Bagaimanakah Cara dan Prinsip Kerja Baterai?

Bagaimanakah Cara dan Prinsip Kerja Baterai?

Baterai adalah suatu proses kimia listrik, dimana pada saat pengisian/cas/charge energi listrik diubah menjadi kimia dan saat pengeluaran/discharge energi kimia diubah menjadi energi listrik.

Baterai (dalam hal ini adalah aki; aki mobil/motor/mainan) terdiri dari sel-sel dimana tiap sel memiliki tegangan sebesar 2 V, artinya aki mobil dan aki motor yang memiliki tegangan 12 V terdiri dari 6 sel yang dipasang secara seri (12 V = 6 x 2 V) sedangkan aki yang memiliki tegangan 6 V memiliki 3 sel yang dipasang secara seri (6 V = 3 x 2 V).


Baterai 12 Volt


Baterai 6 Volt

Antara satu sel dengan sel lainnya dipisahkan oleh dinding penyekat yang terdapat dalam bak baterai, artinya tiap ruang pada sel tidak berhubungan karena itu cairan elektrolit pada tiap sel juga tidak berhubungan (dinding pemisah antar sel tidak boleh ada yang bocor/merembes).

Di dalam satu sel terdapat susunan pelat pelat yaitu beberapa pelat untuk kutub positif (antar pelat dipisahkan oleh kayu, ebonit atau plastik, tergantung teknologi yang digunakan) dan beberapa pelat untuk kutub negatif. Bahan aktif dari plat positif terbuat dari oksida timah coklat (PbO₂) sedangkan bahan aktif dari plat negatif ialah timah (Pb) berpori (seperti bunga karang).

Pelat-pelat tersebut terendam oleh cairan elektrolit yaitu asam sulfat (H₂SO₄).


Saat baterai mengeluarkan arus
1. Oksigen (O) pada pelat positif terlepas karena bereaksi/bersenyawa/bergabung dengan hidrogen (H) pada cairan elektrolit yang secara perlahan-lahan keduanya bergabung/berubah menjadi air (H₂0).
2. Asam (SO₄) pada cairan elektrolit bergabung dengan timah (Pb) di pelat positif maupun pelat negatif sehigga menempel dikedua pelat tersebut.

Reaksi ini akan berlangsung terus sampai isi (tenaga baterai) habis alias dalam keadaan discharge.

Pada saat baterai dalam keadaan discharge maka hampir semua asam melekat pada pelat-pelat dalam sel sehingga cairan eletrolit konsentrasinya sangat rendah dan hampir melulu hanya terdiri dari air (H₂O), akibatnya berat jenis cairan menurun menjadi sekitar 1,1 kg/dm³ dan ini mendekati berat jenis air yang 1 kg/dm³. Sedangkan baterai yang masih berkapasitas penuh berat jenisnya sekitar 1,285 kg/dm³. Nah, dengan perbedaan berat jenis inilah kapasitas isi baterai bisa diketahui apakah masih penuh atau sudah berkurang yaitu dengan menggunakan alat hidrometer. Hidrometer ini merupakan salah satu alat yang wajib ada di bengkel aki (bengkel yang menyediakan jasa setrum/cas aki). Selain itu pada saat baterai dalam keadaan discharge maka 85% cairan elektrolit terdiri dari air (H₂O) dimana air ini bisa membeku, bak baterai pecah dan pelat-pelat menjadi rusak.

==============================
Ilustrasi baterai dalam keadaan terisi penuh


Ilustrasi baterai saat mengeluarkan arus


Ilustrasi baterai dalam keadaan tak terisi (discharge)


Air memiliki berat jenis 1 kg/dm³ (1 kg per 1000 cm³ atau 1 liter) dan asam sulfat memiliki berat jenis 1,285 kg/dm³ pada suhu 20 derajat Celcius.
kg = kilogram
dm³ = decimeter kubik = liter
cm³ = centimeter kubik / cc (centimeter cubic)
1 dm = 1 liter = 1000 cm³ = 1000 cc
==============================


Saat baterai menerima arus
Baterai yang menerima arus adalah baterai yang sedang disetrum/dicas alias sedang diisi dengan cara dialirkan listrik DC, dimana kutup positif baterai dihubungkan dengan arus listrik positif dan kutub negatif dihubungkan dengan arus listrik negatif. Tegangan yang dialiri biasanya sama dengan tegangan total yang dimiliki baterai, artinya baterai 12 V dialiri tegangan 12 V DC, baterai 6 V dialiri tegangan 6 V DC, dan dua baterai 12 V yang dihubungkan secara seri dialiri tegangan 24 V DC (baterai yang duhubungkan seri total tegangannya adalah jumlah dari masing-maing tegangan baterai: Voltase₁ + Voltase₂ = Voltase_total). Hal ini bisa ditemukan di bengkel aki dimana ada beberapa baterai yang duhubungkan secara seri dan semuanya disetrum sekaligus. Berapa kuat arus (ampere) yang harus dialiri bergantung juga dari kapasitas yang dimiliki baterai tersebut (penjelasan tentang ini bisa ditemukan di bagian bawah).

Konsekuensinya, proses penerimaan arus ini berlawanan dengan proses pengeluaran arus, yaitu :

1. Oksigen (O) dalam air (H₂O) terlepas karena bereaksi/bersenyawa/bergabung dengan timah (Pb) pada pelat positif dan secara perlahan-lahan kembali menjadi oksida timah colat (PbO₂).
2. Asam (SO₄) yang menempel pada kedua pelat (pelat positif maupun negatif) terlepas dan bergabung dengan hidrogen (H) pada air (H₂O) di dalam cairan elektrolit dan kembali terbentuk menjadi asam sulfat (H₂SO₄) sebagai cairan elektrolit. Akibatnya berat jenis cairan elektrolit bertambah menjadi sekitar 1,285 (pada baterai yang terisi penuh).


Cairan elektrolit
Pelat-pelat baterai harus selalu terendam cairan elektrolit, sebaiknya tinggi cairan elektrolit 4 - 10 mm diatas bagian tertinggi dari pelat. Bila sebagian pelat tidak terendam cairan elektrolit maka bagian pada pelat yang tidak terendam tersebut akan langsung berhubungan dengan udara akibatnya bagian tersebut akan rusak dan tak dapat dipergunakan dalam suatu reaksi kimia yang diharapkan, contoh, sulfat tidak bisa lagi menempel pada bagian dari pelat yang rusak, sebab itu bisa ditemukan konsentrasi sulfat yang sangat tinggi dari ruang sel yang sebagian pelatnya sudah rusak akibat sulfat yang sudah tidak bisa lagi bereaksi dengan bagian yang rusak dari pelat. Oleh karena itu kita harus memeriksa tinggi cairan elektrolit dalam baterai kendaraan bermotor setidaknya 1 bulan sekali (kalau perlu tiap 2 minggu sekali agar lebih aman) karena senyawa dari cairan elektrolit bisa menguap terutama akibat panas yang terjadi pada proses pengisian (charging), misalnya pengisian yang diberikan oleh alternator.

Bagaimana jika cairan terlalu tinggi? Ini juga tidak baik karena cairan elektrolit bisa tumpah melalui lubang-lubang sel (misalnya pada saat terjadi pengisian) dan dapat merusak benda-benda yang ada disekitar baterai akibat korosi, misalnya sepatu kabel, penyangga/dudukan baterai, dan bodi kendaraan akan terkorosi, selain itu proses pendinginan dari panasnya cairan elektrolit baterai oleh udara yang ada dalam sel tidak efisien akibat kurangnya udara yang terdapat di dalam sel, dan juga asam sulfat akan berkurang karena tumpah keluar; bila asam sulfat berkurang dari volume yang seharusnya maka kapasitas baterai tidak akan maksimal karena proses kimia yang terjadi tidak dalam keadaan optimal sehingga tenaga/kapasitas yang bisa diberikan akan berkurang, yang sebelumnya bisa menyuplai -katakanlah- 7 ampere dalam satu jam menjadi kurang dari 7 ampere dalam satu jam, yang sebelumnya bisa memberikan pasokan tenaga sampai -katakanlah- 1 jam kini kurang dari 1 jam isi/tenaga baterai sudah habis.


Penyulfatan
Baterai, digunakan ataupun tidak, akan mengeluarkan isinya (maksudnya tenaga baterai keluar/berkurang bukan cairan elektrolit). Bila sedang tidak digunakan maka pengeluaran tersebut terjadi secara perlahan yang biasa disebut pengeluaran isi sendiri (self discharge). Cepat atau lambatnya pengeluaran dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya adalah suhu elektrolit. Sebuah baterai tak terpakai yang berisi penuh akan habis isinya dalam jangka waktu 3 bulan jika elektrolit memiliki suhu 40 derajat Celcius, sedangkan makin dingin suhunya maka makin lambat isi berkurang, contoh, elektrolit yang bersuhu 20 derajat Celcius isinya hanya akan hilang setengah bagian (50%) dalam 3 bulan, dan yang bersuhu 15 derajat Celcius isinya hanya akan berkurang sebesar 7-8% dalam 3 bulan.

Baterai yang sedang mengeluarkan isinya sendiri secara perlahan akan menyulfat. Maksud penyulfatan adalah sulfat timah (PbSO₄) yang terbentuk selama pengeluaran membuat bahan aktif menjadi keras dan mati.

Penyulfatan kadang-kadang bisa dihilangkan dengan pengisian lambat (slow charge) sehingga bagian-bagian dari timah sulfat (PbSO₄) mencapai harga yang normal. Penyulfatan yang sudah terlalu banyak pada satu baterai tidak mungkin dihilangkan, baterai ini harus diganti. Penggantian cairan elektrolit (biasa dikenal dengan pengurasan) tidak akan membantu atau tidak akan banyak membantu karena yang sudah rusak disini adalah pelat-pelatnya, kalaupun berhasil memiliki kapasitas setelah dikuras, dalam waktu yang sangat singkat (tergantung pada tingkat kerusakan pelat-pelatnya) baterai akan lemah (drop) kembali.

Mengatasi penyulfatan
1. Baterai yang tak terpakai disimpan pada ruangan yang bersuhu rendah (suhu yang lebih dingin).
2. Baterai yang tak terpakai diisi dengan arus pengisian yang sangat rendah yaitu dengan pengisian perawatan (maintenance charge) sampai penuh, ATAU, baterai diisi secara teratur tiap bulan.
Pada nomor 2, metode yang paling baik adalah dengan pengisian perawatan (maintenance charge), artinya Anda harus memiliki alat pengisi (charger) (lebih baik lagi kalau kuat arus dari alat tersebut bisa Anda atur kuat lemahnya) yang secara otomatis menghentikan proses pengisian jika baterai sudah terisi penuh dan kembali menghidupkan proses pengisian jika isi baterai mulai berkurang (memiliki fitur deteksi). Jika tidak ada fitur otomatisasi maka terpaksa yang Anda lakukan adalah mengisi baterai secara penuh menggunakan pengisian lambat (slow charge) tiap bulan. Terpaksa disini disebabkan karena baterai yang sudah terisi penuh tidak akan bertambah lagi isinya walaupun tetap terus diisi, selain itu baterai yang terisi penuh akan kian bertambah panas bila terus diisi/disetrum (overcharging) sehingga beresiko merusaknya, ditambah lagi dengan terjadinya penguapan gas, dan terutama bahaya kemungkinan meledak yang pada akhirnya merusak baterai secara total (sama sekali tidak bisa dipergunakan) dan bahkan berbahaya bagi orang yang ada disekelilingnya jika cairan asam dari baterai muncrat dan mengenai orang tersebut! Ingat, cairan asam bisa mengorosi/merusak plat besi, apalagi daging manusia! Termasuk juga cairan accu zur (cairan yang disikan pada baterai baru yaitu saat pertama kali diisi) cukup korosif! Jadi berhati-hatilah jika berhubungan dengan cairan accu zur terlebih lagi cairan yang telah ada dalam baterai!

Kapasitas baterai
Kapasitas baterai adalah jumlah ampere jam (Ah = kuat arus/Ampere x waktu/hour), artinya baterai dapat memberikan/menyuplai sejumlah isinya secara rata-rata sebelum tiap selnya menyentuh tegangan/voltase turun (drop voltage) yaitu sebesar 1,75 V (ingat, tiap sel memiliki tegangan sebesar 2 V; jika dipakai maka tegangan akan terus turun dan kapasitas efektif dikatakan sudah terpakai semuanya bila tegangan sel telah menyentuh 1,75 V). Misal, baterai 12 V 75 Ah. Baterai ini bisa memberikan kuat arus sebesar 75 Ampere dalam satu jam artinya memberikan daya rata-rata sebesar 900 Watt (Watt = V x I = Voltase x Ampere = 12 V x 75 A). Secara hitungan kasar dapat menyuplai alat berdaya 900 Watt selama satu jam atau alat berdaya 90 Watt selama 10 jam, walaupun pada kenyataannya tidak seperti itu (dijelaskan di bawah ini). Kembali ke kapasitas baterai, pada kendaraan bermotor kapasitas ini bisa dianalogikan sebagai volume maksimal tangki bahan bakar namun yang membuat berbeda adalah kapasitas pada baterai bisa berubah-ubah dari nilai patokannya, jadi mirip tangki bahan bakar mobil yang bahannya terbuat dari karet. Sebagai ilustrasi saya beri contoh balon karet, isinya bisa besar jika terus dimasukkan udara atau bisa juga kecil jika udara yang ditiup sedikit saja. Nah, kapasitas baterai juga tidak tetap, mirip contoh balon karet tadi, dimana ada tiga faktor yang menentukan besar kecilnya kapasitas baterai yaitu :

• Jumlah bahan aktif
  Makin besar ukuran pelat yang bersentuhan dengan cairan elektrolit maka makin besar kapasitasnya; makin banyak pelat yang bersentuhan dengan cairan elektrolit maka makin besar kapasitasnya. Jadi untuk mendapatkan kapasitas yang besar luas pelat dan banyaknya pelat haruslah ditingkatkan, dengan catatan bahwa pelat haruslah terendam oleh cairan elektrolit. Dari sini Anda kembali bisa menyadari betapa pentingnya bagi pelat-pelat agar terendam oleh cairan elektrolit karena bagian dari pelat yang tidak terendam sama sekali tidak akan berfungsi bagi peningkatan kapasitas! 
• Temperatur
  Makin rendah temperatur (makin dingin) maka makin kecil kapasitas baterai saat digunakan karena reaksi kimia pada suhu yang rendah makin lambat tidak peduli apakah arus yang digunakan tinggi atapun rendah. Kapasitas baterai biasanya diukur pada suhu tertentu, biasanya 25 derajat Celcius.
• Waktu dan arus pengeluaran
  Pengeluaran lambat (berupa pengeluaran arus yang rendah) mengakibatkan waktu pengeluaran juga diperpanjang alias kapasitas lebih tinggi. Kapasitas yang dinyatakan untuk baterai yang umum pemakaiannya pada pengeluaran tertentu, biasanya 20 jam. Contoh: Baterai 12 V 75 Ah bisa dipakai selama 20 jam jika kuat arus rata-rata yang digunakan dalam 1 jam adalah 3,75 Ampere (75 Ah / 20 h), sedangkan bila digunakan sebesar 5 Ampere maka waktu pemakaian bukannya 15 jam (75 Ah / 5 A) tapi lebih kecil yaitu 14 jam, sedangkan pada penggunaan Ampere yang jauh lebih besar, yaitu 7,5 Ampere maka waktu pemakaian bukan 10 jam (75 A / 7,5 A) tapi hanya 7 jam!
  Hal ini bisa menjadi jawaban bagi mereka yang menggunakan UPS, misal 500 VA atau 500 Watt.hour, yang mana baterai UPS hanya bertahan lebih kurang 5 - 15 menit untuk komputer yang memerlukan daya 250 Watt, padahal kalau berdasarkan hitungan kasar seharusnya bisa bertahan selama 2 jam (500 Watt.hour / 250 Watt).
  Saya beri satu contoh nyata, sebuah aki kering 12 V dan 18 Ah mencantumkan nilai spesifikasi sebagai berikut :
  20 hr @ 0,9 A = 18 A
  5 hr @ 3,06 A = 15,3 A
  1 hr @ 10,8 A = 10,8 A
  1/2 hr @ 18 A = 9 A
  Jika dilihat dari spesifikasi maka aki ini memiliki kapasitas efektif sebesar 18 Ah namun suplai dari aki sebenarnya hanya bisa dilakukan selama :
  - 20 jam jika kuat arus yang dipakai hanya sebesar 0,9 A untuk tiap jam artinya hanya memakai daya sebesar 10,8 Watt/jam (12 V x  0,9 A) --> Kapasitas = 18 Ah (0,9 A x 20 hour)
  - 5 jam jika kuat arus yang dipakai 3,06 A atau berdaya 36,72 Watt/jam (12 V x 3,06 A) --> Kapasitas = 15,3 Ah (3,06 A x 5 hour)
  - 1 jam jika kuat arus yang dipakai 10,8 A atau berdaya 129,6 Watt/jam (12 V x 10,8 A) --> Kapasitas = 10,8 Ah (10,8 A x 1 hour)
  - ¹/₂ jam jika kuat arus yang dipakai sama dengan kapasitas efektifnya yang 18 Ah atau berdaya 216 Watt/jam (12 V x 18 A) --> Kapasitas = 9 Ah (18 A x 0,5 hour)
  Dari sini Anda sudah bisa menyimpulkan bahwa makin rendah arus yang dikeluarkan/dipergunakan maka baterai mampu menyuplai dalam waktu yang lebih panjang artinya kapasitas baterai bisa sama persis dengan kapasitas efektif sebesar 18 Ah bila menggunakan kuat arus seperduapuluh dari kapasitas efektifnya (¹/₂₀ x 18 A) dan sebaliknya semakin besar pemakaian arus makin kecil pula kapasitas baterai yang bahkan bisa cuma mencapai 9 Ah.
  Saya pribadi tidak tahu persis apa rumus yang bisa menghitung hubungan flukutasi arus dengan kapasitas yang dihasilkannya tapi secara kasar -berdasarkan data diatas- pemakain arus sebesar 60% dari kapasitas efektifnya akan bertahan selama 1 jam. Jadi untuk mendapatkan kapasitas baterai yang bisa menyalakan peralatan berdaya 300 Watt selama satu jam digunakan perhitungan berikut :
  - Dapatkan ukuran Ampere, yaitu 25 A (Ampere (I) = Daya / Voltase = P / V = 300 / 12 = 25)
  - Kapasitas efektif dari baterai yang dicari adalah 41,67 Ah (^Ampere / _60% = ^{25 x 100} / ₆₀).

Pengisian baterai/Cas aki/Accu charging
Pengisian arus dialirkan berlawanan dengan waktu pengeluaran isi yang berarti juga bahwa beban aktif dan elektrolit diubah supaya energi kimia bateari mencapai maksimum.
Ada tiga metode pengisian baterai :

1. Pengisian perawatan (maintenance charging) digunakan untuk mengimbangi kehilangan isi (self discharge), dilakukan dengan arus rendah sebesar ¹/₁₀₀₀ dari kapasitas baterai. Ini biasa dilakukan pada baterai tak terpakai untuk melawan proses penyulfatan. Bila baterai memiliki kapasitas 45 Ah maka besarnya arus pengisian perawatan adalah 45 mA (miliAmpere).

2. Pengisian lambat (slow charging) adalah suatu pengisian yang lebih normal. Arus pengisian harus sebesar ¹/₁₀ dari kapasitas baterai. Bila baterai memiliki kapasitas 45 Ah maka besarnya arus pengisian lambat adalah 4,5 A. Waktu pengisian ini bergantung pada kapasitas baterai, keadaan baterai pada permulaan pengisian, dan besarnya arus pengisian. Pengisian harus sampai gasnya mulai menguap dan berat jenis elektrolit tidak bertambah walaupun pengisian terus dilakukan sampai 2 - 3 jam kemudian.

3. Pengisian cepat (fast charging) dilakukan pada arus yang besar yaitu mencapai 60 - 100 A pada waktu yang singkat kira-kira 1 jam dimana baterai akan terisi sebesar tiga per empatnya. Fungsi pengisian cepat adalah memberikan baterai suatu pengisian yang memungkinkannya dapat menstarter motor yang selajutnya generator memberikan pengisian ke baterai.


Hal-hal lain tentang baterai
Baterai yang terawat dengan baik dapat berfungsi sampai beberapa tahun, sebaliknya jika tak terawat, baterai bisa diganti kurang dari satu tahun! Pemegang baterai yang longgar bisa menyebabkan baterai tak tahan lama, kabel starter yang rusak dapat mengakibatkan hubungan singkat sehingga baterai cepat rusak, dan baterai yang kotor dapat menyebabkan arus hilang terutama pada kondisi cuaca yang lembab.

Gas-gas yang menguap pada waktu pengisian baterai dapat meledak sehingga menggunakan api pada ruangan dimana baterai diisi terlarang keras! Selain itu ruangan baterai harus dilengkapi dengan ventilasi yang baik untuk mencegah timbulnya karat karena adanya gas asam sulfur. Campuran timah pada baterai selalu beracun karena itu diperlukan kebersihan dan kehati-hatian ekstra.

Memeriksa kondisi batere tidak bisa hanya dengan mengukur tinggi tegangan/voltase yang dihasilkan tapi juga harus dengan memberikan beban pada baterai tersebut.

Bila mengunakan baterai lebih dari satu dimana kondisinya secara keseluruhan sudah lemah maka seluruh baterai harus diganti jadi tidak bisa hanya sekedar mengganti baterai yang sudah lemah saja! Karena jika sebagian diganti dan sebagian lain masih menggunakan baterai yang lama maka peralatan listrik akan menggunakan karakteristik dari baterai terlemah yaitu baterai lama yang masih dipakai dan berakibat penggantian baterai yang lebih cepat; dalam jangka panjang biayanya justru lebih tinggi daripada mengganti seluruh baterai sedari awal. Selain itu alat pengisi baterai (charger) akan melihat keseluruhan baterai sebagai satu kesatuan baterai sehingga baterai lama ada kemungkinan bisa mengalami overcharging dan baterai baru mengalami undercharging yang pada akhirnya mengakibatkan kerusakan baterai secara total terlebih lagi hasil dari baterai gabungan tersebut menyebabkan peralatan listrik tidak bekerja/berjalan secara memadai.

Aki kering maupun basah memiliki prinsip kerja yang sama termasuk pengisian arusnya. Jadi substitusi dimungkinkan terjadi namun perlu diperhatikan karakteristik dari peralatan yang menggunakannya dan sistem yang ada.


Sumber : DISINI

View the Original article

Posted in: Bagaimanakah,Baterai?,Kerja,Prinsip