Proses baru menumbuhkan serat nano PEDOT dengan konduktivitas listrik yang unggul dan luas permukaan yang lebih luas untuk menyimpan muatan
Poin-poin penting
- Jenis plastik yang disebut PEDOT yang dapat menghantarkan listrik saat ini digunakan untuk melindungi komponen internal perangkat elektronik dari listrik statis dan pada sel surya organik serta perangkat elektrokromik, tetapi juga memiliki kemampuan untuk menyimpan muatan listrik seperti baterai.
- Ahli kimia UCLA telah menciptakan jenis baru film PEDOT bertekstur seperti bulu dengan luas permukaan lebih luas untuk menyimpan muatan dan membangun superkapasitor yang dapat menyimpan muatan hampir sepuluh kali lebih banyak daripada PEDOT konvensional dan bertahan hampir 100.000 siklus pengisian daya.
- Kemajuan ini dapat menghasilkan superkapasitor yang dapat memenuhi sejumlah kebutuhan penyimpanan energi seiring transisi dunia menuju produksi energi terbarukan dan berkelanjutan.
Plastik telah membentuk dunia modern dan mengubah cara hidup kita. Selama beberapa dekade, bahan ini terutama digunakan dalam bidang elektronik karena sifat isolasinya yang sangat baik. Namun pada tahun 1970-an, para ilmuwan secara tidak sengaja menemukan bahwa beberapa plastik juga dapat menghantarkan listrik. Temuan ini merevolusi bidang ini dan membuka pintu bagi aplikasi di bidang elektronik dan penyimpanan energi.
Salah satu plastik elektrokonduktif yang paling banyak digunakan saat ini disebut PEDOT, kependekan dari poli(3,4-ethylenedioxythiophene). PEDOT adalah film transparan dan fleksibel yang sering diaplikasikan pada permukaan film fotografi dan komponen elektronik untuk melindunginya dari listrik statis. Hal ini juga ditemukan di layar sentuh, sel surya organik, dan perangkat elektrokromik, seperti jendela pintar yang beralih dari terang ke gelap hanya dengan menekan sebuah tombol. Namun, potensi penyimpanan energi PEDOT masih terbatas karena bahan PEDOT yang tersedia secara komersial tidak memiliki konduktivitas listrik dan luas permukaan yang diperlukan untuk menampung energi dalam jumlah besar.
Ahli kimia UCLA mengatasi tantangan ini dengan metode inovatif untuk mengontrol morfologi PEDOT untuk menumbuhkan serat nano secara tepat. Serat nano ini menunjukkan konduktivitas yang luar biasa dan luas permukaan yang diperluas, keduanya penting untuk meningkatkan kemampuan penyimpanan energi PEDOT. Pendekatan ini, dijelaskan dalam makalah yang diterbitkan di Advanced Functional Materials, menunjukkan potensi nanofiber PEDOT untuk aplikasi superkapasitor.
Apa perbedaan superkapasitor dengan baterai?
Tidak seperti baterai, yang menyimpan energi melalui reaksi kimia yang lambat, superkapasitor menyimpan dan melepaskan energi dengan mengumpulkan muatan listrik di permukaannya. Hal ini memungkinkannya mengisi dan mengosongkan daya dengan sangat cepat, menjadikannya ideal untuk aplikasi yang memerlukan semburan daya cepat, seperti sistem pengereman regeneratif pada kendaraan hibrida dan listrik serta lampu kilat kamera. Oleh karena itu, superkapasitor yang lebih baik merupakan salah satu cara untuk mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil.
Namun, tantangan superkapasitor adalah menciptakan material dengan luas permukaan yang cukup untuk menampung energi dalam jumlah besar. Bahan PEDOT tradisional kurang dalam hal ini, sehingga membatasi kinerjanya.
Ahli kimia UCLA memproduksi material baru melalui proses pertumbuhan fase uap yang unik untuk menciptakan serat nano PEDOT vertikal. Serat nano ini, menyerupai rumput lebat yang tumbuh ke atas, secara dramatis meningkatkan luas permukaan material, sehingga memungkinkannya menyimpan lebih banyak energi. Dengan menambahkan setetes cairan yang mengandung nanoflakes graphene oksida dan besi klorida pada lembaran grafit, para peneliti mengekspos sampel ini ke uap molekul prekursor yang akhirnya membentuk polimer PEDOT. Alih-alih berkembang menjadi film datar yang sangat tipis, polimer malah tumbuh menjadi struktur tebal seperti bulu, sehingga secara signifikan meningkatkan luas permukaan dibandingkan bahan PEDOT konvensional.
“Pertumbuhan vertikal material yang unik memungkinkan kami membuat elektroda PEDOT yang menyimpan jauh lebih banyak energi dibandingkan PEDOT tradisional,” kata penulis koresponden dan ilmuwan material UCLA, Maher El-Kady. “Muatan listrik disimpan di permukaan material, dan film PEDOT tradisional tidak memiliki luas permukaan yang cukup untuk menampung banyak muatan. Kami meningkatkan luas permukaan PEDOT dan dengan demikian meningkatkan kapasitasnya hingga cukup untuk membangun superkapasitor.”
Para penulis menggunakan struktur PEDOT ini untuk membuat superkapasitor dengan kapasitas penyimpanan muatan yang sangat baik dan stabilitas siklus yang luar biasa, mencapai hampir 100.000 siklus. Kemajuan ini dapat membuka jalan bagi sistem penyimpanan energi yang lebih efisien, yang secara langsung mengatasi tantangan global dalam energi terbarukan dan keberlanjutan.
“Polimer pada dasarnya adalah rantai panjang molekul yang dibangun dari blok-blok pendek yang disebut monomer,” kata El-Kady. “Bayangkan saja seperti kalung yang terbuat dari manik-manik yang dirangkai menjadi satu. Kami memanaskan bentuk cair monomer di dalam ruangan. Saat uap naik, mereka bereaksi secara kimia ketika bersentuhan dengan permukaan nanoflakes graphene. Reaksi ini menyebabkan monomer untuk mengikat dan membentuk nanofiber vertikal. Nanofiber ini memiliki (a) luas permukaan yang jauh lebih tinggi, yang berarti mereka dapat menyimpan lebih banyak energi.”
Hasil materi PEDOT baru
Materi PEDOT baru telah menunjukkan hasil yang mengesankan, melebihi ekspektasi di beberapa bidang penting. Konduktivitasnya 100 kali lebih tinggi dibandingkan produk PEDOT komersial, sehingga jauh lebih efisien untuk penyimpanan muatan. Yang lebih menakjubkan lagi adalah luas permukaan aktif elektrokimia dari serat nano PEDOT ini empat kali lebih besar dibandingkan dengan PEDOT tradisional. Peningkatan luas permukaan ini sangat penting karena memungkinkan lebih banyak energi disimpan dalam volume material yang sama, sehingga secara signifikan meningkatkan kinerja superkapasitor.
Berkat proses baru ini, yang menumbuhkan lapisan nanofiber tebal pada lembaran graphene, material ini kini memiliki salah satu kapasitas penyimpanan muatan tertinggi untuk PEDOT yang dilaporkan hingga saat ini – lebih dari 4600 miliFarad per sentimeter persegi, yang hampir setara dengan satu orde magnitudo. lebih tinggi dari PEDOT konvensional. Selain itu, bahannya sangat tahan lama, bertahan melalui lebih dari 70.000 siklus pengisian daya, jauh melebihi bahan tradisional. Kemajuan ini membuka pintu bagi superkapasitor yang tidak hanya lebih cepat dan efisien namun juga tahan lebih lama, yang merupakan kualitas penting bagi industri energi terbarukan.
“Performa luar biasa dan daya tahan elektroda kami menunjukkan potensi besar untuk penggunaan graphene PEDOT dalam superkapasitor yang dapat membantu masyarakat memenuhi kebutuhan energi,” kata penulis Richard Kaner, seorang profesor kimia dan sains serta teknik material terkemuka di UCLA, yang penelitiannya tim telah berada di garis depan dalam melakukan penelitian polimer selama lebih dari 37 tahun. Sebagai kandidat doktor, Kaner berkontribusi pada penemuan plastik konduktif listrik oleh penasihatnya Alan MacDiarmid dan Alan Heeger, yang kemudian menerima Hadiah Nobel atas karya mereka.
Penulis lain dalam penelitian ini termasuk Musibau Francis Jimoh, Gray Carson dan Mackenzie Anderson, semuanya juga berada di UCLA.
