Tag Archives: baterai

Ilmu baterai dapat diisi ulang: Survei kemajuan dalam bahan dan teknologi

Oleh: Heru Setyawan

Pendahuluan

American Chemical Society (ACS) pada bulan Juli 2019 menulis laporan ekslusif tentang “Rechargable Battery Science: A Survey of Advancements in Materials and Technology.” Laporan yang ditulis oleh Prachi Patel, seorang wartawan lepas, ini hanya dikirimkan kepada anggota ACS dan tidak untuk dijualbelikan atau disebarkan. Berikut rangkuman sekilas apa yang dilaporkan oleh Patel.

Ilustrasi skema baterai Li-ion pertama (LiCoO2/elektrolit Li+/grafit).

Laporan ini mencakup teknologi baterai dapat diisi ulang umum, yakni: asam timbal, baterai berbasis nikel dan Li-ion, dengan fokus khusus pada Li-ion. Baterai Li-ion telah memungkinkan revolusi nirkabel dari HP, komputer laptop, kamera digital dan iPad yang telah mentransformasi komunikasi global. Ketika gawai ini menjadi semakin berdayaguna dan dipakai dimana-mana, ada tuntutan yang terus tumbuh akan baterai yang dapat diisi ulang lebih cepat dan bertahan lebih lama antar pengisian.

Kemajuan baterai bisa menjadi dasar bagi masa depan berkelanjutan. Baterai akan menjadi kunci untuk menjauh dari bahan bakar fosil untuk transportasi dan pembangkit listrik. Baterai yang murah dan berdayaguna akan membantu menaruh lebih banyak kendaraan listrik bebas polusi di jalan menggantikan mobil berbahan bakar bensin atau solar. Dan dengan menyimpan listrik untuk seluruh kota, bahkan untuk pemakaian tanpa ada sinar matahari atau angin, baterai dapat membantu memperlancar potensi penuh sumber energi yang dapat diperbarui.

Sebagian besar penelitian saat ini terfokus pada sistem Li-ion (baterai Li-ion). Li-ion merupakan teknologi dinamis yang umum digunakan karena ia mengemas banyak energi dalam volume yang kecil. Li-ion mendominasi pasar elektronika jinjing dan kendaraan listrik yang sedang tumbuh. Meskipun telah banyak kemajuan selama beberapa dekade, Li-ion masih menghadapi banyak tantangan. Baterai masih mahal, perlu waktu lama untuk mengisi ulang, dan memiliki masa hidup yang pendek. Baterai banyak mengandung unsur beracun, dan dapat menangkap api dan meledak. Sejauh ini, tidak ada kendaraan listrik sekali isi yang mampu berjalan sejauh mesin bensin karena bensin mengandung 50 kali energi per berat Li-ion. Perburuan adalah pada baterai yang lebih aman, lebih murah, lebih berdayaguna, dan lebih lama hidup. Diluar litium, ada banyak teknologi generasi berikutnya sedang digodog di laboratorium-laboratorium di seluruh dunia.

Dasar-dasar baterai dapat diisi ulang

Baterai adalah alat yang menyimpan energi dan menghasilkan listrik melalui reaksi kimia. Baterai terdiri atas elektroda positif (katoda), elektroda negatif (anoda) dan elektrolit. Selama pemakaian, reaksi pada anoda menghasilkan elektron yang mengalir keluar baterai melalui sirkuit luar ke katoda, menghasilkan arus listrik. Ion bergerak diantara elektroda didalam baterai melalui pemisah yang menjaga elektron diluar. Sejarah penemuan baterai dapat dibaca disini.

Dalam baterai yang dapat diisi ulang, reaksi kimia yang terjadi selama pemakaian dapat dibalik dengan mengalirkan arus listrik melalui alat dalam arah yang berlawanan (baca disini). Kinerja baterai dapat ditaksir berdasarkan aplikasi khususnya dengan melihat karakteristik listrik (disini dan disini) dan ciri fisik seperti ukuran dan berat keseluruhan. Harga baterai barangkali merupakan kriteria paling penting bagi pelanggan. Dari semua baterai komersial, asam timbal adalah yang termurah, sedangkan Li-ion yang termahal. Peneliti mencoba menurunkan harga Li-ion dengan mengembangkan bahan elektroda dan elektrolit yang lebih baik, lebih murah. Kemasan yang lebih murah dan masa hidup lebih lama juga akan membantu mengurangi biaya keseluruhan.

Sistem asam timbal memiliki andil terbesar dari pasar baterai dapat diisi ulang pada sekitar 61%, menurut penelitian Grandview. Sementara baterai asam timbal mengumpulkan andil terbesar di pasar, baterai Li-ion mengalami pertumbuhan lebih cepat. Kendaraan listrik dan penyimpan jaringan listrik akan mendorong kebutuhan baterai ditahun-tahun mendatang. Perhatian sekarang adalah apakah pabrik baterai dapat menjaga memproduksi baterai cukup cepat untuk berkejaran dengan kebutuhan.

Teknologi baterai dapat diisi ulang

Sistem baterai dapat diisi ulang tertua dan pertama kali digunakan secara komersial adalah baterai asam timbal. Baterai ini ditemukan lebih dari 150 tahun yang lalu dan sampai sekarang pada hakekatnya tidak berubah. Asam timbal adalah baterai starter daya beban untuk mobil, truk dan sepeda motor karena ia mampu menyediakan sentakan arus tinggi yang diperlukan untuk mengengkol motor mesin kendaraan. Tetapi baterai juga digunakan untuk menyediakan daya cadangan darurat untuk pusat telekomunikasi dan komputer; menyimpan energi untuk utilitas jaringan listrik; dan untuk menggerakkan kursi roda, mesin pengangkat barang, mobil golf, dan skuter dan sepeda listrik.

Setiap sel baterai asam timbal mengandung anoda timbal murni seperti spon dan katoda timbal oksida. Mereka direndam, dengan sebuah pemisah, didalam wadah plastik yang diisi dengan elektrolit yang dibuat dari asam sulfat dan air. Selama pemakaian, ion sulfat berpindah ke anoda dan bereaksi dengan timbal membentuk timbal sulfat. Elektron yang dihasilkan dalam proses ini mengalir keluar untuk menyediakan arus listrik. Pada katoda, timbal oksida bereaksi dengan elektrolit membentuk air dan timbal sulfat. Proses kemudian dibalik untuk pengisian ulang. Baterai asam timbal menderita masa hidup terbatas, sekitar 200-300 siklus pengisian dan waktu pengisian lama sampai berjam-jam. Penyebabnya adalah endapan timbal sulfat pada anoda.

Baterai dapat diisi ulang berikutnya adalah nikel kadmium (NiCd) yang ditemukan pada tahun 1899 oleh ilmuwan Swedia, Wildemar Junger, dengan merendam elektroda nikel dan kadmium dalam larutan kalium hidroksida. Ini adalah basis dari baterai alkaline yang berkembang sampai sekarang. Nikel kadmium adalah salah satu baterai yang paling tangguh dan paling tahan lama, mampu bertahan pada suhu sangat tinggi dan baru habis untuk lebih dari 1000 siklus dengan sangat sedikit kehilangan kapasitas penyimpanan energinya. Pemakaian kadmium yang beracun menjadi penyebab jatuhnya baterai ini dimana peraturan lingkungan membatasi penjualan baterai NiCd untuk sebagian besar aplikasi. Tetapi baterai ini masih menjadi pilihan untuk pesawat terbang dan kereta api dimana mereka menyediakan daya cadangan darurat.

Sebagai penggantinya adalah nikel-logam-hidrida (nickel-metal-hydride; NiMH) yang mulai komersial pertama tahun 1989. NiMH menjadi pilihan untuk elektronika jinjing pada tahun 1990an sampai diambil alih oleh baterai Li-ion. Toyota mengambil baterai NiMH untuk Prius dan sekarang hampir semua mobil hibrida menggunakan baterai ini. General Motor juga menggunakan baterai ini untuk generasi mobil listrik berikutnya, EV1, yang diluncurkan pada 1996. Baterai AA dan AAA dapat diisi ulang yang dibuat oleh Energizer, Duracell dan perusahaan lain juga hidrida logam nikel. Akan tetapi, NiMH memiliki andil kecil dalam pasar baterai pada 3%, dan terus turun.

Litium adalah logam yang ideal untuk baterai. Litium adalah unsur logam teringan dan memiliki elektron terluar energi tinggi yang dapat dengan mudah mengambil bagian dalam reaksi kimia. Litium telah menghasilkan baterai yang lebih kecil dan lebih ringan daripada baterai asam timbal dan baterai berbasis nikel sementara menghasilkan daya yang sama dan dengan pemakaian lebih lama. Baterai saat ini berlaga dengan densitas energi yang tinggi sekitar 250 Wh/kg. Baterai Li-ion dapat diisi ulang lebih banyak kali daripada baterai lain pada 500-1000 siklus. Plus, mereka tidak mengandung bahan beracun. Harga baterai ini telah berhasil diturunkan dari USD 1000/kWh pada 2009 menjadi kira-kira USD 200/kWh saat ini dan diramalkan menjadi USD 100/kWh sebelum 2025. Katoda baterai Li-ion adalah logam oksida dan ada banyak jenis yang berbeda, tetapi semuanya mengandung litium bersama dengan campuran logam lain. Anoda yang digunakan terbuat dari grafit, tetapi sekarang sedang dikembangkakn anoda berbasis logam seperti yang digunakan dalam generasi awal baterai Li-ion. Elektrolit yang digunakan adalah garam litium yang dilarutkan dalam pelarut organik.

Teknologi generasi berikutnya

Baterai Li-ion telah diperbaiki terus menerus selama 30 tahun dan telah menggantikan teknologi baterai lain sebagai hasilnya. Tetapi densitas energi teknologi ini telah mencapai batas fundamentalnya dan peningkatan berjalan lambat. Perlombaan untuk membangun baterai revolusioner sedang memanas. Beberapa teknologi yang sedang berusaha untuk menggantikan teknologi baterai Li-ion meliputi: litium-logam, litium keadaan padat, litium-sulfur dan logam-udara.

Teknologi baterai litium-logam menukar anoda grafit dalam baterai Li-ion konvensional dengan logam litium murni. Baterai keadaan padat secara luas dipandang menjadi terobosan besar berikutnya untuk teknologi baterai. Baterai keadaan padat mengganti elektrolit cair mudah menguap dengan elektrolit padat. Selain tidak mudah terbakar, elektrolit padat juga menghalangi terbentuknya dendrit yang mengijinkan pemakaian elektroda logam litium. Baterai litium-sulfur sangat berbeda dengan Li-ion konvensional. Disini, ion litium dalam elektrolit yang dalam Li-ion tidak bereaksi, dibuat menjadi bereaksi dan membentuk senyawa kimia. Baterai logam-udara dapat, dalam teori, menyimpan secara signifikan lebih banyak energi daripada Li-ion. Baterai ini memiliki anoda logam dan katoda terbuat dari oksigen murni yang diinfus melalui penyangga karbon berpori-pori. Banyak logam yang berbeda telah diselidiki untuk potensi pemakaian: alumunium, litium, sodium, timah, dan seng. Litium-udara secara teoritis menyimpan 13.000 Wh/kg, pas dengan densitas energi bensin.

Kesimpulan

Ketergantungan pada perangkat dengan daya baterai membawa frustasi harian, HP yang baterainya terlalu cepat habis, atau kecemasan jarak jauh, takut tidak mencapai stasion pengisian mobil berikutnya sebelum baterai habis. Tetapi baterai dapat diisi ulang telah membuat lompatan dan berjilid sejak mereka pertama kali ditemukan. Ahli kimia, insinyur, dan ilmuwan bahan terus mengejar teknologi baterai yang lebih baik. Kemajuan ini menawarkan harapan bahwa baterai akan lebih berdayaguna, berumur panjang, ringan, dan murah. (hs)

Nanopartikel yang menjanjikan untuk baterai pemasok listrik di daerah 3T

Skema katoda baterai logam-udara.

Peneliti di Laboratorium Elektrokimia dan Korosi, Departemen Kimia ITS telah mengembangkan teknologi berbasis nanopartikel mangan dioksida yang dapat digunakan sebagai pengganti katalis Pt yang harganya mahal untuk reaksi reduksi oksigen. Nanopartikel ini dibuat dengan elektrolisis larutan kalium permanganat dalam air. Dengan mengatur keasaman larutan, morfologi nanopartikel mangan dioksida dapat diatur menjadi nano-batang atau  nano-pipih.

Perangkat penyimpan energi elektrokimia merupakan komponen penting dalam jaringan energi masa depan untuk menyangga pembangkit dan pasokan energi yang diturunkan dari sumber terbarukan. Diantara beberapa kandidat potensial, baterai logam-udara adalah salah satu yang paling menjanjikan. Baterai ini tersusun dari anoda logam dan katoda yang menghirup udara dalam elektrolit yang sesuai. Katoda memiliki arsitektur berpori yang mengijinkan pasokan oksigen terus-menerus dari udara di sekitarnya, yang selanjutnya direduksi dengan adanya katalis (umumnya Pt).

Kedua jenis nanopartikel tersebut memiliki aktivitas katalitik yang bagus untuk reaksi reduksi oksigen dengan mekanisme 2-elektron. Keberhasilan pembuatan katalis murah ini mungkin dapat membantu untuk pengembangan baterai statis untuk daerah tertinggal, terluar, terdepan dimana tidak ada pasokan grid listrik.

Pustaka

M. Mahmudi, W. Widiyastuti, P. Nurlilasari, S. Affandi, H. Setyawan, “Manganese dioxide nanoparticles synthesized by electrochemical method and its catalytic activity towards oxygen reduction reaction,” Journal of the Ceramic Society of Japan, 126(11), 906-913, 2018.

Pendaftaran on line beasiswa PMDSU

batan01

Sebagai tindak lanjut pengumuman sebelumnya mengenai beasiswa PMDSU (disini), pendaftaran beasiswa PMDSU DIKTI sudah dibuka. Pendafataran bisa dilakukan melalui laman:

http://beasiswa.dikti.go.id/pmdsu/

Selain mendaftar beasiswa, calon juga harus mendaftar sebagai mahasiswa ITS syarat dan ketentuan bisa dibaca di:

http://pasca.its.ac.id/beasiswa-program-doktor-sarjana-unggul-pdsu/

Jika ada informasi yang kurang jelas, bisa menghubungi:

Prof. Dr. Heru Setyawan
Jurusan Teknik Kimia ITS
E-mail: sheru@chem-eng.its.ac.id

Sejarah baterai

Pada artikel sebelumnya (baterai mobil listrik, baterai ion lithium, mobil listrik baterai), telah diuraikan mengenai baterai ion lithium yang merupakan baterai yang kompak dan dapat diisi ulang, yang menjadikannya harapan sumber energi masa depan untuk mobil listrik. Baterai ini telah digunakan secara luas untuk alat elektronik portabel seperti komputer notebook, HP, dsb. Banyak jenis baterai telah dikembangkan dan sadar atau tidak kita telah terbiasa menggunakannya dalam kehidupan sehari-hari. Berikut ini akan diuraikan secara singkat sejarah penemuan baterai.

Listrik ditemukan kira-kira 400 tahun yang lalu atau mungkin lebih. Tetapi pemakaian pratktisnya mungkin baru pada pertengahan sampai akhir tahun 1800an, dan awalnya dalam cara yang terbatas. Sebagai contoh, pada pameran dunia di Paris tahun 1900, salah satu atraksi utama adalah penerangan jembatan dengan listrik diatas sungai Seine.

Metoda paling awal membangkitkan listrik adalah dengan menciptakan muatan listrik statis. Pada tahun 1660, Otto von Guericke membuat mesin listrik pertama yang terdiri atas bola sulfur besar yang, ketika digosok dan diputar, menarik bulu dan sobekan kertas kecil. Guericke mampu membuktikan bahwa bunga api yang dihasilkan benar-benar listrik.

Pemakaian listrik statis pertama ditemukan oleh Alessandro Volta (1745-1827) dengan alat yang disebut “pistol listrik”. Alat ini terdiri dari sebuah kawat yang dipasang pada bejana yang berisi gas metana. Dengan mengirim bunga api listrik melalui kawat, bejana akan meledak. Volta menggunakan penemuan ini untuk komunikasi jarak jauh, meskipun hanya dengan satu bit Boolean. Sebuah kawat besi yang disangga batang kayu dibentangkan dari Como ke Milan, Italia. Pada ujung penerima, kawat berakhir pada bejana yang diisi dengan gas metana. Dengan perintah, bunga api listrik dikirim dengan kawat yang akan memicu pistol listrik untuk memberi sinyal. Sambungan komunikasi ini tidak pernah dibangun.

Pada tahun 1791, ketika bekerja di Universitas Bologna, Luigi Galvani menemukan bahwa otot katak berkontraksi ketika disentuh dengan logam. Terinspirasi oleh percobaan ini, Volta melakukan serangkaian percobaan menggunakan seng, timbal, timah atau besi sebagai pelat positif dan tembaga, perak, emas atau grafit sebagai pelat negatif. Pada tahun 1800, Volta menemukan bahwa dengan menggunakan fluida tertentu sebagai penghantar untuk mendorong reaksi antara logam dan elektroda, dapat dihasilkan arus listrik kontinyu. Ini menuju pada temuan sel volta pertama, yang lebih dikenal sebagai baterai. Volta menemukan lebih lanjut bahwa tegangan akan semakin besar ketika sel volta dipasang bersusun satu diatas yang lain.

Empat variasi baterai listrik Volta.

Temuan baru dibuat ketika Sir Humphry Davy memasang baterai listrik terbesar dan paling berdaya pada kubah Institusi Royal London. Ia menghubungkan baterai dengan elektroda arang dan menghasilkan lampu listrik pertama yang paling terang yang pernah dilihat pada masa itu. Penelitian paling penting Davy dibaktikan untuk elektrokimia. Mengikuti percobaan Galvani dan penemuan sel volta, ketertarikan terhadap listrik galvani telah menjadi tersebar luas. Davy mulai menguji pengaruh kimia terhadap listrik pada tahun 1800. Ia segera menemukan bahwa dengan mengalirkan listrik melalui suatu senyawa, senyawa ini terurai, suatu proses yang kemudian disebut elektrolisa. Tegangan yang dihasilkan secara langsung berhubungan dengan reaktivitas elektrolit dengan logam. Dengan bukti tersebut Davy memahami bahwa kerja elektrolisa dan sel volta adalah sama.

Pada tahun 1802, Dr. William Cruickshank merancang baterai listrik pertama yang dapat diproduksi secara masal. Cruickshank menyusun lembaran tembaga persegi, yang disolder pada ujungnya, bersama-sama dengan lembaran seng yang berukuran sama. Lembaran ini ditempatkan pada  kayu persegi panjang yang direkatkan dengan semen. Lekukan dalam kotak menahan pelat logam pada posisinya. Kotak ini kemudian diisi dengan elektrolit garam jenuh atau asam.

Metoda ketiga membangkitkan listrik yang ditemukan adalah listrik melalui magnet yang ditemukan pada tahun 1820 oleh Andre-Marie-Ampere (1775-1836). Ia mengamati bahwa kawat yang membawa arus listrik pada suatu saat saling tarik satu sama lain dan pada saat yang lain saling tolak.

Pada tahun 1831, michael Faraday (1791-1867) mendemonstrasikan bagaimana piringan tembaga mampu menyediakan arus listrik konstan ketika diputar pada medan magnet yang kuat.  Faraday, yang membantu Davy dan tim risetnya, berhasil membangkitkan gaya listrik terus menerus selama gerakan antara koil dan magnet berlanjut. Generator listrik ditemukan. Proses ini kemudian dibalik dan motor listrik ditemukan. Tidak lama kemudian, transformer dikembangkan yang dapat merubah listrik ke tegangan yang diinginkan. Pada tahun 1833, Faraday memantapkan dasar elektrokimia dengan hukum Faraday, yang menggambarkan jumlah reduksi yang terjadi pada sel elektrolisa.

Pada tahun 1836, John F. Daniell, ahli kimia Inggris, melanjutkan penelitian tentang baterai elektrokimia dan mengembangkan sel yang semakin baik yang menghasilkan arus listrik lebih steady daripada sel volta. Sampai saat itu, semua baterai tersusun atas sel primer, yang berarti baterai tidak dapat diisi ulang. Pada tahun 1859, ahli fisika Perancis Gaston Plate menemukan baterai yang dapat diisi ulang pertama. Baterai sekunder ini berdasarkan pada kimia asam timbal, sistem yang sampai saat ini masih digunakan.

Pada tahun 1899, Waldmar Jungner dari Swedia menemukan baterai nikel-kadmium, yang menggunakan nikel untuk elektroda positif dan kadmium untuk negatif. Dua tahun kemudian, Edison memproduksi rancangan alternatif dengan mengganti kadmium dengan besi. Karena harga bahan yang mahal dibandingkan dengan sel kering dan baterai penyimpan asam timbal, aplikasi praktis baterai nikel-kadmium dan nikel-besi terbatas. Baterai nikel-kadmium yang tersegel rapat, yang dikenal saat ini, tidak akan ada tanpa keberhasilan Neumann yang secara sempurna membuat segel sel pada tahun 1947.

Terlihat bahwa dari dulu sampai sekarang, manusia tergantung pada listrik, suatu produk yang tidak akan mungkin tanpa penemu dan peneliti yang telaten, tekun, kreatif dan tidak kenal lelah. Dengan meningkatnya kebutuhan mobilitas, pengembangan baterai yang memiliki kapastas penyimpan yang lebih besar mungkin masih dibutuhkan. Meskipun teknologi baterai sudah cukup lama ada, namun sampai saat ini penelitian dan pengembangan baterai ini masih terus berjalan untuk memenuhi kebutuhan teknologi yang terus berkembang.

Sumber: I. buchman, 2001 (www.buchmann.ca).