Pengukuran Parameter Internal Super Kapasitor Sebagai Pengganti Baterai Telepon Selular Berdasarkan Karakteristik Pengisian dan Pengosongan
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kapasitor
Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik.
Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan
dielektrik.Gambar 2.1 merupakan gambar sederhana struktur kapasitor. Bahan-bahan
dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika
kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan
mengumpul pada salah satu kaki elektroda metalnya dan pada saat yang sama muatanmuatan negatif terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat
mengalir menuju ujung kutup negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke
ujung kutup positif karena terpisah oleh bahan elektrik yang nonkonduktif. Muatan elektrik
ini “tersimpan” selama tidak ada konduktif pada ujung- ujung kakinya.
Gambar 2.1 Struktur kapasitor
Kapasitor merupakan komponen pasif elektronika yang sering dipakai didalam
merancang suatu sistem yang berfungsi untuk mengeblok arus DC, Filter, dan penyimpan
energi listrik. Didalamnya 2 buah pelat elektroda yang saling berhadapan dan dipisahkan
oleh sebuah insulator. Sedangkan bahan yang digunakan sebagai insulator dinamakan
dielektrik. Ketika kapasitor diberikan tegangan DC maka energi listrik disimpan pada tiap
5
Universitas Sumatera Utara
elektrodanya. Selama kapasitor melakukan pengisian, arus mengalir. Aliran arus tersebut
akan berhenti bila kapasitor telah penuh[2].
2.1.1 Kapasitansi
Muatan (Q) diukur dengan satuan coulomb dan kapasitor yang memperoleh muatan
listrik akan mempunyai tegangan antar terminal sebesar V volt.
Kemampuan kapasitor dalam menyimpan muatan disebut kapasitansi (C) .
Kapasitansi ini diukur berdasarkan besar muatan yang dapat disimpan pada suatu kenaikan
tegangan, persamaannya dinyatakan oleh Persamaan 2.1 [2].
������ ,�
�����������, � = ��������
(2.1)
,�
Atau persamaan diatas disederhanakan menjadi Persamaan 2.2.
�
� = ��
(2.2)
2.1.2 Energi Pada Kapasitor
Kapasitor dapat digunakan untuk menyimpan energy listrik dalam bentuk muatan
listrik. Banyaknya energi yang tersimpan di dalam sebuah kapasitor sama besarnya dengan
kerja yang dilakukan oleh muatan listrik. Selama proses pengisian kapasitor, sebuah
sumber arus searah seperti baterai melakukan kerja dengan memindahkan muatan listrik
dari satu lempeng konduktor dan menimbunnya kelempeng konduktorlainnya. Energi yang
tersimpan dalam kapasitor dapat dihitung dengan Persamaan 2.3 [2].
������ = 1�2 �� 2 �����
(2.3)
6
Universitas Sumatera Utara
2.1.3 Pengisian dan Pengosongan Muatan Pada Kapasitor
Saat pengisian dan pengosongan muatan pada kapasitor, waktu lamanya pengisian
dan pengosongan muatannya tergantung dari besarnya dari resistansi dan kapasitansi yang
digunakan pada rangkaian. Pada saat saklar menghubungkan ke titik 1 arus listrik mengalir
dari sumber-sumber tegangan melalui komponen R menuju komponen C. tegangan pada
kapasitor meningkat dari 0 volt sampai sebesar tegangan sumber, kemudian tak terjadi
aliran, saklar dipindahkan posisinya ke saklar 2 maka terjadi proses pengosongan. Seperti
ditunjukkan oleh Gambar 2.2[2].
Gambar 2.2 Rangkaian RC hubungan seri dicatu oleh tegangan dc
Tegangan kapasitor menurun, arah arus berlawanan dari arah pengisian. Tegangan pada R
menjadi negative dan berangsur-angsur tegangan nya menjadi 0 volt
2.1.4 Hubungan Seri dan Paralel Kapasitor
Hubungan seri
Kapasitor yang dihubungkan seri, kemampuan menahan listrik akan menjadi lebih
tinggi, kapasitansi totalnya menjadi lebih rendah dan bahan dielektrikum seolah-olah
menjadi lebih tebal. Jumlah muatan listrik pada setiap kapasitor menjadi sama besar. Jika
perbedaan potensial tiap-tiap kapasitor sama dengan pemberian tegangan pada rangkaian
yang ditunjukkan pada Gambar 2.3[2].
7
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Rangkaian seri kapasitor
Berdasarkan Gambar 2.3, maka diperoleh Persamaan 2.4.
1
��
=
1
�1
+
1
�2
+
1
(2.4)
�3
Hubungan Paralel
Beberapa kapasitor dihubungkan parallel yang diberi tegangan V seperti Gambar
2.4, memiliki tegangan pada tiap-tiap kapasitor sama dengan tegangan sumber yang
dicantumkan.
Gambar 2.4 Rangkaian paralel kapasitor
Berdasarkan Gambar 2.4, maka diperoleh Persamaan 2.5[2].
CT = C1 + C2 + C3
(2.5)
8
Universitas Sumatera Utara
2.1.5 Tipe Kapasitor
Kapasitor yang dipelajari dan digunakan dalam rangkaian elektronika ada beberapa
jenis. Cara membedakan kapasitor juga ada beberapa sudut pandang yang digunakan,
kapasitor dapat dibedakan berdasarkan kapasitasnya, berdasarkan dielektrikum yang
digunakan dan polaritas kapasitor. Berdasarkan kapasitas dari suatu kapasitor, maka
kapasitor dapat dibedakan dalam 2 jenis.
1. Kapasitor tetap
Kapasitor tetap adalah kapasitor yang memiliki kapasitansi tetap dan tidak dapat
diubah-ubah. Pada kategori kapasitor tetap, terdapat 2 jenis kapasitor yang dapat dibedakan
berdasarkan polaritas elektrodanya[3].
a. Kapasitor polar
Kelompok kapasitor electrolytic terdiri dari kapasitor-kapasitor yang bahan
dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya kapasitor yang termasuk
kelompok ini adalah kapasitor polar dengan tanda + dan – di badannya.
Mengapa kapasitor ini dapat memiliki polaritas, adalah karena proses
pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutup positif anoda
dan kutup negatif katoda. Telah lama diketahui beberapa metal seperti tantalum,
aluminium, magnesium, titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc)
permukaannya dapat dioksidasi sehingga membentuk lapisan metal-oksida
(oxide film). Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui proses elektrolisa, seperti
pada proses penyepuhan emas. Elektroda metal yang dicelup kedalam larutan
electrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan positif (anoda) dan larutan
electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan electrolyte
terlepas dan mengoksidai permukaan plat metal. Contohnya, jika digunakan
9
Universitas Sumatera Utara
Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al2O3) pada
permukaannya.
Gambar 2.5 Kapasitor polar
Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda). Lapisan metal-oksida
dan electrolyte (katoda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini lapisan metaloksida sebagai dilektrik. Besar kapasitansi berbanding terbalik dengan tebal
dielektrik. Lapisan metal-oksida ini sangat tipis, sehingga dengan demikian
dapat dibuat kapasitor yang kapasitansinya cukup besar. Karena alasan
ekonomis dan praktis, umumnya bahan metal yang banyak digunakan adalah
aluminium dan tantalum. Bahan yang paling banyak dan murah adalah
aluminium. Untuk mendapatkan permukaan yang luas, bahan plat aluminium ini
biasanya digulung radial. Sehingga dengan cara itu dapat diperoleh kapasitor
yang kapasitansinya besar. Sebagai contoh 100uF, 470uF, 4700uF, dan lain-lain,
yang sering juga disebut kapasitor elco. Bahan electrolyte pada kapasitor
tantalum ada yang cair tetapi ada pula yang padat. Disebut electrolyte padat,
tetapi sebenarnya bukan larutan electrolyte yang menjadi elektroda negatifnya,
melainkan bahan lain yaitu manganese-dioksida. Dengan demikian kapasitor
jenis ini bisa memiliki kapasitansi yang besar namun menjadi lebih ramping dan
mungil. Selain itu karena seluruhnya padat, maka waktu kerjanya menjadi tahan
10
Universitas Sumatera Utara
lama. Kapasitor ini juga memiliki arus bocor yang sangat kecil, jadi dapat
dipahami mengapa kapasitor tantalum menjadi relatif mahal.
b. Kapasitor non-polar
Kapasitor non polar adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan bahan
dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika adalah bahan yang
popular serta murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya kecil.
Tersedia dari besaran pF sampai beberapa uF, yang biasanya untuk aplikasi
rangkaian yang berkenaan dengan frekuensi tinggi. Termasuk kelompok bahan
dielektrik film adalah bahan-bahan material seperti polyester (polyethylene
terephthalate atau dikenal dengan sebutan mylar), polystyrene, polyprophylene,
polycarbonate, metalized paper dan lainnya.
2. Kapasitor tidak tetap/kapasitor variabel
Kapasitor tidak tetap atau kapasitor variabel adalah kapasitor yang nilai
kapasitansinya dapat diubah atau kapasitansinya dapat diatur sesuai keinginan dengan
batas maksimal sesuai yang tertera pada kapasitor tersebut. Contoh suatu kapasitor variabel
(Varco/trimer kapasitor) tertulis 100pF maka kapasitansi kapasitor tersebut dapat diatur
maksimal 100pF sampai mendekati 0 pF. Gambar 2.6 merupakan kapasitor tidak tetap
Gambar 2.6 Kapasitor tidak tetap
11
Universitas Sumatera Utara
2.2 Super Kapasitor
Superkapasitor adalah kapasitor double layer, energi disimpan oleh transfer
muatan pada batas antara elektroda dan elektrolit. Ketika komposit logam oksida
dan karbon digunakan sebagai elektroda untuk superkapasitor, mekanisme
penyimpanan termasuk kapasitansi lapisan ganda ( double layer capacitance) dan
pseudocapacitance, sehingga menghasilkan kapasitansi yang lebih tinggi. Struktur super
kapasitor dapat dilihat pada Gambar 2.7[4].
.
Gambar 2.7 Struktur super kapasitor
Superkapasitor dapat menggantikan baterai berkaitan dengan sifatnya yang
mampu bertahan lama meskipun diisi ulang berkali-kali serta mempunyai kemampuan
mengisi ulang dengan cepat. Kebutuhan waktu yang singkat dalam pengisian ulang ini
menyebabkan superkapasitor mempunyai potensi yang besar dibandingkan baterai. Hal ini
disebabkan karena baterai harus mengubah energi listrik menjadi bentuk kimia agar energi
ini dapat tersimpan.
Superkapasitor memiliki sifat yang melengkapi kekurangan dari baterai dan
kapasitor konvensional. Baterai memiliki rapat energi yang sangat tinggi, namun demikian
12
Universitas Sumatera Utara
memiliki rapat daya yang sangat rendah. Sedangkan kapasitor konvensional pada
umumnya memiliki rapat daya yang sangat tinggi namun rapat energinya sangat rendah.
Super kapasitor menghasilkan rapat daya yang tinggi serta rapat energi yang tinggi. Rapat
daya berhubungan dengan “kekuatan” (jumlah watt) kombinasi dari arus dan volt,
sedangkan rapat energi berhubungan dengan waktu pemakaian. Posisi super kapasitor,
dibandingkan dengan baterai dan kapasitor konvensional [5].
Kelebihan superkapasitor dibandingkan dengan baterai atau super kapasitor konvensional
adalah:
1. Superkapasitor memiliki ukuran yang lebih kecil dibandingkan dengan baterai
sehingga, menjadikan super kapasitor lebih ringan dibandingkan dengan baterai.
2. Superkapasitor memiliki akses yang cepat untuk menyimpan energi, pengisian yang
sangat cepat dibandingkan dengan baterai.
3. Siklus charge/discharge 106 kali dibandingkan baterai.
4. Rapat energi superkapasitor adalah 10-100 kali lebih besar dibandingkan dengan
kapasitor konvensional (tipe 20-70 MJ/m3).
5. Nilai kapasitansinya lebih dari 5 F/cm2.
6. Memiliki efisiensi yang tinggi yaitu 95%. Rapat daya 10 kali lebih besar dibandingkan
dengan baterai.
7. Waktu charge dan discharge sangat singkat.
8. Nilai kapasitansinya berkisar antara 0.043-2700 F.
13
Universitas Sumatera Utara
2.3 Baterai
Baterai didefenisikan sebagai suatu alat yang dapat mengubah langsung energi
kimia menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia. Pengertian baterai yang saat ini
umum digunakan sesungguhnya mencakup satu atau beberapa sel baterai yang
digabungkan secara seri atau paralel sesuai dengan tegangan dan kapasitas listrik yang
diinginkan. Sel baterai adalah unit terkecil dari suatu sistem proses elektrokimia yang
terdiri dari elektroda, elektrolit, separator, wadah terminal / current collector. Listrik yang
dihasilkan oleh sebuah baterai muncul akibat adanya perbedaan potensial energi listrik
kedua buah elektrodanya. Perbedaan potensial ini dikenal dengan potensial sel atau gaya
gerak listrik (ggl). Struktur baterai dapat dilihat pada Gambar 2.8[6]. Komponen terpenting
dari sel baterai yaitu:
1. Anoda / Elektroda negatif yaitu elektroda yang melepaskan elektron ke rangkaian luar
serta mengalami proses oksidasi pada proses elektrokimia berlangsung.
2. Katoda / Elektroda positif yaitu elektroda yang menerima elektron dari rangkaian luar
serta mengalami proses reduksi pada proses elektrokimia berlangsung.
3. Elektrolit adalah zat yang jika dilarutkan dalam air menghasilkan larutan yang dapat
menghantarkan arus listri. Sebuah elektrolit yang cocok harus memiliki konduktivitas
elektron yang baik, stabilitas kimia tinggi, biaya murah dan menjamin keselamatan.
Elektrolit berfungsi sebagai penghantar ion litium dari anoda ke katoda dan begitu pula
sebaliknya. Pergerakan elektron dalam elektrolit dan diantara elektroda akan
menghasilkan arus listrik
4. Separator adalah material berpori yang diletakkan diantara anoda dan katoda, yang dapat
mencegah terjadinya gesekan antara kedua elektroda tersebut yang dapat menyebabkan
arus pendek.
14
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Struktur baterai
2.3.1 Jenis Baterai
Baterai yang digunakan dalam Penelitian ini adalah baterai lithium ion. Lithium ion
merupakan salah satu nama yang digunakan untuk bahan aktif sebuah baerai. Penulisan
nama dapat ditulis dengan lengkap atau disingkat dengan menulis rumus kimianya.
Misalnya, lithium cobalt oxide, salah sati jenis baterai lithium ion yang paling umum,
memiliki symbol kimia LiCoO2 dan singkatan LCO.
Karena memiliki spesifikasi energy yang tinggi, Li-Cobalt menjadi pilihan popular
untuk telepon selular, laptop, dan kamera digital. Baterai terdiri dari katoda cobalt oksida
dan anoda grafit karbon. Katoda memiliki struktur yang berlapis , ion lithium bergerak dari
anoda ke katoda. Kelemahan lithium cobalt adalah masa hidup yang relatif singkat dan
memiliki baban yang terbatas. Gambar 2.9 merupakan struktur Li-Cobalt[7].
Gambar 2.9 Struktur Li-Cobalt
15
Universitas Sumatera Utara
Li-Cobalt tidak dapat diisi dan dipakai pada saat arusnya lebih besar dibandingkan
dengan C-ratingnya. Sehingga 18.650 sel dengan muatan 2400 mAh hanya dapat diiisi dan
dikosongkan dengan arus 2400 mA. Jika dipaksakan dengan bebang yang lebih tinggi dari
2400 mA, maka akan menyebabkan baterai kelebihan energi. Tabel 2.1 merupakan
spesifikasi Li-Cobalt.
Tabel 2.1 Spesifikasi baterai Lithium Cobalt Oxide
2.3.2 Kapasitas Baterai
Kapasitas baterai merupakan kemampuan baterai menyimpan daya listrik
atau besarnya energi yang dapat disimpan dan dikeluarkan oleh baterai. Besarnya
16
Universitas Sumatera Utara
kapasitas, tergantung dari banyaknya bahan aktif pada plat positif maupun plat
negatif yang bereaksi, dipengaruhi oleh jumlah plat tiap-tiap sel, ukuran, dan tebal
plat, kualitas elektrolit serta umur baterai. Kapasitas energi suatu baterai dinyatakan
dalam ampere jam (Ah), misalkan kapasitas baterai 100 Ah 12 volt artinya secara
ideal arus yang dapat dikeluarkan sebesar 5 ampere selama 20 jam pemakaian[8].
Besar kecilnya tegangan baterai ditentukan oleh besar / banyak sedikitnya
sel baterai yang ada di dalamnya. Sekalipun demikian, arus hanya akan mengalir
bila ada konduktor dan beban yang dihubungkan ke baterai. Kapasitas baterai juga
menunjukan kemampuan baterai untuk mengeluarkan arus (discharging) selama
waktu tertentu, dinyatakan dalam Ah (Ampere – hour). Berarti sebuah baterai dapat
memberikan arus yang kecil untuk waktu yang lama atau arus yang besar untuk
waktu yang pendek. Pada saat baterai diisi (charging), terjadilah penimbunan
muatan listrik. Jumlah maksimum muatan listrik yang dapat ditampung oleh baterai
disebut kapasitas baterai dan dinyatakan dalam ampere jam (Ampere - hour),
muatan inilah yang akan dikeluarkan untuk menyuplai beban ke pelanggan.
Kapasitas baterai dapat dinyatakan dengan persamaan dibawah ini :
Ah = Kuat Arus (ampere) x waktu (hours)
(2.6)
Dimana :
Ah = kapasitas baterai
I = kuat arus (ampere)
t = waktu (jam/sekon)
17
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kapasitor
Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik.
Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan
dielektrik.Gambar 2.1 merupakan gambar sederhana struktur kapasitor. Bahan-bahan
dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika
kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan
mengumpul pada salah satu kaki elektroda metalnya dan pada saat yang sama muatanmuatan negatif terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat
mengalir menuju ujung kutup negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke
ujung kutup positif karena terpisah oleh bahan elektrik yang nonkonduktif. Muatan elektrik
ini “tersimpan” selama tidak ada konduktif pada ujung- ujung kakinya.
Gambar 2.1 Struktur kapasitor
Kapasitor merupakan komponen pasif elektronika yang sering dipakai didalam
merancang suatu sistem yang berfungsi untuk mengeblok arus DC, Filter, dan penyimpan
energi listrik. Didalamnya 2 buah pelat elektroda yang saling berhadapan dan dipisahkan
oleh sebuah insulator. Sedangkan bahan yang digunakan sebagai insulator dinamakan
dielektrik. Ketika kapasitor diberikan tegangan DC maka energi listrik disimpan pada tiap
5
Universitas Sumatera Utara
elektrodanya. Selama kapasitor melakukan pengisian, arus mengalir. Aliran arus tersebut
akan berhenti bila kapasitor telah penuh[2].
2.1.1 Kapasitansi
Muatan (Q) diukur dengan satuan coulomb dan kapasitor yang memperoleh muatan
listrik akan mempunyai tegangan antar terminal sebesar V volt.
Kemampuan kapasitor dalam menyimpan muatan disebut kapasitansi (C) .
Kapasitansi ini diukur berdasarkan besar muatan yang dapat disimpan pada suatu kenaikan
tegangan, persamaannya dinyatakan oleh Persamaan 2.1 [2].
������ ,�
�����������, � = ��������
(2.1)
,�
Atau persamaan diatas disederhanakan menjadi Persamaan 2.2.
�
� = ��
(2.2)
2.1.2 Energi Pada Kapasitor
Kapasitor dapat digunakan untuk menyimpan energy listrik dalam bentuk muatan
listrik. Banyaknya energi yang tersimpan di dalam sebuah kapasitor sama besarnya dengan
kerja yang dilakukan oleh muatan listrik. Selama proses pengisian kapasitor, sebuah
sumber arus searah seperti baterai melakukan kerja dengan memindahkan muatan listrik
dari satu lempeng konduktor dan menimbunnya kelempeng konduktorlainnya. Energi yang
tersimpan dalam kapasitor dapat dihitung dengan Persamaan 2.3 [2].
������ = 1�2 �� 2 �����
(2.3)
6
Universitas Sumatera Utara
2.1.3 Pengisian dan Pengosongan Muatan Pada Kapasitor
Saat pengisian dan pengosongan muatan pada kapasitor, waktu lamanya pengisian
dan pengosongan muatannya tergantung dari besarnya dari resistansi dan kapasitansi yang
digunakan pada rangkaian. Pada saat saklar menghubungkan ke titik 1 arus listrik mengalir
dari sumber-sumber tegangan melalui komponen R menuju komponen C. tegangan pada
kapasitor meningkat dari 0 volt sampai sebesar tegangan sumber, kemudian tak terjadi
aliran, saklar dipindahkan posisinya ke saklar 2 maka terjadi proses pengosongan. Seperti
ditunjukkan oleh Gambar 2.2[2].
Gambar 2.2 Rangkaian RC hubungan seri dicatu oleh tegangan dc
Tegangan kapasitor menurun, arah arus berlawanan dari arah pengisian. Tegangan pada R
menjadi negative dan berangsur-angsur tegangan nya menjadi 0 volt
2.1.4 Hubungan Seri dan Paralel Kapasitor
Hubungan seri
Kapasitor yang dihubungkan seri, kemampuan menahan listrik akan menjadi lebih
tinggi, kapasitansi totalnya menjadi lebih rendah dan bahan dielektrikum seolah-olah
menjadi lebih tebal. Jumlah muatan listrik pada setiap kapasitor menjadi sama besar. Jika
perbedaan potensial tiap-tiap kapasitor sama dengan pemberian tegangan pada rangkaian
yang ditunjukkan pada Gambar 2.3[2].
7
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Rangkaian seri kapasitor
Berdasarkan Gambar 2.3, maka diperoleh Persamaan 2.4.
1
��
=
1
�1
+
1
�2
+
1
(2.4)
�3
Hubungan Paralel
Beberapa kapasitor dihubungkan parallel yang diberi tegangan V seperti Gambar
2.4, memiliki tegangan pada tiap-tiap kapasitor sama dengan tegangan sumber yang
dicantumkan.
Gambar 2.4 Rangkaian paralel kapasitor
Berdasarkan Gambar 2.4, maka diperoleh Persamaan 2.5[2].
CT = C1 + C2 + C3
(2.5)
8
Universitas Sumatera Utara
2.1.5 Tipe Kapasitor
Kapasitor yang dipelajari dan digunakan dalam rangkaian elektronika ada beberapa
jenis. Cara membedakan kapasitor juga ada beberapa sudut pandang yang digunakan,
kapasitor dapat dibedakan berdasarkan kapasitasnya, berdasarkan dielektrikum yang
digunakan dan polaritas kapasitor. Berdasarkan kapasitas dari suatu kapasitor, maka
kapasitor dapat dibedakan dalam 2 jenis.
1. Kapasitor tetap
Kapasitor tetap adalah kapasitor yang memiliki kapasitansi tetap dan tidak dapat
diubah-ubah. Pada kategori kapasitor tetap, terdapat 2 jenis kapasitor yang dapat dibedakan
berdasarkan polaritas elektrodanya[3].
a. Kapasitor polar
Kelompok kapasitor electrolytic terdiri dari kapasitor-kapasitor yang bahan
dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya kapasitor yang termasuk
kelompok ini adalah kapasitor polar dengan tanda + dan – di badannya.
Mengapa kapasitor ini dapat memiliki polaritas, adalah karena proses
pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutup positif anoda
dan kutup negatif katoda. Telah lama diketahui beberapa metal seperti tantalum,
aluminium, magnesium, titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc)
permukaannya dapat dioksidasi sehingga membentuk lapisan metal-oksida
(oxide film). Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui proses elektrolisa, seperti
pada proses penyepuhan emas. Elektroda metal yang dicelup kedalam larutan
electrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan positif (anoda) dan larutan
electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan electrolyte
terlepas dan mengoksidai permukaan plat metal. Contohnya, jika digunakan
9
Universitas Sumatera Utara
Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al2O3) pada
permukaannya.
Gambar 2.5 Kapasitor polar
Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda). Lapisan metal-oksida
dan electrolyte (katoda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini lapisan metaloksida sebagai dilektrik. Besar kapasitansi berbanding terbalik dengan tebal
dielektrik. Lapisan metal-oksida ini sangat tipis, sehingga dengan demikian
dapat dibuat kapasitor yang kapasitansinya cukup besar. Karena alasan
ekonomis dan praktis, umumnya bahan metal yang banyak digunakan adalah
aluminium dan tantalum. Bahan yang paling banyak dan murah adalah
aluminium. Untuk mendapatkan permukaan yang luas, bahan plat aluminium ini
biasanya digulung radial. Sehingga dengan cara itu dapat diperoleh kapasitor
yang kapasitansinya besar. Sebagai contoh 100uF, 470uF, 4700uF, dan lain-lain,
yang sering juga disebut kapasitor elco. Bahan electrolyte pada kapasitor
tantalum ada yang cair tetapi ada pula yang padat. Disebut electrolyte padat,
tetapi sebenarnya bukan larutan electrolyte yang menjadi elektroda negatifnya,
melainkan bahan lain yaitu manganese-dioksida. Dengan demikian kapasitor
jenis ini bisa memiliki kapasitansi yang besar namun menjadi lebih ramping dan
mungil. Selain itu karena seluruhnya padat, maka waktu kerjanya menjadi tahan
10
Universitas Sumatera Utara
lama. Kapasitor ini juga memiliki arus bocor yang sangat kecil, jadi dapat
dipahami mengapa kapasitor tantalum menjadi relatif mahal.
b. Kapasitor non-polar
Kapasitor non polar adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan bahan
dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika adalah bahan yang
popular serta murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya kecil.
Tersedia dari besaran pF sampai beberapa uF, yang biasanya untuk aplikasi
rangkaian yang berkenaan dengan frekuensi tinggi. Termasuk kelompok bahan
dielektrik film adalah bahan-bahan material seperti polyester (polyethylene
terephthalate atau dikenal dengan sebutan mylar), polystyrene, polyprophylene,
polycarbonate, metalized paper dan lainnya.
2. Kapasitor tidak tetap/kapasitor variabel
Kapasitor tidak tetap atau kapasitor variabel adalah kapasitor yang nilai
kapasitansinya dapat diubah atau kapasitansinya dapat diatur sesuai keinginan dengan
batas maksimal sesuai yang tertera pada kapasitor tersebut. Contoh suatu kapasitor variabel
(Varco/trimer kapasitor) tertulis 100pF maka kapasitansi kapasitor tersebut dapat diatur
maksimal 100pF sampai mendekati 0 pF. Gambar 2.6 merupakan kapasitor tidak tetap
Gambar 2.6 Kapasitor tidak tetap
11
Universitas Sumatera Utara
2.2 Super Kapasitor
Superkapasitor adalah kapasitor double layer, energi disimpan oleh transfer
muatan pada batas antara elektroda dan elektrolit. Ketika komposit logam oksida
dan karbon digunakan sebagai elektroda untuk superkapasitor, mekanisme
penyimpanan termasuk kapasitansi lapisan ganda ( double layer capacitance) dan
pseudocapacitance, sehingga menghasilkan kapasitansi yang lebih tinggi. Struktur super
kapasitor dapat dilihat pada Gambar 2.7[4].
.
Gambar 2.7 Struktur super kapasitor
Superkapasitor dapat menggantikan baterai berkaitan dengan sifatnya yang
mampu bertahan lama meskipun diisi ulang berkali-kali serta mempunyai kemampuan
mengisi ulang dengan cepat. Kebutuhan waktu yang singkat dalam pengisian ulang ini
menyebabkan superkapasitor mempunyai potensi yang besar dibandingkan baterai. Hal ini
disebabkan karena baterai harus mengubah energi listrik menjadi bentuk kimia agar energi
ini dapat tersimpan.
Superkapasitor memiliki sifat yang melengkapi kekurangan dari baterai dan
kapasitor konvensional. Baterai memiliki rapat energi yang sangat tinggi, namun demikian
12
Universitas Sumatera Utara
memiliki rapat daya yang sangat rendah. Sedangkan kapasitor konvensional pada
umumnya memiliki rapat daya yang sangat tinggi namun rapat energinya sangat rendah.
Super kapasitor menghasilkan rapat daya yang tinggi serta rapat energi yang tinggi. Rapat
daya berhubungan dengan “kekuatan” (jumlah watt) kombinasi dari arus dan volt,
sedangkan rapat energi berhubungan dengan waktu pemakaian. Posisi super kapasitor,
dibandingkan dengan baterai dan kapasitor konvensional [5].
Kelebihan superkapasitor dibandingkan dengan baterai atau super kapasitor konvensional
adalah:
1. Superkapasitor memiliki ukuran yang lebih kecil dibandingkan dengan baterai
sehingga, menjadikan super kapasitor lebih ringan dibandingkan dengan baterai.
2. Superkapasitor memiliki akses yang cepat untuk menyimpan energi, pengisian yang
sangat cepat dibandingkan dengan baterai.
3. Siklus charge/discharge 106 kali dibandingkan baterai.
4. Rapat energi superkapasitor adalah 10-100 kali lebih besar dibandingkan dengan
kapasitor konvensional (tipe 20-70 MJ/m3).
5. Nilai kapasitansinya lebih dari 5 F/cm2.
6. Memiliki efisiensi yang tinggi yaitu 95%. Rapat daya 10 kali lebih besar dibandingkan
dengan baterai.
7. Waktu charge dan discharge sangat singkat.
8. Nilai kapasitansinya berkisar antara 0.043-2700 F.
13
Universitas Sumatera Utara
2.3 Baterai
Baterai didefenisikan sebagai suatu alat yang dapat mengubah langsung energi
kimia menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia. Pengertian baterai yang saat ini
umum digunakan sesungguhnya mencakup satu atau beberapa sel baterai yang
digabungkan secara seri atau paralel sesuai dengan tegangan dan kapasitas listrik yang
diinginkan. Sel baterai adalah unit terkecil dari suatu sistem proses elektrokimia yang
terdiri dari elektroda, elektrolit, separator, wadah terminal / current collector. Listrik yang
dihasilkan oleh sebuah baterai muncul akibat adanya perbedaan potensial energi listrik
kedua buah elektrodanya. Perbedaan potensial ini dikenal dengan potensial sel atau gaya
gerak listrik (ggl). Struktur baterai dapat dilihat pada Gambar 2.8[6]. Komponen terpenting
dari sel baterai yaitu:
1. Anoda / Elektroda negatif yaitu elektroda yang melepaskan elektron ke rangkaian luar
serta mengalami proses oksidasi pada proses elektrokimia berlangsung.
2. Katoda / Elektroda positif yaitu elektroda yang menerima elektron dari rangkaian luar
serta mengalami proses reduksi pada proses elektrokimia berlangsung.
3. Elektrolit adalah zat yang jika dilarutkan dalam air menghasilkan larutan yang dapat
menghantarkan arus listri. Sebuah elektrolit yang cocok harus memiliki konduktivitas
elektron yang baik, stabilitas kimia tinggi, biaya murah dan menjamin keselamatan.
Elektrolit berfungsi sebagai penghantar ion litium dari anoda ke katoda dan begitu pula
sebaliknya. Pergerakan elektron dalam elektrolit dan diantara elektroda akan
menghasilkan arus listrik
4. Separator adalah material berpori yang diletakkan diantara anoda dan katoda, yang dapat
mencegah terjadinya gesekan antara kedua elektroda tersebut yang dapat menyebabkan
arus pendek.
14
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Struktur baterai
2.3.1 Jenis Baterai
Baterai yang digunakan dalam Penelitian ini adalah baterai lithium ion. Lithium ion
merupakan salah satu nama yang digunakan untuk bahan aktif sebuah baerai. Penulisan
nama dapat ditulis dengan lengkap atau disingkat dengan menulis rumus kimianya.
Misalnya, lithium cobalt oxide, salah sati jenis baterai lithium ion yang paling umum,
memiliki symbol kimia LiCoO2 dan singkatan LCO.
Karena memiliki spesifikasi energy yang tinggi, Li-Cobalt menjadi pilihan popular
untuk telepon selular, laptop, dan kamera digital. Baterai terdiri dari katoda cobalt oksida
dan anoda grafit karbon. Katoda memiliki struktur yang berlapis , ion lithium bergerak dari
anoda ke katoda. Kelemahan lithium cobalt adalah masa hidup yang relatif singkat dan
memiliki baban yang terbatas. Gambar 2.9 merupakan struktur Li-Cobalt[7].
Gambar 2.9 Struktur Li-Cobalt
15
Universitas Sumatera Utara
Li-Cobalt tidak dapat diisi dan dipakai pada saat arusnya lebih besar dibandingkan
dengan C-ratingnya. Sehingga 18.650 sel dengan muatan 2400 mAh hanya dapat diiisi dan
dikosongkan dengan arus 2400 mA. Jika dipaksakan dengan bebang yang lebih tinggi dari
2400 mA, maka akan menyebabkan baterai kelebihan energi. Tabel 2.1 merupakan
spesifikasi Li-Cobalt.
Tabel 2.1 Spesifikasi baterai Lithium Cobalt Oxide
2.3.2 Kapasitas Baterai
Kapasitas baterai merupakan kemampuan baterai menyimpan daya listrik
atau besarnya energi yang dapat disimpan dan dikeluarkan oleh baterai. Besarnya
16
Universitas Sumatera Utara
kapasitas, tergantung dari banyaknya bahan aktif pada plat positif maupun plat
negatif yang bereaksi, dipengaruhi oleh jumlah plat tiap-tiap sel, ukuran, dan tebal
plat, kualitas elektrolit serta umur baterai. Kapasitas energi suatu baterai dinyatakan
dalam ampere jam (Ah), misalkan kapasitas baterai 100 Ah 12 volt artinya secara
ideal arus yang dapat dikeluarkan sebesar 5 ampere selama 20 jam pemakaian[8].
Besar kecilnya tegangan baterai ditentukan oleh besar / banyak sedikitnya
sel baterai yang ada di dalamnya. Sekalipun demikian, arus hanya akan mengalir
bila ada konduktor dan beban yang dihubungkan ke baterai. Kapasitas baterai juga
menunjukan kemampuan baterai untuk mengeluarkan arus (discharging) selama
waktu tertentu, dinyatakan dalam Ah (Ampere – hour). Berarti sebuah baterai dapat
memberikan arus yang kecil untuk waktu yang lama atau arus yang besar untuk
waktu yang pendek. Pada saat baterai diisi (charging), terjadilah penimbunan
muatan listrik. Jumlah maksimum muatan listrik yang dapat ditampung oleh baterai
disebut kapasitas baterai dan dinyatakan dalam ampere jam (Ampere - hour),
muatan inilah yang akan dikeluarkan untuk menyuplai beban ke pelanggan.
Kapasitas baterai dapat dinyatakan dengan persamaan dibawah ini :
Ah = Kuat Arus (ampere) x waktu (hours)
(2.6)
Dimana :
Ah = kapasitas baterai
I = kuat arus (ampere)
t = waktu (jam/sekon)
17
Universitas Sumatera Utara