## ANALISIS EFISIENSI ENERGI FLOW BATERAI LEAD ACID KEADAAN STATIS DAN DINAMIS
Muhammad Ghufron 1 , Istiroyah 1 , Cholisina Anik Perwita 1 , Kurriawan Budi Pranata 2
1 Staf Pengajar Jurusan Fisika Fakuktas Matematika dan IlmuPengetahuan Alam Universitas Brawijaya, Jl. Veteran, Malang, 65154
2 Staf Pengajar Jurusan Pendidikan Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Kanjuruhan Malang, Jl. Sudancho Supriyadi 48, Malang, 65148
Email: *mghufron@ub.ac.id

## ABSTRACT
Charging-discharging research was conducted on Redox Flow battery (RFB) using Pb as cathode, PbO as anode, and H 2 SO 4 solution as electrolyte. The research was done by using static and dynamic methode.  The  experimental  shows  that  RFB  was  succesfully  created  and  show  secondary  battery characteristic (charge and discharge graph). According to the charge-discharge characteristic for 5 cycles RFB, shows that the RFB capacity is 1800 mAh when RFB on the static mode while RFB in dynamic mode, the capacity is 2900 mAh.  Based on the graph, it was found that the energy efficiency of RFB in the static mode is 50,1% and 71,1% for dynamic mode.
Keywords: Charging, discharging, RFB, Energy eficiency

## PENDAHULUAN
Kebutuhan  masyarakat  akan  energi  listrik terus  mendorong  manusia  menciptakan  alat  yang mampu  menyimpan  energi  listrik  lebih  baik. Redox  Flow  Battery (RFB)  merupakan  suatu baterai  berjenis  baterai  sekunder  yang  memiliki kemampuan  untuk  bisa  diisi  ualng  [1].  RFB memiliki  beberapa  kelebihan  seperti  masa  pakai yang panjang, memiliki kapasitansi yang besar dan efisiensi  yang  baik  [2].  RFB terbagi  menjadi  dua jenis  yakni  RFB  dua  elektrolit  contohnya  baterai berbasis Vanadium [3], dan RFB elektrolit tunggal seperti baterai berbasis Pb [4] dan Zn [5].  Prinsip kerja dari baterai aliran redoks ini adalah dengan digunakan reaksi reduksi dan oksidasi elektrokimia  yang  terjadi  pada  dua  cairan elektrolit, baterai aliran redoks cukup bergantung dengan  jenis  larutan  kimia  yang  digunakan, dimana  ion  bermigrasi  dari  satu  elektroda  ke elektroda lainnya (dari anoda menuju katoda) [6].
Baterai  asam  timbal  (Pb)  merupakan  jenis baterai  yang  paling  banyak  digunakan  oleh masyarakat selain baterai Lithium Polimer (LiPo). Adapun kekurangan baterai jenis ini adalah adanya peristiwa  pengendapan  timbal  yang  terjadi  pada elektroda  yang  mampu  mengurangi  efisiensi energinya yang mana lambat laun akan mengurangi  masa  hidup  ( life  time )  baterai.  Salah satu solusinya adalah dengan mengganti elektroda yang  ada  namun  hal  ini  tentu  akan  berpengaruh pada  biaya  yang  tidak  sedikit.  Kapasitas  baterai ternyata  bisa  ditingkatkan  dengan  menambah volume  maupun  konsentrasi  elektrolit  di  dalam sistem baterai dan memungkinkan untuk
menambah  volume  elektrolit  di  luar  elektroda dengan cara mengalirkannya menggunakan pompa.  [7], oleh karena itu sangat memungkinkan bila  melakukan  modifikasi  baterai  asam  timbal konvensional  menjadi  RFB  Asam  Timbal elektrolit tunggal.
Pada  penelitian  kali  ini  akan  dibahas tentang karakteristik pengisian-pengosongan
( charge - discharge )  baterai  dinamis  asam  timbal elektrolit  tunggal  kemudian  analisis  tentang kapasitas dan efisiensi baterai dengan membandingkannya pada keadaan elektrolit diam (statis) dan elektrolit bergerak (dinamis).

## METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian ini dibagi menjadi 2 tahap yakni pembuatan  rancang  bangun  sistem  baterai  dan pengujian  analisis charging dan discharging . Sistem  ini  terdiri  dari  tiga  bagian  yakni  bagian pertama  adalah  baterai  dinamis  asam  timbal (chamber  dan  pompa),  alat charge - discharge realtime dan  laptop  untuk  monitoring  dan menyimpan data. Rancang bangun baterai dinamis dibuat dengan bahan akrilik kemudian dihubungkan dengan pompa mekanik agar baterai bisa  bekerja  dengan  baik  saat  keadaan  statis maupun  dinamis  dengan  menggunakan  pompa tegangan  kecil.  Baterai  terdiri  dari  4  buah  pelat elektroda  Pb  dan  4  buah  elektroda  PbO  dengan ukuran  pelat  masing-masing  7,5  cm  x  4,5  cm. Baterai  sebanyak  3  sel  disusun  secara  seri  dan paralel  kemudian  dilakukan  pengujian  pengisian dan  pengosongan  dengan  arus  konstan  0,5  A. Dilakukan juga proses pengisian dan pengosongan
untuk aki dipasaran untuk tegangan 6V dan 12 V sebagai  pembanding  hasil  pada  penelitian.  Hasil uji  pengisian  dan  pengosongan  baterai  kemudian dianalisis  untuk  mengetahui  karakteristik  baterai, kapasitas baterai dan efisiensi energi baterai.
Gambar 1. Rangkaian Baterai Aliran Redoks

## HASIL DAN PEMBAHASAN Uji Pengisian
Pengisian baterai sekunder memiliki karakter yang khas dimana tegangan pada baterai meningkat  pesat  diawal  pengisian  dan  tegangan naik  secara  lambat  setelahnya  hingga  baterai penuh  [8].  Salah  satu  contoh  baterai  sekunder adalah  aki.  Pada  bagian  ini  telah  dilakukan  uji pengisian pada aki 6 V dan 12 V kemudian akan dibandingkan  dengan  baterai  asam  timbal  hasil rancang  bangun.  Gambar  2  menunjukkan  uji pengisian aki 6 dan 12 V pada arus konstan 0,5 A dan 1 A. Hasil pengujian menunjukkan baik aki 6V dan 12 V saat charging dengan arus konstan 0,5 A (lihat  gambar  3)  dan  1  A  memiliki  karakter pengisian  yang  mirip  yakni  naik  cepat  diawal pengisian  dan  tegangan  menjadi  naik  secara lambat setelahnya (lihat gambar 2 dan gambar 4). Karakteristik grafik yang sama juga dimiliki oleh baterai  dinamis  asam  timbal  (elektrolit  di  alirkan dengan  pompa)  saat  disusun  seri  maupun  paralel yang nampak pada Gambar 5.
Gambar  2  menunjukkan  bahwa  pada pengisian aki dengan arus konstan 0,5 A, nilai rata- rata tegangan tiap sel pada aki 12 V sebesar  2,06 V, nilai ini lebih tinggi 9,0 % dibandingkan dengan aki  6  V  yang  hanya  memiliki  nilai  1,89  V.  Hal yang  sama  juga  terjadi  untuk  pengisian  dengan arus  konstan  1  A  dimana  nilai  tegangan  rata-rata
tiap  sel  untuk  aki  12  volt  dengan  aki  6  volt berturut-turt  adalah  2,12  V  dan  1,93  V  dengan selisih  sebesar  9,8%.  Lebih  tingginya  nilai  rata- rata  tegangan  aki  12  V  yang  memiliki  jumlah elektroda  lebih  banyak  mengindikasikan  mampu menyimpan  muatan  (kapasitas  baterai)  lebih  baik dibandingkan aki 6 V.  Hal ini juga dikuatkan oleh trend  grafik  yang  masih  cenderung  naik  (warna hijau)  bila  dibandingkan  dengan  aki  6V  yang terlihat  konstan (warna biru)  seperti  yang terlihat pada gambar 2 dan gambar 4.
Gambar 2. Uji Pengisian Aki 6 V dan 12 V dengan arus konstan 0,5 A.
Gambar 3. Arus listrik konstan 0,5 A diberikan pada aki saat proses pengisian selama 1 jam.
Gambar 4. Uji Pengisian Aki 6 V dan 12 V dengan arus konstan 0,5 A.
0 3 6 9 12 0 10 20 30 40 50 60 T eg an g an B ater ai (Vo lt) Waktu (menit) Aki 6 V arus 0,5A Vrata-rata sel Aki 6 V Aki 12 V arus 0,5 A 0 3 6 9 12 15 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 T eg an g an B ater ai (Vo lt) Waktu (menit) Aki 6 V arus 1 A Aki 12 V arus 1 A
Laptop Turnigy Accucell-6 50 w Tangki Sel baterai Pompa
Gambar 5 . Uji Pengisian Baterai Dinamis Susunan Seri dan Paralel dengan Arus Konstan 0,5 A.
Gambar 5 menunjukkan karakteristik grafik pengisian  baterai  dinamis  asam  timbal  dengan pengisian  arus  konstan  0,5  A  selama  1  jam. Berdasarkan grafik tersebut dapat diketahui bahwa baterai dinamis susunan seri tiga sel memiliki nilai tegangan  lebih  tinggi  dengan  susunan  paralel namun dari nilai tegangan rata-rata tiap sel nampak bahwa  susunan  paralel  memiliki  nilai  yang  lebih tinggi. Tegangan sel baterai pada susunan paralel memiliki nilai rata-rata sebesar 2,43 V dan susunan seri  sebesar  2,40  V.  Nilai  ini  berselisih  sebesar 1,2%, jauh lebih rendah dibandingkan dengan pada aki 6 V dan 12 V yang bernilai 9,0 % dan 9,8%. Berdasarkan  teori  dinyatakan  bahwa  tegangan pada asam timbal bisa  mencapai lebih dari 2,4 V sehingga  untuk  susunan  seri  ketika  dilakukan pengisian  selama  1  jam  masih  memungkinkan untuk terus diisi.
Bila  dibandingkan  antara  aki  dan flow baterai hasil rancang bangun maka tampak sekali perbedaan  yang  nyata  antara  keduanya  saat dilakukan  pengisian  pada  arus  0,5A.  Tegangan pada flow baterai  lebih  tinggi  0,4  V-0,5  V.  Bila merujuk  pada  energi  yang  mampu  disimpan dimana  energi  sebanding  dengan  tegangan  maka jelas  bahwa flow baterai  memiliki  penyimpanan energi  ( energy  storage )  yang  lebih  besar dibandingkan aki pada pengisian 1 jam.

## Uji Pengosongan
Gambar  5  dan  gambar  6  menunjukkan karakteristik  tegangan  aki  dan  baterai  dinamis asam  timbal  saat  peristiwa  pwngosongan  dengan menggunakan  arus  konstan  0,5  A.  Pengosongan pada  aki  diawal  membuat  tegangan  turun signifikan yang berlangsung cepat ( 45 detik untuk aki  6V  dan  50  detik  untuk  aki  12  V).  Setelah  itu tegangan relatif konstan hingga baterai mengalami V cutoff . V cutoff merupakan  tegangan  dimana  baterai tidak lagi  mampu  memberikan arus konstan pada
rangkaian  listrik  dan  di  tandai  dengan  turunnya tegangan seacara drastis. Pada aki V cutoff memiliki nilai  sebesar  1,8  V  pada  masing-masing  sel sedangkan  pada  baterai  dinamis  memiliki  nilai rata-rata  tegangan  sel  dibawahnya  yakni  sebesar 1,70  V  untuk flow baterai  rangkaian  paralel  dan
1,50  V  untuk  baterai  dirangkai  seri.  Pada flow baterai susunan seri lebih cepat habis dibandingkan dengan flow baterai susunan paralel. Pada  susunan  seri,  baterai  dinamis  kehilangan tegangannya  pada  pengosongan  setelah  1,7  jam dengan tegangan akhir sebesar 6,012 V.
Gambar 5 . Uji Pengosingan Aki 6V dan 12 V sampai mencapai tegangan cutoff
Gambar 6 . Uji Pengosongan Baterai Dinamis Susunan Seri dan Paralel
Sedangakan pada susunan paralel tegangan turun drastis setelah 5,794 jam dan tegangan akhir 1,73 V.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 20 40 60 T eg an g an ( Vo lt) Waktu (menit) seri dinamis paralel dinamis V rata-rata sel baterai seri dinamis 69.6; 5,43 68,4; 11,4 0 2 4 6 8 10 12 0 10 20 30 40 50 60 70 T eg an g an ( V o lt ) Waktu(menit) Aki 6V arus 0,5A V rata-rata sel Aki 6V Aki 12 V Arus 0,5A Vrata-rata sel Aki 12V 5,8; 1,7 1.7; 6,0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 2 4 6 T eg an g an ( V o lt) Waktu (jam) paralel dinamis seri dinamis
Vrata-rata sel seri
Untuk  baterai  dengan  susunan  seri  dan paralel  sebelum  nampak  pada  grafik  bahwa  nilai rata-rata  tegangan  setiap  sel  pada  susunan  seri sebesar  2,22  V  lebih  besar  0,37  V  (20%) dibandingkan flow baterai  paralel  yang  memiliki tegangan sel 1,85 V. Pada peristiwa pengosongan aki  6V  dan  12  V,  nilai  rata-rata  tegangan  antara keduanya  memiliki  kemiripan  yang  sangat  tinggi dengan  selisih  hanya  0,8%  saja.  Hal  ini menunjukkan  bahwa  aki  yang  ada  dipasaran memiliki standar yang sama satu dengan yang lain.

## Kapasitas dan Efisiensi Energi
Kapasitas  suatu  baterai  dapa  dilihat  dari banyaknya  muatan  yang  mampu  disimpan  oleh baterai  tersebut  dimana  ini  diindikasikan  secara langsung  dari  banyaknya  muatan  yang  mampu dilepaskan  oleh  baterai.  Jumlah  muatan  yang dilucuti ini dapat dilihat dari  waktu pengosongan baterai hingga baterai mencapai V cutoff . Gambar 8 dan gambar 9 merupakan karakteristik pengisian- pengosongan flow baterai  selama  12  jam  baik untuk keadaan statis dan dinamis dari rangkaian sel seri  dan  paralel.  Hal  ini  dilakukan  karena  belum diketahui  kapasitas  total  dari flow baterai  yang dibuat.  Berdasarkan  grafik  tersebut  dapat  dilihat bahwa  perbedaan  nyata  antara  pengisian  dan pengosongan  adalah  tegangan  pengisian  yang lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  tegangan pengosongan.
Gambar 8. Karakteristik pengisian-pengosongan Redox Flow Battery (RFB) keadaan dinamis.
Gambar 9. Karakteristik pengisian-pengosongan Redox Flow Battery (RFB) keadaan statis.
Kemudian  pada  keadaan  dinamis  dapat diketahui  bahwa  pengosongan  terjadi  lebih  lama bila  dibandingkan  dengan  keadaan  statis  baik untuk  rangkaian  seri  maupun  rangkaian  paralel. Baterai  dengan  susunan  paralel  memiliki  waktu pengosongan  lebih  lama  dibandingkan  dengan baterai dengan susunan seri dengan waktu terlama diperoleh pada flow baterai susunan paralel dalam keadaan  dinamis  yakni  5,8  jam. Tabel  1 menunjukkan  hasil  perhitungan  kapasitas flow baterai  dimana  dapat  dilihat  bahwa  kapasitas baterai keadaan dinamis lebih besar dibandingkan dengan kapasitas baterai statis. Hal ini karena saat keadaan  dinamis  elektrolit  mengalir  dari  tangki menuju  elektroda  sehingga  jumlah  reaksi  redoks yang  terjadi  pada  kedua  elektroda  menjadi  lebih banyak.  Kapasitas  baterai  yang  paling  kecil diperoleh pada susunan paralel keadaan elektrolit diam yakni 1215 mAh.
Efisiensi  pada  baterai  dapat  terdiri  dari efisiensi muatan ( coulomb ), efisiensi tegangan dan efisiensi energi listrik. Efisiensi pada pembahasan ini  merujuk  pada  efisiensi  energi  listrik  yang merupakan  perkalian  efisiensi  muatan  dengan efisiensi  tegangan.  Efisiensi  energi  juga  bisa diperoleh  dari  rasio  besarnya  energi  listrik pengosongan  dengan  energi  listrik  pengisian  dan sesuai dengan persamaan 1.
𝜂 = (𝑉𝑖𝑡) 𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 (𝑉𝑖𝑡) 𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 ........................... (1)
Tabel 1. Kapasitas flow baterai susunan seri dan paralel dalam keadaan statis dan dinamis.
Seri Statis Seri Dinamis Paralel Statis Paralel Dinamis V c (Volt) 7,84 7,503 2,693 2,549 V d (Volt) 6,204 6,253 1,852 1,876 I (mA) 500 500 500 500 t c (jam) 6 6 6 6 t d (jam) 2,43 3,6 4,96 5,8 Kapasitas (mAh) 1215 1800 2480 2900 𝜂 (%) 32,05 50,00 56,85 71,14
Berdasarkan  analisa  grafik  pengisian- pengosongan  dapat  diperoleh  data  seperti  pada tabel  1.  V c merupakan  tegangan  median  saat dilakukan  pengisian  baterai  ( charging )  dan  V d merupakan  tegangan  median  saat  dilakukakan pengosongan  ( discharging )  sampai  mencapat cutoff .    Sedangakn t c dan t d berturut-turut  adalah waktu  saat  pengisian  dan  pengosongan  baterai hingga cutoff . Analisis menggunakan persamaan 1 diperoleh  efisiensi  energi flow baterai  dalam
9.6, 6.012 0 1.5 3 4.5 6 7.5 9 0 2 4 6 8 10 12 T eg an g an ( Vo lt) Waktu (Jam) RFB Paralel RFB Seri 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 12
T eg an g an ( Vo lt) Waktu (Jam) RFB Seri_Statis RFB Paralel_Statis
keadaan  dinamis  lebih  besar  dibandingan  dalam keadaan  statis.  Nilai  efisiensi  terbesar  diperoleh pada RFB dengan susunan paralel dalam keadaan elektrolit  mengalir  sebesar  70,14  %.  Sedangkan pada  keadaan  seri  elektrolit  diam  diperoleh efisiensi energi  yang tercekil  sebesar 32 %. Nilai efisiensi  ini  dapat  berubah  bila  menggunakan waktu pengisian dan arus listrik yang berbeda [9].

## KESIMPULAN
Rancang  bangun flow baterai  (RFB) berhasil  dibuat  dengan  menggunakan  anoda  Pb dan katoda PbO serta elektrolit H 2 SO 4 sebanyak 4 sel.  Hasil  grafik  pengisian  dan  pengosongan menunjukkan  bahwa  baterai  yang  dibuat  berjenis baterai  sekunder  dan  mampu  diisi  selama  6  jam dengan  arus  konstan  0,5A.  Berdasarkan  analisis pada  grafik  pengisian-pengosongan  diperoleh bahwa  baterai  keadaan  dinamis  memiliki  waktu pengosongan  yang  lebih  lama  dibandingkan baterai keadaan statis sehingga memiliki kapasistas baterai dan efisiensi baterai yang lebih tinggi.  Berdasarkan  susunan  sel  saat  eksperimen diperoleh  bahwa  baterai  dengan  susunan  sel paralel  memiliki  efisiensi  energi  dan  kapasitas lebih tinggi dibandingkan dengan susunan seri.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Weber, A.Z,  Matthew M. Mench, Jeremy P. Meyers,  Philip  N.  Ross,    Jeffrey  T.  Gostick. Qinghua  Liu.  2011. Redox  flow  batteries:  a review. J Appl Electrochem. 41:1137–1164
[2] Alotto Piergiorgio, Massimo Guarnieri, Moro Federico.  2014. Redox  flow  batteries  for  the storage  of  renewable  energy:  a  Review, 29:325-335
[3] C. Ponce, A. Frías-Ferrer, J. González-García, D.A.  Szánto  and  F.C.  Walsh.  2006. Redox
flow  cells  for  energy  conversion. J.Power Sources, vol. 160, no. 1, pp. 716-732.
[4] Collins, J., Kear G, Li X, Low CT, Pletcher D, Tangirala  R.  2010.  A  novel  flow  battery:  a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II) Part VIII. The cycling of a 10 cm  x  10  cm  flow  cell.  J  Power  Sources.195:
1731–8
[5] Ghufron,  M.,  Kurriawan  B.  Pranata.  2017. Energy Efficiency of Zinc-Carbon
Accumulator  and  Standart  Accumulator .
Proceeding on The 7th Annual Basic Science International  Conference.  7-8  Maret  2017. Vol 3. Hal 44-47
[6] Skyllas-Kazacos M, Chakrabarti MH,
Hajimolana SA, Mjalli FS, Saleem M. 2011. Progress  in  flow  battery  research  and development .  Journal  of  the  Electrochemical Society,158(8):R55–79
[7] Bates, A., Santanu Mukerjee , Sang  C.  Lee , Dong-Ha Lee , Sam Park. 2014. An analytical study of a lead-acid flow battery as an energy storage  system ,  journal  of  Power  Source
249:207-218
[8] Leung, P.K.  C. Ponce-de-León, C.T.J. Low,
A.A. Shah, F.C. Walsh. 2011.
Characterization  of  a  zinc–cerium  flow battery . Journal of Power Sources. 196.5174– 5185
[9] Leung, P.K, C.  Ponce de  Leon,  F.C.  Walsh. 2012.  The    influence    of    operational parameters    on    the    performance    of    an undivided  zinc–cerium    flow    battery.
Electrochimica Acta. 80. 7– 14