Baterai listrik

Baterai adalah perangkat yang terdiri dari satu atau lebih sel elektrokimia dengan koneksi eksternal yang disediakan untuk memberi daya pada perangkat listrik seperti senter, ponsel, dan mobil listrik. Ketika baterai memasok daya listrik, terminal positifnya adalah katode dan terminal negatifnya adalah anoda. Terminal bertanda negatif adalah sumber elektron yang akan mengalir melalui rangkaian listrik eksternal ke terminal positif. Ketika baterai dihubungkan ke beban listrik eksternal, reaksi redoks mengubah reaktan berenergi tinggi ke produk berenergi lebih rendah, dan perbedaan energi-bebas dikirim ke sirkuit eksternal sebagai energi listrik. Secara historis istilah "baterai" secara khusus mengacu pada perangkat yang terdiri dari beberapa sel, namun penggunaannya telah berkembang untuk memasukkan perangkat yang terdiri dari satu sel.

Baterai primer (sekali pakai) digunakan satu kali kemudian dibuang; bahan elektrode berubah secara ireversibel selama pelepasan. Contoh umum adalah baterai alkaline yang digunakan untuk senter dan banyak perangkat elektronik portabel. Baterai sekunder (dapat diisi ulang) dapat habis dan diisi ulang beberapa kali menggunakan arus listrik yang diterapkan; komposisi asli dari elektrode dapat dikembalikan dengan arus balik. Contohnya termasuk baterai asam timbal yang digunakan dalam kendaraan dan baterai ion-litium yang digunakan untuk elektronik portabel seperti laptop dan ponsel.

Kutub yang bertanda positif menandakan bahwa memiliki energi potensial yang lebih tinggi daripada kutub bertanda negatif. Kutub bertanda negatif adalah sumber elektron yang ketika disambungkan dengan rangkaian eksternal akan mengalir dan memberikan energi ke peralatan eksternal. Ketika baterai dihubungkan dengan rangkaian eksternal, elektrolit dapat berpindah sebagai ion di dalamnya, sehingga terjadi reaksi kimia pada kedua kutubnya. Perpindahan ion dalam baterai akan mengalirkan arus listrik keluar dari baterai sehingga menghasilkan kerja. Meski sebutan baterai secara teknis adalah alat dengan beberapa sel, sel tunggal juga umumnya disebut baterai.

Baterai hadir dalam berbagai bentuk dan ukuran, dari sel miniatur yang digunakan untuk alat bantu dengar dan arloji hingga kecil, sel tipis yang digunakan dalam ponsel cerdas, hingga baterai asam timbal besar atau baterai litium-ion dalam kendaraan, dan pada ukuran paling besar, bank baterai besar seukuran ruangan yang menyediakan daya siaga atau darurat untuk pertukaran telepon dan pusat data komputer.

Menurut perkiraan pada tahun 2005, industri baterai di seluruh dunia menghasilkan US$48 miliar dalam penjualan setiap tahun, dengan pertumbuhan tahunan 6%.

Baterai memiliki energi spesifik yang jauh lebih rendah (energi per satuan massa) daripada bahan bakar umum seperti bensin. Pada mobil, ini sedikit diimbangi oleh efisiensi yang lebih tinggi dari motor listrik dalam mengubah energi kimia menjadi pekerjaan mekanik, dibandingkan dengan mesin pembakaran.

Prinsip operasi 

Baterai mengubah energi kimia langsung menjadi energi listrik. Baterai terdiri dari sejumlah sel volta. Tiap sel terdiri dari 2 sel setengah yang terhubung seri melalui elektrolit konduktif yang berisi anion dan kation. Satu sel setengah termasuk elektrolit dan elektrode negatif, elektrode yang di mana anion berpindah; sel-setengah lainnya termasuk elektrolit dan elektrode positif di mana kation berpindah. Reaksi redoks akan mengisi ulang baterai. Kation akan tereduksi (elektron akan bertambah) di katode ketika pengisian, sedangkan anion akan teroksidasi (elektron hilang) di anode ketika pengisian. Ketika digunakan, proses ini dibalik. Elektrodanya tidak bersentuhan satu sama lain, tetapi terhubung via elektrolit. Beberapa sel menggunakan elektrolit yang berbeda untuk tiap sel setengah. Sebuah separator dapat membuat ion mengalir di antara sel-setengah dan bisa menghindari pencampuran elektrolit.

Tiap sel setengah memiliki gaya gerak listrik (GGL), ditentukan dari kemampuannya untuk menggerakan arus listrik dari dalam ke luar sel. GGL bersih sebuah sel adalah perbedaan GGL masing-masing sel setengah. Maka, jika elektrode memiliki GGL  dan , maka GGL bersihnya adalah . Dengan kata lain, GGL bersih adalah perbedaan antara potensial reduksi reaksi setengah.

Perbedaan potensial  pada kutub baterai dikenal dengan (perbedaan) tegangan kutub dan diukur dalam volt. Tegangan kutub sebuah sel yang tidak sedang diisi ulang atau dipakai disebut tegangan rangkaian terbuka dan sama dengan GGL sel. Karena adanya resistensi dalam, tegangan kutub pada sel yang dipakai lebih kecil daripada tegangan rangkaian terbuka dan ketika sel diisi ulang, akan lebih besar daripada tegangan rangkaian terbuka.

Sebuah sel ideal memiliki resistensi dalam yang dapat diabaikan, maka sel tersebut akan menjaga tegangan terminal konstan sebesar  sampai habis, kemudian turun menjadi nol. Jika sel menjaga 1,5 volt dan menyimpan muatan satu coulomb maka pada pelepasan total akan menghasilkan 1,5 joule kerja. Pada sel sebenarnya, resistensi dalam akan meningkat ketika melepas muatan (discharge) dan tegangan rangkaian terbuka juga menurun ketika melepas muatan. Jika tegangan dan hambatan diplot terhadap waktu, maka grafiknya biasanya berbentuk kurva.

Tegangan yang muncul melewati kutub sel tergantung dari energi yang dilepas dari reaksi kimia pada elektrode dan elektrolit. Sel baterai alkalin dan baterai seng karbon memiliki sifat kimia yang berbeda, tetapi menghasilkan GGL yang sama berkisar 1,5 volt. Begitu juga sel NiCd dan NiMH memiliki sifat kimia yang berbeda namun menghasilkan GGL sama sekitar 1,2 volt.

Besar energi yang dapat disimpan baterai dipengaruhi oleh dua hal, yaitu tegangan baterai yang bersatuan volt dan kapasitas baterai yang bersatuan Ah. Energi yang disimpan (Wh) = Tegangan baterai (V) x Kapasitas baterai (Ah).

Tegangan baterai sendiri secara teoretik hanya dipengaruhi oleh tipe materialnya. Misal, pada baterai zink klorida, tidak peduli berapapun ukuran baterai, tegangannya ialah 2,12 V. Lalu, kapasitas baterai dipengaruhi oleh ukuran baterai, atau lebih akurat adalah massa material aktif/elektrode yang ada di baterai tersebut.

Namun begitu, secara praktikal besar energi spesifik (energi/gram) yang dapat disimpan jauh lebih rendah daripada teoretik. Hal ini disebabkan terdapat komponen-komponen dalam baterai yang menambah berat baterai yaitu elektrolit, separator, current collector, kontainer, terminal, seal, dll.

Lalu, terdapat faktor seperti penurunan tegangan yang terjadi karena tiga hal. Yang pertama adalah terdapat hambatan dalam baterai yang disebabkan oleh hambatan ionik dari elektrolit dan juga hambatan elektronik dari komponen aktif baterai. Yang kedua adalah adanya polarisasi aktivasi, yaitu polarisasi yang terjadi karena reaksi elektrokimia pada permukaan elektrode. Yang ketiga adalah polarisasi konsentrasi, yaitu polarisasi yang terjadi karena perbedaan konsentrasi reaktan dengan produk pada elektrode yang disebabkan oleh transfer muatan.

Hingga saat ini, baterai sekunder atau isi ulang yang paling umum digunakan di handphone, laptop, maupun mobil listrik ialah baterai litium ion dengan elektrolit cair berupa LiPF6. Elektrolit tersebut sebenarnya memiliki tingkat keamanan yang relatif rendah dibanding karena sifatnya yang mudah bereaksi dengan udara dan terbakar.

Oleh karena itu, saat ini sedang dikembangkan elektrolit padat yang memiliki tingkat keamanan lebih tinggi. Sayangnya, konduktivitas ionik elektrolit padat masih secara umum di bawah elektrolit cair. Dengan begitu, hambatan dalam yang akan dimiliki oleh baterai dengan elektrolit padat secara umum lebih besar dan penurunan tegangan yang akan terjadi juga semakin besar.

Perkembangan mendatang 
Pada tahap perkembangan baterai selanjutnya, salah satu baterai sekunder yang digunakan adalah baterai litium ion. Hal ini dikenal juga sebagai bagian dari baterai generasi selanjutnya (next generation battery), yang sedang aktif diteliti di lab sebagai alternatif baru untuk baterai. Namun, manusia selalu menginginkan yang lebih baik, terutama dari segi keamanan, rapat energi, dan rapat daya supaya memungkinkan berbagai aplikasi yang lebih canggih. Tiga contoh baterai generasi selanjutnya adalah baterai all solid state, baterai litium sulfur, dan baterai logam udara (metal-air).

Baterai litium sulfur terdiri dari anode berupa logam litium dan katode berupa sulfur (S8). Kelebihan utama dari baterai litium sulfur adalah rapat energinya yang sangat tinggi secara teoretik yaitu 2.500 Wh/kg, sekitar lima kali rapat energi yang baterai litium ion yang saat ini ada di pasaran. Oleh karena itu, baterai ini dianggap sangat berprospek untuk aplikasi seperti mobil listrik yang membutuhkan penyimpanan banyak energi dalam ruangan dan berat yang kecil. Namun begitu, ada satu kekurangan utama dari baterai litium sulfur. Kekurangan tersebut adalah umur baterai yang sangat rendah karena ketidakmampuan baterai untuk mengulang banyak siklus pemakaian. Setelah beberapa kali penggunaan, kapasitas baterai litium sulfur sudah turun sangat drastis menjadi rendah. Hal ini disebabkan terbentuknya senyawa-senyawa sulfida tak diinginkan pada saat proses pemakaian dan pengisian.

Baterai logam udara merupakan baterai yang menggunakan logam sebagai anode dan udara (O2) sebagai katode. Ketiga logam yang digunakan adalah litium, maka baterai tersebut disebut dengan baterai litium-udara (inggris: lithium-air) yang secara teoretik memiliki rapat energi 13.000 Wh/kg. Hal ini dimungkinkan karena anodanya yang berupa udara memiliki rapat energi yang sangat rendah. Baterai logam udara ini bisa dikatakan memiliki kerja yang hampir sama dengan fuel cell, yang menyimpan energi menggunakan gas H2 dan diisi dengan cara mengisi gas H2. Di sisi lain, baterai logam udara diisi dengan cara yang sama dengan mengecas baterai bisanya. Selain baterai litium-udara, baterai logam udara yang paling sering dikembangkan saat ini adalah baterai seng udara (zinc-air).

Kekurangan yang menyebabkan baterai logam udara ini masih sangat jauh dari aplikasi komersial ada 4. Yang paling utama adalah sulitnya mendapatkan elektrolit yang cocok dan memiliki seluruh sifat yang diinginkan yaitu stabil dengan logam dan bisa melarutkan udara, tidak beracun, serta rentang elektrokimia yang luas. Kekurangan lainnya adalah pembentukan solid electrolyte interphase (SEI) karena logam bereaksi dengan elektrolit, risiko korsleting karena tumbuhnya dendrit, dan stabilitas katode tempat terjadi reaksi yang biasanya diperankan oleh karbon.

Lihat pula

Orang/penemu 
 John Frederic Daniell
 Thomas Edison
 Luigi Galvani
 Moritz von Jacobi
 Georges Leclanché
 Slavoljub Penkala
 Nikola Tesla
 Alessandro Volta

Topik listrik terkait 
 Perbedaan potensial
 Kendaraan listrik
 Efisiensi listrik
 Listrik
 Sel elektrokimiawi
 Potensial elektrokimiawi
 Elektrokimia
 Gaya elektromotif
 Electroplating
 Penyimpanan energi
 Baterai lokal
 Pencatu daya
 Arus searah
 Tenaga surya
 Energi terbarui

Konsep elektronik terkait 
 Rangkaian seri dan paralel
 Elektrode
 Kapasitor elektrolitik
 Sel bahan bakar
 Ignition system
 Baterai lemon
 Jump start
 Lantern
 Penyimpanan energi roda terbang
 Baterai isi ulang
 Teori daya maksimum
 Persamaan Nernst
 Penyimpanan energi superkonduksi magnetik
 Penyimpanan energi jaringan

Penemuan terkait 
 Baterai Bagdad
 Sel galvani
 Garis waktu penemuan
 Daftar penemu

Lainnya 
 Mesin hibrida gas listrik
 Mobil hibrida
 Pengereman regeneratif
 Waste
 Baterai CMOS
 Battery room

Referensi

Pranala luar 
 Electrochemistry Encyclopedia NONRECHARGEABLE BATTERIES 
 Battery Glossary & Terminology 
 Battery Technologies  - Directory page covering theory, research and development, and market devices that improve the trend toward clean, renewable energy. (FreeEnergyNews)
 Jet-Powered Computers, a look at future battery technologies by Fred Hapgood 
 The Microturbine, battery technology as "the Next Big Thing" by Fred Hapgood 
 Exide Technologies, a typical manufacturer of batteries for industrial and other applications
 Batteries in a Portable World - A Handbook on rechargeable batteries for non-engineers - Has a comprehensive FAQ section on rechargeable batteries
 Battery Timeline - History of batteries, energy and related technologies
 Mobile phone fuel cells coming in 2007 Infoworld July 13, 2005
 "Battery Resources"  of PESWiki, the community-built website dealing with alternative and renewable energy solutions