BATERAI TEGANGAN DC

Disusun untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Sistem Instalasi ListrikProgram Studi Teknik Perawatan dan Perbaikan Gedung

OlehAde Nova131144002

JURUSAN TEKNIK SIPILPOLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015

Macam-macam sumber tegangan DC yang tersedia di pasaran diantaranya :

1. BATERAI LITHIUM

Baterai adalah sel elektrokimia (juga dikenal sebagai sel Galvanis) yang merubah energi kimia menjadi energi listrik, yang terdiri atas anoda dan katoda yang dipisahkan oleh elektrolit. Elektrolit adalah penghantar ion yang berfungsi juga sebagai media pengisolasi elektron. Elektron dihasilkan pada anoda dan mengalir kearah katoda melalui sirkuit luar sementara, pada saat yang sama, elektronetralitas dijamin oleh perpindahan ion melewati elektrolit.

Banyak tipe baterai yang telah dikembangkan dan digunakan secara luas, salah satunya adalah baterai ion lithium. Baterai ion lithium, pertama kali dipasarkan oleh Sony pada awal 1990an, adalah tipe paling umum sel sekunder (dapat diisi ulang) dan dijumpai dalam hampir semua alat elektronik portabel. Baterai jenis ini diharapkan mampu menyelesaikan permasalahan global yang lebih besar terkait dengan kebutuhan energi yang terus meningkat dan adanya tuntutan energi bersih.

Dengan ciri diatas, baterai ion lithium merupakan baterai yang ringan dan kompak, beroperasi dengan tegangan sel -4 V dengan energi spesifik dalam kisaran 100-180 Wh/kg. Pada tipe baterai ini anoda dan katoda adalah bahan dimana, dan dari mana, ion lithium bermigrasi melalui elektrolit, kemudian disisipkan (proses interkalasi) dan diekstraksi (proses deinterkalasi) kedalam elektroda (Gambar 1). Anoda yang umum digunakan adalah grafit, mis.: mesocarbon microbeads, dengan katoda oksida logam lithium, mis.: LiCoO2. Elektrolit yang  umum digunakan adalah garam lithium, mis.: lithium hexafluorophosphate, dalam pelarut organik, mis.: ethylene carbonate-dimethyl carbonate yang dipisahkan oleh membran.

Gambar 1. Contoh baterai lithium-ion

Baterai lithium-ion lazim digunakan dalam berbagai perangkat elektronik seperti ponsel, MP3 player, laptop, dll. Baterai ini bisa diisi ulang dan memiliki kepadatan energi yang tinggi dibandingkan jenis baterai lain disamping bobotnya yang lebih ringan. Baterai

lithium-ion memiliki kemampuan penyimpanan energi tinggi per satuan volume. Energi yang tersimpan merupakan jenis energi elektrokimia. Energi elektrokimia merupakan jenis energi listrik yang berasal dari reaksi kimia yang dalam hal ini terjadi di dalam baterai.

Cara Kerja Sel Elektrokimia

Agar bisa berfungsi, setiap sel elektrokimia harus memiliki dua elemen penting yaitu elektroda dan elektrolit. Elektroda terdiri dari dua jenis yaitu anoda dan katoda yang menghantarkan energi listrik (ion). Anoda dihubungkan ke terminal negatif baterai sementara katoda dihubungkan ke terminal positif baterai. Elektroda terendam dalam elektrolit yang bertindak sebagai medium cair untuk pergerakan ion. Elektrolit juga bertindak sebagai buffer dan berfungsi membantu reaksi elektrokimia dalam baterai. Pergerakan elektron dalam elektrolit dan di antara elektroda akan menghasilkan arus listrik.

Cara Kerja Baterai Lithium-Ion

Anoda dan katoda baterai lithium-ion terbuat dari karbon dan oksida lithium. Sedangkan elektrolit terbuat dari garam lithium yang dilarutkan dalam pelarut organik.

Bahan pembuat anoda sebagian besar merupakan grafit sedangkan katoda terbuat dari salah satu bahan berikut: lithium kobalt oksida (LiCoO2), lithium besi fosfat (LiFePO4), atau lithium oksida mangan (LiMn2O4).

Elektrolit yang umum digunakan adalah garam lithium seperti lithium hexafluorophosphate (LiPF6), lithium tetrafluoroborate (LiBF4), dan lithium perklorat (LiClO4) yang dilarutkan dalam pelarut organik seperti etilen karbonat, dimetil karbonat, dan dietil karbonat.

Elektrolit yang digunakan bersifat tidak larut dalam air karena lithium (logam alkali yang sangat reaktif) bereaksi dengan air membentuk hidroksida lithium dan gas hidrogen yang tidak diinginkan.

Selama pengisian (charging), ion lithium dari katoda berpindah ke anoda dan menetap di lapisan anoda. Pada proses ini, ion lithium mengalir melalui elektrolit.Selama proses pemakaian, ion lithium bergerak kembali ke katoda dari anoda. Setelah baterai dipakai, elektron mengalir berlawanan dengan arah ion lithium di sirkuit luar. Karena terjadinya pergerakan elektron, maka arus listrik bisa dihasilkan.

Sirkuit Baterai Lithium-ion

Berikut akan diulas perihal berbagai sirkuit yang terdapat dalam baterai:

1. Controller IC (Integrated Circuit): Sirkuit ini memonitor tingkat tegangan dan arus dalam baterai.

2. Control Switches: Switch (saklar) ini terbuat dari transistor efek medan, yang memutus atau menghentikan proses pengisian dan pemakaian, setelah menerima sinyal kontrol langsung dari Controller IC.

3. Fuse: Ketika suhu control switch naik di atas tingkat tertentu, fuse (sekering) memotong aliran arus. Hal ini membantu menghemat energi baterai.

4. Thermistor: Aliran arus di baterai dikendalikan oleh thermistor yang bekerja berdasarkan besar hambatan arus.

5. Positive Temperature Coefficient (PTC) switch: Alih-alih menggunakan thermistor, jenis saklar ini juga digunakan dalam beberapa jenis baterai lithium-ion untuk mencegah overheating.

Pada lithium-ion, kapasitas baterai akan tergantung pada luas permukaan elektroda yang digunakan. Kelebihan baterai lithium-ion juga terletak pada jumlah siklus pengisian dan pemakaian yang lebih banyak serta laju pengisian lebih cepat dibandingkan jenis baterai lain

2. Baterai Zinc-Manganese Diokside (Baterai Alkalin)

Dinamakan baterai alkalin karena elektrolitnya bersifat alkali atau basa, bukan asam. Nama alkalin diambil dari bahan kimia yang digunakan dalam baterai, yaitu: elektrolit basa kalium klorida. Seperti elektrolit dalam sel kering, bentuknya bukan cairan, sehingga mudah dibawa-bawa.

Gambar 2. Contoh Baterai Alkalin

Merupakan jenis baterai yang paling modern, diperkenalkan pertama kali pada tahun 1960. Baterai ini  merupakan penyempurnaan dari baterai biasa karna mempunyai potensial yang relatif tetap dengan waktu penggunaan lebih awet. Baterai alkalin modern masih menggunakan prinsip-prinsip dasar yang sama dengan tumpukan volta, yaitu menggunakan dua jenis logam yang dipisahkan oleh cairan yang melalukan listrik, disertai dengan terminal negatif dan positif.

Komponen Baterai AlkalinAnoda : elektroda, bisa berupa logam maupun penghantar listrik lain, pada sel

elektrokimia yang terpolarisasi jika arus listrik mengalir ke dalamnya. Arus listrik mengalir berlawanan dengan arah pergerakan elektron. Pada proses elektrokimia, baik sel galvanik (baterai) maupun sel elektrolisis, anoda mengalami oksidasi.

Gambar 3. Komponen baterai alkalin

Katoda: Kebalikan dari anoda, katoda adalah elektroda dalam sel elaktrokimia yang terpolarisasi jika arus listrik mengalir keluar darinya. Pada baterai biasa (Baterai Karbon-Seng), yang menjadi katoda adalah seng, yang juga menjadi pembungkus baterai. Sedangkan, pada baterai alkalin, yang menjadi katoda adalah mangan dioksida (MnO2).

Pasta merupakan elektrolit atau mediasi penghantar. Pada batu baterai kering alkalin (baterai alkalin), amonium klorida yang bersifat asam pada sel kering diganti dengan kalium hidroksida yang bersifat basa (alkali). Dengan bahan kimia ini, korosi pada bungkus logam seng dapat dikurangi.

Prinsip Kerja Baterai Alkalin

Baterai Alkalin menggunakan potasium Hydroxide sebagai elektrolit, selama proses

pengosongan (Discharging) dan pengisian (Charging) dari sel baterai alkali secara praktis

tidak ada perubahan berat jenis cairan elektrolit.

Fungsi utama cairan elektrolit pada baterai alkalin adalah bertindak sebagai konduktor

untuk  memindahkan ion-ion hydroxida dari satu elektroda ke elektroda lainnya tergantung

pada prosesnya, pengosongan atau pengisian,sedangkan selama proses pengisian dan

pengosongan komposisi kimia material aktif pelat-pelat baterai akan berubah.

Proses discharge pada sel berlangsung . Bila sel dihubungkan dengan beban maka,

elektron mengalir dari anoda melalui beban ke katoda, kemudian ion-ion negatif mengalir ke

anoda dan ion-ion positif mengalir ke katoda. Arus listrik dapat mengalir disebabkan adanya

elektron yang bergerak ke dan/atau dari elektroda sel melalui reaksi ion antara molekul

elektroda  dengan molekul elektrolit sehingga memberikan jalan bagi elektron untuk mengalir.

Pada proses pengisian. Bila sel dihubungkan dengan power supply maka elektroda

positif menjadi anoda dan elektroda negatif menjadi katoda.

Reaksi selnya adalah sebagai berikut :

Katoda (+) : 2 NH4+

(aq)+ 2 MnO2(s)+ 2 e- ——> Mn2O3(s)+ 2 NH3(aq)+ H2O(l) Anoda (-) : Zn(s) ——> Zn2+

(aq) + 2 e- Reaksi Sel : 2 NH4

+(aq)

 + 2 MnO2(s) + Zn(s) ——> Mn2O3(s) + 2 NH3(aq) + H2O(l) + Zn2+(aq) 

Kelebihan dan Kekurangan Baterai Alkalin:

Keuntungan Kekurangan       Pada pembebanan yang tinggi dan terus

menerus, mampu memberikan umur pelayanan 2 – 10 kali pemakaian dari sel leclanche.

       Sekali pakai

       Sangat baik dioperasikan pada temperatur rendah sampai -25 derajat celcius

       Densitas energinya rendah

       Baterai yang sering digunakan adalah zinc-alcaline manganese oxide yang memberikan daya lebih per penggunaannya dibandingkan batere sekunder. zinc-alcaline manganese oxide mempunyai umur (waktu hidup yang lama).

       Agak sulit untuk diproduksi massal

       Tahan terhadap beban berat seperti over charging, over discharging dan tahan lama.

       Biaya metal yang digunakan untuk electrode sangat mahal.

Fungsi Baterai Alkalin

Digunakan sebagai: Kamera, Remote Control, Remote TV, Remote Control, Senter, DVD Player, dll

3. ZINC-CARBON BATTERY (BATERAI HEAVY DUTY)

Gambar 4. Contoh Baterai Zinc-Carbon

Terminal negatif ----> Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e− [E° = -0.7626 volts] (oksidasi)

Terminal Positif -----> 2MnO2(s) + 2 e− + 2NH4Cl(aq) → Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O(aq) + 2

Cl− [e° ≈ +0.5 v](reduksi)

persamaan reaksi keseluruhan ----> Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl(aq) → Mn2O3(s) +

Zn(NH3)2Cl2 (aq) + H2O(l)

Total Voltase yang dihasilkan 0.5 - (-0.7626) = 1.3 --s-1.5 V

Kerusakan baterai yang tidak diberi lapisan leakproof dapat terjadi dikarenakan

zinc yang merupakan lapisan terluar dari baterai akan terus menerus teroksidasi sehingga

lapisan zinc akan semakin tipis dan mengakibatkan Mn2O3 yang ada dibagian dalam

baterai merembes keluar.

Baterai Zinc-Carbon juga disering disebut dengan Baterai “Heavy Duty” yang sering

kita jumpai di Toko-toko ataupun Supermarket. Baterai ini termasuk jenis baterai primer

(sekali pakai). Baterai jenis ini terdiri dari bahan Zinc yang berfungsi sebagai Terminal

Negatif dan juga sebagai pembungkus Baterainya. Sedangkan Terminal Positifnya adalah

terbuat dari Karbon yang berbentuk Batang (rod). Baterai jenis Zinc-Carbon merupakan jenis

baterai yang relatif murah dibandingkan dengan jenis lainnya.

4. BATERAI NIKEL – KADMIUM

Biasa dikenal sebagai baterai Nikel-Kadmium (NiCd) 

adalah sel kering yang dapat diisi ulang. Baterai ini sangat populer karena mempunyai kemam

puan memberikan arus yang kuat dan setiap waktu dapat diisi ulang.

Baterai NikelKadmium terdiri atas nikel hidrosida ( Ni (OH2) ) sebagai elektroda posit

if dan Kadmium hidrosida ( Cd (OH2) )sebagai elektroda negatif.Larutan yang digunakan adal

ah potassium hidrosida ( KOH ).Baterai jenis ini memiliki tegangan sel sebesar 1,2 Volt denga

n kerapatan energi dua kali lipat dari baterai asam timbal. Baterai nikel kadmium memiliki nil

ai hambatan intenal yang kecil dan memungkinkan untuk di charge dan discharge dengan rate 

yang tinggi.

Umumnya baterai jenis ini memiliki waktu siklus hingga lebih dari 500 siklus. Salah sa

tu kekurangan baterai jenis nikel kadmium adalah adanya efek ingatan (memory effect) yang b

erarti bahwa baterai dapat mengingat jumlah energi yang dilepaskan pada saat discharge sebel

umnya. Efek ingatan disebabkan oleh perubahan yang terjadi pada struktur kristal elektrode ke

tika baterai nikel kadmium diisi muatan listrik kembali sebelum seluruh energi listrik yang ter

dapat pada baterai nikel kadmiun dikeluarkan/digunakan. Selain itu, baterai nikel kadmium ju

ga sangat sensitif terhadap kelebihan pengisian, sehingga perlu perhatian khusus pada saat pen

gisian muatan listrik pada baterai. 

Gambar 5. Komponen pada baterai nikel kadmium

5. BATERAI SILVER OXIDE

Baterai Silver Oxide merupakan jenis baterai yang tergolong mahal dalam harganya.

Hal ini dikarenakan tingginya harga Perak (Silver). Baterai Silver Oxide dapat dibuat untuk

menghasilkan Energi yang tinggi tetapi dengan bentuk yang relatif kecil dan ringan. Baterai

jenis Silver Oxide ini sering dibuat dalam dalam bentuk Baterai Koin (Coin Battery) / Baterai

Kancing (Button Cell). Baterai jenis Silver Oxide ini sering dipergunakan pada Jam Tangan,

Kalkulator maupun aplikasi militer. Baterai ini termasuk baterai primer (sekali pakai). Baterai

ini dapat menghasilkan energi yang tinggi dengan bentuk yang relatif lebih ringaan dan kecil,

baterai ini juga biasa dibuat dalam bentuk seperti koin.

Gambar 6. Contoh Baterai Silver Oxide

Baterai yang sering disebut baterai koin ini memiliki ukuran terkecil dibanding baterai

lain. Disebabkan ukurannya, jenis ini tidak memiliki masalah dengan ruang yang tersedia.

Karena bentuknya yang miniatur, baterai ini tidak dilengkapi dengan ventilasi. Sementara

proses charging yagn cepat akan membuat baterai mengembung. Untuk menghindari keadaan

ini, baterai kancing hanya dapat di charge dengan kecepatan yang rendah. Pengisian baterai

jenis ini dapat memakan waktu 10-16 jam.