Prinsip Kerja Baterai

1. Prinsip Kerja Baterai Laptop (Lithium-ion)

Bateri litium-ion tanpa cairan sebagai bahannya, pertama kali dikembangkan oleh ilmuwan Jepang, Yoshino Akira, yang memadukan karbon, litium dan polimer sebagai anoda. Dan di tahun 1991 untuk pertama kalinya baterai litium-ion diproduksi secara massal oleh Sony Corp berkerja sama dengan Asahi Kasei Corp. Sejak saat itu dan hingga saat ini, baterai litium-ion terus berkembang pesat terutama sebagai sumber energi pada hp dan laptop.

Jika dibandingkan dengan baterai lainnya seperti baterai nikel-metal hidrida, baterai alkaline, dan baterai biasa. Baterai Lithium-ion atau Li-ion lah yang menghasilkan teganagan paling besar.

A. Reaksi Utama di dalam beberapa baterai

1) Fuel cells

Katoda H2O ↔ 2H+ +1/2O2 + 2e-

Anoda 2H+ + 2e- ↔ H2

Reaksi keseluruhan

H2O ↔ H2 +1/2O2

Elektroda : C/Pt , voltase : (teori 1.23 V, kenyataannya ~1.0 V)

2) Baterai Nickel-Metal hydride

KatodaNiII(OH)2 +

OH- ↔ NiIIIOOH + H2O + e-

Anoda M + H2O + e- ↔ MH + OH-

Reaksi keseluruhan

NiII(OH)2 + M ↔ NiIIIOOH + MH

Larutan elektrolit : KOH, voltase : 1.32V

3) Baterai Litium-ion

Katoda LiCOIIIO2 ↔ CoIVO2 + Li+ + e-

Anoda Li+ +e- ↔ Li

Reaksi keseluruhan

LiCOIIIO2 ↔ Li + CoO2

Larutan elektrolit : LiPF6 (larutan karbonat), voltase : 3.70V

Diantara ketiga jenis baterai ini, baterai litium-ion lah yang menghasilkan voltase tertinggi, 2 kali lipat dari yang dihasilkan baterai nickel-metal hydride. Baterai litium menggunakan komposit berstruktur layer, Litium Cobalt Oxide (LiCoO2) sebagai katoda, dan material karbon (dimana litium disisipkan diantara lapisan karbon) sebagai anoda.

Baterai litium ion sendiri terdiri atas anoda, separator, elektrolit, dan katoda. Pada katoda dan anoda umumnya terdiri atas 2 bagian, yaitu bagian material aktif (tempat masuk-keluarnya ion litium) dan bagian pengumpul elektron (collector current).

Proses penghasilan listrik pada baterai litium-ion sebagai berikut: Jika anoda dan katoda dihubungkan, maka elektron mengalir dari anoda menuju katoda, bersamaan dengan itu listrik pun mengalir. Pada bagian dalam baterai, terjadi proses pelepasan ion litium pada anoda, untuk kemudian ion tersebut berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Dan di katoda, bilangan oksidasi kobalt berubah dari 4 menjadi 3, karena masuknya elektron dan ion litium dari anoda. Sedangkan proses recharging/pengisian ulang, berkebalikan dengan proses ini.

Dari berbagai banyak jenis logam, kenapa litium yang sangat menjanjikan untuk anoda? Litium memiliki nilai potensial standar paling negatif (-3.0 V), paling ringan (berat atom:6.94 g), sehingga bila dipakai untuk anoda dapat menghasilkan kapasitas energi yang tinggi.

B. Struktur Penyusun Baterai Lithium-ion

1) Anoda

Anoda terdiri dari 2 bagian yaitu bagian pengumpul elektron dan material aktif. Untuk bagian pengumpul elektron biasanya menggunakan lapisan film tembaga, selain stabil (tidak mudah larut), harganya pun murah. Sedangkan pada bagian material aktif, tidak menggunakan logam litium secara langsung, namun menggunakan material karbon (LiC6).

Hal ini dikarenakan, sulitnya mengkontrol reaksi litium pada permukaan elektroda bila memakai logam litium secara langsung. Material LiC6 adalah grafit dimana disetiap layer/lapisan disisipkan logam litium. Kepadatan energinya dari material ini berkisar 339~372 A h/kg.

Namun salah satu kelemahan utama pada material karbon ini, adalah terjadi irreversible capacity. Yaitu, jika baterai dialiri listrik dari luar untuk pertama kalinya dari keadaan kosong, maka ketika digunakan besar kapasitas/energi yang dilepas tidak sama ketika

proses pengisian. Hal ini dikarenakan terbentuknya gas pada anoda, sehingga menghalangi pelepasan ion litium. Namun hal ini dapat dicegah dengan menambahkan zat adiktif seperti vinylene carbonate ke dalam larutan elektrolit.

Selain material karbon, material berbahan dasar silikon dan Sn merupakan kandidat besar untuk menjadi material anoda masa depan. Li4.4Si dilaporkan memiliki kepadatan energy 4140 A h/kg, 8 kali lipat lebih tinggi dibanding LiC6. Sedangkan Li4.4Sn memeliki kepadatan energy 992 A h/kg. Walaupun memiliki kepadatan energy yang tinggi, material ini memiliki siklus pemakaian yang sedikit (tidak bisa dipakai berulang-ulang) akibat dari perubahan volume material yang signifikan dan terjadinya perubahan fase. Dengan memadukan silikon-karbon, atau komposit silikon (campuran dengan Cu, Sn, Zn, dan Ti) dilaporkan dapat meningkatkan siklus pemakaian anoda.

Kunci dari pengembangan anoda ini adalah tidak hanya pada kepadatan energi yang tinggi namun juga siklus pemakaian (cyclability). Seperti Li4Ti5O12/C, walaupun hanya memiliki kepadatan energy 145 Ah/kg pada suhu 5C, namun bisa dipakai 500 kali siklus dengan kepadatan energy 142 Ah/kg dan menghasilkan potensial yang tinggi 1.5 V. Ditambah dengan keamanan material ini yang tinggi, material ini bukan tidak mungkin dipakai sebagai anoda baterai litium-ion untuk mobil masa depan.

2) Katoda

Saat ini, LiCoO2 umum digunakan sebagai bahan katoda baterai litium ion, yang memiliki kapasitas energi secara teori sebesar 137 A h/kg. Walaupun demikian material komposit ini terbilang tidak stabil dan relatif mahal.

Logam Co termasuk logam yang sulit didapat, sehingga relatif mahal bila dibanding logam transisi lainnya, seperti Mn, Fe dan Ni. Selain itu, LiCoO2 tidaklah sestabil material katoda lainnya dan bisa mengalamai penurunan kualitas scr drastis bila terjadi pengisian ulang yang berlebihan. Karena itu, diperlukan alternatif material katoda yang murah dan stabil.

Selama ini untuk meningkatkan kapasitas dari katoda baterai litium ion, yang digunakan pada laptop, dilakukan penggantian sebagian logam kobalt (Co) dengan logam mangan dan nikel (Li1(Co,Mn,Ni)1O2).

Komposisi ideal adalah seperti Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 yang dilaporkan memiliki kapasitas dan mampu menghasilkan voltase yang lebih tinggi dibandingkan dengan LiCoO2 [2]. Bila logam Co diganti seluruhnya dengan logam Mn dan Ni, dapat meningkatkan kapasitas 30% dari sebelumnya. Namun apabila kandungan Ni tinggi dapat

mengakibatkan masalah pada keamanan/safety. Sedangkan pada penggantian Co dengan Mn memang dapat meningkatkan voltase yg dihasilkan, namun berdampak pada penurunan kapasitas energi.

Material katoda lainnya yang menjanjikan adalah senyawa phosphate (LiMPO4). Contoh dari senyawa ini adalah LiFePO4. senyawa ini memiliki kestabilan yang baik pada temperature tinggi berbeda dengan Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 yang mengalami penurunan kapasitas pada suhu yang tinggi Selain itu karena menggunakan besi yang mudah dijumpai, LiFePO4 pun relatif lebih murah dibandingkan material katoda lainnya.

Senyawa phosphate lainnya adalah LiMnPO4 dan LiCoPO4. Material ini dilaporkan mampu menghasilkan voltase yang tinggi, yaitu masing-masing 4.1 dan 4.8 V, lebih tinggi dibandingkan LiFePO4 (3.5 V), namun sayangnya memiliki kapasitas energi yg rendah. Hal ini dapat diatasi dengan memadukan LiMnPO4 atau LiCoPO4 dengan LiFePO4, yang menghasilkan voltase (4 V) dan kapasitas energi yang cukup tinggi (150~200 Ah/kg). Campuran ini merupakan salah satu calon kuat bahan katoda baterai litium ion untuk mobil. Dengan tingginya voltase yang dihasilkan dapat mengurangi jumlah baterai yang dibutuhkan.

3) Separator

Separator adalah material berpori yang diletakkan diantara anoda dan katoda, yang dapat mencegah terjadinya gesekan antara kedua elektroda tersebut yang dapat menyebabkan arus pendek. Selain itu separator harus dapat dilewati oleh ion lithium dengan baik.

Tidak hanya sebagai pembatas antar elektroda, separator memiliki peranan penting dalam proses penghasilan listrik, pengisian ulang, dan tentunya keamanan pada baterai litium ion sendiri.

Polyolefin sangat umum digunakan sebagai bahan separator, khususnya pada laptop dan hp, karena tipis dan memiliki kestabilan elektrokimia yang baik. Polyolefin sendiri terdiri atas perpaduan antara polypropylene (sbg penyangga utama, backbone) dan polyethylene sebagai pelapis pada lubang/pori-pori.

Polyethylene memiliki sifat meleleh pada suhu diatas 120-130 oC. Apabila panas yang dihasilkan didalam baterai melewati ambang batas, polyethylene akan melelah dan menutup lubang pada separator, mengakibatkan proses perpindahan lithium ion berhenti. Sehingga separator memiliki fungsi utama dalam hal keamanan bila terjadi panas berlebihan.

Sisi negatifnya karena sifat diatas, polyolefin sulit digunakan pada baterai litium ion untuk mobil. Karena ukuran baterai mobil yang besar, memungkinkan terjadinya perubahan suhu yang tinggi secara drastis. Untuk mengatasi masalah tersebut, dilakukan pelapisan Al2O3 atau material keramik lainnya, pada permukaan separator. Sehingga walapun pada suhu tinggi, bentuk dari separator dapat terjaga.

Dapat disimpulkan, separator memiliki peranan penting, khususnya dalam masalah keamanan. Dan agar baterai litium ion bisa digunakan pada mobil, maka diperlukan separator yang kuat, tahan terhadap panas, dan tentunya mudah dilalui ion lithium.

4) Elektrolit

Elektrolit berfungsi sebagai penghantar ion litium dari anoda ke katoda dan begitu pula sebaliknya.

Salah satu jenis elektrolit adalah elektrolit cair. Sesuai dengan namanya elektrolit ini berbentuk cairan, dan pada umumnya mengandung Lithium Hexafluorophosphate (LiPF6) 1.0~1.2 M (mol/L). Untuk melarutkan LiPF6 diperlukan zat pelarut organik yang umumnya terdiri atas campuran senyawa karbonat.

Syarat-syarat zat pelarut organik ini agar bisa dipakai pada baterai litium ion, cukup banyak. Selain harus memiliki sifat fisiknya; bisa dipakai pada suhu -30~80 C, memiliki konduktivitas tinggi, dan viskositas yang rendah sehingga ion litium bisa berpindah dengan mudah, juga harus memiliki sifat kimiawi; stabil, tidak mudah terbakar, dan tidak berbahaya.

Dewasa ini zat pelarut organik yang banyak digunakan pada baterai litium, adalah campuran antara ethylene carbonate (EC) dan dimethyl carbonate (DMC). EC memiliki permitifitas relatif tertinggi (89.8 ) dibanding senyawa karbonat lainnya, namun memiliki viskositas yang cukup tinggi (1.90 cp). Sedangkan DMC berkebalikan dari dengan EC, memiliki viskositas yang rendah (0.59 cP), namun memiliki permitifitas relative yang rendah (3). Dengan mencampur kedua senyawa tersebut dapat melengkapi kekurangan masing-masing.

Selain elektronik cair, juga terdapat elektrolit padat, seperti keramik (inorganik), polimer organik, gel polimer. Elektrolit keramik memiliki karakteristik khusus yaitu semakin tinggi suhu, semakin tinggi konduktivitasnya sehingga cocok untuk aplikasi yang berkerja pada temperatur tinggi. Contoh dari elektrolit keramik inorganik adalah senyawa sulfide (seperti Li2S–P2S5), senyawa oksida (seperti (La,Li)TiO3), dan senyawa phosphate (LiAlGe(PO4)3).

Selain elektrolit keramik, ada juga polymer dan gel polimer. Diantara kedua jenis ini, gel polimerlah yang sudah diaplikasikan pada

baterai litium ion, yang sering disebut baterai litium ion polimer. Baterai jenis ini bisa dijumpai pada laptop.

Gel polimer adalah elektrolit yang mengandung polimer 10-20% (berat). Jenis polimer yang umum digunakan adalah poly(vinylidene fluoride) yang dipadukan dengan Hexafluoropropylene, disingkat PVdF-HFP. Elektrolit gel polimer dapat menghambat terbentuknya kristal lithium berbentuk jarum pada anoda ketika pada kondisi kepadatan arus tinggi.

C. Penyusunan Cell Lithium-ion pada Baterai Laptop

2. Prinsip Kerja Baterai Alkaline

Dinamakan baterai alkalin karena elektrolitnya bersifat alkali atau basa, bukan asam. Nama alkalin diambil dari bahan kimia yang digunakan dalam baterai, yaitu: elektrolit basa kalium klorida. Seperti elektrolit dalam sel kering, bentuknya bukan cairan, sehingga mudah dibawa-bawa.

Merupakan jenis baterai yang paling modern, diperkenalkan pertama kali pada tahun 1960. Baterai ini merupakan penyempurnaan dari baterai biasa karna mempunyai potensial yang relatif tetap dengan waktu penggunaan lebih awet.

Baterai alkalin modern masih menggunakan prinsip-prinsip dasar yang sama dengan tumpukan volta, yaitu menggunakan dua jenis logam yang dipisahkan oleh cairan yang melalukan listrik, disertai dengan terminal negatif dan positif.

A. Prinsip Kerja Baterai Alkaline

Baterai Alkalin menggunakan potasium Hydroxide (Kalium Hidroksida) sebagai elektrolit, selama proses pengosongan (Discharging) dan pengisian (Charging) dari sel baterai alkali secara praktis tidak ada perubahan berat jenis cairan elektrolit.

Fungsi utama cairan elektrolit pada baterai alkalin adalah bertindak sebagai konduktor untuk memindahkan ion-ion hydroxida dari satu elektroda ke elektroda lainnya tergantung pada prosesnya, pengosongan atau pengisian,sedangkan selama proses pengisian dan pengosongan komposisi kimia material aktif pelat-pelat baterai akan berubah.

Proses discharge pada sel berlangsung . Bila sel dihubungkan dengan beban maka, elektron mengalir dari anoda melalui beban ke katoda, kemudian ion-ion negatif mengalir ke anoda dan ion-ion positif mengalir ke katoda. Arus listrik dapat mengalir disebabkan adanya elektron yang bergerak ke dan/atau dari elektroda sel melalui reaksi ion antara molekul elektroda dengan molekul elektrolit sehingga memberikan jalan bagi elektron untuk mengalir.

Pada proses pengisian. Bila sel dihubungkan dengan power supply maka elektroda positif menjadi anoda dan elektroda negatif menjadi katoda.

B. Reaksi Pada Baterai Alkaline

Katoda (+) : 2 NH4+(aq)+ 2 MnO2(s)+ 2 e- ——> Mn2O3(s) + 2

NH3(aq)+ H2O(l)

Anoda (-) : Zn(s) ——> Zn2+(aq) + 2 e-

Reaksi Sel : 2 NH4+(aq) + 2 MnO2(s) + Zn(s) ——> Mn2O3(s) + 2

NH3(aq) + H2O(l) + Zn2+(aq)

C. Struktur Penyusun Baterai Alkaline

1) Anoda Bisa berupa logam maupun

penghantar listrik lain, pada sel elektrokimia yang terpolarisasi jika arus listrik mengalir ke dalamnya. Arus listrik mengalir berlawanan dengan arah pergerakan elektron. Pada proses elektrokimia, baik sel galvanik (baterai) maupun sel elektrolisis, anoda mengalami oksidasi.

2) KatodaKebalikan dari anoda, katoda

adalah elektroda dalam sel elaktrokimia yang terpolarisasi jika arus listrik mengalir keluar darinya. Pada baterai biasa (Baterai Karbon-Seng), yang menjadi katoda adalah seng, yang juga menjadi pembungkus baterai. Sedangkan, pada baterai alkalin, yang menjadi katoda adalah mangan dioksida (MnO2).

3) Pasta ElektrolitMerupakan elektrolit atau mediasi penghantar. Pada batu

baterai kering alkalin (baterai alkalin), amonium klorida yang bersifat asam pada sel kering diganti dengan kalium hidroksida yang bersifat basa (alkali). Dengan bahan kimia ini, korosi pada bungkus logam seng dapat dikurangi.

D. Kelebihan dan Kekurangan Baterai Alkaline

Keuntungan Kekurangan

     Pada pembebanan yang tinggi dan terus menerus, mampu memberikan umur pelayanan 2 – 10 kali pemakaian dari sel leclanche.

     Sekali pakai

     Sangat baik dioperasikan pada temperatur rendah sampai -25 derajat celcius

     Densitas energinya rendah

     Baterai yang sering digunakan adalah zinc-alcaline manganese oxide yang memberikan daya lebih per penggunaannya dibandingkan batere sekunder. zinc-alcaline manganese oxide mempunyai umur (waktu hidup yang lama).

     Agak sulit untuk diproduksi massal

     Tahan terhadap beban berat seperti over charging, over discharging dan tahan lama.

     Biaya metal yang digunakan untuk electrode sangat mahal.