Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## ANALISA KAPASITANSI SPESIFIK ELEKTRODA KARBON SUPERKAPASITOR dari KAYU KARET terhadap LAJU SCAN BERDASARKAN VARIASI AKTIVASI HNO 3
E. Taer 1,a) , Zulkifli 1,b) , E. N. Arif 1 , R. Taslim 2
1 Jurusan fisika, Universitas riau, Simpang baru, Pekanbaru, 28293
2 Jurusan Teknik Industri, Universitas Islam Negeri Sultan Syarif Kasim, Pekanbaru, 28293 Email: a) erman_taer@yahoo.com, b) izul_jundi@yahoo.co.id

## Abstrak
Variasi  kapasitansi  spesifik  elektroda  karbon  superkapasitor  dari  kayu  karet  terhadap  laju  scan  telah berhasil dianalisa. Pembuatan elektroda karbon meliputi proses pemotongan, pengeringan, karbonisasi, aktivasi,  pemolesan  dan  penetralan.  Aktivasi  dilakukan  secara  bertingkat  meliputi  aktivasi  fisika  dan kimia.  Aktivasi  fisika  dilakukan  menggunakan  gas  CO2  pada  suhu  850  °C  selama  2  jam.  Sedangkan aktivasi kimia dilakukan dua tahap yaitu dengan 3M KOH kemudian diteruskan dengan aktivasi HNO3 menggunakan variasi konsentrasi sebesar 5%, 15% dan 25%. Pengukuran sel superkapasitor dilakukan dengan  metode  siklis  voltammetri  pada  laju  scan  1  –  100  mV/s  dalam  larutan  elektrolit  1M H2SO4.Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  nilai  kapasitansi  spesifik  mengalami  penurunan  secara eksponensial seiring dengan penambahan laju scan. Laju scan 1 mV/s menghasilkan kapasitansi spesifik tertinggi  dan  terendah  sebesar  81,82  F  g-1dan  10,44  F  g-1,  sedangkan  pada  laju  scan  100  mV/s menghasilkan  kapasitansi  spesifik  tertinggi  dan  terendah  sebesar  19,67  F  g-1  dan  4,66 F  g-1,  masing- masing  untuk  variasi  HNO3  sebesar  25%  dan  5%.  Hasil  pengujian  SEM  memperlihatkan  elektroda karbon memiliki struktur pori yang seragam dan pengujian ED-X menunjukkan persentase unsur karbon tertinggi sebesar 92,53% terdapat pada sampel dengan variasi HNO3 25%.
Kata-kata kunci: Superkapasitor, Kapasitansi Spesifik, Laju Scan

## Abstract
Specific  capacitance  variation  of  carbon  electrode  supercapacitor  from  rubber  wood  against  scan  rate have been successfully analyzed. Fabrication of carbon electrode includes cutting, drying carbonization, activation,  polishing  and  neutralization.  Activation  was  carried  out  in  multi-step  process  covering  the physical and chemical activation. Physical activation was performed by using CO2 gas at a temperature of 850 °C for 2 hour, while the chemical activation process was done by combination of 3M KOH and HNO3  using  a  variation  of  concentrations  as  high  as  5%,  15%  and  25%.  Supercapacitor  cell measurements  was  performed  using  a  cyclic  voltammetry  method  at  a  scan  rate  of  1  -  100  mV/s  in electrolyte  solution  of  1M  H2SO4.  The  results  showed  that  specific  capacitance  value  decreased  with exponentially in the increasing of a scan rate. The highest of specific capacitance values of 81.82 F g-1 and 10.44 F g-1 at a scan rate of 1 mV/s, while at the scan rate of 100 mV/s found the lowest of 19.67 F g-1  and  4.66  F  g-1  for  HNO3  variation  of  25%  and  5%,  respectively.  The  SEM  data  showed  that  the carbon electrode have a hierarchical pore structure and the ED-X result found that highest percentage of carbon element as high as 92.53% at sample with a variation of 25% HNO3.
Keywords : Supercapacitor, Spesific Capacitance, Scan Rate
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## 1. PENDAHULUAN
Kapasitansi  spesifik  (Csp)  didefenisikan  sebagai  kemampuan  sel  superkapasitor  menyimpan muatan terhadap rasio massa elektroda karbon yang dinyatakan dengan satuan F g-1 [1]. Kapasitansi spesifik  sangat  berpengaruh  dalam  menentukan  kinerja  superkapasitor.  Salah  satu  cara  pengukuran kapasitansi  spesifik  dapat  dilakukan  dengan  metode  siklik  voltammetri  (CV).  Pengukuran  dengan metode  CV  di  lakukan  dengan  jendela  potensial  dalam  range  potensial  tertentu.  Respon  pemberian tegangan yang dihasilkan oleh sebuah sel superkapasitor adalah berupa nilai rapat arus, dimana nilai arus  ditentukan  oleh  pergerakan  ion-ion  didalam  sebuah  pori  elektroda  dalam  membentuk  lapisan pasangan  muatan.  Kenaikan  potensial  dalam  tiap  selang  waktu  tertentu  dikenal  dengan  istilah  laju scan atau laju imbasan. Semakin tinggi laju imbasan akan menyebabkan semakin sedikit kesempatan ion  untuk  masuk  dengan  sempurna  kedalam  pori-pori  elektroda,  sehingga  akan  semakin  rendah respon arus yang dihasilkan. Akhirnya akan mengurangkan nilai kapasitansi spesifik yang dihasilkan. Kapasitansi spesifik ditulis dengan rumus Csp = I/sxm [2]
Faktor lain yang juga sangat berpengaruh dalam proses peresapan ion kedalam pori adalah bentuk dan  ukuran  pori  elektroda,  semakin  besar  pori  akan  semakin  mudah  proses  penyerapan  ion  terjadi. Pada penelitian ini ditunjukkan hubungan pori elektroda dengan laju scan terhadap nilai kapasitansi spesifik yang dihasilkan. Pori elektroda dirancang teratur dalam ukuran makropori dan pada dinding- dinding pori mikro diperkaya dengan pori meso dan mikro melalui fase aktivasi fisika dan kimia.

## 2. METODE PENELITIAN
Fabrikasi  elektroda  karbon  dari  kayu  karet  dimulai  dengan  proses  pemotongan,  pengeringan, karbonisasi  menggunakan  gas  N 2 pada  suhu  600  °C,  aktivasi  fisika  dengan  gas  CO 2 pada  suhu  850 °C,  pemolesan  dan  aktivasi  kimia  menggunakan  KOH  dengan  konsentrasi  3M  dan  HNO 3 dengan variasi konsentrasi 5%, 15%, 25%. Sel superkapasitor dibentuk dengan sistem dua elektroda seperti yang telah kami laporkan sebelumnya [3]. Pengukuran sel superkapasitor dilakukan dengan laju scan bervariasi  yaitu  1  mV/s,  5  mV/s,  10  mV/s,  30  mV/s,  50  mV/s  dan  100  mV/s.  Nilai  kapasitansi spesifik superkapasitor dihitung dengan menggunakan persamaan berikut [4] :
(1)
Dimana: Csp = kapasitansi spesifik (F g -1 ) Ic   = arus charge (A) Id  = arus discharge (A) s    =  laju scan (mV/s) m  = massa rata-rata (g)
Karakterisasi sifat fisis untuk  meninjau struktur morfologi dan unsur penyusun elektroda karbon dilakukan dengan alat mikroskop pemindai elektron dan energi dispersi sinar-X.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengukuran  sel  superkapasitor  dengan  laju  scan  yang  berbeda  telah  berhasil  dilakukan.  Secara umum  grafik V vs  I  memiliki bentuk yang sama pada semua variasi laju scan. Kapasitansi spesifik terbesar didapatkan pada laju scan 1 mV/s pada setiap variasi HNO3.
Gambar  1  menjelaskan  hasil  karakterisasi  menggunakan  siklis  voltammetri  dalam  rentang  laju scan  1  sampai  100  mV/s.  Secara  umum  hasil  yang  terbentuk  pada  Gambar  1(A),  1(B)  dan  1(C) menghasilkan bentuk histeresis yang sama.
Gambar  1  (A)  memperlihatkan  arus  yang  tinggi  pada  potensial  mendekati  1  V.  Hal  ini mengindikasikan variasi HNO3 5% memiliki nilai kapasitansi spesifik yang rendah dan kenyataan ini didukung  oleh  daerah  arus  charge  dan  discharge  yang  relatif  kecil.  Gambar  1  (B)  menunjukkan
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
bahwa  grafik  yang  dihasilkan  memiliki  bentuk  hampir  simetris,  ini  menunjukkan  bahwa  ion  –  ion telah mampu berdifusi merata ke pori elektroda karbon. Terlihat dari grafik bahwa kurva Ic-Id variasi HNO3 15% lebih lebar dari variasi HNO3 5% yang mengindikasikan bahwa nilai kapasitansi spesifik variasi HNO3 15% lebih besar dari variasi HNO3 5%.
Gambar  1  (C)  menunjukkan  rapat  arus  yang  tinggi  pada  potensial  mendekati  1V  yang mengindikasikan  variasi  HNO 3 25%  memiliki  tahanan  dalam  elektroda  menjadi  besar.  Tahanan dalam  yang  besar  jelas  dipengaruhi  oleh  konsentrasi  pengaktivan  HNO 3 yang  semakin  besar  dan menyebabkan  permukaan  elektroda  dipenuhi  oleh  banyak  pori  mikro.  Variasi  HNO 3 25% menghasilkan  kurva  Ic-Id    yang  paling  lebar  diantara  variasi  lainnya  sehingga  memiliki  nilai kapasitansi  spesifik  terbesar  dibandingkan  variasi  lainnya.  Gambar  1  (D)  memperlihatkan  grafik perubahan  kapasitansi  spesifik  terhadap  variasi  laju  scan.  Terlihat  bahwa  nilai  kapasitansi  spesifik mengalami penurunan secara eksponensial seiring dengan penambahan laju scan .
Laju scan rendah menyebabkan ion memiliki cukup waktu untuk berdifusi hingga pori meso dan mikro  elektroda  karbon.  Hal  ini  menyebabkan  kurva  arus    Ic  dan  Id  besar  yang  menyebabkan kenaikan  nilai  kapasitansi  spesifik.  Sebaliknya  pada  laju  scan  tinggi  ion  hanya  sampai  pada  pori makro,  pori  –  pori  mikro  yang  tidak  terisi  ion  menyebabkan  kurva  arus  Ic  dan  Id  kecil  yang menyebabkan penurunan nilai kapasitansi spesifik.
GAMBAR 1 . Hasil karakterisasi siklis voltammetri berdasarkan variasi HNO
3 (A) 5 % (B) 15 %  (C) 25 % (D) variasi laju scanterhadap nilai kapasitansi spesifik.
Laju Scan 1 mV/s 5 mV/s 10 mV/s 30 mV/s 50 mV/s 100 mV/s Ka pa sita nsi S pe sifik ( F g -1 ) 0 20 40 60 80 100 HNO3 5% HNO3 15% HNO3 25% ( D ) Potensial (V) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Arus ( I) -0,04 -0,02 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 1 mV/s 5 mV/s 10 mV/s 30 mV/s 50 mV/s 100 mV/s ( C ) Potensial (V) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Arus ( I ) -0,04 -0,02 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 1 mV/s 5 mV/s 10 mV/s 30 mV/s 50 mV/s 100 mV/s ( B ) Potensial (V) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Arus ( I) -0,010 -0,005 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 1 mV/s 5 mV/s 10 mV/s 30 mV/s 50 mV/s 100 mV/s ( A ) (A) (B) (C) (D)
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Besarnya  nilai  kapasitansi  spesifik  berdasarkan  variasi  laju  scan  dengan  perbedaan  konsentrasi HNO 3 dapat dilihat pada Tabel 1. Kapasitansi spesifik tertinggi diperoleh sebesar 81,82 F g -1 , 70,19 F g -1 dan 10,44 F g -1 untuk laju scan 1 mV/s pada setiap variasi konsentrasi HNO 3 sebesar 25%, 15% dan 5%.. Sedangkan untuk laju scan 100 mV/s didapatkan nilai  kapasitansi  spesifik terendah yaitu sebesar  19,67  F  g -1 ,  24,91  F  g -1 dan  4,66  F  g -1 untuk  masing-masing  sampel  dengan  variasi  HNO 3 sebesar 25%, 15% dan 5%.
TABEL 1. Data pengukuran kapasitansi spesifik elektroda karbon pada laju scan bervariasi
Variasi HNO 3 Massa (gram) Kapasitansi spesifik berdasarkan variasi laju scan (F g -1 ) (%) 1 mV/s 5 mV/s 10 mV/s 30 mV/s 50 mV/s 100 mV/s 5% 0,024 10,444 7,221 6,758 5,879 4,893 4,656 15% 0,026 70,197 44,717 38,906 30,634 28,366 24,907 25% 0,029 81,823 45,828 34,673 24,469 22,109 19,675
Gambar 2 menunjukkan hasil karakterisasi morfologi struktur elektroda karbon kayu karet dengan variasi HNO3 5% dan 25% dengan perbesaran 500 X. Secara umum gambar SEM memperlihatkan makropori yang seragam pada kedua variasi. Hasil yang sama yaitu bentuk makropori yang seragam juga  telah  dilaporkan  sebelumnya  untuk  elektroda  karbon  dari  kayu  poplar  [5].  Gambar  2(A)  dan 2(B) memperlihatkan pori-pori makro dari permukaan elektroda karbon. Dari kedua gambar tersebut juga dapat dilihat tampilan pori-pori makro pada Gambar 2(A) banyak yang tertutup oleh kehadiran partikel-partikel kecil, keadaan ini tidak ditemui pada Gambar 2(B).
GAMBAR 2. SEM mikrograf pada permukaan elektroda karbon (A) aktivasi 5% HNO 3 dengan perbesaran 500X
(B) aktivasi 25% HNO 3 dengan perbesaran 500X
Gambar  3  menunjukkan  hasil  pengujian  ED-X  berupa  persentase  kandungan  unsur  dalam elektroda karbon kayu karet. Gambar 3(A) memperlihatkan bahwa untuk aktivasi dengan HNO 3 5% memiliki  kandungan  karbon  89,54%  dengan  persentase  atomik  92,23%.    Gambar      3(B) memperlihatkan  bahwa  untuk  aktivasi  dengan  HNO 3 25%  memiliki  kandungan  karbon  89,74% dengan  persentase  atomik  92,53%.  Kandungan  karbon  untuk  kedua  variasi  aktivator  hampir  sama yaitu sekitar 89% dengan parameter atomik 92%.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
GAMBAR 3 . Data kandungan unsur pada elektroda karbon hasil karakterisasi EDX untuk variasi aktivasi (A) 5%
HNO3 dan (B) 25% HNO3.

## 4. SIMPULAN
Perubahan kapasitansi spesifik terhadap laju scan dengan metode siklis voltammetri telah berhasil dianalisa.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  nilai  kapasitansi  spesifik  mengalami  penurunan secara  eksponensial  ketika  penambahan  laju  scan.  Laju  scan  rendah  1  mV/s  menghasilkan  nilai kapasitansi spesifik tertinggi yaitu sebesar 10,44 F g -1 , 70,19 F g -1 dan 81,82 F g -1 untuk variasi HNO 3 5%,  15%  dan  25%.  Sedangkan  laju  scan  tinggi  100  mV/s  menghasilkan  nilai  kapasitansi  spesifik terendah  yaitu  sebesar  4,66  F  g -1 ,  24,91  F  g -1 dan  19,67  F  g -1 .  Foto  morfologi  SEM  menunjukkan pori-pori  makro  alamiah  yang  didalamnya  terdapat  distribusi  pori  mikro.  Hasil  ED-X memperlihatkan  kandungan  terbesar  penyusun  kayu  karet  ini  adalah  karbon  dengan  persentase sekitar 92%.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih    banyak  kepada  Kementrian  Riset  dan  Teknologi  atas  dana bantuan  projek  Hibah  Kompetensi  tahun  2016  dengan  judul  Nano  Karbon  Berbasis  Limbah Biomassa  Sebagai  Inti  Elektroda  Campuran  Superkapasitor dengan  peneliti  utama  Dr.  Erman  Taer, M.Si

## DAFTAR ACUAN
[1] D. Kalpana, S. H. Cho, S. B. Lee, Y.S. Lee,  R. Misra, N. G. Renganathan. Recycled waste paper  –  A  new  source  of  raw  material  for  electric  double-layer  capacitors .  Journal  Power Sources. 2009.190: 587.
[2] E.  Taer,  M.  Deraman,  I.A.  Talib,  A.  A.  Umar,  M.  Oyama,  R.  M.  Yunus. Physical, electrochemical  and  supercapacitive  properties  of  activated  carbon  pellets  from  pre- carbonized rubber wood sawdust by CO2 activation . Current Applied Physics 10 (2010) pp. 1071–1075.
[3] E. Taer, M. Deraman, I. A. Talib, A. Awitdrus, S. A. Hashmi, A.  A Umar. Preparation of a Highly  Porous  Binderless  Activated  Carbon  Monolith  from  Rubber  Wood  Sawdust  by  a Multi-Step  Activation  Process  for  Application  in    Supercapacitors .  International  Journal  of Electrochemical Science. 6. pp. 2011. 3301-3315.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
[4] R. Farma, M. Deraman, I.A. Talib, Awitdrus, R. Omar, M.M. Ishak, E. Taer, N.H. Basri and B.N.M.  Dolah. Effect  of  Electrolyte  Concentration  on  Performance  of  Supercapacitor Carbon Electrode from Fibers of Oil Pal Empty Fruit Bunches . AIP  Conference Proceeding. 2015.
[5] Liu, M.C. Kong, L.B. Zhang,P. Luo, Y.C. Kang,L. Porous wood carbon monolith  for high performance supercapacitors. Electrochimica Acta .60. pp. 2012.443– 448.