Klasifikasi baterai menurut ukuran dan aplikasinya

Oleh: Heru Setyawan

Sejarah baterai, jenis dan karakteristik kinerjanya telah diuraikan sebelumnya di bawah ini:

• Sejarah baterai
• Baterai dan jenisnya
• Baterai litium-ion
• Baterai mobil listrik
• Karakteristik kinerja baterai 1
• Karakteristik kinerja baterai 2

Berbeda dengan yang telah dibahas sebelumnya yang pengklasifikasiannya berdasarkan pada cara kerjanya, disini yang akan dibahas adalah baterai komersial yang diklasifikasikan menurut ukuran dan aplikasinya. Ukuran baterai ini terkait langsung dengan energi total baterai yang merupakan ukuran jumlah listrik yang dapat dikirimkan (biasanya diukur dalam Wh). Energi baterai merentang paling tidak sampai pangkat 15. Paling rendah adalah baterai sel percobaan 0,1 cm² dengan elektrolit padat PbF₂ yang memiliki energi total hanya 1 x 10^-6 Wh. Baterai sel kancing terkecil memiliki energi sekitar 100 mWh, sedangkan baterai sel silinder ‘ukuran D’, yang volume totalnya 45 cm³, memiliki energi yang berkisar antara 2-15 Wh. Sel dapat diisi ulang yang dipakai pada alat daya dan perkakas listrik “tanpa kabel” lain dapat menyediakan 20-100 Wh. Pada rentang teratas, baterai timbal-asam kapal selam yang beratnya hampir 200 ton memiliki energi daya 3 MWh, sedangkan baterai penyeimbang beban 40 MWh sekarang telah terwujud. Tabel 1 menyajikan klasifikasi baterai menurut ukuran.

Baterai Miniatur

Baterai miniatur yang berbasis elektrolit air, nonair dan padat dibuat sebagai sumber daya untuk mikroelektronik dan alat kecil lainnya. Gambar 1 (kiri) menunjukkan beberapa baterai sel kancing. Pemakaian umum baterai ini adalah pada jam tangan dimana sirkuit osilator menarik arus terus menerus 0,2-0,6 mikroampere dan tergantung pada jenis pembagi frekuensi dan display, unit lengkap mungkin memerlukan total sampai 0,5-2,0 mikroampere untuk operasi. Dari sini, jumlah energi listrik total yang dikonsumsi untuk menggerakkan jam selama setahun dalam kisaran 15-60 mWh. Saat ini, baterai yang dibuat akan habis selama 5-10 tahun. Baterai jam harus memiliki laju pemakaian sendiri sangat rendah dan segel yang handal untuk mencegah kebocoran. Desain baterai juga sangat ketat dimana baterai harus pas masuk kedalam ruang yang sangat terbatas yang tersedia dalam jam.

Gambar 1. (kiri) Berbagai macam baterai sel koin. (kanan) Skema penanaman defibrilator kardiak otomatis.

Alat pacu jantung memerlukan arus yang sangat rendah, hanya 25-50 mikrowatt untuk mengindera dan 60-100 mikrowatt untuk stimulasi. Sebaliknya, defibrilator ventrikular tertanam (Gambar 1 kanan) harus mampu mengirimkan pulsa listrik pendek 25-40 J (mis.: 2 A pada 2 V selama 10 detik) yang mampu mengejutkan jantung ke ritme normal, dan dari sini memerlukan baterai dengan laju yang jauh lebih tinggi. Sistem yang paling umum adalah sel litium-perak vanadium oksida dengan elektrolit berbasis organik cair. Lebih dari 80.000 unit seperti itu telah ditanam. Alat pengirim obat tertanam juga memakai baterai primer litium, begitu juga dengan neurostimulator dan stimulator penumbuh tulang.

Baterai untuk alat portabel

Barangkali baterai yang paling dikenal adalah kemasan murah ‘baterai kering’ yang digunakan pada berbagai macam perkakas ringan portabel, mainan yang dioperasikan baterai, radio dan banyak aplikasi lain. Beberapa baterai sel tunggal ukuran standar ditunjukkan pada Gambar 2. Mayoritas kelas baterai ini didasarkan pada sistem Leclanche Zn-MnO₂ (disini). Baterai dengan densitas energi yang lebih besar dengan anoda litium dan elektrolit berbasis pelarut organik banyak dipakai dimana baterai yang ringan menjadi pertimbangan penting. Baterai ini relatif mahal dibandingkan baterai Leclanche.

Untuk banyak aplikasi yang melibatkan pembuangan arus yang tinggi, jauh lebih efektif dan murah untuk menggunakan baterai dapat diisi ulang tersegel atau “bebas perawatan” sebagai penyimpan energi listrik. Ini benar, sebagai contoh, untuk alat daya “tanpa kabel”, penerima televisi portabel, alat pemotong pagar tanaman dan rumput, lampu darurat, dll. Contoh baterai seperti itu adalah alkalin nikel-kadmium, nikel-logam hidrida, alkalin besi-nikel oksida, sistem timbal-asam tersegel, dan yang lebih baru, baterai litium-ion (disini). Banyak baterai ini dalam kisaran 10 mAh-15 Ah yang ukurannya persis sama seperti sel primer yang memang dirancang untuk menggantikan. Unit yang lebih besar dengan kapasitas sampai 1000 Ah juga tersedia.

Baterai SLI

Hampir 250 juta baterai untuk starting, lighting dan ignition (SLI) dalam kendaraan mesin pembakaran dalam dibuat setiap tahunnya, menggunakan lebih dari sepertiga luaran timbal total dunia. Baterai ini diperlukan untuk “menyalakan” mesin dengan kompresi tinggi, sering pada suhu rendah dimana viskositas minyak mesin tinggi – arus sampai 500 A bisa ditarik untuk tujuan ini. Selain itu, baterai harus memasok daya untuk penyalaan, penerangan, ventilasi, dll. Sebagian besar sirkuit listrik mobil modern memakai sistem nominal 12 V dan baterai memiliki enam sel timbal-asam seri, dengan kapasitas 40-60 Ah. Perbaikan signifikan dalam bahan dan desain telah meningkatkan densitas energi baterai SLI sampai sekitar 45 Wh/kg dan 75 Wh/L, sementara menjaga durabilitas dan umur layanan (disini dan disini). Karena pembuatannya berskala besar, baterai SLI harganya relatif murah dan dengan begitu sering digunakan dengan cukup berhasil untuk aplikasi lain, mis.: menyediakan daya traksi untuk mesin pemotong rumput dan ‘go-kart’, pada unit lampu darurat, dll.

Baterai nikel-kadmium dengan pelat disinter tipis digunakan untuk catu daya di dalam pesawat terbang, helikopter, tank dan kendaraan militer (disini) dimana kinerja suhu rendah yang luar biasa dan laju tinggi adalah ciri penting. Baterai sel 40 Ah yang dirancang untuk pemakaian di udara dapat mengirimkan 20 kW daya sesaat pada 25^oC dan diatas 10 kW pada -30^oC. Lagi, harga yang mahal dari sistem ini dibandingkan dengan baterai timbal-asam membatasi pemakaiannya.

Baterai Traksi Kendaraan

Kendaraan listrik memiliki sejarah yang panjang, melayang kembali ke akhir tahun 1930an ketika “kereta listrik” pertama dunia dibuat di Skotlandia (disini). Sebelum akhir abad ke-19 mobil berdaya baterai Perancis telah mencatat kecepatan diatas 100 km/jam, dan sebelum 1916 produksi kendaraan listrik di Amerika Serikat telah mencapai 10.000. Alasan untuk ketertinggalan relatif keberhasilan komersial mobil listrik di jalan sampai saat ini terletak pada spesifikasi baterai yang diperlukan untuk untuk memproduksi kinerja (dan harga) yang mendekati mobil bermesin pembakaran dalam. Kecepatan, percepatan dan rentang mobil listrik saat ini dibatasi oleh densitas energi dan daya yang rendah dari baterai traksinya (disini).

Mobil keluarga tipikal, yang berbobot 1-1,5 ton akan memerlukan 5-10 Wh energi untuk menempuh jarak 50 km. Ambil angka terkecil, ini akan melibatkan konsumsi sekitar 4,5 L bensin. Nilai rataan densitas energi baterai timbal-asam yang mampu bersiklus dalam pada laju yang berguna mungkin 25 Wh/kg. Dari sini, sebuah baterai dengan berat 200 kg dan menempati 120 L akan diperlukan untuk menggerakkan mobil pada jarak yang sama. Dengan kata lain, penyimpanan energi timbal-asam adalah sampai 50 kali lebih berat dan memakai sampai 25 kali ruang agar setara dengan bensin. Kelemahan lain mobil listrik meliputi keterbatasan daya yang tersedia untuk percepatan dan untuk menanjak, dan waktu yang dibutuhkan untuk pengisian ulang baterai.

Ada dua alasan mengapa kendaraan berdaya baterai sepertinya menjadi semakin umum sampai 50 tahun kedepan. Yang paling penting adalah bahwa produksi minyak dari cadangan minyak bumi telah mencapai puncak dan akan turun dengan cepat pada periode ini. Pembangkit listrik batubara, nuklir atau sumber yang dapat diperbaharui dijamin untuk periode yang sangat lama sehingga energi untuk kendaraan listrik akan siap tersedia. Mungkin akan ada sejumlah tahap dalam evolusi baterai kendaraan listrik. Dalam jangka pendek, versi ‘maju’ sistem baterai yang ada akan secara luas digunakan. Purwarupa baterai traksi timbal-asam dengan densitas energi dalam kisaran 40-60 Wh/kg telah digambarkan oleh beberapa produsen. Akan tetapi sepertinya baterai jenis ini yang mampu mengalami siklus dalam lebih daripada 1000 kali tidak akan pernah memiliki densitas energi jauh lebih besar daripada 40 Wh/kg. Sistem nikel-kadmium sepertinya tidak memberi kontribusi signifikan karena sifat beracun dari kadmium dan juga karena kelangkaannya. Akan tetapi, sistem yang terkait erat nikel-logam hidrida sepertinya memenuhi tujuan jangka menengah dengan densitas energi dalam kisaran 80-100 Wh/kg. Uraian lebih detail kemajaun teknologi baterai untuk kendaraan bisa dibaca disini.

Kereta api atau mobil rel berdaya baterai telah beroperasi sejak bergantinya abad, terutama di Jerman. Kendaraan ini memiliki keuntungan dibandingkan kendaraan listrik jalan beraspal dalam hal rerugi friksi yang jauh lebih rendah sehingga batasan densitas energi tidak begitu mengancam. Mobil rel modern berpenumpang 80 orang dan beroperasi dengan baterai timbal-asam 630 kWh (berat 21 ton dan umur siklus 1250-1550) dapat mempercepat pada 0,4 m/s² sampai 100 km/jam pada tingkat ini, dan memiliki jangkauan 250-450 km.

Kapal selam jenis reaktor nonnuklir mengandalkan baterai penyimpan untuk propulsi dalam kondisi menyelam. Pada umumnya digunakan baterai timbal-asam tetapi baterai seng-perak oksida ringan telah dipasang pada beberapa kapal selam. Energi yang disimpan pada kisaran 2-3 MWh dan berat baterai bisa mencapai 180 ton.

Baterai Stasioner

Fungsi utama baterai penyimpan dalam kisaran 250 Wh-5 MWh adalah untuk menyediakan daya cadangan untuk lampu darurat, layanan telepon, peralatan rumah sakit, dll., atau untuk penyimpan lokal dalam stasion pemancar jarak jauh, suar radio, pelampung navigasi, dll. Pada umumnya pengisian ‘resapan’ kontinyu tersedia, bisa dari daya utama atau dari sinar matahari, energi angin atau gelombang. Baterai stasioner untuk daya cadangan biasanya dibangun dengan rancangan khusus sel timbal-asam yang dikenal sebagai tipe ‘Plante kinerja tinggi’. Bentuk baterai ini umumnya bisa berumur sampai 20-30 tahun. Sekitar 25% dari baterai cadangan berbasis pada baterai nikel-kadmium.

Baterai untuk Penyeimbang Beban

Prinsip penyeimbang beban adalah untuk menaikkan kapasitas beban dasar dan memanfaatkan kelebihan kapasitas yang tersedia selama ceruk kebutuhan ke cadangan energi yang mungkin digunakan untuk memenuhi kebutuhan puncak berikutnya dalam siklus. Baterai sepertinya menemukan aplikasi yang meningkat dalam peran ini. Meskipun penyimpan elektrokimia mungkin membuktikan alternatif yang kurang efektif dari segi harga dalam beberapa situasi, penyimpan ini memiliki banyak keuntungan. Baterai memiliki waktu lebih singkat dalam pembuatan daripada sistem yang paling kompetitif, dan dengan bentuknya yang moduler (tidak seperti bendungan hidrolistrik atau penyimpan udara bertekanan), fasilitas penyimpan energi dapat ditambahkan ke, terbagi menjadi unit lebih kecil, atau bahkan dipindahkan ke tempat baru.

Disamping penyeimbang beban antara malam dan siang, respon yang cepat dari baterai terhadap kebutuhan energi memungkinkannya berkontribusi pada dua bidang lain dai pasokan daya grid: (i) untuk memangkas beban, dengan kata lain, untuk memenuhi puncak reguler durasi pendek dan kebutuhan yang dapat diprediksi; dan (ii) bertindak dalam cadangan berputar.

---

Pembahasan masing-masing jenis baterai yang disebutkan di atas akan diberikan nanti pada postingan berikutnya.

Sumber Bacaan

Colin A. Vincent & Bruno Scrosati, Modern Batteries: An Introduction to Electrochemical Power Sources, Ed. ke-2, Butterworth Heinemann, 1997.