Baterai

Baterai atau akumulator adalah sebuah "sel" listrik dimana didalamnya berlangsungproses elektrokimia yang reversibel (dapat berbalikan) dengan efisiensi yang tinggi. Proseselektrokimia yang reversibel adalah didalam baterai dapat berlangsung proses pengubahankimia menjadi energi listrik (proses pengosongan) , dan sebaliknya dari tenaga listrikmenjadi tenaga kimia (pengisian kembali) dengan cara regenerasi dari elektroda-elektrodayang dipakai, yaitu dengan melewatkan arus listrik dalam arah (polaritas) yang berlawanandidalam sel.

Tiap sel baterai ini terdiri dari 2 (dua) macam elektroda yang berlainan, yaitu elektrodapositip (+) dan elektroda negatip (-) yang dicelupkan dalam suatu larutan kimiaElektroda-elektroda positif dan negatif ini berupa pelat- pelat positif dan negatif, yang terdiridari :

Grid : adalah suatu rangka besi untuk menghantar arus listrik dan tempat dudukan darimaterial aktif.Material aktif : adalah suatu material yang bereaksi secara kimia untuk menghasilkanenergi listrik pada waktu pengosongan (discharge).Material aktif dari sel baterai dikembalikan ke keadaan komposisi semula dalam kondisipengisian (charge) dengan persenyawaan.

Gambar bentuk sederhana baterai‘

Fungsi Dan Klasifikasi Baterai

Fungsi Baterai. Baterai merupakan sumber atau menghasilkan energi listrik arus searah(DC) yang dapat digunakan untuk bermacam-macam keperluan. Didalam Pusat-pusatPembangkit Tenaga Listrik dan di Gardu Induk baterai berfungsi untuk catu daya bagikeperluan peralatan pelayanan bantu (auxiliary service) , yang meliputi : Peralatan kontrol, pengawasan (security), tanda-tanda, isyarat (signalling & alarm

system) . Motor-motor untuk pemutus tenaga (circuit breaker), pemisah (disconnecting switch)

dan pengubah tap trafo (tap changer) Rele proteksi. Penerangan darurat (emergency lighting), pemanas, telekomunikasi Diesel starting/engine starting.

Klasifikasi Baterai.

Baterai dapat diklasifikasikan dalam 2 (dua) macam sebagai berikut :

1. Berdasarkan pemakaian. :a. Stationary (tetap).b. Portable (dapat dipindah-pindah).

2. Berdasarkan konstruksi, material aktif dan bahan elektrolit yang digunakana. Baterai timah hitam (lead-acid storage battery) Bahan elektrolit dari baterai timah

hitam adalah larutan asam belerang (sulphuric acid = H2S04), terdiri dari : Lead-antimony. Lead-calcium.

b. Baterai alkali (alkaline storage battery). Baterai alkali bahan elektrolitnya adalahlarutan alkali (potassium-hydroxide), terdiri dari : Nickel-iron alkaline battery (Ni-Fe battery). Nickel-cadmium alkaline battery (Ni-Cd battery).

Umuinnya baterai yang digunakan sebagai sumber arus searah (DC) pada Pusat-pusatPembangkit Tenaga Listrik dan Gardu-Gardu induk di PLN adalah baterai alkali nickel-cadmium (Ni-Cd). '

Konstruksi Dan Prinsip Keria Baterai

Konstruksi dan Prinsip Kerja Baterai Timah Hi tam.

Konstruksi Baterai Timah Hi tam.

Didalam baterai timah hitam (lead-acid storage battery), elektroda-elektrodanya terdiridari pelat-pelat timah peroksida PbO2 (lead-peroxida) sebagai anoda (kutub positif) dantimah murni Pb (sponge-lead) sebagai katode (kutub negatif), dengan cairanelektrolitnya berupa lapisan asam belerang H2SO4 (sulfuric-acid) yang disebut jugadengan asam-sulfat.

Cairan elektrolit ini mempunyai berat jenis 1.190 gr/cm3 pada temperatur 15°C. Didalamistilah teknik dan kimia, biasanya pelat-pelat timah peroxide PbO2yang berwarna coklattua dan timah murni Pb yang berwarna kelabu dinamakan sebagai zat aktif dari sebuahbaterai.

Agar baterai memiliki tenaga listrik yang besar dan dapat digunakan dalam waktu yanglama, maka pelat-pelat positif dan negatif dibuat dalam jumlah yang cukup banyak.Pelat-pelat positif dan négatif tersebut disusun berkelompok tersendiri, kemudiandirapatkan satu sama lainnya tetapi pelat-pelat positif dan négatif tetap tidakberhubungan satu terhadap lainnya.

Untuk menjaga pelat-pelat positif dan négatif agar tidak terhubung satu sama lain,diantaranya diberi dinding-dinding yang menjadi penghalang dan dinamakan pemisah.Pemisah dibuat dari bahan kayu, karet yang keras, fiber dan adakalanya dibuat daribahan gelas yang diberi lubang-lubang. Pelat-pelat positif dan négatif tersebutditempatkan dalam sebuah bejana (container) yang terbuat dari pada bahan karet yangsangat keras (hard-rubber), plastik atau ebonit. Pada tiap-tiap sel terdapat penyangga

(support rib) yang berfungsi sebagai tempat duduk pelat-pelat positif dan negatif.Diantara penyangga-penyangga terdapat ruangan untuk tempat kotoran-kotoran darimasa-masa aktif yang gugur. Bilamana ruangan ini ditiadakan, maka masa aktif yanggugur dapat mengakibatkan hubung singkat antara pelat-pelat positif dan negatif, yangmenyebabkan baterai akan kehilangan daya listrik yang disimpannya.

Kumpulan pelat-pelat positif dan negatif didalam bejana (container) ini tertutup denganpenutup (cover) yang terbuat dari ebonit berbentuk empat persegi panjang. Ditengah-tengah penutup ebonit tersebut terdapat lubang (filling hole) untuk tempat pengisiancarian elektrolit sehingga tiap- tiap pelat selalu terjamin terendam didalam cairanelektrolit asam sulfat. Dilengkapi pula dengan lubang yang kecil (vent), yang berfungsiagar gasgas dari cairan elektrolit asam sulfat yang mendidih dapat keluar dengansempurna.

Prinsip Kerja Baterai Timah Hitam.Setiap molekul cairan elektrolit asam sulfat H2SO4 pecah menjadi dua ion hydrogen yangbermuatan (2H+) dan ion sufat yang bermuatan negatif (SO4

- -)

H2SO4 2H+ + SO4- -

Tipa ion negatif sulfat (SO4- -) akan bereaksi dengan pelat timah murni (Pb) sebagai katode dan

menjadi timah sulfat (PbSO4) sambil melepaskan dua elektorn, sedangkan sepasang ion hydrogen(2H+ ) akan berekasi dengan pelat timah peroxida (PbO2) sebagai anoda menjadi timah sulfat(PbSO4) sambil mengambil dua elektron dan bersenyawa (bersatu) dengan satu atomoksigenuntuk membentuk molekul air (H2O) pengambilan danpemberian elektorn dalam proseskimia ini akan menyebabkan timbulnya beda potensial listrik antara kutub – kutub baterai tersebut.Proses kimia diatas terjadi secara simultan, yang reaksinya dapat dinyatakan sebagai berikut :

PbO2 + Pb + 2H2SO4 PbSO4 + PbSO4 + 2H2O

Dari reaksi diatas, terlihat pembentukkan timah sulfat (PbSO4) pada pelat-pelat positifdan negatif selama pengosongan (discharge). keadaan ini akan mengurangi reatifitas,sehingga tegangan baterai antara kutub –kutubnya menjadi lemah pula. Setelah bateraimenjadi lemah, maka baterai dapat dikembalikan lagi kedalam keadaan semula denganmemberikan arus listrik yang arahnya berlawanan dengan arus yang terjadi pada saatpengosongan

Pada proses ini setiap molekul air terurai dan tiap pasang ion Hydrogen (2H+) yangdekat dengan dengan pelat negatif bersatu dengan ion negatif sufat(SO4

--) pada pelatnegatif untuk membentuk molekul asam sulfat.sedangkan ion oksigen yang bebasbersatu dengan tiap atom Pb pada pelat positif membentuk PbO2. Reaksi kimia yangterjadi pada proses pengisian (charging adalah sebagai berikut :

PbSO4 + PbSO4 + 2H2O PbO2 + Pb + 2H2SO4

Proses pengisian sel baterai tersebut merupakan kebalikan dari proses yang terjadiselama pengosongan. Selama proses pengisian, olume air dal larutan elektrolit akan

berkurang, sedangkan berat jenis elektrolit akan naik sampai seluruh timah –sulfat(PbSO4) pada pelat –pelat positif dan negatif berubah bentuknya menjadi materialaktif pada masing-masing pelat, dan pada proses pengosongan (discharge) berat jeniselektrolit akan berkurang .

Konstruksi Dan prinsip Kerja Baterai Alkali

Konstruksi Baterai Alkali

Pada kedua macam baterai alkali, yaitu baterai alkali nickel-cadmium (Ni-Cd) dannickel-iron (Ni¬Fe) material aktif dari elektroda-elektroda positif terbuat dari nickel-hydroxide (Ni(OH)3

Sedangkan pelat-pelat negatif, sebagai material aktifnya, adalah : Pada baterai alkali nickel-cadmium, terbuat dari campuran cadmium-hydroxide

(Cd) dan iron- oxide (Fe). Pada baterai alkali nickel-iron, terbuat dari metallic iron sponge (Fe) .

Cairan elektrolitnya berupa larutan alkali (KOH) yang mempunyai berat jenis antara1,180 ± 0,020 gr/cm3 pada temperatur 20°C (68°F).

Diantara pelat-pelat positif dan negatif diberi pemisah atau separator yang terbuat darikayu, karet yang keras, fibre atau dari bahan gelas, seperti halnya separator pada bateraitimah hitam. Pelat-pelat positif, negatif dan separator ditempatkan dalam sebuah bejana(Container), umumnya terbuat dari plastik atau pelat besi nickel. Pelat-pelat ini ditutupdengan penutup (cover), ditengah-tengah penutup ini terdapat lubang (filling-hole) untuktempat pengisian cairan elektrolit dan dilengkapi dengan lubang kecil (vent) untukkeluarnya gas-gas dari cairan elektrolit.

Prinsip Kerja Baterai Alkali

Fungsi utama cairan elektrolit pada baterai alkali adalah bertindak sebagai konduktoruntuk memindahkan ion-ion hydroxide dari satu elektrode ke elektrode lainnya dan halini tergantung dari prosesnya, pengisian atau pengosongan.Bilamana sel baterai alkali dalam proses pengosongan, maka nickelic-hydroxideNiiOH)pertama kali mengalami perubahan menjadi incomplete nike- lic-hydroxide(NiOOH), selama proses reduksi akhirnya arus listrik akan dihasilkan.Proses reaksi kimia pada pengosongan (discharge) dan pengisian (charge) padaelektroda-elektroda sel baterai nickel-cadmium, adalah:

Pengosongan2NiOOH + Cd +2H2O 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2

pengisian

2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 2NiOOH + Cd +2H2O

Sedangkan poses kimia reaksi nickel -iron ,sebgai berikut :

Pengosongan

2Ni(OH)2 + Fe +2H2O 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2

pengisian

2Ni(OH)2 + Fe(OH)2 2Ni(OH)2 + Fe +2H2O

Selama proses pengosongan reaksi pada pelât négatif baterai alkali nickel-cadmium dannickel-iron, adalah :

Cd + 2OH- - 2e- Cd(OH) 2

Fe + 2OH- - 2e- FE (OH) 2

Reaksi-reaksi ini disertai oleh suatu pemindahan elektron-elektron melalui rangkaianluar ke pelat positif. Pada pelat incomplète nickelic hydroxide (NiOOH) mengalamireduksi, adalah :

NiOOH + H2O + e- Ni (OH) 2 + OH-

Selama proses pengisian terbentuk cadmium (Cd) atau besi (Fe) pada pelat négatif,sebagai berikut : '

Cd (OH) 2 + 2e- Cd + 20H-

FE (OH) 2 + 2e- Fe + 20H-

Elektrolit

Jenis Elektrolit.

Cairan atau larutan elektrolit adalah larutan senyawa dalam air yang dapat mengantarkanarus listrik, karena larutan tersebut didalam air dapat menghasilkan bagian-bagian yangbermuatan listrik positif dan négatif. Bagian yang bermuatan positif disebut ion positifdan bagian yang bermuatan négatif disebut ion négatif. Makin banyak ion-ion yangdihasilkan suatu elektrolit maka makin besar daya hantar listriknya. Jenis cairanelektrolit baterai terdiri dari 2 (dua) macam, sebagai berikut : Larutan asam belerang (H2S04). Larutan alkali (KOH). Larutan Asam Belerang-

Larutan asam belerang (H2S04 = sulphuric-acid) adalah elektrolit yang digunakan padabaterai timah hitam. Larutam asam belerang ini dalam air dapat menghasilkan ion-ionhydrogen (2H+) dan ion sulfat (S04

-), dan asam belerang ini mudah terionisasi ataudisebut elektrolit kuat. Berat jenis elektrolit yang diperlukan untuk pengisian kedalamsel baterai adalah 1,190 gr/cm3 pada temperatur 15°C (59°F). Berat jenis nominalelektrolit dalam sel baterai (pada batas "MAX") pada kondisi telah terisi muatan penuh

(fully charged) adalah : 1,210 gr/cm3 pada temperatur 15°C (59°F), dan dalam batas1,205 - 1,215 gr/cm3 pada temperatur 15°C (59°F)

Larutan Alkali

Elektrolit yang digunakan pada baterai alkali adalah potasium hydroxide (KOH) yangberbentuk kristal keras dan berwarna putih, dimana bahan ini dapat larut dengan cepatkedalam air murni. Cairan elektrolit ini dapat ditambahkan lithium-hydroxide, yangberfungsi untuk mencegah suatu perubahan dalam susunan/struktur material-materialaktif pada pelat-pelat positif pada kondisi temperatur tinggi, dengan demikianmempertinggi pemeliharaan dari karakteristik kapasitas baterai. Berat jenis cairanelektrolit dalam sel baterai setelah terisi muatan penuh (fully-charged). adalah 1,180 ±0,020 gr/cnr3 pada temperatur 20°C (68°F).

Pengukuran Berat Jenis Cairan Elektrolit.

Untuk pengukuran berat jenis * cairan elektrolit digunakan alat ukur "Hydrometer".Hydrometer ini terdiri dari sebuah silinder gelas kaca, dimana pada bagian atas gelasdilengkapi dengan pompa karet yang berbentuk bola dan mulut pipa karet yangberfungsi untuk menghisap cairan elektrolit. Didalam silinder diisi sebuah areometerapung yang bertuliskan angka-angka (penunjukkan berat jenis secara langsung) dalamsatuan gr/cm

Karakteristik Baterai

Tegangan. Besar tegangan dari suatu sel baterai ditentukan oleh material pelat-pelatpositif dan negatif, cairan elektrolit dan sistem elektro kimia (electro chemical) yangdigunakan.

Pada sel baterai timah hitam, besar tegangan sel baterai bervariasi dengan beratjenisnya, semakin tinggi harga berat jenis elektrolit dalam sel baterai, maka semakinbesar tegangannya. Besar harga tegangan sel baterai timah hitam dalam keadaan selbaterai "open circuit" pada temperatur 25°C (77°F) dapat dinyatakan sebagai berikut :

Vpc = BD + 0,84Dimana :

V = tegangan sel bateraiBD = berat jenis cairan elektrolit (gr/cm3)

Untuk sel baterai timah hitam yang terisi penuh (fully charged) dengan berat jenis 1,215gr/cm3, maka tegangannya adalah V = 1,215 + 0,84 = 2,055 Volt.

Kapasitas.

Besarnya energi (kapasitas) yang tersimpan pada suatu sel baterai' ditentukan olehbahan, banyaknya material aktif dan elektrolit yang digunakan. Juga ditentukan olehkoefisien penggunaannya (coeficient utilization).Kapasitas suatu baterai, adalah menyatakan besar arus listrik (Ampere) baterai yang

dapat disuplai/dialir- kan ke suatu rangkaian luar atau beban dalam jangka waktu (jam)tertentu, pada tegangan tertentu. Kapasitas baterai (Ah) dinyatakan sebagai berikut :

C = I x tDimana :

C = kapasitas baterai (Ah)I = besar arus yang mengalir (A)t = waktu (jam)

Harga pengosongan (discharge rate)

Karena arus pengosongan (discharge) yang besar akan mengakibatkan turunnyategangan sel baterai, maka kapasitas sel baterai yang dipengaruhi oleh arus pengosongantersebut menjadi terbatas. Jika arus pengosongan (discharge) naik tetapi sirkulasielektrolit tidak bertambah sesuai dengan yang seharusnya, maka tegangan sel bateraiakan turun secara mendadak. Akibat lain dari besar arus pengosongan (discharge) yangbesar, ialah bertambah besar rugi tegangan diantara sel baterai sehingga tegangan yangdisuplai ke beban berkurang.

Temperatur

Proses reaksi kimia akan bertambah besar pada temperatur yang tinggi. Oleh karena itu,bila temperatur baterai naik, maka kapasitas baterai akan bertambah, tetapi umur daribaterai tersebut akan berkurang.

Berat jenis

Berat jenis elektrolit akan mempengaruhi kapasitas suatu baterai, semakin tinggi beratjenis elektrolit, maka elektrolit mempunyai tahanan listrik yang rendah, sehinggategangan terminal sel baterai dapat dipertahankan lebih baik. Dalam perencanaanbaterai, perbedaan berat jenis akan memberikan data kapasitas yang berbeda, tergantungdari type baterai tersebut. Dengan berubahnya berat jenis dari sel baterai akanmemberikan pengaruh terhadap baterai sebagai berikut :

Berat jenis tinggi1. Kapasitas bertambah besar2. Umur lebih pendek3. Arus pengosongan sesaat lebih besar

Berat jenis rendah1. Kapasitas berkurang2. Umur lebih panjang3. Arus pengosongan sesaat lebih kecil

Pengosongan sendiri (self discharging).

Pengosongan sendiri pada suatu sel baterai merupakan suatu kerugian kapasitas baterai.

Hal ini terjadi karena adanya reaksi-reaksi pada pelat-pelat positif dan riegatif. Besarnyaharga pengosongan sendiri terutama tergantung dari temperatur elektrolit, semakin-tinggi temperatur elektrolit semakin tinggi pula harga pengosongan sendirinya. Besarpengosongan sendiri baterai alkali nickel cadmium kira- kira 50% dari kapasitas nominalfj baterai pertahun, sedangkan pada baterai alkali nickel iron nilainya lebih besar. Besarpengosongan sendiri baterai timah hitam lebih besar daripada baterai alkali tersebut.

Effisiensi. Effisiensi suatu baterai didefinisikan sebagai prosentase (%) ratio darikapasitas baterai pada pengosongan (discharge) terhadap kapasitas (Ah) pengisian(charge), yang dinyatakan dalam rumus sebagai berikut

Test Kapasitas Baterai

Metode Pengisian. Metode pengisian (charging), umumnya terdiri dari 3 (tiga) metode,adalah :

Arus konstan (metode I)

Metode pengisian dengan arus konstan adalah menjaga arus pengisian tetap konstanselama pengisian berlangsung. Lamanya waktu yang dibutuhkan untuk pengisiantersebut tergantung pada besar arus pengisian. Baterai telah terisi penuh (fully charged),jika tegangan baterai sudah konstan. Untuk test baterai di Gardu Induk digunakanmetode arus konstan sebesar 0,1 kapasitas baterai.

Tegangan konstan (metode U)Metode pengisian dengan tegangan konstan adalah menjaga tegangan pada terminal-terminal baterai tetap konstan selama pengisian berlangsung.

kombinasi arus konstan dan tegangan konstan (metode UI)

Pada metode UI, adalah menjaga tegangan dan arus tetap konstan pada saat pengisian.Biasanya pemilihan salah satu diantara metode- metode pengisian tersebut diatastergantung dari kondisi kerjanya : Waktu pengisian. ' Perbedaan tegangan (antara tegangan tertinggi pada akhir pengisian dan tegangan

terendah pada akhir pengosongan). Beban yang kontinu.

Metode Pengosongan. Pengosongan baterai (discharge) dilakukan dengan memberikanbeban kepada sampai mencapai tegangan nominalnya pada suatu nilai-tertentu. Untuktest baterai di Gardu Induk digunakan arus pengosongan sebesar 0,2 kapasitas baterai.