KERJA BATERAI

Umumnya kebanyakan orang mengetahui bahwa bahan kimia pembuat baterai adalah karbon dan seng. Namun sebenarnya masih ada cukup banyak  bahan kimia yang melengkapi pembuatan baterai tersebut, baik itu baterai sekali pakai maupun baterai yang bisa diisi ulang kembali. Prinsip kerja baterai tersebut pada dasarnya mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Hal ini dikenal sebagai reaksi elektrokimia yang ditemukan oleh fisikawan Italia yaitu Count Alessandro Volta . Mr.Volta pertama kali menemukan proses ini pada tahun 1799 ketika ia menciptakan baterai sederhana dari pelat logam dengan kardus atau kertas yang direndam dengan air garam.Sejak saat itu, berdasarkan desain asli dari Mr.Volta hingga sekarang riset dari para ilmuwan pada baterai belum berhenti untuk melakukan inovasi pada sistem baterai ini.

Hari ini, baterai ada di sekitar kita. Baterai memberikan energi untuk jam tangan kita selama berbulan-bulan hingga waktu tertentu. Baterai juga membuat jam alarm dan ponsel kita tetap bekerja, bahkan jika listrik mati sekalipun sekarang orang-orang masih tetap bisa menjalankan alat cukur listrik, bor listrik, mp3 player, dan lainnya. Jika Anda membaca artikel ini dari laptop atau smartphone, Anda bahkan mungkin menggunakan baterai sekarang. Namun, karena daya perangkat portabel sangat minim dan lazim digunakan, itu sangat terasa biasa saja. Artikel ini akan memberikan penghargaan yang lebih besar untuk baterai dengan mengeksplorasi sejarah, bagian dasar, reaksi dan proses yang membuat baterai bisa bekerja menyimpan energi listrik.

Sejarah Baterai

Baterai telah ada mungkin lebih lama dari kita semua. Pada tahun 1938, arkeolog Wilhelm Konig menemukan beberapa pot tanah liat yang aneh saat menggali di Khujut Rabu, sekarang bernama Baghdad, Irak. Sebuah wadah yang memiliki panjang sekitar 5 inci (12,7 cm), berisi sebuah batang besi terbungkus tembaga berasal dari sekitar tahun 200 SM. Pengujian menunjukkan bahwa bejana tersebut dulu pernah diisi dengan zat asam seperti cuka atau anggur, yang membuat Konig percaya bahwa bejana ini merupakan sebuah baterai kuno. Sejak penemuan tersebut, para ilmuan telah menghasilkan replika pot yang sebenarnya mampu menghasilkan muatan listrik. “Baterai Baghdad” tersebut mungkin telah digunakan untuk ritual agama, tujuan pengobatan , atau bahkan elektroplating.

Pada tahun 1799, fisikawan Italia Alessandro Volta menciptakan baterai pertama dengan susunan lapisan seng, karton atau kain, dan perak yang direndam di air garam. Pengaturan ini yang biasa disebut dengan tumpukan volta, tetapi ini bukanlah perangkat pertama untuk menciptakan listrik. Hal yang pertama adalah memancarkan listrik yang stabil dan arus yang tahan lama. Namun, ada beberapa kelemahan dari penemuan Mr.Volta ini dimana ketinggian lapisan bisa ditumpuk terbatas karena berat tumpukan akan membuat air garam keluar dari karton atau kain. Selain itu, cakram logam juga cenderung cepat korosi sehingga memperpendek umur baterai. Meskipun masih terdapat kekurangan, namun satuan gaya gerak listrik yang digunakan hingga saat ini tetaplah menggunakan kata “Volt”. Hal ini untuk menghormati prestasi Mr.Volta.

Terobosan berikutnya dalam teknologi baterai datang pada tahun 1836 ketika kimiawan Inggris, John Frederick Daniell menemukan sel Daniell. Pada awal baterai ini, piring tembaga ditempatkan di bagian bawah wadah kaca dan larutan sulfat tembaga dituangkan di atas piring mengisi setengah wadah kaca. Kemudian pelat seng digantung di dalam sebuah wadah lalu larutan sulfat seng ditambahkan. Karena tembaga sulfat lebih padat daripada seng sulfat maka larutan seng melayang di atas larutan tembaga dan dikelilingi oleh lempengan seng. Kabel yang terhubung ke plat seng mewakili terminal negatif, sedangkan yang terhubung pada pelat tembaga adalah terminal positif. Tentu saja, pengaturan ini tidak akan berfungsi dengan baik dalam senter, tetapi untuk aplikasi stasioner ini bekerja dengan baik. Bahkan, sel Daniell adalah cara yang umum digunakan untuk memberi listrik pada bel pintu dan telepon sebelum generasi listrik disempurnakan.

Pada tahun 1898, Colombia Dry Cell menjadi yang pertama baterai komersial yang tersedia dijual di Amerika Serikat. Produsen, Perusahaan Karbon Nasional, kemudian menjadi Perusahaan Baterai Eveready, yang memproduksi merek Energizer.

Anatomi Baterai dan Cara Kerja Baterai

Lihatlah setiap baterai maka anda akan melihat bahwa ia memiliki dua terminal. Satu terminal bertanda (+) atau positif, sedangkan yang lainnya bertanda (-) atau negatif. Dalam baterai senter biasa, seperti AA, C atau sel D, terminal terletak di ujung baterai. Pada baterai 9 volt, terminal terletak bersebelahan satu sama lain di bagian atas baterai. Jika Anda menghubungkan kabel antara dua terminal, maka elektron akan mengalir dari ujung negatif ke ujung positif secepat mereka bisa. Ini akan membuat baterai cepat habis dan juga bisa berbahaya karena akan menciptakan percikan api, terutama pada baterai dengan daya yang lebih besar. Agar anda dapat memanfaatkan muatan listrik yang dihasilkan oleh baterai dengan lebih tepat maka anda harus menghubungkannya pada sebuah beban, seperti bola lampu, motor etc.

Prinsip kerja baterai ini secara internal biasanya terletak di dalam sebuah kotak logam plastik. Dalam kasus ini, katoda terhubung ke terminal positif dan anoda terhubung ke terminal negatif. Komponen-komponen ini lebih umum dikenal sebagai elektroda karena menempati sebagian besar ruang di dalam baterai dan merupakan tempat dimana reaksi kimia terjadi. Sebuah pemisah menjadi penghalang antara katoda dan anoda dan mencegah elektroda agar tidak tersentuh sambil membiarkan muatan listrik mengalir bebas di antara mereka. Media yang memungkinkan muatan listrik mengalir antara katoda dan anoda dikenal sebagai elektrolit. Pada akhirnya, collector melakukan muatan ke luar baterai melalui sebuah beban.

Reaksi Baterai dan Ilmu Kimia

Banyak yang terjadi di dalam baterai ketika Anda memasukkannya ke dalam senter Anda, remote control, atau perangkat tanpa kabel lainnya. Sedangkan proses dimana mereka menghasilkan listrik sedikit berbeda dengan baterai untuk baterai, namun pada intinya tetap sama.

Ketika beban melengkapi rangkaian antara dua terminal, baterai menghasilkan listrik melalui serangkaian reaksi elektromagnetik antara anoda, katoda, dan elektrolit. Anoda mengalami reaksi oksidasi di mana dua atau lebih ion (atom atau molekul bermuatan listrik) dari elektrolit akan bergabung dengan anoda hingga menghasilkan senyawa dan melepaskan satu atau lebih elektron. Pada saat yang sama, katoda berjalan melalui reaksi reduksi dimana zat katoda, ion dan elektron bebas juga akan bergabung untuk membentuk senyawa. Meskipun tindakan ini mungkin terdengar rumit, itu sebenarnya sangat sederhana: Reaksi di anoda menciptakan elektron, dan reaksi di katoda menyerap mereka. Hasil akhirnya adalah listrik. Baterai akan terus menghasilkan listrik sampai salah satu atau kedua elektroda kehabisan bahan yang diperlukan untuk reaksi terjadi. 

Berikut ini adalah baterai modern yang menggunakan berbagai bahan kimia untuk menciptakan daya reaksi mereka: 

·         Zinc-carbon battery

Zinc-carbon battery adalah kimia seng-karbon pada umumnya digunakan pada baterai kering seperti  AAA , AA , C dan D. Anodanya adalah seng, sedangkan katodanya adalah manggan dioksida dan elektrolitnya adalah amonium klorida atau seng klorida.

·         Baterai Alkaline

Baterai Alkaline pada umumnya digunakan pada baterai-baterai kering AA, C, dan D. Katoda terdiri dari campuran manggan dioksida, sedangkan anoda adalah bubuk seng. Ia mendapat namanya dari elektrolit kalium hidroksida yang merupakan zat alkali (alkaline).

·         Baterai Lithium-ion (rechargeable)

Baterai Lithium-ion (rechargeable) adalah baterai yang sering digunakan pada perangkat berkinerja tinggi, seperti ponsel, kamera digital, dan bahkan mobil listrik. Beragam zat yang digunakan dalam baterai lithium ini, namun kombinasi yang umum adalah katoda lithium kobalt oksida dan anoda karbon.

·         Timbal-asam baterai (rechargeable)

Timbal-asam baterai (rechargeable) ini adalah baterai yang digunakan pada baterai tipikal seperti aki mobil. Elektrodanya biasa terbuat dari timbal dioksida dan timbal logam, sedangkan elektrolitnya adalah larutan asam sulfat .

Baterai Isi Ulang (Rechargeable)

Dengan meningkatnya perangkat portable seperti laptop, ponsel, MP3 player, dan alat-alat listrik tanpa kabel lainnya, kebutuhan akan baterai isi ulang meningkat dengan pesat dalam beberapa tahun terakhir. Baterai isi ulang sebenarnya telah ada sejak tahun 1859 ketika fisikawan Perancis, Gaston Plante, menemukan sel asam timbal. Dengan timbal anoda, timbal dioksida katoda, dan elektrolit asam sulfat maka baterai Plante adalah pendahulu untuk aki mobil saat ini.

Baterai non-rechargeable dan baterai isi ulang menghasilkan arus dengan cara yang sama, yaitu melalui reaksi elektrokimia dengan mereaksikan anoda, katoda, dan elektrolit. Dalam baterai isi ulang, reaksinya dapat dibalik. Ketika energi listrik dari sumber luar diterapkan pada sel sekunder maka aliran elektron negatif ke positif yang terjadi selama pelepasan dibalik, dan pengisian muatan sel dikembalikan. Baterai isi ulang yang paling umum di pasar saat ini adalah lithium-ion (LiOn) , meskipun nikel-metal hidrida ( NiMH ) dan nikel – kadmium ( NiCd ) merupakan baterai yang juga pernah sangat umum digunakan.

Dalam hal baterai isi ulang, tidak semua baterai dibuat sama. Baterai NiCd termasuk yang pertama sel sekunder yang tersedia secara luas, tetapi mereka mengalami masalah sulit yang dikenal sebagai efek memori. Pada dasarnya, jika baterai ini tidak sepenuhnya habis setiap kali mereka digunakan, hanya saja mereka akan cepat kehilangan kapasitasnya. Baterai NiCd sebagian besar ditinggalkan karena ada baterai NiMH. Sel-sel sekunder membanggakan kapasitas yang lebih tinggi dan hanya sedikit dipengaruhi oleh efek memori, tetapi mereka tidak memiliki umur simpan yang sangat baik. Seperti baterai NiMH, baterai LiOn memiliki umur yang panjang, tetapi mereka menyimpan muatan lebih baik, beroperasi pada tegangan yang lebih tinggi, dan tersedia dalam kemasan yang jauh lebih kecil dan ringan. Pada dasarnya semua teknologi portabel berkualitas tinggi yang diproduksi hari ini mengambil keuntungan dari teknologi ini. Namun, baterai LiOn saat ini tidak tersedia dalam ukuran standar seperti AAA, AA, C atau D, dan jauh lebih mahal dari rekan-rekannya yang lebih dulu.

Dengan baterai NiCd dan NiMH, pengisian dapat menjadi rumit. Anda harus berhati-hati untuk tidak men-charge terlalu berlebihan karena hal ini dapat menyebabkan penurunan kapasitas. Untuk mencegah hal ini terjadi maka beberapa pengisi beralih ke trickle charge atau cukup matikan pengisian saat pengisian selesai. Baterai NiCd dan NiMH juga harus direkondisi, berarti Anda sesekali harus benar-benar melakukan pengosongan dan pengisian lagi untuk meminimalkan kehilangan kapasitas. Di sisi lain, baterai LiOn, memiliki pengisian daya canggih yang mencegah pengisian yang berlebihan dan tidak perlu direkondisi.

Bahkan pada akhirnya baterai isi ulang pun akan mati, meskipun mungkin membutuhkan ratusan kali pengisian ulang sebelum hal itu terjadi. Ketika mereka akhirnya benar-benar mati maka pastikan untuk membuang mereka di fasilitas daur ulang.

Pengaturan Baterai dan Tenaga Listrik

Dalam banyak perangkat yang menggunakan baterai seperti radio portabel dan senter anda tidak menggunakan hanya satu sel baterai untuk tiap-tiap perangkat tersebut. Anda biasanya mengelompokkan mereka bersama-sama dalam susunan serial untuk meningkatkan tegangan atau dalam susunan paralel untuk meningkatkan arus. Gambar di atas menunjukkan dua pengaturan tersebut.

Gambar di atas menunjukkan susunan paralel. Empat baterai secara paralel bersama-sama akan menghasilkan tegangan satu sel, tetapi arus yang mereka suplai akan menjadi empat kali lipat dari satu sel. Arus adalah tingkat dimana muatan listrik melewati sirkuit dan diukur dalam satuan ampere. Baterai memiliki nilai dalam amp-hours. Sebuah sel baterai rumah tangga biasanya memiliki nilai 500 milliamp-hours yang harus mampu memasok 500 milliamps arus ke beban selama satu jam. Anda dapat memilah-milah nilai milliamp-hours dalam banyak cara yang berbeda. Sebuah baterai dengan 500 milliamp-hours juga bisa menghasilkan 5 milliamps selama 100 jam, 10 milliamps selama 50 jam, atau 1.000 milliamps selama 30 menit. Pada umumnya, baterai dengan nilai amp-hours yang lebih tinggi memiliki kapasitas yang lebih besar.

Pada bagian bawah gambar menunjukkan susunan serial. Empat baterai secara seri bersama-sama akan menghasilkan arus satu sel, tetapi tegangan yang mereka suplai akan empat kali lipat dari satu sel. Tegangan adalah ukuran energi per satuan muatan dan diukur dalam volt. Dalam baterai, tegangan menentukan seberapa kuat elektron didorong melalui sirkuit, seperti tekanan menentukan seberapa kuat air didorong melalui selang. Kebanyakan baterai AAA, AA, C dan D memiliki tegangan sekitar 1,5 volt.

Bayangkan baterai yang ditunjukkan pada gambar yang memiliki nilai sebesar 1,5 volt dan 500 milliamp-hours. Empat baterai susunan paralel akan menghasilkan 1,5 volt dan 2.000 milliamp-hours. Empat baterai disusun secara seri akan menghasilkan 6 volt di 500 milliamp-hours.

Teknologi baterai telah maju dengan pesat sejak zaman tumpukan Volta. Perkembangan ini jelas tercermin dalam dunia portabel yang serba cepat, yang lebih tergantung dari sebelumnya pada sumber daya portabel yang disediakan baterai. Kita hanya bisa membayangkan seperti apa generasi berikutnya dari baterai yang lebih kecil, lebih kuat, dan tahan lama akan hadir.