hybrid ultrakapasitor

Energi listrik yang tersimpan dalam Ultrakapasitor hybrid
1. Pendahuluan
Alessandro Giusseppe Antonio Anastasio Volta ( 1745–1827), seorang profesor fisika di Universitas Pavia, yang pertama menunjukkan pada tahun 1800 tisu binatang itu tidak perlu Untuk generasi pembawa muatan dan kaki kodok yang digunakan eksperimen Galvanidigunakan hanya sebagai suatu elektroskop. Ia mengusulkan bahwa sumber yang benar tentang stimulasi adalah kontak antara metal-metal yang berlainan. Ia mengatakan bahwa listrik dihasilkan sebagai listrik metalik. Faktanya,yang melalui voltaic piles, berisikan cakram yang bertukar-tukar dari metal-metal yang berlainan, ia secara efektif menunjukkan baterei elektrokimia yang pertama. Mengikuti Volta, Yohanes Daniel pada tahun 1836 mempertunjukkan baterei dua fluida untuk menyediakan sumber listrik yang dapat dipercaya dan konstan terhadap waktu. Di (dalam) 1859, Gaston Plant´e menemukan lead-acid baterei yang mengadakan revolusi dunia .Pada tahun 1866, Georges Leclanch´E mempatenkan elemen kering yang dinyalakan komersil di (dalam) baterei. Saat ini, penyimpanan energi dalam format kimia kebanyakan dicapai melalu baterei.
Baru-Baru ini, suatu teknologi baru, yaitu ultracapacitors atau supercapacitors, telah muncul dengan potensial yang memungkinkan untuk kemajuan utama dalam penyimpanan energi. Ultracapacitors diatur dengan ilmu fisika yang sama sebagai kapasitor konvensional tetapi menggunakan high-surface-area electroda dan banyak bahan pengencer lapisan ganda elektrik sebagai dielektrikum untuk mencapai nilai kapasitansi yang lebih besar. Ini mempertimbangkan rapat energy yang lebih besar dari kapasitor yang konvensional dan rapat daya lebih besar dari baterei. Suatu perbandingan energi dan tenaga kepadatan untuk baterei, kapasitor konvensional dan ultracapacitors dinyatakan sebagai Plot Ragone dalam gambar 1
Gambar 1 Plot Ragone Perbandingan kapasitor, ultrakapasitor, dsan batrai dengan hybrid ultrakapasitor



Taksonomi berbagai jenis ultracapacitors ditunjukkan Gambar 2. yang didasarkan pada Energy-Storage mereka Mekanisme, ultracapacitors dapat digolongkan ke dalam tiga kelas, viz. ( a) Electrochemical Lapisan Ganda Kapasitor ( EDLCS), ( b) Pseudocapacitors, dan ( c) hybrid ultracapacitors. Masing-Masing kelas yang tersebut di atas ultracapacitors dapat didasarkan pada sub-grouped lebih lanjut sifat alami material electroda. Hirarki untuk penggolongan ultracapacitors dilukiskan di (dalam) gambar. 2. Dari antara, hybrid ultracapacitors, berisikan suatu battery-electrode bisa menyetrum kembali dan suatu electrical-double-layer electroda, adalah yang paling menarik sebab ini dapat menyediakan rapat energi baterei dan rapat daya kapasitor yang ditunjukkan dalam gambar 3.
2. Hybrid Ultrakapasitor
Karena hybrid ultracapacitors mendasari sebuah battery-electrode yang bisa menyetrum kembali dan suatu electricaldouble- electroda lapisan, [itu] adalah diinginkan untuk meliputi suatu diskusi ringkas pada [atas] electrical-double-layer kapasitor ( EDLCS). Mekanisme untuk penyimpanan energy listrik di (dalam) EDLCS adalah sama dengan dielectric-capacitors konvensional. Suatu dielectriccapacitor konvensional meliputi dua plat area metal paralel ( A) yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik tetapan dielektrik(å). Tenaga elektris di (dalam) kapasitor ini disimpan sebagai beban elektrostatik. Sepanjang pengisian kapasitor yang dielektrikum, elktron dari satu plat metal ditransfer ke seberang plat yang metal [itu]. maka, satu sisi tentang plat yang metal menjadi elktron tak mencukupi selagi sisi plat metal lain mempunyai kelebihan elktron. Ini mengakibatkan suatu medan elektrik ke seberang memproduksi suatu voltase yang dielektrikum antar[a] plat. Muatan ( Q) yang dikumpulkan di dalam kapasitor adalah sebanding tegangan ( V) di seberang plat secara mathematic dapat dinyatakan sebagai,

dengan C adalah konstanta proporsionalitas yang menunjukkan kapasitansi dari kapasitor. Kapasitansi berkaitan dengan konstanta dielektrik (ε) dari medan material dielektrik antara plat-plat dari persamaan 2dapat ditunjukkan seperti di bawah ini

Dengan d adalah jarak antara plat-plat dan A adalah luas geometri dari plat-plat metal. Aspek fisika yang disebutkan diatas adalah untuk kapasitor konvensional yang bisa diterapkan dengan baik untuk Edlc. Perbedaan antara keduanya didiskusikan dibawah ini.
Dengan mensubtitusikan C ke dalam persamaan 1 kita mendapatkan

Dengan v/d adalah medan listrik yang timbul dari perbedaan dielektrik antara permukaan muatan. Pada sebuah bidang pemukaan metal electrode dengan perbedaan potensial dari 1V disebelah elektrikal double layer dengan ketebalan 3.8Ǻ, medannya (E) kira-kira .
Dengan membandingkan, di (dalam) suatu kapasitor biasa dengan suatu karet sintetis dielektrikum, bidang di luar ca. 5000 V/Cm tidak bisa didukung. Bagaimanapun, di (dalam) lapisan ganda, perilaku yang sungguh berbeda dari kapasitor reguler seperti tidak ada curah dielektrikum yang dihubungkan pengertian normal; hanya air hidrasi ion dan monolayer film dari air bahan pelarut adsorbed di alat penghubung electroda yang mendasari medium yang dielektrikum dari double-layer yang elektrik.
Selagi pengisian kapasitor [itu], elektrik double layer mendapat/kan muatan dan tenaga elektris adalah beban elektrostatik yang disimpan sebagai yang bisa didapat kembali sepanjang pengosongan kapasitor . Selama proses ini, tidak ada alih muatan antar[a] electroda dan elektrolit.
Karenanya, energi disimpan hanya oleh proses non-faradaic seperti lapisan ganda, adsorpsi ion, dan lain lain .Karena hanya proses nonfaradaic proses dilibatkan pada pengisian dan pengosongan EDLCS, kaleng kapasitor ini yang menjadi pengisian dan pengosongan dengan cepat dengan life-cycles > 105. Suatu EDLC ditunjukkan schematically di (dalam) gambar. 4(A). Tenaga elektris [itu] ( De) yang disimpan [adalah] suatu pengisian kapasitor adalah,

Ketika jumlah energy yang tersimpan dari 0 menjadi jumlah energy tertentu E, dan tegangan dari kapasitor meningkat dari 0 menjadi V dan perhitungan muatan meningkat dari 0 menjadi Q. Maka

Ketika energy yang tersimpan dari 0 menjadi sejumlah energy E, kemudian tegangan dari kapasitor meningkat dari 0 menjadi V dan penghitungan muatan meningkat dari 0 menjadi q. Maka

EDLC memiliki karakteristik listrik yang sama dengan kapasitor konvensional ketika dihubungkan seri atau parallel.EDLC dengan dua elektroda dan satu elektrolit direpresentasikan sebagai dua kapasitor ddalam susunan seri. Karenanya, total kapasitansi tentang EDLCS benar-benar kontribusi dari masing-masing dua electroda dan total kapasitansi dinyatakan [sebagai/ketika/sebab]:

Dengan CT adalah total kapasitaansi dari kapasitor, Canode adalah kapasitansi anoda-anolyte elektrik double layer dan Ckatode adalah kapasitansi dari katoda-katholyte elektrik double layer. Asumsikan bahwa dua elektroda memiliki kapasitansi spesifik C. Total kapasitansi dari kapasitor adalah C/2. Lagipula, secara kebiasaan kapasitor adalah atas yang dioperasikan untuk 50% dari depth-of-discharge mereka.
maka, energi netto yang tersedia dari suatu EDLC dinyatakan sebagai:

Dalam diskusi senelumnya praksikal spesifik energy dari EDLC dinyatakan sebagai :

Dengan C adalah kapasitansi (F/g). daya densitas dari EDLC diperoleh dari pembagian densitas energy dengan waktu dengan daya maksimum yang dapat diturunkan dari EDLC diekspresikan dari teorema daya maksimum sebagai :

Selama pengisian dan pengosongan dari hybrid ultrakapasitor tipe baterai elektroda mangalami reaksi transfer muatan faradaic sedangkan elektroda tipe EDLC mengalami proses non faradaic mendorong ke arah lapisan ganda yang mengisi EDLC. Suatu Karbon aktif PbO2 Ultracapacitor, yang ditunjukkan sistematik di (dalam) gambar. 4(B), meliputi plat positif Pbo2 konvensional lead-acid baterei sebagai katode nya dan suatu activated-carbon electroda sebagai kutub positip nya.
Di (dalam) suatu kapasitor symmetric dengan kapasitansi sama, kapasitansi netto kapasitor hanya 1/2 C. Di [dalam] kasus hybrid ultracapacitor: Ccathode ≪Canode. maka, kebalikan kapasitansi katode akan kecil dan keseluruhan kapasitansi hybrid ultracapacitor ( CT) nantinya ≈C. Karenanya, pada prinsipnya, hybrid ultracapacitors perlu mempunyai tentang energy ganda yang tersimpan dan nilai rapat daya ketika dibandingkan untuk suatu capacitor symmetric. Mekanisme penyimpanan energi elektrik dalam alat benar-benar suatu kombinasi baterei dan kapasitor. Electroda Baterei menyimpan tenaga elektris melalui reaksi faradaic sedang penyimpanan tenaga electroda kapasitor elektris melalui proses yang non-faradaic, yakni lapisan ganda yang membebankan. Karenanya, dalam rangka menentukan energi yang tersimpan selama pengisian.dalam suatu alat, seseorang harus mengetahui energi yang tersimpan dalam electroda individu.
Di (dalam) suatu kapasitor hybrid yang ideal, energi yang tersimpan selama pengisiam dapat dihitung sebagai berikut. Energi yang tersimpan dalam suatu baterei adalah dihubungkan dengan kapasita nya sebagai,

Dengan V adalah nilai pengisian tegangan dari baterei, I adalah pengisian arus, dan t adalah waktu pengisian.Pengisian tegangan untuk baterei tergantung pada sifat alami mekanisme reaksi electroda. Di (dalam) kasus electroda baterei yang beroperasi pada mekanisme heterogen sampai dissolutionprecipitation, pengisian dan pengosongan tegangan hampir konstan seperti di kasus suatu lead-acid baterei. Dalam. kasus, yang demikian energi yang tersimpan dalam pengisisan suatu baterei adalah:

Dengan Vc adalah tegangan katoda dan Va adalah tegangan anoda.
Persamaan diatas dapat dituliskan sebagai

Yang mana sisi bagian kanan yang pertama adalah energy yang tersimpan dalam katoda sementara bagian kedua adalah untuk anoda. Di (dalam) suatu kapasitor hybrid baik kutub positip maupun katode digantikan dengan electroda kapasitor dan energi yang tersimpan dalam pengisian . seperti suatu alat dapat diperoleh seperti,

Persamaan diatas dapat dituliskan sebagai

Energi spesifik yang dapat diperoleh dengan pembagian [itu] persamaan diatas dengan berat kapasitor. Nilai Energi Dan Rapat daya untuk hybrid ultracapacitors menggunakan electroda baterei yang menyertakan mekanisme homogen, seperti satuan listrik positif intercalation/de-intercalation seperti di kasus Niooh/Ni(Oh)2 Electroda dari Ni-Cd bisa menyetrum kembali baterei bersifat alkali, dapat dinyatakan sebagai:

Di antara hybrid ultracapacitors, Pbo2- karbon yang diaktipkan tampak seperti berjanji dalam kaitan dengan nilai yang rendah.Ketika PbSO4 dan mengaktipkan karbon digunakan sebagai katode dan bahan-bahan aktif kutub positip,reaksi pengisian dan pengosongan ultracapacitor hybrid dapat ditulis sebagai berikut.
Pada katoda:

Pada anoda

Reaksi pengisian dan pengosongan kapsitor untuk ultrakapasitor hybrid dapat dituliskan sebagai :

Dengan δ(C¬-H+)dl adalah lapisan ganda elektrik yang dihubungkan dengan kutub positip hybridultracapacitor. Itu penting bahwa persamaan di atas adalah seimbang dibandingkan dengan term elektrokimia mereka yang secara normal digunakan untuk menaksir rapat energi yang secara teoritis menggunakan hukum Faraday’S elektrolisis dan hybrid ultracapacitors lain yang dibahas di sini diperlakukan dengan cara yang sama. Di (dalam) kasus suatu kapasitor karbon symmetric dengan elektrolit yang mengandung air, seperti cuka sulphuric, tegangan maksimum akan terisi 1.2 V. idealnya tegangan untuk katoda dari kapasitor karbon yang simetrik adalah 0,6 V. Sementara untuk anoda adalah -0,6 V. Jika kita menggunakan nilai ini, kemudian tegangan sel ultrakapasitor hybrid yang diharapkan akan jadi 2.27 V. Dalam rangka menentukan tegangan dari hybrid ultrakapasitor, seseorang harus mengetahui tegangan kutub positip melawan terhadap suatu electroda acuan .
Maka total kapasitansi dari ultrakapasitor hybrid dapat dituliskan sebagai :

Dengan kapasitansi dari elektroda PbO2 akan relative tinggi dalam hubungnnya dengan elektroda karbon. Dalam . suatu kasus jika CPBO2≫ Canode, kebalikan dari kapasitansi katode, dan karenanya, CT= Canode.Hybrid Karbon yang PbO2-activated Ultracapacitor dapat direalisir jalan dua arah. Electroda Pbo2 dapat dibuat suatu lead-acid konvensional baterei mengetik atau dapat direalisir oleh pengelektroendapan dari percusuor,seperti Pb(No3)2 pada suatu substrate. Sesungguhnya kedua jenis Pbo2. Aktif karbon hybrid ultracapacitors telah dikembangkan dan telah dilaporkan. telah dilaporkan bahwa menggunakan Pbo2 Electroda lead-acid baterei dan karbon elektroda pelat dengan H2SO4 bobot jenis 1.26, suatu rapat energi yang spesifik 39.5 Wh/Kg adalah achievable15. Penggunaan dari Pbo2 yang elektronya terdeposisi terpasang pelindung Ti yang melapisi dengan Sno2 Dan Tepung-Arang Ti yang dilekatkan dengan menghubungkan suatu PVDF binder dan H2So4 bobot jenis 1.28 hasilnya adalah suatu rapat energi yang spesifik 11.7 Wh/Kg Dan Rapat daya 22 W/G16. Penggunaan dari lead-acid baterei elektroda konvensional memerlukan pengisian yang lambat dan pengosongan tetapi electroda yang electrokimia yang dibentuk dapat diisi dan dikosongkan pada tingkat lebih cepat. Itu dikenal reaksi yang sekunder, seperti hidrogen dan evolusi oksigen, dalam kaitan dengandekomposisi air terjadi di cathode17,18 sebagai:

Titik kesetimbangan dari reaksi adalah 1,23 V yang lebih kecil dibandingkan dengan nilai tegangan sel dari hybrid ultrakapasitor. Hal lain yang menarik dari hybrid ultrakapasitor adalah karbon Ni(OH)2/NiOOH yang teraktivasi dengan elektrolit alkaline. Reaksi pengisian dan pengosongan untuk kapasitor dapat dituliskan sebagai berikut :
Pada katoda

Pada anoda

Reaksi sel bersih untuk hybrid ultrakapasitor dapat situliskan sebagai berikut :

Tegangan Sel tergantung pada state-of-charge dua electroda. Selama pengisian dan pengosongan Karbon NiOOH/Ni(OH)2-activated Ultracapacitor, tegangan
kedua-duanya electroda berubah secara linear Di (dalam) kasus katode, Ni(Oh)2 mengalami oksidasi melalui mekanisme homogen dalam satuan listrik positif
yang de-intercalated dari Ni(Oh)2 untuk membentuk Niooh. Karenanya, tegangan katode bervariasi secara linier dengan state-of-charge. Di (dalam) kasus kutub positip dimana lapisan ganda elektrik dibentuk dengan adsorpsi ion kalium, tidak ada reaksi alih muatan dan tegangan kutub positip didikte oleh muatan elektrik lapisan ganda. Di (dalam) literatur [itu], karbon Niooh/Ni(Oh)2- hybrid ultrakapasitor karbon yang diaktipkan memanfaatkan Niooh/Ni(Oh)2Cathode dan MWCNTS sebagai kutub positip telah pula dilaporkan.
Mno2 adalah material electroda baterei lain yang telah digunakan untukmengembangkan hybrid ultracapacitors. Suatu hybrid ultracapacitor yang dirakit menggunakan karbon aktif sebagai kutub positip, Mno2 sebagai katode dan mengandung air K2So4 sebagai elektrolit memperlihatkan suatu nilai kapasitansi sekitar 20 F/G dengan suatu tegangan sel 2 V.Prinsip Operasi dari hybrid ultracapacitor seperti itu masih tidak dengan jelas dipahami. Yun Xue et Al32 sudah melaporkan Litium l-MnO2 intercalated sebagai katode dan Li2So4 sebagai elektrolit dengan spesifik kapasitansi dari 53 F/g rentan tegangan antara 0 dan 2,2 V.
Kapasitor seperti itu dilaporkan untuk menghasilkan energi 36Wh/kg [yang] spesifik dan suatu rapat daya 314 W/Kg32. Anbao Yuan et al33 sudah melaporkan bahwa
Katode MnO2-based dengan karbon sebagai kutub positip dan Lioh sebagai elektrolit menyediakan suatu kapasitansi yang spesifik 62.4 F/G. Secara umum, suatu mekanisme yang homogen 460 intercalation/deintercalation kation, seperti H+,
Li+, Na+ dan K+ ion, dengan Mn di (dalam) oksidasi antar[a] 4 dan 3 pengarah devices ini seperti ditunjukkan di bawah.


Reaksi pengisian dan pengosongan dari kapasitor memerlukan studi lebih lanjut yang menggunakan electroda acuan dalam rangka memahami mekanisme reaksi mereka
, tegangan dan kapasitansi kontribusi dari electroda individu. Hybrid ultracapacitors dapat juga dikembangkan menggunakan electroda kapasitor sebagai katode dan suatu batterytype electroda sebagai kutub positip. Satu contoh. seperti (itu) adalah carbon–Fe yang diaktipkan ultracapacitor. Reaksi pengisian dan pengosongan di dalam Elektroda Fe bersifat alkali elektrolit dapat ditulis seperti:

Reaksi pengisian dan pengosongan dari karbon Fe yang diaktifasi ultrakapasitor dapat dituliskan sebagai :

Suatu tegangan sel sekitar 1.48 V diharapkan mengambil
elektroda-karbon yang potensialnya 0.6 V di (dalam) kondisi pengisian yang penuh. Walaupun tidak ada teknis yang melaporkan dalam literatur pada pengembangan
carbon–Fe hybrid yang diaktipkan ultracapacitors, suatu Fe3O4-hybrid karbon yang diaktipkan ultracapacitor dengan KOH sebagai elektrolit dilaporkan dengan suatu tegangan sel 1.2 V dan suatu kapasitansi spesifik 37.9 F/G35. Karena Electroda Fe mempunyai suatu kerapatan teoritis energy 960 mAh/g, itu adalah mungkin untuk mengembangkan specific-energy tinggi hybrid ultracapacitors. Bagaimanapun, secara termo-dinamis baik side-reactions, reaksi evolusi hidrogen dan korosi Fe, adalah dua isu penting yang perlu untuk ditujukan karena merealisir . hybrid ultracapacitors seperti itu. Karena kedua-duanya karbon dan Fe dan costeffective, carbon-Fe bastar yang diaktipkan ultracapacitor akan [jadi] secara ekonomis sehat dan hijau.
Suatu hybrid ultracapacitor carbon–Zn adalah contoh lain hybrid ultracapacitor dalam kutub positip adalah suatu battery-type electroda dan karbon yang diaktipkan adalah capacitor-type electrode36,37.Hiroshi et al36 mempunyai alat yang dilaporkan seperti itu Zn Electroda yang disiapkan dengan pengosongan elektrokimia pada Cu Dan Penggunaan kain karbon yang diaktipkan dengan area permukaan spesifik 2000 m2/g sebagai elektroda positip dan 7.3 M KOH sebagai elektrolit. Alat seperti itu ditemukan untuk menghasilkan tegangan maksimum 1.4 V dengan kapasitansi spesifik 120 F/G dengan rapat energi yang spesifik sekitar 25 Wh/Kg dan rapat daya sekitar 40 W/Kg. Di (dalam) kapasitor [itu], Zn Kutub positip mengalami reaksi pengisian-pengosongan serupa dengan Ni-Zn yang bersifat alkali Baterei dengan karbon-elektroda yang mengalami pengisian dan pengosongan yang sama dengan electroda kapasitor [sebagai/ketika] ditunjukkan di bawah.

Reaksi pengisian dan pengosongan untuk yang diaktifkan karbon-Zn hybrid ultrakapasitor dapat dituliskan sebagai :

Li-Ion hybrid ultracapacitors adalah juga beroperasi tegangan untuk ultracapacitors bisa setinggi 3.5 V. ultracapacitors menggunakan suatu bahan pelarut non-aqueous dan suatu litium garam sebagai elektrolit. Voltage-Output ultrakapasitor yang tinggi menyediakan energydensas spesifik lebih tinggi dan rapat daya menilai ke hybrid Li-based ultracapacitors. Ada berbagai jenis hybrid ultrakapasitor Berbasis litium tetapi [yang] paling menarik adalah mereka yang mempunyai Li4Ti5O12Anode dan mengaktipkan karbon sebagai katode; litium yang intercalated oksida metal . seperti (itu) sebagai Mno2, V2O5, dan lain lain adalah juga katode penting materials33,39,40 untuk lithium-based ultracapacitors. Hybrid Karbon Li4Ti5O12-activated Ultracapacitor dengan voltase operasi yang berkisar antara 2.8 dan 1.6 V dengan energi [yang] spesifik masing-masing dan kerapatan daya 13.8 Wh/Kg dan 3.8 kW/kg telah dilsporksan . Berbagai jenis Litium ionactivated hybrid karbon ultracapacitors dan karakteristik mereka disampaikan dalam Tabel 1. Aplikasi hybrid ultrakapasitor yang mungkin adalah di (dalam) pencahayaan rural, penyimpanan energi, manajemen energi, efisiensi energi dan untuk aplikasi konversi energy.
3. Kesimpulan
Hybrid ultracapacitors menawarkan keuntungan kedua-duanya rapat daya [yang] tinggi EDLCS dan energydensas tinggi tentang baterei dengan tinggi life-cycles.
Ultracapacitors ini akan mempunyai aplikasi di (dalam) penyimpanan energi, manajemen energi dan konversi energi.