Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
ANALISA DIMENSI, DENSITAS DAN KAPASITANSI SPESIFIK ELEKTRODA KARBON

## SUPERKAPASITOR DARI BUNGA RUMPUT GAJAH DENGAN VARIASI KONSENTRASI PENGAKTIVAN KOH
E.Taer 1,a) , H.Yusra 1,b) , Iwantono 1 , R.Taslim 2
1 Jurusan Fisika Universitas Riau, Pekanbaru 28293
2 Jurusan Teknik Industri Universitas Islam Negeri Sultan Syarif Kasim, Pekanbaru 2829 3
Email: a) erman_taer@yahoo.com, b) haniva.yusra12@gmail.com

## Abstrak
Telah  dilakukan  analisa  dimensi,  densitas  dan  kapasitansi  spesifik  pada  pembuatan  elektroda  karbon superkapasitor  dari  bunga  rumput  gajah  menggunakan  variasi  konsentrasi  aktivator  KOH.  Pembuatan elektroda  karbon  diawali  dengan  proses  prakarbonisasi,  penggilingan  dengan  ball  milling  dan  diayak dengan  ukuran  partikel  <  53  µm.  Proses  berikutnya  dilakukan  aktivasi  kimia  menggunakan  aktivator KOH  dengan  variasi  konsentrasi  sebesar  0,3  M,  0,5  M  dan  0,7  M.  Pelet  karbon  dibuat  dengan  alat hydraulic press pada tekanan 8 ton. Proses karbonisasi dilakukan pada suhu 600°C pada lingkungan gas N 2 dengan profil pemanasan bertingkat, dan diikuti dengan proses aktivasi fisika menggunakan gas CO 2 pada suhu 850°C . Hasil penelitian ini diperoleh bahwa diameter, ketebalan dan massa setiap elektroda superkapasitor mengalami penurunan seiring dengan peningkatan konsentrasi KOH. Sedangkan densitas dan  kapasitansi  spesifik  mengalami  peningkatan  dengan  pertambahan  konsentrasi  KOH.  Nilai kapasitansi spesifik tertinggi diperoleh sebesar 100,62 F/g dengan densitas 0,87 gr/cm 3 pada variasi 0,7 M KOH. Kata-kata  kunci: Analisa  Dimensi,  Kapasitansi  Spesifik,  Superkapasitor,  Bunga  Rumput  Gajah, Variasi KOH

## Abstract
Dimensions,  density  and  specific  capacitance  of  carbon  electrode  supercapacitor  from  flower  of elephant  grass  by  using  various  KOH  concentrations  has  been  analyzed.  Production  of    carbon electrodes was performed by pre-carbonization, grinding by ball milling and sieving to a find a particle size of < 53 µm. The following process was an activation by chemical activation using KOH by various concentrations of 0.3 M, 0.5 M and 0.7 M. Carbon pellets were produced by hydraulic press instrument at  a  pressure  of  8  tons.  Carbonization  process  was  carried  out  at  a  temperature  of  600°C  in  a  N 2 gas environment  with  multilevel  heating  profile,  and  followed  by  physical  activation  process  by  throwing CO 2 gas  at  a  temperature  of  850°C.  The  results  of  this  study  showed  that  the  diameter,  thickness  and mass  of  each  carbon  electrode  supercapacitor  decrease  with  the  increasing  of    KOH  concentrations. While the density and specific capacitance were increased with the increasing of KOH concentrations. The highest specific capacitance value was obtained as high as 100.62 F/g with a density of 0.87 g/cm 3 in the variation of 0.7 M KOH. Keywords: Dimensional  Analysis,  Specific  Capacitance,  Supercapacitors,  Flower  Elephant  Grass, Variations KOH
DOI: doi.org/10.21009/SPEKTRA.011.09
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## 1. PENDAHULUAN
Superkapasitor  merupakan  alat  penyimpan  energi  yang  memiliki  nilai  kapasitansi  tinggi dibandingkan dengan kapasitor biasa. Superkapasitor terdiri dari pengumpul arus, elektroda karbon, separator dan elektrolit.
Bahan  karbon  banyak  digunakan  sebagai  bahan  pembuatan  elektroda superkapasitor  karena luas permukaan  yang  tinggi,  biaya  yang  rendah  dan  mudah  didapat  [1].  Elektroda  karbon  pada superkapasitor dapat dibuat dari bahan biomassa yang memiliki kandungan karbon yang tinggi. Salah satu  biomassa  yang  dapat  digunakan  adalah  bunga  rumput  gajah.  Bunga  rumput  gajah  memiliki struktur  yang  ringan  dan  lembut  sehingga  dapat  mudah  dihancurkan  menjadi  partikel  yang  sangat halus [2]. Pelet karbon dapat dicetak dari partikel bunga rumput gajah yang sudah halus.
Pengaktivan  kimia  menggunakan  KOH  bertujuan  untuk  memperbesar  luas  permukaan  karbon dengan  membuka  pori-pori  yang  tertutup  sehingga memperbesar  daya  serapnya.  Berdasarkan  hasil penelitian  proses  aktivasi  menggunakan  kalium  hidroksida  (KOH)  menghasilkan  karbon  aktif  dengan  luas permukaan  mencapai  3000  m 2 g -1 [3] dan  2202  m 2 g -1 [4].  Besarnya  konsentrasi  aktivator  KOH  sangat berpengaruh  terhadap  ukuran  dan  struktur  pori  karbon.  Perbedaan  konsentrasi  tersebut  juga  berpengaruh terhadap nilai dimensi, densitas dan kapasitansi spesifik suatu karbon aktif.

## 2. METODE PENELITIAN
Pembuatan superkapasitor dimulai dari pengumpulan bahan dasar elektroda karbon superkapasitor dari  bunga  rumput  gajah.  Bunga  rumput  gajah  dikeringkan  dan  dilakukan  proses  pra-karbonisasi pada  suhu  250°C  selama  2,5  jam.  Proses  selanjutnya  sampel  dihaluskan  dengan hard  grinder dan diikuti  dengan  penggilingan  menggunakan ball  milling selama  20  jam  untuk  memperoleh  partikel yang sangat halus. Lalu dilakukan pengayakan dengan ayakan berukuran 53 µm untuk memperoleh ukuran partikel yang lebih kecil dari 53 µm. Proses aktivasi kimia dilakukan menggunakan aktivator KOH  dengan  variasi  0,3 M,  0,5  M dan  0,7 M.  Sampel  yang  telah  diaktivasi  kimia  lalu  dinetralkan dan  dikeringkan  kedalam  oven  suhu  110°C  selama  satu  minggu  hingga  kering.  Sampel  yang  sudah kering lalu dihaluskan kembali dan ditimbang 0,7 g sebanyak 10 sampel pada masing-masing variasi untuk  dicetak  menjadi  pelet.  Proses  pencetakan  menggunakan  alat hydraulic  press pada  tekanan  8 ton.
Proses  karbonisasi  dilakukan  dengan furnance pada  suhu  600°C  dalam  lingkungan  gas  N 2 lalu diikuti  dengan  proses  aktivasi  fisika  pada  suhu  850°C  dalam  lingkungan  gas  CO 2 .  Pengukuran dimensi  yang  dilakukan  meliputi  pengukuran  ketebalan,  diameter  dan  massa  dari  tiap  tiap  pelet setelah dilakukan aktivasi fisika pada masing masing variasi. Densitas dapat dihitung dengan rumus:
(1)
dimana   adalah densitas, m adalah massa dan V adalah volume pelet karbon.
Sampel pelet karbon yang telah dilakukan pengukuran densitas lalu dipoles menggunakan kertas pasir  konveks  P1200.  Pemolesan  bertujuan  untuk  mendapatkan  permukaan  pelet  yang  halus  dan memiliki  massa  0,025  g  –  0,030  g.  Pelet  karbon  yang  telah  dipoles  digunakan  untuk  proses pengukuran  kapasitansi  spesifik  sel  superkapasitor  menggunakan  metode Cyclic  Voltametry  (CV) . Sebelum dilakukan pengukuran sampel direndam dengan elektrolit H 2 SO 4 1M selama 24 jam.
Sel superkapasitor dibuat dengan susunan yang  terdiri dari teflon, pengumpul arus, separator dan elektroda karbon  aktif  dari  bunga  rumput  gajah.  Setelah  itu  nilai  kapasitansi  spesifik  sel  superkapasitor  dapat  dihitung menggunakan  metoda CV pada  laju  imbasan  1  mV/s.  Kapasitansi  spesifik  dapat  dihitung  menggunakan persamaan berikut [5]:
(2)
dimana merupakan kapasitansi spesifik, I c adalah arus masuk, I d adalah arus keluar, s adalah laju imbasan dan m adalah massa elektroda karbon aktif.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Dimensi dan Densitas
Pengukuran  dimensi  pelet  karbon  bunga  rumput  gajah  yang  dilakukan  meliputi  pengukuran  diameter, ketebalan  dan  massa  setiap  pelet  pada  masing-masing  variasi.  Pengukuran  dilakukan  setelah  proses  aktivasi fisika. Adapun  nilai rata-rata hasil pengukuran dimensi tersebut ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Data hasil pengukuran dimensi.
Konsentrasi KOH Diameter (mm) Ketebalan (mm) Massa (gr) 0,3M 14,926 1,447 0,206 0,5M 14,186 1,42 0,191 0,7M 14,544 1,393 0,199
Diameter, ketebalan dan massa pelet karbon pada variasi tertinggi memiliki nilai yang lebih kecil dibandingkan  dengan  variasi  konsentrasi  KOH  yang  terendah.  Hal  ini  akan  berpengaruh  terhadap nilai  densitas  yang  akan  dihasilkan.  Adapun  hasil  pengukuran  densitas  berdasarkan  data  hasil pengukuran dimensi pada masing-masing variasi konsentrasi KOH ditunjukkan pada Tabel 2.

## Tabel 2. Data hasil pengukuran densitas
Konsentrasi KOH Densitas (gr/cm 3 ) 0,3M 0,818 0,5M 0,846 0,7M 0,876
Perbedaan  nilai  densitas  yang  ditunjukkan  pada  Tabel  2  dapat  dijelaskan  sebagai  berikut. Penambahan molaritas KOH menyebabkan partikel-partikel menjadi lebih kecil dan pori yang lebih banyak    sehingga  menyebabkan  pembentukan  mikropori  yang  lebih  dominan  [6].  Pencetakan  pelet membuat  partikel  lebih  teratur  sehingga  untuk  pelet  karbon  dengan  nilai  konsentrasi  KOH  tinggi menjadi  lebih  padat  karena  partikelnya  lebih  halus  setelah  aktivasi  sehingga  menghasilkan  nilai densitas yang lebih tinggi. Sedangkan pelet karbon dengan konsentrasi KOH rendah memiliki ukuran partikel  setelah  aktivasi  kimia  lebih  besar  sehingga  menghasilkan  pelet  yang  kurang  padat  dan densitas rendah. Oleh karena itu variasi konsentrasi KOH 0,3 M menghasilkan pelet dengan densitas yang lebih rendah dibandingkan dengan konsentrasi KOH 0,5 M dan 0,7 M.
Pada  Tabel  1  terlihat  bahwa  diameter,  ketebalan  dan  massa  pelet  dari  masing-masing  variasi mengalami  penurunan  seiring  dengan  pertambahan  konsentrasi  KOH.  Hal  ini  menyebabkan  nilai densitas dari pelet karbon mengalami kenaikan seiring dengan pertambahan konstentrasi KOH.

## 3.2 Kapasitansi Spesifik
Pengukuran    nilai  kapasitansi  spesifik  dilakukan  menggunakan  metode Cyclic  Voltametry (CV) menggunakan alat Physics CV UR Rad-Er 5841 dengan laju imbasan 1 mV/s pada jendela potensial 0 mV  - 500 mV.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Gambar 1. Diagram perbandingan nilai kapasitansi spesifik berdasarkan variasi aktivator KOH.
Pengukuran  CV  ini  dilakukan  sebanyak  dua  kali  pengujian.  Nilai  rata-rata  kapasitansi  spesifik dari hasil pengukuran tersebut dapat dilihat pada Gambar 1. Terlihat bahwa nilai kapasitansi spesifik mengalami kenaikan seiring bertambahnya konsentrasi KOH yang diberikan. Berdasarkan data hasil perhitungan menggunakan persamaan (2) didapatkan nilai kapasitansi  spesifik pada konsentrasi 0,3 M,  0,5  M  dan  0,7  M  yaitu  sebesar  83,26  F/g,  87,7  F/g  dan  100,62  F/g.  Terdapat  perbedaan  nilai kapasitansi spesifik disetiap variasi dimana nilai kapasitansi spesifik tertinggi didapatkan pada variasi konsentrasi 0,7 M KOH.
Pada penelitian ini terlihat bahwa penggunaan karbon bunga rumput gajah memiliki potensi yang baik  sebagai  bahan  dasar  elektroda  karbon  aktif  sel  superkapasitor.  Penggunaan  elektroda  karbon aktif  dengan  bahan  pengaktif  0,3  M,  0,5  M  dan  0,7  M  berpengaruh  terhadap  nilai  densitas  pelet karbon dan kapasitansi spesifik karbon tersebut. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai densitas dan kapasitansi spesifik akan mengalami peningkatan seiring dengan bertambahnya nilai konsentrasi KOH yang diberikan pada elektroda karbon.

## 4. SIMPULAN
Analisa  dimensi,  densitas  dan  kapasitansi  spesifik  pada  elektroda  karbon  superkapasitor  bunga rumput gajah berdasarkan variasi konsentrasi KOH telah berhasil dilakukan. Ketebalan, diameter dan massa  pelet  elektroda  karbon  mengalami  penurunan  hal  ini  menyebabkan  nilai  densitas  pelet elektroda  karbon  mangalami  kenaikan  seiring  dengan  bertambahnya  konsentrasi  KOH  yang diberikan. Nilai densitas tertinggi diperoleh pada konsentrasi 0,7 M KOH yaitu sebesar 0,876 gr/cm 3 . Setelah  dilakukan  pengukuran Cyclic  Voltametry diperoleh  nilai  kapasitansi  spesifik  tertinggi pada variasi 0,7 M yaitu sebesar 100,62 F/g. Bertambahnya nilai konsentrasi yang diberikan makan akan semakin tinggi nilai densitas pelet karbon dan kapasitansi spesifiknya.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada penyokong dana penelitian yaitu proyek HIKOM tahun 2016 yang diberikan kepada peneliti utama Dr. Erman Taer, M.Si.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## DAFTAR ACUAN
[1] V.  Ruiz,  C.  Blanco,  M.  Granda,  R.  Menendez,  and  R.  Santamaria,  “Influence  of  electrode preparation  on  the  electrochemical  behaviour  of  carbon-based  supercapacitors”, J  Appl Electrochem 37, 2007, pp. 717-721.
[2] E.  Taer,  H.  Halim,  R.  Farma,  R.  Taslim,  “Karakterisasi  partikel  pra-karbon  dari  bunga rumput gajah ( Pennisetum polystachyon ) dengan campuran surfaktan anionik sodium dodesil sulfat  sebagai  bahan  dasar  superkapasitor”,  Prosiding  Seminar  Nasional  Fisika  UNJ  IV, 2015, pp. 67-70.
[3] H. Teng, L.Y. Hsu, “High  Porosity Carbons Prepared from Bituminous Coal with Pottasium Hydroxide Activation”, Ind. Eng. Chem. Res 38,1999, pp. 2947-2953.
[4] J.S. Nazzal, W. Kaminska, B. Michalkiewicz, dan Z.C. Koren, “Production, characterization and  methane  storage  potential  of  KOH-activated  carbon  from  sugarcane  molasses”, Industrial Crops and Products 47,2013, pp. 153– 159.
[5] D. Kalpana, S.H. Cho, S.B. Lee, Y.S. Lee, R. Misra, “Recycled waste paper A new source of raw  material  for  electric  double  layer  capacitors”,  Journal  of  Power  Sources  19,2009,  pp. 587-591.
[6] A.G.  Pandolfo,  A.F.  Hollenkamp,  “Carbon  properties  and  their  role  in  superkapacitors,” Journal of Power Sources 157,2006, pp. 11-27.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA