PENGARUH TEMPERATUR KALSINASI TERHADAP KAPASITANSI SUPERKAPASITOR PADA KOMPOSIT TIO2−¿ARANG AKTIF

KULIT BIJI METE

Muhammad Anas dan Hunaidah M

Abstrak:. Permasalahan dalam penelitian ini dirumuskan sebagai berikut: Bagaimana pengaruh temperatur kalsinasi pada komposit TiO2-arang aktif dari kulit biji mete terhadap kapasitansi superkapasitor?; penelitian ini bertujuan untuk: Mengetahui pengaruh temperatur kalsinasi terhadap kapasitansi superkapasitor pada komposit TiO2-arang aktif kulit biji mete; Dalam penelitian ini komposit TiO2 – arang aktif kulit biji mete melewati proses pemanasan selama 5 jam dengan temperatur kalsinasi yang bervariasi. komposit yang telah diaktifkan selanjutnya dijadikan sebagai bahan elektroda superkapasitor

Kata Kunci: Temperatur Kalsinasi, Kapasitansi Superkapasitor, Komposit TiO2-arang aktif kulit biji mete

A. Pendahuluan

Dari tahun ke tahun kebutuhan energi listrik terus meningkat. Energi

listrik menjadi kebutuhan pokok manusia di segala sektor, baik dalam sektor

industri, telekomunikasi maupun transportasi. Oleh karena itu harus dilakukan

penghematan energi listrik, salah satunya dengan menggunakan alat-alat

elektronik yang efisien dan hemat energi. Superkapasitor sebagai alat

penyimpan energi dan arang aktif biasanya dipilih sebagai bahan elektroda

dalam pembuatan superkapasitor karena mempunyai luas permukaan yang

besar, kemampuan menyimpan enegi yang besar, prinsip yang sederhana dan

kontruksi yang mudah (Shukla dalam Ariyanto, 2012).

Superkapasitor merupakan salah satu devais penyimpanan energi yang

berkapasitansi tinggi, memiliki Equivalent Series Resistant (ESR) yang rendah

serta memiliki waktu pakai yang lama dibanding baterai. Pada dasarnya,

prinsip dari superkapasitor ini sama dengan baterai sekunder yaitu

menggunakan sistem elektroda (anoda dan katoda) dan sistem elektrolit.

Dalam baterai, proses penyimpanan muatan berlangsung secara Faradaic,

yaitu perpindahan elektron melewati interface elektroda, sedangkan dalam

superkapasitor proses penyimpanan muatan adalah non-Faradaic yaitu tidak

ada transfer elektron melewati interface elektroda. (Endo dkk, 2001)

Berdasarkan penelitian terdahulu yang melihat pengaruh kalsinasi

(temperatur dan durasi) dari kaolinit / TiO2 komposit pada sifat fisikokimia dan

pada hasil pengurangan CO2 fotokatalitik. Ditetapkan bahwa kondisi kalsinasi

yang berbeda tidak mempengaruhi komposisi fase TiO2, hanya garis difraksi

anatase ditemukan dalam semua sampel kaolinit / TiO2. Penurunan sedikit

kalsinasi mempengaruhi luas permukaan spesifik komposit kaolinit / TiO2

dibandingkan dengan tanpa kalsinasi komposit kaolinit / TiO2. Ukuran kristal

yang terkait erat dengan suhu serta durasi kalsinasi. Ukuran kristal meningkat

dengan peningkatan suhu kalsinasi dan durasi. Hasil tertinggi yang diperoleh

atas katalis dengan ukuran kristal dari 18-23 nm; Sampel tersebut dikalsinasi

pada 600°C untuk waktu yang berbeda 1 jam, 2 jam, dan 3 jam (Martin, 2012)

Pada penelitian ini, limbah kulit biji mete diolah menjadi arang. Arang

yang telah melewati proses karbonasi kemudian diaktivasi menjadi arang aktif

dan selanjutnya arang aktif tersebut akan dijadikan sebagai bahan elektroda

dalam pembuatan superkapasitor. Selanjutnya arang yang telah diaktivasi

dicampurkan dengan beberapa bahan kimia sehingga membentuk komposit

dan diaktivasi kembali dengan menggunakan temperatur kalsinasi selama

beberapa jam. Kalsinasi dilakukan pada temperatur tinggi tanpa terjadi

pelelehan dan disertai dengan penambahan reagen.

B. Teori dan Metode

Temperatur kalsinasi merupakan bentuk perlakuan panas pada komposit

TiO2-arang aktif kulit biji mete yang bertujuan mengubah suatu senyawa

karbon menjadi senyawa oksida, namun masih dibawah titik leleh. Pemanasan

dengan cara kalsinasi yang diberikan pada komposit TiO2 – arang aktif kulit biji

mete merupakan bentuk aktivasi terhadap komposit tersebut. Kalsinasi

selama 5 jam mampu merubah struktur penyusun dari komposit TiO2 – arang

aktif.

Superkapasitor sebagai alat penyimpan energi , telah digunakan secara

luas pada bidang elektronik dan transportasi, seperti sistem telekomunikasi

digital, komputer dan pulse layer system, hybrid electrical vehicles, dan

sebagainya(Zhu, dkk., 2007). Superkapasitor memiliki banyak kelebihan

dibanding dengan alat penyimpan energi yang lain seperti batrey. Dari sisi

teknis superkapasitor memiliki jumlah siklus yang relatif banyak (>100000

siklus), kerapatan energi yang tinggi, kemampuan menyimpan energi yang

besar, prinsip yang sederhana dan konstruksi yang mudah (An dkk., 2001;

Shukla dkk., 2000).

Dua hal yang perlu diperhatikan pada suatu kapasitor adalah saat

pengisian dan pengosongan muatannya. Dalam rangkaian RC apabila saklar

ditutup maka akan mengalir arus dari sumber melalui hambatan ke kapasitor,

tegangan pada kapasitor akan naik secara eksponensial sesuai dengan

persamaan berikut:

V C=V S (1−e−tRC ) .....................................................(1)

Arus I akan berhenti mengalir (I=0) pada saat tegangan kapasitor C

sama dengan tegangan sumber V S , proses tersebut dinamakan pengisian

kapasitor. Kapasitor akan mengeluarkan kembali energi listrik yang

disimpannya dengan persamaan tegangan (Bisman P., 2003)

V C=V S (e−−tRC ) ...........................................................(2)

Kapasitansi dan induktansi dapat dihitung dengan perbandingan

tegangan masukan dan tegangan keluaran, yaitu:

|V INVOut

|=√R2+XC

2

X C ..................................................................(3)

Dari persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:

XC2 + R2

1−|V INVOut

|2=0

.................................................................(4)

Setelah menyelesaikan persamaan untuk XC, hasil yang di dapat yaitu:

XC=R

√|V INVOut|2

−1

Digunakan hubungan

C= 1

2π fXC ................... .........................................................(6)

Persamaan dasar yang digunakan untuk mendapatkan nilai kapasitansi

yaitu:

C=

√|V INVOut|2

−1

2π Rf .....................................................................(7)

(Rowe M., dan Granfile F., 2010)

Kapasitansi spesifik dari superkapasitor dapat dihitung dengan

persamaan berikut:

C =2 I t∆V m

(8)

.......................................................................(5)

Dimana, C adalah kapasitansi spesifik elektroda tunggal dari bahan

elektroda, I adalah arus listrik, t adalah waktu, ∆V adalah perubahan

tegangan, dan m adalah massa bahan elektroda dalam satu elektroda

(Yoon, 2009).

1. Pembuatan Komposit

Pembuatan komposit dilakukan dengan proses pencampuran arang

dan TiO2 dengan perbandingan 1,33g arang aktif dan 3,5g TiO2 dengan

menggunakan blender, selanjutnya ditambahkan NaOH sehingga

membentuk seperti bubur dengan lama pengadukan ± 1 jam. Setelah

pengadukan, bubur disiapkan direaksikan dalam autoklaf pada 125oC

selama 72 jam (tiga hari tiga malam). Temperatur awal yang diberikan

yaitu 125 oC selama beberapa jam, kemudian setelah mencapai

temperatur 125 oC maka temperaturnya diturunkan sehingga mencapai

temperatur kamar hingga hari kedua. Selanjutnya pada hari kedua

diberikan perlakuan yang sama seperti sebelumnya yakni 1 jam pertama

temperaturnya dinaikan dan selanjutnya diturunkan pada temperatur

kamar, begitupula pada hari ketiga. Setelah direaksikan dalam

autoklave, komposit tersebut diaduk dan ditambahkan 0,05 M HCL

sebesar 500 ml. Komposit yang telah menjadi bubur kemudian disaring

dan dicuci dengan aquadest, selanjutnya komposit tersebut dimasukan

ke dalam oven.

2. Pemanasan dengan temperatur Kalsinasi

Pemanasan dilakukan dengan memasukan sampel (komposit TiO2-

arang aktif) ke dalam tanur selama 5 jam untuk masing-masing sampel.

Untuk proses pemanasan ini temperatur kalsinasi divariasikan yaitu

400oC, 550oC, 700oC, 850oC, hingga 1000oC

3. Pembuatan dan pengukuran superkapasitor

a. Wadah

Kawat tembaga 1,2cm

1,5cm

2cm

Bahan elektrodaKomposit TiO2-arang aktif separator

(mika)

Kolektor(plat tembaga)

Gambar 3.6. pembuatan wadah superkapasitor

Wadah kapasitor berukuran panjang 2 cm, lebar 1,2 cm, dan tiggi

1,5 cm. Sisi kanan dan kiri wadah tersebut diberi lubang, selanjutnya

kawat tersebut akan dihubungkan dengan plat tembaga yang berfungsi

sebagai kolektor yang berukuran 1,3 mm x 0,8 mm. Selain itu terdapat

separator yang berbahan mika dengan ukuran yang sama dan ketebalan

0,15mm.

b. Penyisipan komposit ke dalam wadah superkapasitor

Komposit yang telah dikalsinasi dimasukan ke dalam wadah dan

diteteskan larutan elektrolit (LiNO3). Komposit yang terisi dalam wadah

sebanyak 0,7 gr tiap satu superkapasitor. Superkapasitor terdiri atas

bahan elektroda, separator, kolektor, dan larutan elektrolit.

c. Pengukuran superkapasitor

Gambar 1. Desain pengukuran kapasitansi superkapasitor

(Mclucas, 2010)

Pengukuran kapasitansi dan performa superkapasitor pada

setiap sampel (400oC, 550oC, 700oC, 850oC, hingga 1000oC.).

Mengatur nilai frekuensi pada signal generator dan membuat

tegangan masukan dua kali lebih besar tegangan keluaran yang

terlihat pada osiloskop untuk mendapat nilai kapasitansi yang lebih

akurat.

Pengukuran superkapasitor diuji dengan sebuah rangkaian dan

sampel komposit TiO2-arang aktif dihubungkan seri dengan resistor 1

kΩ dan potensiometer 50 kΩ. Signal generator (Ch. 1) pada osiloskop

dihubungkan parallel pada potensiometer 50 kΩ, dengan tujuan untuk

memberikan tegangan dan frekuensi masukan pada rangkaian. Ch.1

pada osiloskop bertujuan untuk mengetahui nilai tegangan yang

diberikan osiloskop. Sedangkan Ch. 2 pada osiloskop dihubungakan

parallel dengan superkapasitor yang diukur, Tujuannya untuk

Keterangan:

1. Osiloskop 2. Signal generator3. Potensiometer 4. Resistor5. Kapasitor

mengetahui nilai tegangan superkapasitor dan merupakan tegangan

keluaran pada rangkaian.

C. Hasil dan Pembahasan

1. Kapasitansi Superkapasitor Komposit TiO2-Arang Aktif Kulit Biji

Mete

Tabel 1. Parameter Sel Superkapasitor Elektroda Arang Aktif dengan Memvariasikan Temperatur kalsinasi

NO.

Temperatur(oC)

f(Hz)

VIN

(Volt)

VOut

(Volt)

R(Ohm)

VIN/ VOut

C (Farrad)

1.

400 0,005 3,4 1,6 1000 1,6 0,05971337

2.

550 0,005 3,12 1,52 1000 1,52 0,05708812

3.

700 0,003 3,4 1,48 1000 1,48 0,10977865

4.

850 0,029 3,12 1,52 1000 1,52 0,00984277

5.

1000 0,4 3,04 1,52 1000 1,52 0,00068951

Berdasarkan hasil pengukuran pada tabel 1 dapat dilukiskan secara

grafik hubungan kapasitansi dengan temperatur kalsinasi pada komposit

TiO2 - arang aktif kulit biji mete adalah sebagai berikut:

0 200 400 600 800 10000

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

temperatur kalsinasi (ºC)

kapa

sita

nsi (

F)

Gambar 2. Grafik hubungan antara suhu kalsinasi terhadap kapasitansi

Grafik hubungan kapasitansi superkapasitor dan temperatur

kalsinasi (400oC, 550oC, 700oC, 850oC, hingga 1000oC) memperlihatkan

nilai kapasitansi yang dihasilkan tidak stabil. Hal ini terlihat dari

kapasitansi yang dihasilkan pada temperatur 400oC yaitu 0,059F,

sedangkan pada temperatur 550oC sebesar 0,057F, dari nilai kapasitansi

yang dihasilkan jelas terlihat bahwa nilainya mengalami penurunan

sedangkan pada temperatur 700oC nilai kapasitansinya kembali

mengalami kenaikan yaitu 0,1F dan pada temperatur berikutnya

mengalami penurunan kembali.

2. Bentuk Gelombang Tegangan Masukan dan Tegangan Keluaran

Gambar 3. Gelombang tegangan masukan dan keluaran pada temperaur 400oC.

Gambar 4. Gelombang tegangan masukan dan keluaran pada temperatur 550oC.

Gambar 5. Gelombang tegangan masukan dan keluaran pada temperatur

700oC.

3. Waktu Pengisian dan Pengosongan Superkapasitor

400 550 700 850 10000

102030405060708090

Waktu PengisianWaktu Pengosongan

Temperatur kalsinasi(ºC)

perf

oman

ce (s

)

Gambar 8. Grafik hubungan antara temperatur kalsinasi terhadap waktu pengisian dan pengosongan

Pada sampel komposit TiO2-arang aktif yang dikalsinasi pada

temperatur 400oC nilai kapasitansi yang terukur yaitu 0,059713376 F.

Selanjutnya pada temperatur 550oC nilai kapasitansi yang terukur yaitu

0,057088121, sedangkan pada temperatur 700oC nilai kapasitansi yang

terukur yaitu 0,109778657. Sampel dengan temperatur 850oC

menghasilkan nilai kapasitansi sebesar 0,009842779 F, sedangkan untuk

temperatur 1000oC nilai kapasitansi yang terukur yaitu 0,000689 F. Data

yang dihasilkan terlihat bahwa nilai kapasitansi dengan temperatur diatas

700oC mengalami penurunan, hasilnyapun jauh lebih rendah

dibandingkan dengan temperatur di bawah 700oC, artinya bahwa arang

aktif pada temperatur di atas 700oC merupakan arang yang tidak layak

untuk digunakan sebagai bahan elektroda superkapasitor.

Ada banyak faktor yang menyebabkan besarnya nilai kapasitansi

pada temperatur di atas 700oC. Berdasarkan rujukan penelitian

sebelumnya yang telah dilakukan oleh Tanaka (1996) teorinya

menyatakan bahwa “meningkatnya temperatur dan lama aktivasi

menyebabkan luas permukaannya semakin besar dan begitupula dengan

ukuran pori, sedangkan teori benaddi (2002) berdasarkan penelitian yang

telah dilakukan mengatakan bahwa meningkatnya temperatur dan lama

aktivasi cenderung menaikan kadar abu dan akibat dari munculnya abu

tersebut akan menutupi pori-pori arang aktif. Dari beberapa penelitian

tersebut dikaitkan dengan penelitian ini maka jelas bahwa ketika

komposit TiO2- arang aktif yang diberikan perlakuan panas di atas 700oC

luas permukaannya akan semakin besar dan ukuran porinya akan

semakin lebar, namun ukuran pori yang diharapkan adalah ukuran pori

dimana ion-ion elektrolit dapat masuk ke dalam pori.

D. Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan bahwa temperatur

kalsinasi mempengaruhi nilai kapasitansi superkapasitor komposit TiO2- arang

aktif. Temperatur kalsinasi mampu merubah luas permukaan, struktur kristal

dan ukuran pori pada komposit TiO2- arang aktif, sehingga dapat disimpulkan

bahwa semakin tinggi temperatur kalsinasi maka semakin rendah nilai

kapasitansinya.

DAFTAR PUSTAKA

An, K. H., Kim, W. S., Park, Y. S., Choi, Y. C., Lee, S. M., Chung, D. C., Bae, D. J., Lim, S. C., and Lee, Y. H., (2001), Supercapacitors Using Single-Walled Carbon Nan.otube Electrodes, Adv. Mater. vol. 13, no. 7, pp. 497-500.

Anonim, 2014c, karbon aktif, http://www.thomasnet.com/karbon_aktif.php. Diakses pada tanggal 11 Mei 2014

Ariyanto Teguh, Prasetyo Imam, dan Rochmadi, (2012). Pengaruh Struktur Pori terhadap Kapasitansi Elektroda Superkapasitor yang dibuat dari Karbon Nanopori. Jurnal Reactor,Vol. 14 No. 1, April 2012, Hal, 25-32.

Endo, T.,Kim, K., and Ishi, (2001). High Power Electric Doble Layer Capacitor (EDLCs); from Operating Principle Size in advanced Activated Carbons. Carbon Science, Vol 1, pp. 117-128.

Haniffudin Nurdiansah dan Diah Susanti,” Pengaruh Variasi Temperatur Karbonisasi dan Temperatur Aktivasi Fisika dari Elektroda Karbon Aktif Tempurung Kelapa dan Tempurung Kluwak terhadap Nilai Kapasitansi Electric Double Layer Capacitor (EDLC)”. ITS. Surabaya.

Jia, A.; Liang, X.; Su, Z.; Zhu, T.; Liu, S. Synthesis and the effect of calcination temperature on the physical–chemical properties and photocatalytic activities of Ni,La codoped SrTiO3. Journal of Hazardous Materials. 2010, CLXXVIII, Nr. 1-3, pp. 233-242. ISSN 0304-3894.

Mclucas, Jim. 2010. Design Ideas Circuit Synchronizes Sensors and Cameras. Edndesignideas@cancom.com

Putu, Gusti. 2015. Analisis Sifat Listrik Komposit TiO2 – Arang Aktif dari Kulit Biji Mete. Skripsi. FKIP Universitaas Halu Oleo. Kendari:

Reli Martin, dkk. 2012. Pengaruh Kalsinasi (Temperatur dan Durasi) dari Kaolinit / TiO2 Komposit pada Sifat Fisikokimia dan pada Hasil Pengurangan CO2 Fotokatalitik. Vol LVIII, No 4.p.10-22, ISSN 1802-5420.

Shukla, A.K., Sampath, S., and Vijayamohanan, K., (2000), Electrochemical Supercapacitors: Energy Storage Beyond Batteries, Current Science, vol. 79, no. 12.

Susanti. 2012. Preparasi Nanopartikel Tio2-Anatas Tersensitifkan Perak (TiO2a@Ag) Untuk Fotodegradasi Metilen Biru. Skripsi. Program Studi Kimia. Jurusan Pendidikan Kimia. FMIPA. UNY. Yogyakarta.

Yoon, Songhun., Ka, Bok H., Lee, Chulwee, park, Misun, Zoh, Seung M., 2009. Preparation of Nanotube TiO2–Carbon Composite and Its Anoda Performance in Lithium-Ion Batteries. Electrochemical and Solid State Letters, 12(2) A28-A32.

Zhu, Haoquan, W. Li, dan X. Zhang, Resorcinol-Formaldehyde Based Porous Carbon as an Electrode Material for Supercapacitor, Carbon, 45, 160 (2007).