Tugas 2 Desain Produk Industri (DPI)

06 Oktober 2014

Nama : Al Qohyum Fernando 1107120217

Andi Mulya Adha 1107111940

Nurul Afifah 1107120009

Nur Khairiati 1107114208

Kelas : T.Kimia S1/A

Tugas : Inovation Maps

Baterai sebagai komponen elektronika perannya tidak bisa diremehkan.

Sebagai komponen yang mampu menyimpan energy listrik selama waktu tertentu,

peran baterai sangat penting. Apalagi di era perkembangan alat elektronika saat

ini yang lebih mengutamakan device dengan kemampuan yang handal dan yang

paling penting memiliki tingkat fleksibilitas dan mobilitas yang sangat tinggi.

Karena alasan itulah saat ini teknologi tentang jenis-jenis baterai sangat

berkembang. Selain peran baterai yang sangat penting, baterai juga memerlukan

perlakuan khusus dalam perawatan. Hal itu dikarenakan cara kerja baterai yang

mengutamakan reaksi kimia di dalamnya dan disertai dengan reaksi-reaksi

samping yang membuat baterai berkurang life-timenya. Sehingga perlakuan

baterai pada saat penggunaan, pengisian serta perawatan-perawatan yang lainnya

sangat perlu diperhatikan. Hal ini dilakukan untuk membuat kondisi baterai tetap

stabil dan dapat memperpanjang lifetime dari baterai itu sendiri.

1. Baterai Nickel-Cadmium (NiCd)

Merupakan merek dagang terdaftar dari SAFT Corporation. Baterai Nickel

Cadmium yang (NiCd) yang di produksi pertama kali tahun 1946, terbuat dari

campuran nikel dan cadmium. Baterai nikel-kadmium merupakan baterai kering

yang dapat diisi ulang. Sel ini biasanya disebut nicad atau bateray nickel-

cadmium. Reaksi yang terjadi pada baterai nikel – kadmium adalah :

Cd(s) + 2OH-(aq) → Cd(OH)2(s) + 2e- (anoda)

NiO2(s) + 2H2O + 2e- → Ni(OH)2(s) + 2OH-(aq) (katoda)

Reaksi keseluruhan adalah:

Cd(s) + NiO(aq) + 2H2O(l) → Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s)

Baterai NiCd adalah tipe rachargeable baterai paling lama yang ada di

dunia, dan karena kapasitasnya yang besar. Biasanya digunakan untuk ponsel

jenis lama yang membutuhkan tenaga besar. Saat ini sangat jarang atau bisa

dikatakan tidak ada lagi yang menggunakan baterai jenis ini.

Baterai baru harus di charge 12 jam nonstop dan selanjutnya charge saat baterai

sudah benar benar habis atau kalau perlu discharge di desktop charger dahulu

sebelum menchargernya

Mempuyai permanen memory effect bila dicharge pada saat tidak benar

benar habis, sehingga baterai semakin lama kapasitasnya semakin menurun dan

akhirnya mati total.

Kekurangan dan kelebihan pada baterai NiCd, yaitu:

(+) kemampuan dalam menangani beban tinggi

(+) 5x lebih cepat di charge dibandingkan dengan baterai NiMH

(+) 20X lebih cepat dibandingkan baterai lithium karena bisa menggunakan fast

charger

(-) ukuran dan beratnya yang besar

(-) proses charging yang merepotkan

(-) kapasitas simpan yang rendah

(-) rasio daya/berat yang lebih rendah

(-) adanya efek memory

(-) baterai yang telah di charge dapat kosong sendiri walaupun tidak dipakai,

sekitar 22% energinya hilang dalam 24 jam.

 

 

            Seperti yang terlihat pada Gambar 1, Komponen penyusun baterai NiCd

adalah elektroda positif (Nikel hidrat (NiOOH)), elektroda negatif (Cadmium),

separator (berserat-serat/fibrous), case (sebagai pelindung baterai), sealing

plate (menjaga sistem dari interferensi zat lain seperti CO2, yang dapat bereaksi

dengan 2KOH membentuk K2CO3, dan menyebabkan terbentuknya CdCO3, yang

keduanya dapat mengganggu siklus dalam baterai), insulation ring, dan insulation

gasket.

Masih sesuai dengan ilustrasi pada Gambar 1, kedua elektroda dalam baterai

NiCd dipisahkan oleh separator yang berserat dan memungkinkan gas untuk

melaluinya. Menurut pengamatan Anna Cyganowski pada baterai Sanyo Cadnica

KR-1300 SC (1.2 V, 1300 mAh) berusia 10 tahun dengan menggunakan

mikroskop optis Leitz perbesaran 3 hingga 25 kali, bahan penyusun separator

adalah polypropylene/polyamine, seperti nylon.

Zat elektrolit yang digunakan pada baterai NiCd adalah aqueous KOH

dengan konsentrasi 20-34% berat murni KOH. Tetapi, masih berdasarkan

pengamatan Anna Cyganowski pada baterai yang sama dengan alat yang sama,

zat elektrolit yang ada pada baterai teramati sebagai serbuk padat. Pada penjelasan

selanjutnya, keterangan literatur akan digunakan.

Selama penggunaan baterai sebagai sumber energi listrik bagi berbagai alat

elektronik, baterai NiCd melakukan reaksi kimia. Adapun prinsip Elektrokimia

Gambar 1. Penampang baterai NiCd

yang bekerja adalah bahwa pada baterai terjadi reaksi oksidasi dan reduksi yang

menyebabkan pergerakan elektron, sehingga dihasilkan arus listrik. 

2. Baterai Nickel-Metal Hydride (NiMH)

Dikembangkan akhir tahun 1980 merupakan pengembangan dari Nicad dan

merupakan generasi baru dari rechargeable battery. Campuran dari nikel dan

logam lain seperti titanium dan biasanya juga mengandung logam lain seperti

mangan, aluminium, kobalt, zirkonium dan vanadium.

Keuntunganya dibanding Nicad : beratnya yang lebih ringan serta memory

effect yang bersifat temporary tapi bisa menjadi permanen bila proses charging

tidak benar.

(+) lebih ringan

(+) lebih ramah lingkungan tapi tidak bisa dibuang begitu saja karena ada proses

khusus untuk me-recycle

(+) menyimpan energi 2x lebih banyak dibandingkan NiCd

Untuk baterai baru paling tidak dicharge 12 jam. Tidak perlu melakukan

discharge untuk pengisian selanjutnya. Bisa melakukan charging walaupun belum

habis dengan konsekuensi baterai akan cepat habis tp hanya berlangsung secara

temporer karna bila baterai sudah benar benar habis dan dilakukan charging lagi

maka performa baterai akan kembali seperti semula.

(-) 6-16% energi akan hilang dalam 4 jam.

Gambar 2. Baterai NiCd

3. Baterai Lithium-Ion (Li-Ion)

Li-ion baterai merupakan baterai generasi ke 3 dari rechargeable baterai.

Baterai ini pertama kali diproduksi pada tahun 1991 yang menggunakan elektroda

positif (kobalt litium oksida, lithium besi fosfat, atau lithium mangan oksida),

elektroda negaif (biasanya grafit), dan elektrolit (etilen karbonat, dietil

karbonat).Baterai jenis Li-Ion (Lithium-Ion) merupakan jenis Baterai yang paling

banyak digunakan pada peralatan Elektronika portabel seperti Digital Kamera,

Handphone, Video Kamera ataupun Laptop. Baterai Li-Ion memiliki daya tahan

siklus yang tinggi dan juga lebih ringan sekitar 30% serta menyediakan kapasitas

yang lebih tinggi sekitar 30%.

Jika dibandingkan dengan Baterai Ni-MH :

(+) Baterai Li-Ion lebih ramah lingkungan karena tidak mengandung zat

berbahaya Cadmium. Sama seperti Baterai Ni-MH (Nickel- Metal Hydride),

Meskipun tidak memiliki zat berbahaya Cadmium

(-) Baterai Li-Ion tetap mengandung sedikit zat berbahaya yang dapat merusak

kesehatan manusia dan Lingkungan hidup, sehingga perlu dilakukan daur ulang

(recycle) dan tidak boleh dibuang di sembarang tempat.

Gambar 3. Baterai NiMH

Pengembangan baterai lithium-ion terjadi berkat adanya penemuan bahwa

ion lithium dapat bergerak (slip) pada daerah antar lapisan atom dalam Kristal

tertentu yang disebut interlaksi. Pergerakan ion lithium terjadi diantara Kristal

grafit dan LiCoO2. Material inilah yang digunakan sebagai elktroda dalam baterai

ion lithium. Sebagai elektrolit digunakan bahan cair yang biasanya mengandung

LiPFP6.

Baterai ion lithium diproduksi dalam keadaan kosong dimana tidak terdapat

ion lithium diantara karbon dalam grafit. Ketika diisi, ion lithium dari LiCoO 2

akan bergerak melalui elektrolit menuju elektroda grafit. Untuk kesetaraan

muatan, aliran ion ini akan disertai aliran electron pada rangkaian luar seingga

menghasilkan arus listrik. Baterai lithium-ion menghasilkan potensial sebesar 3,7

volt atau tiga kali lebih besar dibandingkan dengan baterai NiCd.

4. Baterai Lithium-Polymer (Li-Poly)

Baterai Li-Poly adalah generasi terbaru dari rechareable baterai yang

pertama kali diproduksi pada tahun 1996. Baterai lithium-polymer muncul lebih

akhir dibandingkan lithium-ion. Pada dasarnya memiliki komponen yang sama

denegan baterai lithium-ion. Perbedaan utama terletak pada bahan pemisah atau

bagian dimana ion bergerak di antara elektroda. Baterai lithium-polymer, pemisah

terbuat dari polimer mikro-pori yang dilapisi gel elektrolit.

Lithium-polymer berbeda dengan jenis baterai lainnya jika dilihat dari segi

elektrolit yang digunakan. Lithium-polymer pertama kali dikembangkan pada

Gambar 1. Baterai Li-Ion

tahun 1970-an dengan menggunakan elektrolit polimer yang keras. Elektrolit ini

seperti sebuah plastik yang tentu saja tidak bisa menghantarkan listrik, namun

dapat saling bertukar ion elektrik. Elektrolit polimer menggantikan porous

separator traditional yang ada di jenis baterai lainnya. Kelebihan dan kekurangan

yang terdapat pada lithium-polymer, yaitu :

(+) memiliki tingkat self-discharge yang sangat rendah (lebih tahan lama).

(+) Ringan

(+) tersedia dalam berbagai bentuk

(-) memiliki kepadatan energi rendah

(-) mahal

(-) memiliki umur simpan yang relatif pendek

(-) tidak dapat diganti oleh pengguna

Desain dari polimer kering biasanya diperuntukkan untuk keamanan dalam

penggunaanya dan memiliki ukuran cell yang kecil, yaitu 0.1 mm. Namun,

polimer kering memiliki kondaktivitas yang buruk. Resistensi internal terlalu

tinggi dan tidak dapat mentenagai berbagai perangkat komunikasi modern saat ini.

Untuk mengatasi hal tersebut, elektrolit berbentuk gel harus ditambahkan.

Cell-nya akan menggunakan sebuahseparator / membran elektrolit yang disiapkan

Gambar 2. Baterai Li-Poly

dari porous polyethylene atau polypropylene tradisional yang diisi dengan

polymer.

5. Baterai Graphene

Graphene adalah material dengan ketebalan yang hanya 1 atom dan, seperti

berlian, hanya tersusun dari unsur karbon (C) namun membentuk pola segi enam

dalam 2 dimensi. Pada tahun 2002, seorang Profesor di Universitas Manchester

Inggris bernama Prof. Andre Geim berpikir untuk memecahkan masalah

ketidakstabilan Graphene di alam bebas agar bisa dimanfaatkan untuk ilmu

pengetahuan. Kemudian bergabung bersamanya seorang mahasiswa PhD yang

bernama Kostya Novoselov untuk melakukan riset intensif.

Pada tahap awal riset, mereka berdua menempuh pendekatan untuk

memoles bongkahan graphite (bahan yang sehari-hari kita temukan pada ujung

pensil biasa) menjadi irisan setipis mungkin. Lalu hasil irisan tersebut dipoles

lagi, pada arah yang tepat, sampai dihasilkan lapisan setebal 1 nanometer. Riset

yang panjang dan melelahkan, namun kualitas graphene yang diperoleh tidak

mencapai target yang diinginkan. Irisan tersebut tidak stabil dan lapisan graphene

setebal 1 atom ditemukan dalam populasi yang sangat sedikit.

Akhirnya sebuah informasi aneh didapatkan dari seorang kolega senior

Novoselov bernama Oleg Shklyarevskii yang awalnya ditemukan secara tidak

sengaja. Oleg Shklyarevskii mengatakan bahwa sebuah isolasi biasa yang

ditempelkan pada permukaan graphite kemudian dikelupas dan dibersihkan

mampu menghasilkan lapisan graphene yang lebih tipis dari 1 nanometer.

Terdorong oleh gagasan tersebut, pendekatan baru ditempuh. dari memoles,

dibalik menjadi mengupas graphite. Dan pada tahun 2003, akhirnya Novoselov

berhasil memperoleh lapisan graphene setebal 1 atom carbon yakni 1/10

nanometer dan temuan ini dipublikasikan pada tahun 2004.

Perlombaan untuk memanfaatkan potensi graphene, sebuah variasi molekul

karbon yang lebih keras daripada berlian, namun sangat fleksibel, dan merupakan

konduktor terbaik di dunia listrik sedang dimulai. Mereka berdua akhirnya

dianugerahi hadiah nobel pada tahun 2010. Bahkan memperoleh gelar Sir dari ratu

Inggris. Saat ini Novoselov telah menjadi seorang Profesor dan memimpin Institut

Graphene, sebuah institusi  yang didanai 500 milyar untuk mendalami

pemanfaatan graphene, bentukan pemerintah Inggris. Ketika lembar graphene

tersebut diuji semua karakteristik fisika dan kimianya ditemukan:

1. Graphene lebih kuat dari pada berlian. Ketika direndam di dalam cairan yang

bisa menghancurkan berlian, graphene tetap bertahan.

2. Elektron mengalir dengan sangat baik, bahkan lebih baik daripada kabel biasa.

Kecepatan aliran listrik di dalam graphene hampir secepat cahaya yang

mengalir dalam serat fiberoptik.

3. Graphene sangat tipis, hanya berukuran 1 atom namun rantainya lebih kuat dari

material lain yang berukuran jauh lebih tebal.

4. Graphene berbentuk lembaran seperti layaknya lembaran karet.

Meskipun teori awal Graphene telah dimulai sejak tahun 1947, namun cara

untuk mengekstraknya baru ditemukan pada tahun 2003 tersebut: Pensil dan

Selotip. Jadi penemuan Graphene ini masih baru sekali. Peluang untuk

pemanfaatannya pun masih terbuka lebar. Posisi graphene dalam hidup sehari-hari

bisa dibilang setara dengan plastik: murah karena supplai yang melimpah dan

mudah didapat, namun pemanfaatannya luas sekali. Berikut ini aplikasi

pemanfaatan graphene:

1. Layar sentuh yang tidak bisa robek untuk ponsel yang bisa ditekuk seperti tali

jam di pergelangan tangan anda,

2. Sebuah revolusi dalam diagnosa medis, pemberian obat dan perangkat bionik,

3. Lapisan pelindung untuk segala sesuatu mulai dari kemasan makanan maupun

untuk turbin angin,

4. Sebuah penyaring air segar  melalui membran desalinasi yang bahkan mampu

menyaring limbah radioaktif,

5. Chip komputer yang secara dramatis lebih cepat dan tentu saja broadband,

6. Panel surya yang bisa dicat atau cukup disemprotkan ke permukaan apapun,

dan

7. Penemuan terakhir mengenai baterai revolusioner dengan kapasitas jauh lebih

tinggi daripada yang kita gunakan saat ini namun dengan waktu charge yang

sangat singkat

Graphene telah menarik banyak investasi jutaan dollar untuk

pengembangannya. Tak terkecuali bidang baterai. Baterai Graphene sebenarnya

adalah sebuah kapasitor, atau lebih tepatnya ultra kapasitor. Jadi tidak terjadi

reaksi kimia apapun selama pengoperasiannya. Electron hanya dimampatkan saja

di dalamnya. Dan karena terbuat dari bahan yang sama dengan pensil, maka tidak

berbahaya bagi lingkungan.

Baterai isi ulang (seperti Li-ion) yang kita pakai sekarang ini untuk daya

telepon genggam, laptop, dan sebagainya itu mempunyai kepadatan tinggi

sehingga mampu menyimpan daya listrik cukup besar. Sayangnya, waktu isi

ulangnya lama. Setidaknya satu jam sampai terisi penuh. Itu juga mengapa mobil

listrik yang mulai marak saat ini tidak bisa mengandalkan daya listriknya dari

baterai jenis ini. Butuh tambahan superkapasitor, terutama saat membutuhkan

daya elektrik besar, seperti saat akselerasi atau mengerem.

Para peneliti dari Rensselaer Polytechnic, New York, Amerika Serikat, yang

dikomandoi oleh Nikhil Koratkar, ahli materi nano, berhasil menemukan jalan

masalah tersebut. Mereka menciptakan baterai jenis baru yang mampu

menyimpan daya listrik dalam jumlah besar, namun juga cepat mengisi ulangnya

yang terbuat dari graphene. Baterai ini mampu menggantikan peran duet

baterai lithium dan superkapasitor yang dibutuhkan oleh mobil listrik.

Para ilmuwan itu awalnya membuat selembar kertas dari material tertipis di

dunia, graphene. Kertas super tipis itu kemudian disinari dengan cahaya kuat

seperti laser atau lampu kilat kamera untuk menciptakan banyak ruang, pori-pori,

retakan di material karbon tersebut. Ruang-ruang dan pori-pori di struktur tersebut

merupakan “jalan pintas” ion untuk masuk atau keluar, sehingga proses isi ulang

daya menjadi jauh lebih singkat 10 kali lebih cepat dibandingkan dengan baterai

grafit biasa. Keluarnya oksigen tersebut meninggalkan ruang-ruang kosong di

struktur graphene terebut. Tekanan dari proses keluarnya oksigen tersebut juga

menyebabkan ketebalannya bertambah beberapa kali kali lipat, namun kerapatan

atomnya sangat renggang. Untuk ukuran fisik sebesar baterai hape masa kini,

baterai Graphene cukup dicharge pada voltase 4-5 volt selama 80 detik untuk

penuh.

Gambar 1. Pori-pori graphene Gambar 2. Material graphene

Gambar 3. Baterai graphene