah semacam kombinasi antara keduanya.

Ketika superkapasitor ditempatkan secara paralel dengan baterai tradisional, maka akan terlihat perubahan drastis dalam masa pakai baterai. Proses dasarnya yakni kehadiran superkapasitor secara paralel dengan baterai biasa pada dasarnya hanya mengurangi beban kerja dan tingkat intensitas yang dimiliki baterai untuk bertahan. 

Memberikan baterai lebih tahan lama. Dalam beberapa penelitian juga terbukti bahwa superkapasitor dapat memperpanjang umur baterai hingga empat kali lipat.