Membahas Baterai/ Acuumulator

Teknik Alat Berat, polman ASTRA.

DEFINISI BATERAI

Baterai adalah suatu proses kimia listrik, dimana pada saat pengisian/cas/charge energi listrik diubah menjadi kimia dan saat pengeluaran/discharge energi kimia diubah menjadi energi listrik.Baterai (dalam hal ini adalah aki; aki mobil/motor) terdiri dari sel-sel dimana tiap sel memiliki tegangan sebesar 2 V, artinya aki mobil dan aki motor yang memiliki tegangan 12 V terdiri dari 6 sel yang dipasang secara seri (12 V = 6 x 2 V) sedangkan aki yang memiliki tegangan 6 V memiliki 3 sel yang dipasang secara seri (6 V = 3 x 2 V).

Antara satu sel dengan sel lainnya dipisahkan oleh dinding penyekat yang terdapat dalam bak baterai, artinya tiap ruang pada sel tidak berhubungan karena itu cairan elektrolit pada tiap sel juga tidak berhubungan (dinding pemisah antar sel tidak boleh ada yang bocor/merembes).

Elektron-elektron di kumpulkan pada kutub negatif. Jika kabel dihubungkan antara kutub negatif dan kutub positif, maka elektron akan mengalir dari kutub negatif ke kutub positif dengan cepatnya. Selain kabel, sebuah penghubung atau Load dapat berupa light bulb, sebuah motor atau sirkuit elektronik seperti radio.

Di dalam beterai sendiri, terjadi sebuah reaksi kimia yang menghasilkan elektron. Kecepatan dari proses ini (elektron, sebagai hasil dari elektrokimia) mengontrol seberapa banyak elektron dapat mengalir diantara kedua kutub. Elektron mengalir dari baterai ke kabel dan tentunya bergerak dari kutub negatif ke kutub positif tempat dimana reaksi kimia tersebut sedang berlangsung. Baterai bisa bertahan selama satu tahun dan masih memiliki sedikit power, selama tidak terjadi reaksi kimia atau selama tidak dihubungkan dengan kabel atau sejenis Load lain. Ketika  dihubungkan dengan kabel maka reaksi kimia dimulai.

Secara harfiah baterai berfungsi sebagai media penyimpan dan penyedia energi listrik. Sumber listrik yang digunakan sebagai pembangkit power dalam bentuk arus searah (DC). Alat ini digunakan elektronika termasuk diantaranya komputer. Baterai merupakan sekumpulan sel-sel kimia yang masing-masing berisi dua elektron logam yang dicelupkan dalam larutan penghantar yang disebut elektrolit. Akibat reaksi-reaksi kimia antara konduktor-konduktor dan elektrolit satu elektroda anoda bermuatan positif dan lainnya, katoda , menjadi bermuatan negatif.

Baterai dinilai oleh kapasitas amp-hour (Ah) berdasarkan jumlah energi yang diperlukan untuk menjalankan muatan dan berapa hari yang diperlukan untuk menyimpan energi karena kondisi cuaca. Beberapa faktor dapat berdampak pada kapasitas baterai, termasuk peringkat, penilaian of discharge (pembebanan), kedalaman pembebanan, suhu, umur, dan karakteristik recharging. Kapasitas yang diminta juga dipengaruhi oleh ukuran muatan. Jika muatan berkurang, kapasitas juga berkurang.

Baterai pada kendaraan umumnya betegangan 12 volt. Baterai 12 volt terdiri dari 6 sel, masing-masing sel bertegangan 2,1 volt dan dihubungkan secara seri dalam kotak plastik. Tiap sel baterai terdiri dari pelat positif dan pelat negatif. Kedua pelat ini dipisahkan oleh separator agar tidak terjadi hubungan langsung. Dalam tiap sel baterai, jumlah pelat negatif lebih satu dari pelat positif. Semua pelat positif dihubungkan menjadi satu oleh plate strap yang menjadi bagian pelat positif. Demikian pula dengan pelat negatif, pelat-pelat ini dihubungkan menjadi sat oleh plate strap dan menjadi bagian pelat negatif.

Dalam sel baterai juga terdapat elektrolit yang merupakan campuran asam sulfat dengan air. Perbandingan keduanya adalah 36%  asam sulfat dan 64% air, berat jenisnya 1270 pada suhu 80 oF.

 KOMPONEN-KOMPONEN PADA BATERAI/ACCU

1. Kotak aki : Berfungsi sebagai rumah atau wadah dari komponen aki yang terdiri atas   cairan aki, pelat positif dan pelat negatif berikut separatornya.
2. Tutup aki: Berada di atas, tutup aki berfungsi sebagai penutup lubang pengisian air aki ke dalam wadahnya. Sehingga  aki tidak mudah tumpah. Di aki kering tertentu tidak ada komponen ini. Kalaupun ada tidak boleh dibuka.
3. Lubang ventilasi : Untuk tipe konvensional ada di samping atas dan ada slangnya. Berfungsi untuk memisahkan gas hydrogen dari asam sulfat serta sebagai saluran penguapan air aki. Sedang tipe MF, gas hydrogen dikondisikan lagi menjadi cairan sehingga tidak dibutuhkan lubang ventilasi.
4. Pelat logam: Terdiri dari pelat positif dan negatif. Untuk pelat positif dibuat dari logam timbel preoksida (PbO2). Sedangkan pelat negatif hanya dibuat dari logam timbel (Pb).
5.  Air aki: Dibuat dari campuran air (H2O) dan asam sulfat (SO4).
6. Separator: Berada di antara pelat positif dan negatif, separator bertugas untuk memisahkan atau menyekat pelat positif dan negatif agar tidak saling bersinggungan yang dapat menimbulkan short alias hubungan arus pendek.
7. Sel: Adalah ruangan dalam wadah bentuk kotak-kotak yang berisi cairan aki, pelat positif dan negatif berikut seperatornya.
8. Terminal aki: Keduanya berada di atas wadah, karena merupakan ujung dari rangkaian pelat-pelat yang nantinya dihubungkan ke beban arus macam lampu dan lainnya. Bagian ini terdiri dari terminal.

 JENIS-JENIS BATERAI

Aki terdiri dari beragam jenis , secara umum di pasaran kita mengenal dua jenis aki , aki basah dan aki kering, dan lebih detail lagi jenis-jenis aki sebagai berikut:

1. Aki basah konvensional
2. Aki hybrid
3. Aki kalsium
4. Aki bebas perawatan/maintenance free (MF)
5. Aki sealed

1. Aki Basah

Hingga saat ini aki yang populer digunakan adalah aki model basah yang berisi cairan asam sulfat (H2SO4). Ciri utamanya memiliki lubang dengan penutup yang berfungsi untuk menambah air aki saat ia kekurangan akibat penguapan saat terjadi reaksi kimia antara sel dan air aki . Sel-selnya menggunakan bahan timbal (Pb).

Kelemahan aki jenis ini adalah pemilik harus rajin memeriksa ketinggian level air aki secara rutin. Cairannya bersifat sangat korosif. Uap air aki mengandung hydrogen yang cukup rentan terbakar dan meledak jika terkena percikan api. Memiliki sifat self-discharge paling besar dibanding aki lain sehingga harus dilakukan penyetruman ulang saat ia didiamkan terlalu lama.

2. Accu Hybrid

Pada dasarnya aki hybrid tak jauh berbeda dengan aki basah. Bedanya terdapat pada material komponen sel aki . Pada aki hybrid selnya menggunakan low-antimonial pada sel (+) dan kalsium pada sel (-). Aki jenis ini memiliki performa dan sifat self-discharge yang lebih baik dari aki basah konvensional.

3. Accu Calcium

Kedua selnya, baik (+) maupun (-) mengunakan material kalsium. AKi jenis ini memiliki kemampuan lebih baik dibanding aki hybrid. Tingkat penguapannya pun lebih kecil dibanding aki basah konvensional.

4. Accu Bebas Perawatan/Maintenance Free (MF)

Aki jenis ini dikemas dalam desain khusus yang mampu menekan tingkat penguapan air aki . Uap aki yang terbentuk akan mengalami kondensasi sehingga dan kembali menjadi air murni yang menjaga level air aki selalu pada kondisi ideal sehingga tak lagi diperlukan pengisian air aki . Aki jenis ini biasanya terbuat dari basis jenis aki hybrid maupun aki kalsium.

5. Accu Sealed ( aki tertutup)

Aki jenis ini selnya terbuat dari bahan kalsium yang disekat oleh jaring berisi bahan elektrolit berbentuk gel/selai. Dikemas dalam wadah tertutup rapat.Aki jenis ini kerap dijuluki sebagai aki  kering. Sifat elektrolitnya memiliki kecepatan penyimpanan listrik yang lebih baik.

Karena sel terbuat dari bahan kalsium, aki ini memiliki kemampuan penyimpanan listrik yang jauh lebih baik seperti pada aki jenis calsium pada umumnya. Pasalnya ia memiliki self-discharge yang sangat kecil sehingga aki sealed ini masih mampu melakukan start saat didiamkan dalam waktu cukup lama.

Kemasannya yang tertutup rapat membuat aki jenis ini bebas ditempatkan dengan berbagai posisi tanpa khawatir tumpah. Namun karena wadahnya tertutup rapat pula aki seperti ini tidak tahan pada temperatur tinggi sehingga dibutuhkan penyekat panas tambahan jika ia diletakkan di ruang mesin.

 KLASIFIKASI BATERAI

Baterai dikelompokkan menjadi 2 (dua), yaitu:

1. Baterai Primer

Baterai primer yaitu baterai yang hanya digunakan satu kali karena menggunakan reaksi kimia yang bersifat tidak bisa dibalik (irreversible reaction) dan setelah habis isi (Recharge).Pada baterai primer, elektroda positif (kutub positif) berupa batang karbon dan pembungkus terbuat dari seng yang merupakan elektroda negative (kutub negatif). Adapun susunan baterai primer ditunjukkan pada gambar 3.

(Gambar 3: Susunan Baterai Primer)

Elektrolit larutan yang menghantarkan arus listrik berupa larutan amonium klorida (NH4CL) dan depolarisasinya zat kimia yang terbuat dari mangan dioksida (MnO2) bercampur serbuk karbon. Elemen kering atau batere disebut juga elemen primer karena elemen ini tidak dapat dimuati (diisi ulang) kembali jika muatannya habis. Selama bekerja, seng berubah menjadii seng klorida, hydrogen dibebaskan dan seng serta ammonium klorida berkurang. Cara penggunaan batere kering yaitu dengan menghubungkan kutub positif dan kutub negatif ke beban.

2. Baterai Sekunder

Baterai sekunder yaitu baterai yang dapat digunakan berkali-kali dengan mengisi kembali muatannya karena reaksi kimianya bersifat bisa dibalik (reversible reaction), apabila telah habis energinya setelah dipakai. Akumulator merupakan jenis baterai sekunder yang merupakan elemen elektro-kimia yang dapat memperbaharui bahan-bahan pereaksinya. Jenis akumulator yang sering dipakai adalah akumulator timbal. Akumulator ini terdiri dari dua kumparan pelat yang dicelupkan dalam larutan asam-sulfat encer. Kedua kumpulan pelat dibuat dari timbal, sedangkan lapisan timbal dioksida akan dibentuk pada pelat positif ketika lemen pertama kali dimuati. Letak pelat positif dan negatif sangat berdekatan tetapi dicegah tidak langsung menyentuh oleh pemisah yang terbuat dari bahan penyekat (isolator). Konstruksinya ditunjukkan oleh Gambar 4.

(Gambar 4: Konstruksi akumulator)

Bagian-bagian akumulator timah hitam dan fungsinya sebagai berikut :

1. Rangka, berfungsi sebagai rumah akumulator.

2. Kepala kutub positif, berfungsi sebagai terminal kutub positif.

3. Penghubung sel, berfungsi untuk menghubungkan sel-sel.

4. Tutup Ventilasi, berfungsi menutup lubang sel..

5. Penutup, berfungsi untuk menutup bagian atas akumulator.

6. Plat-plat, berfungsi sebagai bidang pereaktor.

7. Plat negatif, terbuat dari Pb, berfungsi sebagai bahan aktif akumulator.

8. Plat positif, terbuat dari PbO2, berfungsi sebagai bahan aktif akumulator.

9. Ruang sedimen, berfungsi untuk menampung kotoran.

10. Plastik pemisah, berfungsi untuk memisahkan plat positif dan negatif.

11. Sel-sel.

Plat positif (PbO2) berwarna coklat, sedangkan plat negatif berwarna abu-abu. Luas bidang reaksi plat positif L = 2.p.l.n.

dimana :

L = luas bidang plat positif (cm2)

p = panjang plat positif (cm)

l = lebar plat positif (cm)

n = jumlah plat positif tiap-tiap sel

Kapasitas tiap  plat positif = 0,03 sampai dengan 0,05 AH (ampere jam). Tiap sel akumulator timah hitam menghasilkan tegangan 2 volt.

PRINSIP KERJA BATERAI

Baterai adalah perangkat yang mampu menghasilkan tegangan DC, yaitu dengan cara mengubah energi kimia yang terkandung didalamnya menjadi energi listrik melalui reaksi elektro kimia, Redoks (Reduksi – Oksidasi). Baterai terdiri dari beberapa sel listrik, sel listrik tersebut menjadi penyimpan energi listrik dalam bentuk energi kimia. Sel batere tersebut elektroda – elektroda. Elektroda negatif disebut katoda, yang berfungsi sebagai pemberi elektron. Elektroda positif disebut anoda yang berfungsi sebagai penerima elektron. Antara anoda dan katoda akan mengalir arus yaitu dari kutub positif (anoda) ke kutub negatif (katoda). Sedangkan electron akan mengalir dari katoda menuju anoda.

Baterai adalah suatu proses kimia listrik, dimana pada saat pengisian/cas/charge energi listrik diubah menjadi kimia dan saat pengeluaran/discharge energi kimia diubah menjadi energi listrik. Baterai terdiri dari satu atau lebih voltaic cell (tergantung besarnya voltase yang diinginkan contohnya baterai aki 6 Volt atau 12 Volt) . Masing-masing voltaic cell terdiri dari dua half cells yang dihubungkan secara seri oleh penghantar elektrolit. Satu half cells mempunyai elektroda positif (katoda) yang satunya elektroda negatif (anoda). Daya baterai di dapat dari reaksi reduksi dan oksidasi.

Reduksi terjadi pada katoda dan oksidasi terjadi di anoda. Elektroda tersebut tidak bersentuhan dan arus listrik dihubungkan dengan elektrolit. Elektrolit dapat berupa cairan atau padat. Untuk lebih penjelasan lebih detail tentang baterai (dalam hal ini adalah aki; aki mobil/motor/mainan yang memakai elektrolit cair). Aki terdiri dari sel-sel dimana tiap sel memiliki tegangan sebesar 2 V, artinya aki mobil dan aki motor yang memiliki tegangan 12 V terdiri dari 6 sel yang dipasang secara seri (12 V = 6 x 2 V) sedangkan aki yang memiliki tegangan 6 V memiliki 3 sel yang dipasang secara seri (6 V = 3 x 2 V).

Antara satu sel dengan sel lainnya dipisahkan oleh dinding penyekat yang terdapat dalam bak baterai, artinya tiap ruang pada sel tidak berhubungan karena itu cairan elektrolit pada tiap sel juga tidak berhubungan  (dinding pemisah antar sel tidak boleh ada yang bocor/merembes). Di dalam satu sel terdapat susunan pelat pelat yaitu beberapa pelat untuk kutub positif (antar pelat dipisahkan oleh kayu, ebonit atau plastik, tergantung teknologi yang digunakan) dan beberapa pelat untuk kutub negatif. Bahan aktif dari plat positif terbuat dari oksida timah coklat (PbO2) sedangkan bahan aktif dari plat negatif ialah timah.

Terdapat 2 proses yang terjadi pada baterai :

1. Proses Pengosongan

Proses pengosongan adalah proses perubahan energi kimia menjadi energi listrik. Proses discharge pada sel berlangsung menurut skema gambar 6. 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.

Gambar 6: Proses pengosongan (discharge)

Pada saat baterai mengeluarkan arus, oksigen (O) pada pelat positif terlepas karena bereaksi/bersenyawa/bergabung dengan hidrogen (H) pada cairan elektrolit yang secara perlahan-lahan keduanya bergabung / berubah menjadi air (H20) dan asam (SO4) pada cairan elektrolit bergabung dengan timah (Pb) di pelat positif maupun pelat negatif sehigga menempel dikedua pelat tersebut. Reaksi ini akan berlangsung terus sampai isi (tenaga baterai) habis alias dalam keadaan discharge. Pada saat baterai dalam keadaan dischargemaka hampir semua asam melekat pada pelat-pelat dalam sel sehingga cairan eletrolit konsentrasinya sangat rendah dan hampir hanya terdiri dari air (H2O), akibatnya berat jenis cairan menurun menjadi sekitar 1,1 kg/dm3 dan ini mendekati berat jenis air yang 1 kg/dm3. Sedangkan baterai yang masih berkapasitas penuh berat jenisnya sekitar 1,285 kg/dm3. Dengan perbedaan berat jenis inilah kapasitas isi baterai bisa diketahui apakah masih penuh atau sudah berkurang yaitu dengan menggunakan alat hidrometer. Hidrometer ini merupakan salah satu alat yang wajib ada di bengkel aki (bengkel yang menyediakan jasa setrum/cas aki). Selain itu pada saat baterai dalam keadaan discharge maka 85% cairan elektrolit terdiri dari air (H2O) dimana air ini bisa membeku, bak baterai pecah dan pelat-pelat menjadi rusak.

2. Proses Pengisian

Proses pengisian adalah proses perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Pada proses pengisian menurut skema gambar 7 adalah bila sel dihubungkan dengan power supply maka elektroda positif menjadi anoda dan elektroda negatif menjadi katoda. Dan proses kimia yang terjadi adalah sebagai berikut :

Gambar 7: Proses pengisian (charge)

1. Aliran elktron menjadi terbalik, mengalir dari anoda melalui power supply menuju ke katoda.
2. Ion-ion negatif mengalir dari katoda ke anoda.
3. Ion-ion positif mengalir dari anoda ke katoda.

Baterai yang menerima arus adalah baterai yang sedang disetrum / dicas / sedang diisi dengan cara dialirkan listrik DC, dimana kutub positif baterai dihubungkan dengan arus listrik positif dan kutub negatif dihubungkan dengan arus listrik negatif. Tegangan yang dialiri biasanya sama dengan tegangan total yang dimiliki baterai, artinya baterai 12V dialiri tegangan 12V DC, baterai 6V dialiri tegangan 6V DC, dan dua baterai 12V yang dihubungkan secara seri dialiri tegangan 24V DC (baterai yang dihubungkan seri total tegangannya adalah sama dengan jumlah dari masing-masing tegangan baterai). Hal ini dapat ditemukan pada bengkel aki dimana ada beberapa baterai yang dihubungkan secara seri dan disetrum sekaligus. Kuat arus (ampere)yang harus dialiri bergantung juga dari kapasitas yang dimiliki baterai tersebut.

Proses pengisisan ini berlawanan dengan proses pengosongan, yaitu : oksigen (O) dalam air (H2O) terlepas karena bereaksi / bersenyawa / bergabung dengan timah (Pb) pada pelat positif dan secara perlahan – lahan kembali menjadi oksida timah colat (PbO2) dan asam (SO4) yang menempel pada kedua pelat (pelat positif maupun negatif) terlepas dan bergabung dengan hidrogen (H) pada air (H2O) di dalam cairan elektrolit dan kembali terbentuk menjadi asam sulfat (H2SO4) sebagai cairan elektrolit. Akibatnya berat jenis cairan elektrolit bertambah menjadi sekitar 1,285 (pada baterai yang terisi penuh). Jadi reaksi kimia pada saat pengisian (charging) adalah kebalikan dari reaksi kimia pada saat pengosongan (discharging).

1. PERAWATAN BATERAI DAN PERINGATAN KESELAMATAN
2. Perawatan Baterai

Hal-hal yang perlu diperhatikan pada saat penyimpanan baterai :
1. Baterai yang tidak dipakai harus disimpan di tempat yang kering, sejuk dan tidak kena sinar matahari langsung, karena bias mempercepat reaksi kimia (self discharge)
2. Baterai yang diterima lebih dahulu sebaiknya didahulukan pemakaiannya.
3. Untuk baterai tipe basah, perlu adanya pengisian secara periodi, yaitu minimal 1 bulan sekali, untuk menjaga baterai tetap full charge dan tidak cepat rusak.

Peringatan Keselamatan

Asam Sulfat sangat berbahaya, dapat menyebabkan kulit dan mata teriritasi dan terbakar. Asam Sulfat juga dapat menyebabkan ledakan pada beberapa kasus. Saat bekerja dengan Aki dan Elektrolit, lindungi diri Anda dengan kaca mata pelindung, dan pelindung wajah. Pakailah bahan garmen untuk melindungi wajah, tangan dan tubuh Anda. Selain hal-hal di atas, perhatikan dengan tindakan-tindakan pencegahan di bawah ini:

1. Selalu bekerja di udara terbuka atau tempat yang mempunyai ventilasi besar pada saat Anda bekerja dengan Aki.

2. Pastikan tempat sekitar Anda bebas dari sumber api ataupun percikan api, bahkan rokok. Sumber Api dapat menyebabkan Aki meledak.

3. Selalu pastikan tutup pengisian Elektrolit tertutup erat dan tepat.

4. Jauhkan dari jangkauan anak-anak.

5. Selalu putuskan hubungan kabel negatif terlebih dahulu pada saat pelepasan Aki, dan menghubungkannya paling akhir pada saat pemasangan Aki.

6. Jangan pernah bersentuhan dengan Aki pada saat pengisian aliran listrik (charging), pengetesan, atau penyetruman mesin.

7. Matikan semua kelistrikan sebelum memutuskan koneksi arus listrik.

8. Sebelum menggunakan alat yang dapat menghantarkan listrik (konduktor), pindahkan barang-barang yang mengandung metal yang ada pada tangan ataupun lengan (jam tangan).