BATERAI

BATERAI

   A.    Pengertian Baterai

Adalah merupakan suatu komponen elektronika yang menyimpan energi dalam bentuk senyawa kimia atau sel elektrokimia maupun untuk menyimpan tenaga listrik arus searah ( DC ) yang dapat diisi (charge) setelah energi yang digunakan. 

   B.     Fungsi Baterai

Fungsi baterai sendiri biasanya digunakan untuk memberikan daya atau energi agar alat elektronik bisa berfungsi. Pada pusat pembangkit listrik, sumber arus searah (DC) digunakan terutama untuk:

1.      Menjalankan motor pengisi (penegang) pegas PMT/CB.

2.      Men-trip-kan PMT apabila terjadi gangguan.

3.      Melayani peralatan komputer kontrol.

4.      Melayani keperluan alat-alat telekomunikasi.

5.      Memasok keperluan instalasi penerangan darurat.

6.     Melayani peralatan-peralatan motor listrik yang dianggap penting untuk beroperasi, walaupun terjadi kegagalan operasional, antara lain motor-motor untuk pelumasan, motor untuk rachet turbin, dan lain sebagainya.

   C.     Macam – macam jenis baterai

Menurut sifatnya baterai sendiri dibagi menjadi dua:

1.      Baterai Primer adalah tipe baterai yang dapat disimpan dan menghasilkan energi listrik, tetapi tidak dapat diisi kembali.Baterai dengan sifat seperti ini seperti:

·     Baterai Alkaline adalah baterai yang paling umum, mudah didapat dan termurah. Namun untuk aplikasi robot dan RC, baterai ini merupakan pilihan yang buruk, jangan sekali-kali menggunakannya! Baterai ini memiliki kapasitas yang rendah, berat, dan bermasalah dalam men-supply arus besar dalam waktu pendek. Selain itu, dikarenakan batterai ini tidak dapat diisi ulang, pemakaian secara terus menerus dengan mengganti baterai baru akan menguras biaya yang cukup besar.

·        Baterai Fuel Cell adalah baterai dengan efisiensi energi tertinggi, yaitu 40 hingga 60 kali lipat Baterai Lithium Ion (Li-On) dan memiliki energi densitas 2-3 kali lipat Li-Ion (Perbandingan antara volume zat dengan energi yang dihasilkan, dengan demikian Baterai Fuel Cell dapat menghasilkan energi 2- 3 kali Li-On pada Volume yang sama). Baterai ini menggunakan methanol atau ethanol sebagai energi utamanya. Baterai ini tidak dapat diisi ulang, jika pada saatnya baterai ini habis, maka kita tinggal menggantinya dengan methanol atau ethanol baru. Baterai jenis ini cukup mahal, yaitu berkisar antara 350-400$USD.

2.      Baterai Sekunder adalah Baterai yang dapat disimpan dan menyalurkan energi listrik dan dapat diisi kembali dengan memberikan arus dengan arah berlawanan pada saat baterai mengalirkan arusnya.

Macam – macam baterai skunder:

·        Nickel Cadmium (NiCd). Baterai NiCd merupakan jenis baterai yang cocok untuk bebean yang memerlukan arus sedang (2-3 Ampere). Baterai ini relative lebih murah dibandingkan dengan baterai lainnya serta dapat di recharged secara cepat. Namun proses recharge dari baterai ini memiliki kekurangan yang biasa disebut memory effect. Memory effect menyebabkan pengurangan kapasitas baterai apabila di-recharge dalam keadaan masih terisi muatan. Hal ini yang menyebabkan baterai NiCd harus benar-benar dikosongkan bila akan diisi ulang.

·    Nickel Metal Hydride (NiMH). Baterai ini tidak jauh berbeda dengan baterai NiCd. Hal yang membedakan dari keduannya adalah discharge factor serta siklus recharge. Baterai NiMH memiliki kekurangan dimana dischare factor-nya cukup besar, sehingga bila baterai ini dibiarkan begitu saja selama beberapa waktu, muatan yang terdapat dalam baterai akan lebih cepat berkurang dibandingkan baterai lainnya. Namun dalam segi siklus recharge, baterai ini memiliki kelebihan dimana dapat di recharg lebih sering dibandingkan dengan baterai NiCd.

·       Lithium Ion (Li-Ion). Baterai Li-Ion merupakan baterai standar terbaru (disamping Lithium Polymer). Baterai ini memiliki rapat energy lebih tinggi dibandingkan dengan baterai lainnya. Hal ini memungkinakan baterai Li-Ion memiliki volume lebih kecil untuk kapasitas yang sama. Selain itu, bater Li-Ion tidak memiliki memory effect sehingga dapat di recharge kapan pun kita mau. Terdapat pula baterai Lithium yang bersenyawa dengan senyawa polymer atau biasa disebut Lithium Polymer. Baterai Li-Po sangat baik untuk pemakaian dalam arus besar karena dapat memberikan arus hingga 30 Ampere.

·    Baterai Aki adalah baterai yang cukup populer karena mudah dan murah untuk diproduksi. Baterai ini dapat diisi ulang dan dapat diaplikasikan secara luas. Untuk robot yang memiliki performansi besar dalam penggunaan motor atau solar, baterai ini menjadi pilihan yang baik. Baterai ini cukup murah dan mudah didapatkan. Kekurangan baterai ini adalah ukurannya yang cukup besar dan cukup berat, harus selalu dalam keadaan terisi ulang, dan tidak memiliki kecepatan pengosongan baterai (discharge) yang besar. Jika baterai ini tidak digunakan pada jangka waktu yang lama, maka baterai ini akan melakukan pengosongan (discharge) secara internal, sehingga Kita harus sering memastikan bahwa baterai ini dalam keadaan terisi ulang. Hindari penggunaan baterai pada suhu yang terlalu panas atau di bawah 0⁰ C.

   D.    Baterai aki

            Baterai aki adalah baterai yang sering digunakan pada pembangkit listrik maupun gardu induk karena daya yang dihasilkan cukup besar dan dapat di isi ulang.Fungsi aki sendiri pada pembangkit  antara lain:

1.      Menjalankan motor pengisi (penegang) pegas PMT/CB.

2.      Men-trip-kan PMT apabila terjadi gangguan.

3.      Melayani peralatan komputer kontrol.

4.      Melayani keperluan alat-alat telekomunikasi.

5.      Memasok keperluan instalasi penerangan darurat.

            Melayani peralatan-peralatan motor listrik yang dianggap penting untuk beroperasi, walaupun terjadi kegagalan operasional, antara lain motor-motor untuk pelumasan, motor untuk rachet turbin, dan lain sebagainya.

            Aki sendiri terdiri dari 2 jenis:

1.   Jenis aki basah/ konvensional berarti masih menggunakan asam sulfat ( H2SO4 ) dalam bentuk cair.Elektrolit baterai merupakan campuran antara air suling (H2O) dengan asam sulfat (SO4), komposisi campuran adalah 64 % H2O dan dan 36 % SO4. Dari campuran tersebut diperoleh elektrolit baterai dengan berat jenis 1,270.

Aki basah sendiri di bagi menjadi 2:

a.       Low Maintenance

Jenis ini bentuknya mirip dengan aki basah biasa dan tetap punya lubang pengisian di atasnya. Bedanya, aki ini sudah diisi air sejak dari pabrik. Untuk pengisian air aki (bukan dengan accu zuur) bisa dilakukan dalam 6 bulan hingga 1 tahun.

b.      Maintenance Free

Aki jenis ini tidak mempunyai lubang pengisian air, meski berisi cairan. Mirip jenis low maintenance, aki ini juga sudah diisi air dari pabrik. Bahan perak yang dipakai buat elektroda membuat airnya tidak menguap. Kalaupun menguap akan dikembalikan lagi ke dalam. Keuntungannya adalah aki jenis ini tidak butuh perawatan

2. Aki kering karena asam sulfatnya sudah dalam bentuk gel/selai.  Dalam hal mempertimbangkan posisi peletakkannya maka aki kering tidak mempunyai kendala, lain halnya dengan aki basah.

   E.     Penjelasan tentang baterai aki

1.      Konstruksi

Aki merupakan elemen sekunder yang merupakan elemen elektro-kimia yang dapat memperbaharui bahan-bahan pereaksinya. Jenis aki yang sering dipakai adalah aki timbal.Aki ini terdiri dari dua kumparan pelat yang dicelupkan dalam larutan asam-sulfat encer. Kedua kumpulan pelat dibuat dari timbal, sedangkan lapisan timbal dioksidaakan dibentuk pada pelat positif ketika lemen pertama kalidimuati. Letak pelat positif dan negatif sangat berdekatan tetapi dicegah tidak langsung menyentuh oleh pemisah yang terbuat dari bahan penyekat (isolator).

L = 2.p.l.n.

dimana :

L = luas bidang plat positif (cm2)

p = panjang plat positif (cm)

l = lebar plat positif (cm)

n = jumlah plat positif tiap-tiap sel

Kapasitas tiap cm2 plat positif = 0,03 sampai dengan 0,05 AH(ampere jam). Tiap sel akumulator timah hitam menghasilkan tegangan 2 volt.

2.      Cara kerja aki sendiri dibagi menjadi 2:

a.       Cara kerja di dalam aki (reaksi kimia)

Pada akumulator (aki) timah hitam terjadi proses elektrokimia yang bersifat reversible (dapat berbalikan), yaitu proses pengisian dan proses pengosongan. Setiap molekul cairan elektrolit asam sulfat (H2SO2) akan terurai menjadi ion positif hydrogen (2H+) dan ion negatif sulfat (SO4 --). Tiap ion negatif sulfat akan bereaksi dengan katoda (Pb) menjadi timah sulfat (PbSO4) sambil melepaskan dua elektron. Dua ion hydrogen (2H+) akan bereaksi dengan anoda (PbO2) menjadi timah sulfat (PbSO4) sambil mengambil dua elektron dan bersenyawa dengan atom oksigen membentuk H2O (mokekul air). Pengambilan dan pelepasan elektron dalam proses kimia ini akan menyebabkan timbulnya beda potensial antara katoda (kutub negatif) dan anoda (kutub positif). Proses kimia di atas dapat dirumuskan sebagai berikut :

PbO2 + Pb + 2H2SO4 ——————> PbSO4 + PbSO4 + 2H2O

(sebelum pengosongan)                      (setelah pengosongan)

Proses kimia ini terjadi dalam proses pengosongan akumulator timah hitam atau pada saat akumulator melayani beban. Setelah proses pengosongan, kedua plat negatif dan plat positif menjadi timah sulfat (PbSO4) dan cairan elektrolitnya menjadi cair (H2O), sehingga berat jenisnya akan berkurang. setelah mengalami pengosongan, agar dapat dipakai melayani beban maka akumulator harus diisi lagi dengan dialiri arus listrik DC. Pada proses pengisian akumulator dapat diuraikan sebagai berikut :

PbSO2 + PbSO4 + 2H2O ——————> PbO2 + Pb + 2H2SO4

Setelah proses pengisian, berat jenis cairan elektrolit akumulator akan bertambah besar. Berat jenis larutan asam sulfat (asam belerang) H2SO4 sebelum pengisian adalah 1,190 gr/cm3 pada temperatur 15 oC (59 oF). Setelah diisi penuh berat jenis elektrolitnya (asam sulfat) antara 1,205 – 1,215 gr/cm3.

Gambar 1. instalasi baterai dan pengisiannya 

b.      Cara kerja aki pada pembangkit

Pada pembangkit sendiri aki digunakan menurut bebannya,ada yang memerlukan langsung tegangan DC tanpa harus di konversikan ke AC,adapun juga beban yang menggunakan tegangan AC.Jika demikian maka arus listrik DC yang dihasilkan ini akan dialirkan melalui suatu inverter (pengatur tenaga) yang merubahnya menjadi arus listrik AC, dan juga dengan otomatis akan mengatur seluruh sistem. Listrik AC akan didistribusikan melalui suatu panel distribusi indoor yang akan mengalirkan listrik sesuai yang dibutuhkan peralatan listrik. Walaupun dalam suatu pembangkit listrik juga dilengkapi dengan Emergency Diesel Generator (EDG), namun memiliki fungsi dan pelayanan yang berbeda dengan sumber cadangan baterai aki. Biasanya kumpulan dari baterai aki tersebut dikenal dengan nama Battery bank.Baterai aki merupakan sumber arus searah yang digunakan dalam suatu pusat pembangkit listrik.Baterai aki harus selalu diisi melalui penyearah.

   F.      Karakteristik Baterai

Dalam pemilihan Baterai terdapat beberapa karakteristik yang ada di dalam baterai tersebut antara lain:

1)      Rating Tegangan

Pemberian rating tegangan pada baterai kadang membingungkan, sebab tegangan aktual baterai akan berbeda dengan rating yang tertulis dalam baterai. Pada kebanyakan baterai rating tegangan menunjukan tegangan baterai pada kondisi kosong. Sebagai contoh baterai Nickel Metal Hidrida (NIMH) memiliki rating tegangan 1,2 V, yang menyatakan tegangan baterai tersebut bernilai 1,2V bila telah habis terpakai (nilai nominal cell). Seiring dengan proses pengisian baterai atau biasa disebut charging, tegangan baterai akan meningkat hingga bernilai maksimum ketika baterai telah terisi penuh. Tegangan baterai saat terisi penuh memiliki nilai lebih besar 15-25% dari rating tegangan baterai. Untuk mendapatkan tegangan yang lebih besar, maka baterai dapat dipasang secara seri.

2)      Rating Arus

Rating arus pada baterai diberikan dalam bentuk satuan “mA”. Rating arus menunjukan arus maksimum yang dapat diberikan baterai pada beban. Rating arus sebenarnya sangat jarang diberikan dalam baterai terutama baterai NiMH dan NiCd lain halnya dengan baterai yang berasal dari senyawa Lithium. Untuk memperbesar arus, maka baterai dapat dipasang secara parallel.

3)      Kapasitas Baterai

Kapasitas pada baterai diukur dengan menggunakan satuan “mAh” atau “Ah” yang merupakan singkatan dari mili-ampere-hour dan ampere-hour. Secara praktis baterai dengan kapasitas 1000 mAh dapat memberikan arus sebanyak 1000 mA selama satu jam atau 2000 mA selama setengah jam.Untuk meningkatkan kapasitas, maka baterai dapat dipasang secara parallel.

   G.    Baterai yang akan dikembangkan di masa depan

Ada macam-macam baterai yang sedang dikembangkan untuk pengganti baterai aki di masa depan,antara lain :

1.      Baterai Nuklir

memanfaatkan proses terjadinya reaksi peluruhan (decay process) pada setiap bahan radioaktif. Pada reaksi peluruhan ini yang dimanfaatkan adalah radiasi nuklir itu sendiri yang disertai dengan pelepasan elektron atau muatan listrik dan juga kemampuan menumbuk bahan untuk menghasilkan elektron sekunder yang dapat diubah menjadi tenaga listrik. Bila hal ini bisa direalisasikan maka tenaga listrik yang diperoleh dari hasil proses peluruhan zat radioaktif akan dapat menambah sumber tenaga listrik arus searah, disamping sumber arus searah (tanaga baterai) yang telah dikenal secara konvensional berupa baterai kimia sel basah maupun sel kering. 

Proses peluruhan zat radioaktif sebenarnya adalah proses alami dari suatu zat radioaktif atau radioisotop dalam rangka keseimbangan menuju kepada energi dasarnya (ground state energy). Proses peluruhan zat radioaktif yang terjadi berkaitan erat dengan jenis radiasi nuklir dari suatu radioisotop. Untuk itu, perlu diketahui beberapa jenis radiasi yang mengikuti terjadinya proses peluruhan tersebut. Jenis radiasi yeng dimaksud sebenarnya ada 8 macam, namun yang akan dijelaskan hanya yang dalam proses peluruhannya menghasilkan elektron atau yang dapat menyebabkan ionisasi langsung saja, yaitu radiasi yang dipancarkan oleh radioisotop yang digunakan dalam baterai nuklir. Jenis radiasi tersebut adalah :

a.       Radiasi Alpha (a)

Radiasi ini pada umumnya terjadi pada elemen berat, yaitu atom yang nomor massanya besar (mohon dilihat sistem periodik/tabel berkala) yang tenaga ikatnya rendah, yaitu tenaga ikat antara elektron dan inti atomya rendah. Radiasi Alpha pada umumnya diikuti juga oleh peluruhan radiasi Gamma. Atom yang mengalami peluruhan radiasi Alpha, nomor massanya akan berkurang 4 dan nomor atomnya berkurang 2, sehingga radiasi Alpha disamakan dengan pembentukan inti Helium yang bermuatan listrik 2 dan bermassa 4. Contoh peluruhan radiasi Alpha adalah peluruhan Plutonium menjadi Uranium yang reaksinya sebagai berikut: 

₉₄Pu²³⁹––>₂He⁴ + ₉₂U²³⁵ (₂He⁴ = radiasi Alpha)

b.      Radiasi Beta Negatif (b-)

Radiasi Beta Negatif disamakan dengan pemancaran elektron dari suatu inti atom. Bentuk radiasi ini terjadi pada inti yang kelebihan elektron dan pada umumnya juga disertai juga dengan radiasi Gamma. Pada radiasi Beta Negatif, nomor atom akan bertambah 1, sedangkan nomor massanya tetap. Contoh peluruhan radiasi Beta Negatif adalah : 

₅₆Ba¹⁴⁰ ––>_-1e⁰ + ₅₇La¹⁴⁰(_-1e⁰ = elektron negatif)

c.       Radiasi Beta Positif (b +)

Radiasi ini sama dengan pancaran positron (elektron positif) dari inti atom. Bentuk peluruhan ini terjadi pada inti yang kelebihan proton. Pancaran positron dapat terjadi bila perbedaan energi antara inti semula dengan inti hasil perubahan (reaksi inti) paling tidak sama dengan 1,02 MeV. Radiasi Beta Positif akan selalu diikuti dengan peristiwa annihilasi atau peristiwa penggabungan, karena begitu terbentuk zarah Beta (+) akan langsung bergabung dengan elektron (-) yang banyak terdapat di alam ini dan menghasilkan radiasi Gamma yang lemah. Contoh radiasi Beta Positif

₇N¹³ ––> ₊₁e⁰ + ₆C¹³ (₊₁e⁰ = elektron positif / positron)

Macam-macam Baterai nuklir :

1. Baterai nuklir “high speed electrons battery”

Baterai ini dinamakan juga dengan baterai nuklir Beta, sesuai dengan jenis radiasi yang dipancarkan oleh radioisotop yang digunakan. Baterai nuklir ini bisa menghasilkan tegangan sampai beberapa ribu volt. Tegangan yang tinggi ini dipengaruhi oleh kerapatan isolator yang digunakan, sehingga tidak terjadi kebocoran yang dapat menimbulkan ionisasi udara di sekitar terminal elektrodenya. Arus yang dihasilkan masih rendah dan perlu dinaikkan lagi dengan memperhatikan masalah nuclear barrier transmission seperti yang diuraikan di atas. Radioisotop yang digunakan dalam baterai ini adalah Strontium-90 (Sr⁹⁰) yang mempunyai waktu paro 28 tahun, sehingga umur pakai baterai nuklir jenis ini bisa dua kali waktu paronya, yaitu 56 tahun.

2. Baterai nuklir “contact potential difference battery” 

Baterai nuklir ini sering disingkat dengan baterai CPD (Contact Difference Potential). Elektrode yang digunakan adalah 2 jenis bahan logam yang mempunyai sifat “work function” yang sangat berbeda. Work function suatu bahan adalah energi yang diperlukan untuk membebaskan elektron keluar orbitnya. Bahan elektrode yang mempunyai sifat work function yang sangat jauh berbeda adalah Seng (Zn) dan Karbon. Ruang diantara kedua elektrode, yaitu antara bahan logam yang mempunyai sifat “work function” tinggi dan bahan logam yang mempunyai “work function” rendah, diisi medium berbentuk gas, yaitu Tritium yang setiap saat dapat diionisasikan oleh radioisotop menghasilkan elektron dan ion positif. Hasil ionisasi (elektron dan ion) akan menuju ke masing-masing elektrodenya sesuai dengan muatan listrik yang dibawanya. Penyerahan muatan listrik ke masing-masing elektrode akan menimbulkan arus listrik searah secara berkesinambungan. Radioisotop yang digunakan sama dengan baterai nuklir pertama, yaitu Strontium 90 (Sr⁹⁰).

3. Baterai nuklir PN junction 

Baterai nuklir ini memanfaatkan sifat radioisotop yang dapat menimbulkan berondongan elektron (avalanche) pada salah satu elemen diode semikonduktor yang dipasang di dalam wadah baterai. Bahan semikonduktor yang dapat menghasilkan berondongan elektron akibat terkena radiasi adalah Antimon. Sedangkan untuk elektrode positifnya digunakan Silikon. Berondongan elektron yang terbentuk akan ditarik oleh elektrode positif dan pada saat penyerahan muatan listrik akan timbul arus listrik searah seperti yang terjadi pada baterai nuklir CPD. Baterai nuklir PN junction ini walaupun tegangannya rendah tapi arus yang dihasilkan jauh lebih besar dari pada baterai nuklir lainnya. Sumber radioisotop yang digunakan adalah Prometium 147 (Pm¹⁴⁷) yang mempunyai waktu paro 2,5 tahun, sehingga umur pakai baterai nuklir jenis ini bisa mencapai 5 tahun.

4. Baterai nuklir termokopel 

Baterai nuklir jenis ini memanfaatkan panas yang ditimbulkan oleh radioisotop yang ditempatkan pada bagian dalam wadah yang dilengkapi dengan dua jenis logam yang bersifat sebagai termokopel. Arus yang timbul dari adanya termokopel dapat menjadi tenaga baterai.

5. Baterai nuklir “secondary emitter” 

Baterai nuklir jenis ini menggunakan radioisotop yang dapat menumbuk bahan target yang peka terhadap radiasi, sehingga akan menimbulkan elektron sekunder akibat tumbukan tersebut. Elektron sekunder ini akan dikumpulkan oleh elektrode yang tidak peka terhadap radiasi. Perbedaan tegangan pada kedua elektrode tersebut akan menghasilkan arus listrik yang besarnya proporsional dengan energi yang dibawa oleh elektron sekunder.. 

6. Baterai nuklir fotolistrik 

Baterai nuklir fotolistrik ini memanfaatkan sifat bahan sintilator yang akan mengeluarkan pendar cahaya (foton) bila terkena radiasi. Pendar cahaya (foton) yang timbul kemudian diubah menjadi tenaga listrik oleh bahan semikonduktor yang peka terhadap foton cahaya. Foton cahaya dapat juga diubah menjadi tenaga listrik oleh sel fotolistrik. Bahan sintilator yang digunakan dapat berupa Posfor, Natrium Iodida yang diberi Thalium.

7. Baterai nuklir “photon junction” 

Baterai nuklir ini menggunakan posfor radioaktif (P³²) sebagai sumber radioisotopnya yang diapit oleh bahan semikonduktor. Bahan semikonduktor diletakkan berhimpitan dengan “semiconductor surface layer” agar dapat terjadi perpindahan “electron hole” akibat terkena radiasi P³². Adanya perpindahan electron hole pada bahan semikonduktor ini akan menimbulkan pulsa listrik yang besarnya sama dengan energi pendar cahaya yang terjadi. Tegangan baterai nuklir ini relatif konstan.

H.           Kesimpulan

Baterai adalah merupakan suatu komponen elektronika yang menyimpan energi dalam bentuk senyawa kimia atau sel elektrokimia maupun untuk menyimpan tenaga listrik arus searah ( DC ) yang dapat diisi (charge) setelah energi yang digunakan. Fungsi baterai sendiri biasanya digunakan untuk memberikan daya atau energi agar alat elektronik bisa berfungsi. Macam – macam jenis baterai adalah “Baterai Primer dan Baterai Sekunder”. Pada tiap – tiap baterai baik yang tergolong baterai primer ataupun sekunder memiliki karakteristik dan fungsi yang sama, hanya saja sifatnya yang berbeda.

Ada berbagai macam jenis baterai yang digunakan untuk sumber energi. Namun, pada pembangkit listrik maupun gardu induk baterai yang digunakan adalah aki (accumulator) karena daya yang dihasilkan cukup besar dan dapat di isi ulang.