Karakteristik kinerja baterai: Spesifikasi, standard dan iklan (1)

Disini akan diuraikan parameter utama yang digunakan untuk mengkarakterisasi kinerja sel. Perhatian terhadap karakteristik ini penting untuk memilih baterai optimum untuk suatu aplikasi.

Baterai adalah sebuah alat yang merubah energi kimia yang terkandung dalam bahan aktifnya secara langsung menjadi energi listrik dengan cara reaksi elektrokimia. Alat ini telah menjadi bagian dari gaya hidup manusia modern sehari-hari karena tanpanya banyak alat yang setia menemani kita sehari-hari tidak berfungsi, mis.: HP, tablet, remote control, jam, dll. Banyak jenis baterai yang ada dipasaran, baik yang tidak dapat diisi ulang (primer) maupun yang dapat diisi ulang (sekunder), dengan berbagai jenis merek seperti ABC, Eveready, Panasonic, Sony, dsb. Baterai primer yang penting adalah baterai kering seng-karbon dan baterai alkaline. Baterai sekunder yang banyak beredar dipasaran antara lain baterai asam timbal (aki), baterai Nikel-Cadmium (NiCad), baterai Lithium-ion, dsb. Secara umum sebuah sel baterai dikemas dalam berbagai jenis kemasan, mis.: AA, AAA, C, D, coin, dsb., disesuaikan dengan dimana baterai tersebut digunakan.

Dalam memasarkan produknya, produsen baterai mungkin ada yang mengiklankan baterainya sebagai Long Life, High Capacity, High Energy, Deep Cycle, Heavy Duty, Fast Charge, Quick Charge, Ultra dan parameter lain yang tidak terdefinisi dengan baik. Hanya beberapa industri atau biro iklan yang mendefinisikan secara pasti apa arti dari masing-masing istilah tersebut. Kata-kata iklan seperti itu dapat berarti apa saja yang penjual inginkan. Terlepas dari rancangan dasar baterai, kinerja sebenarnya tergantung pada bagaimana baterai digunakan dan juga pada kondisi lingkungan dimana mereka digunakan. Namun, kondisi ini jarang diberikan spesifikasinya dalam iklan pemasaran. Bagi konsumen, hal ini bisa sangat membingungkan atau salah arah. Industri baterai sendiri tidak menggunakan istilah-istilah yang membingungkan tersebut untuk memberikan spesifikasi kinerja baterai dan spesifikasi umumnya meliputi pernyataan yang mendefinisikan atau membatasi operasi atau kondisi lingkungan didalam mana kinerja yang diklaim dapat diberikan.

Dalam uraian berikut, parameter kunci yang digunakan untuk mencirikan sel atau baterai akan diuraikan dan bagaimana parameter tersebut mungkin berubah dengan kondisi operasi akan ditunjukkan.

Kurva pemakaian (discharge)

Baterai telah dikembangkan untuk berbagai macam aplikasi menggunakan berbagai teknologi yang berbeda, yang menghasilkan berbagai macam karakteristik kinerja yang tersedia. Grafik-grafik dibawah ini menunjukkan beberapa faktor utama yang harus diperhitungkan oleh teknisi ketika membuat spesifikasi baterai agar cocok dengan kebutuhan kinerja dari produk akhir.

Kimia sel

Tegangan nominal sel galvanis ditentukan oleh karakteristik elektrokimia bahan kimia aktif yang digunakan dalam sel, yang disebut kimia sel. Tegangan sebenarnya yang tampak pada terminal pada sembarang waktu tertentu, tergantung pada arus beban dan impedansi internal sel dan ini berubah dengan suhu, keadaan muatan listrik (state of charge) dan dengan umur sel.

Grafik dibawah menunjukkan kurva pemakaian (discharge) untuk sel menggunakan beberapa kimia sel ketika dipakai pada laju 0,2 C. Ingat bahwa setiap kimia sel memiliki tegangan nominal karakteristiknya dan kurva pemakaiannya sendiri. Beberapa kimia seperti ion lithium memiliki kurva pemakaian yang agak datar sedangkan lainnya seperti asam timbal memiliki kemiringan yang jelas.

Daya yang diberikan oleh sel dengan kurva pemakaian miring turun secara progresif diseluruh siklus pemakaian. Hal ini dapat menimbulkan masalah untuk aplikasi daya tinggi kearah akhir siklus. Untuk aplikasi daya rendah yang membutuhkan tegangan catu stabil, mungkin perlu memberikan pengatur tegangan jika kemiringannya terlalu tajam. Ini biasanya tidak menjadi pilihan untuk aplikasi daya tinggi karena rerugi dalam pengatur tegangan bahkan akan merampok lebih banyak daya dari baterai.

Kurva pemakaian datar menyederhanakan perancangan aplikasi dimana baterai digunakan karena tegangan catu tetap konstan diseluruh siklus pemakaian. Kemiringan kurva menfasilitasi perkiraan keadaan terisi baterai karena tegangan sel dapat digunakan sebagai ukuran isi yang tersisa dalam sel. Sel ion lithium modern memiliki kurva pemakaian yang sangat datar dan metoda lain harus digunakan untuk menentukan keadaan terisi.

Sumbu X menunjukkan karakteristik sel yang dinormalisasi sebagai prosentase dari kapasitas sel sehingga bentuk grafik dapat ditunjukkan tidak tergantung pada kapasitas sel sesungguhnya. Jika sumbu X didasarkan pada waktu pemakaian, panjang setiap kurva pemakaian akan berbanding lurus dengan kapasitas nominal sel.

Karakteristik suhu

Kinerja sel dapat berubah secara dramatis dengan suhu. Pada suhu yang sangat rendah, pada baterai dengan elektrolit air, elektrolit sendiri bisa membeku yang ini merupakan batas suhu  terendah baterai dapat beroperasi. Pada suhu rendah, baterai lithium terkena pelapisan lithium pada anoda yang menyebabkan penurunan permanen dalam kapasitas. Pada suhu yang sangat tinggi, bahan kimia aktif bisa rusak yang ini berarti juga merusak baterai. Diantara dua batasan suhu ini, kinerja sel umumnya meningkat dengan suhu.

Grafik diatas menunjukkan bagaimana kinerja baterai ion lithium rusak ketika suhu operasi turun.

Barangkali yang lebih penting adalah bahwa, untuk keduanya suhu tinggi dan rendah, semakin jauh suhu operasi dari suhu ruang semakin besar terjadinya penurunan siklus hidup.

Karakteristik pemakaian sendiri

Laju memakai sendiri adalah ukuran seberapa cepat sebuah sel akan kehilangan energinya ketika disimpan di rak karena aksi kimia tak diinginkan dalam sel. Laju tersebut tergantung pada kimia sel dan suhu.

Kimia sel

Berikut menunjukkan umur simpan tipikal untuk beberapa sel primer:

• Zinc Carbon (Leclanché) 2 sampai 3 tahun
• Alkaline 5 tahun
• Lithium 10 tahun atau lebih

Laju pemakaian sendiri tipikal untuk sel dapat diisi ulang umum adalah sebagai berikut:

• Asam Timbal 4% sampai 6% per bulan
• Nickel Cadmium 15% sampai 20% per bulan
• Nickel Metal Hydride 30% per bulan
• Lithium 2% to 3% per month

Pengaruh suhu

Laju reaksi kimia tak diinginkan yang menyebabkan kebocoran arus internal antara elektroda positif dan negatif sel, seperti semua reaksi kimia, meningkat dengan suhu. Peningkatan laju reaksi kimia ini akan meningkatkan laju pemakaian sendiri baterai. Grafik dibawah ini menunjukkan laju pemakaian untuk baterai ion lithium.

Impedansi internal

Impedansi internal sebuah sel menentukan kemampuan membawa arusnya. Hambatan internal yang rendah mengijinkan arus yang tinggi.

Sirkuit ekivalen baterai

Diagram sebelah kanan menunjukkan sirkuit ekivalen untuk sel energi.

• Rm adalah hambatan lintasan logam melalui sel termasuk terminal, elektroda dan antar-sambungan.
• Ra adalah hambatan lintasan elektrokimia termasuk elektrolit dan separator.
• Cb adalah kapasitansi pelat sejajar yang membentuk elektroda sel.
• Ri adalah hambatan kontak non-linier antara pelat atau elektroda dan elektrolit.

Hambatan internal tipikal adalah pada tingkat milliohm.

Pengaruh impedansi internal

Ketika arus mengalir melalui sel, terjadi penurunan tegangan pada hambatan internal sel yang menurunkan tegangan terminal sel selama pemakaian dan meningkatkan tegangan yang dibutuhkan untuk mengisi sel. Hal ini mengakibatkan penurunan kapasitas efektif dan efisiensi pengisian/pemakaian. Laju pemakaian yang lebih tinggi menimbulkan penurunan tegangan internal yang lebih besar. Hal ini menjelaskan mengapa pada kurva pemakaian, tegangannya lebih rendah pada laju C tinggi.

Impedansi internal dipengaruhi oleh karakteristik fisik elektrolit. Semakin kecil ukuran granular bahan elektrolit, semakin rendah impedansi sel. Ukuran butir diatur oleh pabrik sel dalam proses penghalusan.

Konstruksi spiral elektroda sering digunakan untuk memaksimalkan luas permukaan dan jadi menurunkan impedansi internal. Ini mengurangi timbulnya panas dan mengijinkan laju pengisian dan pemakaian yang cepat.

Hambatan internal sel galvanis tergantung suhu, yang turun ketika suhu naik karena peningkatan mobilitas electron. Grafik dibawah adalah contoh tipikal.

Jadi sel bisa sangat tidak efisien pada suhu rendah tetapi efisiensinya membaik pada suhu yang lebih tinggi karena impedansi internal yang lebih kecil, tetapi juga peningkatan laju reaksi kimia. Namun, sayang sekali hambatan internal yang kecil juga menyebabkan laju pemakaian sendiri meningkat. Lebih lanjut, umur siklus menurun pada suhu tinggi. Beberapa bentuk pemanasan atau pendinginan mungkin diperlukan untuk menjaga sel dalam kisaran suhu terbatas untuk mencapai kinerja optimum dalam aplikasi daya tinggi.

Hambatan internal sebagian besar kimia juga cenderung meningkat secara signifikan kearah akhir siklus pemakaian ketika bahan kimia aktif dirubah menjadi keadaan terpakainya dan dari sini secara efektif digunakan. Ini merupakan yang paling bertanggung jawab terhadap penurunan yang cepat pada tegangan sel pada akhir siklus pemakaian. Selain itu, efek pemanasan Joule rerugi I²R dalam hambatan internal sel akan menyebabkan suhu sel meningkat.

Penurunan tegangan dan rerugi I²R mungkin tidak signifikan untuk sel 1000 mAh untuk HP tetapi untuk sebuah baterai mobil 100 sel 200 Ah dapat sangat penting. Hambatan internal tipikal untuk baterai HP lithium 1000 mA sekitar 100 sampai 200 mOhm dan sekitar 1 mOhm untuk sel lithium 200 Ah yang digunakan dalam baterai mobil. Ketika beroperasi, penurunan tegangan per sel kira-kira 0,2 V. Rerugi I²R dalam HP Antara 0,1 dan 0,2 W. Namun dalam baterai mobil penurunan tegangan diseluruh baterai kira-kira 20 V dan rerugi daya I²R yang dibuang sebagai panas dalam baterai kira-kira 40 W per sel atau 4 kW untuk seluruh baterai. Ini adalah selain panas yang dihasilkan oleh reaksi elektrokimia dalam sel.

Ketika sel menua, hambatan elektrolit cenderung meningkat. Penuaan juga menyebabkan permukaan elektroda rusak dan hambatan kontak menumpuk dan pada saat yang bersamaan luas efektif pelat berkurang yang menurunkan kapasitansinya. Semua efek ini meningkatkan impedansi sebenarnya sel yang secara berkebalikan memengaruhi kemampuannya untuk bekerja. Membandingkan impedansi sebenarnya sel dengan impedansinya ketika masih baru dapat digunakan untuk memberikan ukuran atau representasi umur sel atau kapasitas efektifnya. Pengukuran seperti itu jauh lebih mudah daripada memakai sel sebenarnya dan dapat diukur tanpa merusak sel yang diuji.

Hambatan internal juga memengaruhi kapasitas efektif sel. Semakin besar hambatan internalnya, semakin besar reruginya ketika dipakai dan diisi ulang, khususnya pada arus yang besar. Ini berarti bahwa untuk laju pemakaian tinggi, kapasitas tersedia sel jadi lebih rendah. Sebaliknya, jika dipakai pada periode waktu yang lama, kapasitas Ah lebih tinggi. Ini penting karena beberapa pabrik menspesifikasi kapasitas baterainya pada laju pemakaian yang sangat rendah yang membuatnya tampak jauh lebih baik daripada yang sesungguhnya.

Bagian 2