Karakteristik kinerja baterai: Spesifikasi, standard dan iklan (2)

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

Bagian 1

Laju Pemakaian

Kurva pemakaian sel ion lithium dibawah menunjukkan bahwa kapasitas efektif sel turun jika sel dipakai pada laju yang sangat tinggi (atau sebaliknya meningkat dengan laju pemakaian kecil). Ini disebut kapasitas pengimbang dan efeknya biasa dijumpai pada hampir semua kimia sel.

kurvakapasitas

Beban baterai

Kinerja pemakaian baterai tergantung pada beban baterai yang harus dipasok. Jika pemakaian berlangsung pada periode lama selama beberapa jam seperti dengan beberapa aplikasi laju tinggi seperti mobil listrik, kapasitas efektif baterai bisa jadi sebesar dua kali kapasitas yang ditetapkan pada laju C. Ini bisa merupakan hal terpenting ketika merancang ukuran baterai mahal untuk pemakaian daya tinggi. Baterai elektronika konsumen kapasitas daya rendah umumnya dispesifikasi untuk pemakaian pada laju C sedangkan SAE menggunakan pemakaian pada periode diatas 20 jam (0,05C) sebagai kondisi standar untuk mengukur kapasitas Ah baterai mobil. Grafik dibawah menunjukkan bahwa kapasitas efektif baterai asam timbal pemakaian dalam hampir dua kalinya ketika laju pemakaian diturunkan dari 1,0C menjadi 0,05C. Untuk waktu pemakaian kurang dari satu jam (Laju C tinggi), kapasitas efektif turun secara dramatis.

Keefektifan pengisian secara serupa dipengaruhi oleh laju pengisian.

kapasitaswaktu

Ada dua kesimpulan yang bisa ditarik dadri grafik ini:

  • Perhatian harus dicoba ketika membandingkan spesifikasi kapasitas baterai untuk menjamin bahwa digunakan laju pemakaian yang sebanding.
  • Dalam aplikasi otomotif, jika laju arus tinggi digunaka secara teratur untuk percepatan berat atau untuk tanjakan, jarak tempuh kendaraan akan berkurang.

Siklus beban

Siklus beban berbeda untuk setiap aplikasi. Aplikasi mobil listrik dan mobil listrik hibrida mengenakan beban variable khusus pada baterai. Baterai stasioner yang digunakan pada aplikasi penyimpan energy grid terdistribusi mungkin memiliki perubahan keadaan terisi yang sangat besar dan beberapa siklus per hari.

Penting untuk mengetahui berapa energi digunakan per siklus dan merancang untuk luaran energi maksimum dan pengiriman daya, bukan rata-ratanya.

Catatan: Sebagai informasi

  • Mobil listrik kecil tipikal akan menggunakan antara 90 sampai 160 Wh energi per km dengan berkendara normal. Jadi, menempuh 100 km pada 120 Wh per km, akan dibutuhkan kapasitas baterai 12 kWh.
  • Mobil listrik hibrida menggunakan baterai yang lebih kecil tetapi baterai tersebut  40C. Jika mobil menggunakan rem regenerasi baterai juga harus menerima laju pengisian yang sangat tinggi agar efektif.

Persamaan Peukert

Persamaan Peukert merupakan cara yang mudah untuk mencirikan perilaku sel dan mengkuantifikasi pengganti kerugian kapasitas dalam istilah matematika. Ini merupakan rumus empiris yang memperkirakan bagaimana kapasitas tersedia baterai berubah menurut laju pemakaian:

C = I T

dimana “C” adalah kapasitas teoritis baterai yang dinyatakan dalam Ah, “I” adalah arus, “T” adalah waktu dan “n” adalah bilangan Peukert, tetapan untuk baterai yang diberikan. Persamaan ini menunjukkan bahwa pada arus listrik yang besar, energy yang tersedia dalam baterai semakin kecil. Bilangan Peukert berhubungan secara langsung dengan hambatan internal baterai. Arus listrik yang lebih besar berarti semakin besar rerugi dan semakin kecil kapasitas tersedia.

Nilai bilangan Peukert menunjukkan seberapa bagus baterai berkinerja pada arus listrik berat terus menerus. Nilai yang mendekati 1 menunjukkan bahwa baterai berkinerja dengan baik; semakin besar bilangan, semakin besar kapasitas hilang ketika baterai dipakai pada arus listrik besar. Bilangan Peukert baterai ditentukan secara empiris. Untuk baterai asam timbal bilangan ini tipikalnya Antara 1,3 dan 1,4.

KurvaPeukert

Grafik diatas menunjukkan bahwa kapasitas baterai efektif turun pada laju pemakaian terus menerus yang sangat besar. Namun dengan pemakaian yang terkadang berhenti, baterai mempunyai waktu untuk mengembalikan energi selama periode berhenti ketika suhunya juga akan kembali kearah tingkat ambient. Karena potensialnya untuk sembuh ini, pengurangan kapasitas lebih kecil dan efisiensi operasi lebih besar jika baterai digunakan tidak terus menerus seperti ditunjukkan oleh garis putus-putus.

Ini berkebalikan dengan perilaku mesin pembakaran dalam yang beroperasi paling efisien dengan beban tetap secara terus menerus. Dalam sudut ini daya listrik merupakan penyelesaian yang lebih baik untuk memberikan kendaraan yang terkena beban terputus-putus.

Plot Ragone

Plot Ragone berguna untuk mencirikan pertukaran Antara kapasitas efektif dan penanganan daya. Ingat bahwa plot Ragone biasanya didasarkan pada skala logaritma.

Grafik dibawah memnunjukkan densitas energi gravimetrik superior sel ion lithium. Ingat bahwa sel ion lithium dengan anoda lithium titanate (Altairno) mengirimkan densitas daya yang sangat besar pada densitas energi yang kecil.

Densitas daya dan energi - Plot Ragone
Densitas daya dan energi – Plot Ragone

Plot Ragone dibawah membandingkan kinerja beberapa alat elektrokimia. Plot tersebut menunjukkan bahwa ultrakapasitor (superkapasitor) mampu mengirimkan daya yang sangat tinggi tetapi kapasitas penyimpanannya sangat terbatas. Sebaliknya, sel bahan bakar dapat menyimpan jumlah energi yang besar tetapi memiliki luaran daya yang relatif kecil.

Plot Ragone untuk alat elektrokimia
Plot Ragone untuk alat elektrokimia

Garis dengan kemiringan pada plot Ragone menunjukkan waktu relatif untuk mendapatkan muatan listrik masuk atau keluar alat. Pada salah satu ekstrim, daya dapat dipompa masuk kedalam, atau diambil keluar dari, kapasitor dalam mikro detik. Ini membuatnya ideal untuk menangkap energi regeneratif pada aplikasi mobil listrik. Pada ekstrim yang lain, sel bahan bakar memiliki kinerja dinamis yang sangat jelek, memerlukan waktu  beberapa jam untuk menghasilkan dan mengirimkan energi. Ini membatasi aplikasinya pada aplikasi mobil listrik dimana sel bahan bakar sering digunakan secara bersamaan dengan baterai atau kapasitor untuk mengatasi masalah ini. Baterai lithium terletak diantaranya dan menyediakan kompromi yang masuk akal diantara keduanya.

Kinerja denyut

Kemampuan untuk mengirimkan denyut arus listrik tinggi merupakan salah satu syarat dari banyak baterai. Arus listrik yang membawa kapasitas sel tergantung pada luas permukaan efektif. Namun, batas arus dibatasi oleh laju dimana reaksi kimia terjadi dalam sel. Reaksi kimia atau “transfer muatan listrik” berlangsung pada permukaan elektroda dan laju awal ini bisa cukup tinggi ketika bahan kimia didekat elektroda dirubah. Namun, begitu ini terjadi, kecepatan reaksi menjadi terbatasi oleh kecepatan dimana bahan kimia aktif pada permukaan elektroda dapa diisi lagi oleh difusi melalui elektrolit pada proses yang disebut “perpindahan massa.” Prinsip yang sama berlaku untuk proses pemakaian. Dengan demikian, arus berdenyut dapat secara substansial lebih besar daripada laju C yang mencirikan kinerja arus terus menerus.

Umur Siklus

Ini merupakan salah satu parameter kunci kinerja sel dan memberikan indikasi umur kerja yang diharapkan dari sel.

UmurSiklus

Umur siklus didefinisikan sebagai jumlah siklus sebuah sel dapat bekerja sebelum kapasitasnya turun menjadi 80% dari kapasitas awalnya yang ditetapkan.

Setiap siklus pemakaian – pengisian, dan siklus transformasi terkait dari bahan kimia aktif yang ada, diikuti oleh perusakan lambat bahan kimia dalams sel yang tidak akan teramati oleh pemakai. Perusakan ini bisa akibat dari aksi kimia yang tak diinginkan dan tak dapat dicegah dalam sel atau pertumbuhan Kristal atau dendrite yang merubah morfologi partikel yang menyusun elektroda.Kedua peristiwa ini mungkin memiliki efek menurunkan volume bahan kimia aktif dalam sel, dan dari sini kapasitasnya, atau meningkatkan impedansi internal sel.

Ingat bahwa sel tidak mati secara mendadak pada akhir umur siklus yang ditetapkan tetapi melanjutkan kerusakan lambatnya sehingga sel tetap berfungsi normal kecuali kapasitasnya akan secara signifikan lebih kecil daripada ketika masih baru.

Umur siklus seperti yang didefinisikan diatas merupakan cara yang berguna untuk membandingkan baterai pada kondisi terkontrol, tetapi tidak memberikan indikasi terbaik umur baterai pada kondisi operasi sesungguhnya.Sel jarang dioperasikan pada kondisi siklus pemakaian – pengisian sempurna berturut-turut, sel sepertinya lebih banyak terkena pemakaian sebagian dengan berbagai kedalaman sebelum pengisian ulang sempurna. Karena jumlah energi yang terlibat lebih kecil pada pemakaian sebagian, baterai dapat mempertahankan jumlah siklus dangkal jauh lebih besar. Penggunaan siklus seperti itu tipikal untuk aplikasi mobil listrik hibrida dengan pengereman regeneratif. Umur siklus juga tergantung suhu, baik suhu operasi maupun suhu penyimpanan.

Ukuran yang lebih mewakili dari umur baterai adalah luaran energi umur hidup. Ini adalah jumlah total energi dalam Wh yang dapat dimasukkan dan diambil dari baterai pada semua siklus pada umur hidupnya sebelum kapasitasnya turun memnjadi 80% dari kapasitas awalnya ketika baru. Ini tergantung pada kimia sel dan kondisi operasi. Sayang sekali, ukuran ini belum biasa digunakan oleh pabrik sel dan belum diadopsi sebagai standar industri baterai. Sampai ini menjadi pemakaian umum, tidak mungkin menggunakannya untuk membandingkan kinerja sel dari pabrik yang berbeda dengan cara ini, tetapi ketika siap, paling tidak ini memberikan petunjuk yang lebih bermanfaat kepada insinyur aplikasi untuk memperkirakan unur baterai yang digunakan dalam perancangan.

Pemakaian Dalam (Deep Discharge)

Umur siklus turun dengan naiknya kedalaman pemakaian dan banyak kimia sel tidak akan mentoleransi pemakaian dalam dan sel bisa rusak secara permanen jika dipakai secara penuh. Konstruksi khusus sel dan campuran bahan kimia dibutuhkan untuk memaksimalkan potensial kedalaman pemakaian dari baterai siklus dalam.

One thought on “Karakteristik kinerja baterai: Spesifikasi, standard dan iklan (2)

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

w

Connecting to %s