📍 🥙 🧚🏿 Apa yang menyebabkan perbedaan antara baterai dan super kapasitor ✋🏽 👷🏼 🤵

Sumber daya elektrokimia digunakan di mana-mana saat ini dan memiliki karakteristik yang berbeda: kapasitas, atau jumlah energi yang tersimpan, serta daya, atau kemampuan untuk dengan cepat mentransfer atau mengakumulasi energi ini (pemakaian / pengisian daya pada arus tinggi). Selain itu, keamanan dan umur panjang sangat penting untuk baterai. Dalam posting ini saya akan memberitahu Anda bagaimana baterai dan super kapasitor berbeda pada tingkat kimia, dan bagaimana ini mempengaruhi karakteristik teknis mereka.

Saya akan mulai dengan baterai. Saat ini, baterai lithium-ion dan nikel-logam hidrida (NiMH) paling sering digunakan, tetapi baterai lithium-ion secara bertahap menggantikan NiMH karena beberapa alasan. Pertama, baterai lithium-ion lebih hemat energi. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa, dibandingkan dengan elektrolit alkali NiMH, yang membatasi tegangan sel hingga 1,2 V, elektrolit baterai berbasis lithium-ion karbonat memberikan tegangan 3V. Dan ini berarti lebih sedikit sel yang dibutuhkan untuk mencapai tegangan tertentu, serta ukuran yang lebih kompak, yang hanya diperlukan untuk perangkat elektronik portabel modern. Dan, yang paling penting, dibandingkan dengan NiMH, yang menggunakan paduan dengan logam tanah jarang, baterai lithium-ion mengandung bahan yang lebih murah.

Pengoperasian baterai lithium-ion adalah sebagai berikut: ion lithium tertanam dalam bahan berlapis anoda (paling sering grafit) atau katoda (logam transisi oksida) selama pengisian dan pemakaian. Kapasitas ditentukan oleh berapa banyak lithium dibangun ke dalam elektroda, dan jika kapasitas, sebagaimana disebutkan di atas, baterai lithium-ion baik, maka dengan daya (ini adalah kemampuan baterai untuk dengan cepat mengisi dan melepaskan pada arus tinggi, misalnya, selama akselerasi dan pengereman regeneratif dalam kendaraan listrik) tidak sesederhana itu. Misalnya, ketika pengisian terlalu cepat, ion lithium tidak punya waktu untuk berintegrasi ke dalam kristal dan membentuk rantai logam lithium (dendrit) pada anoda, yang dapat menyebabkan korsleting, terutama pada suhu rendah. Pengosongan yang terlalu cepat dapat merusak kristal katoda dan menyebabkan penuaan dini baterai.

Apa yang menentukan daya baterai? Daya baterai tergantung pada beberapa parameter: konduktivitas elektroda, yang terdiri dari bahan aktif dan aditif, kecepatan proses elektrokimia yang terjadi dalam bahan aktif, serta konduktivitas ionik dari elektrolit. Untuk meningkatkan daya baterai lithium-ion, jika dimaksudkan untuk digunakan pada arus tinggi, pabrikan membuat elektroda khusus yang lebih tipis: mengandung bahan yang kurang aktif, tetapi lebih banyak zat tambahan karbon. Akibatnya, konduktivitas elektroda meningkat, tetapi, sayangnya, dengan mengurangi jumlah bahan aktif, kapasitasnya juga berkurang. Selain itu, bahkan jika teknologi semacam itu meningkatkan konduktivitas elektroda, kita tidak boleh lupa tentang parameter lain yang mempengaruhi daya, terutama penggabungan lambat lithium ke dalam kristal (kesulitan difusi),dimana teknologi ini tidak mempengaruhi sama sekali.

Tapi di sini bahan nano datang untuk membantu kami: untuk berintegrasi ke dalam nanocrystal, lithium tidak perlu bergerak jarak jauh, jadi interkalasi jauh lebih cepat.

Namun sayang, nanomaterial juga memiliki kelemahan, khususnya, peningkatan reaktivitas kimia, yang mengurangi masa pakai baterai. Secara umum, mencoba meningkatkan salah satu parameter baterai, yang lain sering menjadi lebih buruk.

Tetapi jika baterai masih perlu bekerja pada arus yang sangat tinggi, di mana baik metode produksi elektroda, maupun penataan bahan aktif tidak membantu, supercapacitor datang untuk menyelamatkan. Superkapacitor pada awalnya menyerupai baterai: ia juga memiliki dua elektroda yang ditempatkan dalam elektrolit. Tapi ini hanya sekilas. Padahal, supercapacitor menyimpan energi dalam bentuk lapisan ion yang menempel pada permukaan elektroda (lapisan listrik ganda). Kapasitas perangkat tersebut secara langsung tergantung pada permukaan elektroda, dan karbon aktif sering digunakan sebagai bahan aktif. Karena, tidak seperti baterai lithium-ion, tidak ada reaksi redoks di superkapasitor dan ion tidak boleh tertanam di mana saja, pengisian dan pemakaian jauh lebih cepat,dan perangkat itu sendiri lebih tahan lama.

Tapi mengapa, karena memiliki kekuatan yang luar biasa, super kapasitor tidak dapat digunakan sebagai sumber daya independen, bukan baterai? Tetapi kenyataannya adalah bahwa proses pembentukan lapisan listrik ganda jauh lebih sedikit energi-intensif daripada reaksi redoks, oleh karena itu, terlepas dari kenyataan bahwa superkapasitor menumpuk dan memberi energi dengan cepat, jumlahnya sangat kecil dibandingkan dengan baterai. Selain itu, super kapasitor mengalami self-discharge yang kuat: jika baterai yang terisi daya kehilangan beberapa persen dari kapasitas dalam sebulan, maka super kapasitor dapat sepenuhnya debit selama waktu ini. Oleh karena itu, super kapasitor biasanya digunakan bersama dengan baterai yang menghabiskan energi dan mengambil peran sumber daya secara eksklusif pada beban puncak.

Self-discharge adalah penurunan tegangan bertahap dalam sumber daya elektrokimia jika terputus dari jaringan. Dalam baterai lithium-ion, hal ini dikaitkan dengan oksidasi elektrolit secara bertahap di katoda, sebagai akibatnya elektron dilepaskan yang digunakan oleh bahan katoda untuk memasukkan lithium ke dalam struktur mereka (suatu proses yang terjadi selama pelepasan). Karena elektrolit dioksidasi perlahan, self-discharge juga lambat. Tetapi mekanisme yang tepat dari self-discharge superkapasitor belum diketahui, tetapi hal ini terkait dengan ion elektrolit yang masuk ke dalam reaksi redoks pada permukaan elektroda.

Pada akhirnya, perlu dikatakan bahwa ada juga kapasitor “pseudo-luas”, yang juga disebut superkapasitas elektrokimia, di mana proses redoks yang lebih intensif energi terjadi pada permukaan bahan aktif, tetapi kapasitas perangkat tersebut masih lebih rendah daripada baterai, dan mereka juga menderita dari debit diri yang kuat.

Sumber:

Buku Pegangan Baterai Linden,
TRANSAKSI IEEE Edisi Keempat tentang POWER ELECTRONICS, Vol. 24, N ° 2, 2009
J. Electrochem Soc., Vol. 145, N ° 10, 1998
BE Conway, Super-kapasitor Elektrokimia: Fundamental Ilmiah dan Aplikasi Teknologi, 1999

Apa yang menyebabkan perbedaan antara baterai dan super kapasitor

More articles: