Inovasi Baru Kapasitor Heterostruktur Untuk Penyimpanan Energi Listrik

Ilustrasi bahan kapasitor heterostruktur buatan yang tersusun dari membran 2D dan 3D (Sumber akses gratis: Lab Sang-Hoon Bae, Washington University)

Dalam era teknologi modern, perangkat penyimpanan energi memainkan peran krusial dalam kehidupan sehari-hari. Baterai dan kapasitor adalah dua komponen utama yang memungkinkan perangkat elektronik kita, dari ponsel pintar hingga mobil listrik, berfungsi dengan efisien. Baterai dikenal karena kemampuannya menyimpan energi dalam jangka waktu panjang, tetapi membutuhkan waktu lama untuk mengisi dan mengosongkan daya. Di sisi lain, kapasitor, yang dapat mengisi dan mengosongkan energi dengan sangat cepat, sering digunakan untuk kebutuhan daya instan.

Misalnya, ponsel pintar menggunakan baterai untuk penyimpan daya jangka panjang, tetapi mengandalkan kapasitor untuk transfer energi cepat seperti pada penggunaan kilatan (flash) kamera. Biasanya, ponsel pintar dilengkapi dengan ratusan kapasitor untuk memenuhi kebutuhan daya sesaat ini. Namun, beberapa kapasitor menggunakan bahan ferroelektrik, yang menyimpan energi melalui polarisasi alami. Polarisasi ini dapat dibalik dengan penerapan tegangan dan tetap ada bahkan setelah tegangan dihapus, mirip dengan ‘memori’. Meskipun efisien untuk penyimpanan jangka pendek, kapasitor ferroelektrik biasanya tidak sebaik baterai dalam mempertahankan energi untuk jangka panjang.

Kini, para peneliti telah mengembangkan kapasitor baru dengan menggunakan "heterostruktur" yang memiliki sifat unik, memungkinkan pengurangan kecepatan hilangnya energi tanpa mempengaruhi kemampuan pengisian daya cepat. Struktur baru ini menyeimbangkan antara konduktivitas (kemampuan menghantarkan listrik) dan non-konduktivitas (isolasi listrik), memungkinkan kapasitor mempertahankan energi lebih lama. Secara tidak sengaja, ditemukan bahwa celah kecil di inti struktur ini dapat memperpanjang waktu relaksasi, yaitu periode di mana kapasitor kehilangan muatan menjadi lebih lama.

Heterostruktur ini terdiri dari kombinasi lapisan bahan 2D (seperti grafena) dan 3D (seperti oksida logam) yang disusun secara berurutan, dengan ikatan kimia dan non-kimia di antara setiap lapisan. Ketebalan maksimum struktur ini hanya 30 nanometer, atau sekitar 30.000 kali lebih tipis dari rambut manusia. Kombinasi ini memungkinkan kapasitor untuk memanfaatkan sifat-sifat unik dari masing-masing bahan untuk menciptakan kapasitor dengan kinerja yang lebih baik dalam hal pengisian daya cepat dan mempertahankan energi lebih lama.

Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan dalam jurnal Science pada tanggal 18 April, Sang-Hoon Bae dan timnya memperkenalkan pendekatan baru untuk mengendalikan waktu relaksasi menggunakan bahan-bahan dua dimensi (2D), sambil meminimalkan kehilangan energi. Mereka menggunakan struktur hetero 2D/3D/2D (Au/MoS2/BaTiO3/MoS2/Au) untuk menjaga kristalinitas dari bahan feroelektrik 3D. Teknologi baru ini dilaporkan dapat memberikan kepadatan energi hingga 19 kali lebih tinggi dibandingkan kapasitor saat ini. Para peneliti juga melaporkan efisiensi penyimpanan dan pemakaian daya lebih dari 90%, angka yang sangat tinggi di perangkat penyimpanan ini.

Jika struktur ini dapat diproduksi secara massal, hal ini dapat merevolusi cara kita menyimpan dan mengakses energi. Dengan kepadatan energi yang lebih tinggi, kapasitor generasi berikutnya dapat digunakan pada perangkat yang membutuhkan penyimpanan jangka panjang seperti kendaraan listrik, serta menyediakan daya cepat sesuai permintaan untuk jaringan atau penggunaan industri.

Penemuan kapasitor heterostruktur baru ini memiliki potensi besar dalam meningkatkan efisiensi dan kecepatan penyimpanan energi. Dengan kemampuan untuk mengisi daya dengan cepat dan mempertahankan energi lebih lama, teknologi ini dapat menjadi dasar bagi perkembangan perangkat elektronik dan penyimpanan energi skala besar di masa depan. Inovasi ini diharapkan dapat membuka jalan bagi pengembangan lebih lanjut dan aplikasi praktis dalam berbagai bidang teknologi energi.