Bagaimana Cara Kerja Baterai dan Apa yang Terjadi Saat Baterai Di-Charge?

Baterai merupakan alat elektronika yang sangat bermanfaat dalam menyimpan energi. Tanpa baterai mungkin saat ini kita harus menghubungkan kabel ke smartphone disaat ingin memakainya. Beruntunglah teknologi saat ini memungkinkan baterai selalu bisa diisi ulang atau dikenal rechargeable battery ketika low batteries (Low-Bat) atau mati.
Baterai berbeda dengan kapasitor, namun sama-sama berfungsi sebagai penyimpan energi. Kapasitor menyimpan energi lebih banyak dibandingkan dengan baterai yang biasa kita gunakan. Baterai berhubungan dengan sumber arus searah atau DC, sedangkan kapasitor dikaitkan dengan arus bolak balik atau AC.
Tahukah kamu asal mula baterai?

Baterai Volta, gambar: howstuffworks.com

Pada tahun 1799, fisikawan Italia Alessandro Volta menciptakan baterai pertama dengan menumpuk bolak lapisan seng, air garam, karton atau kain basa, dan perak. Pengaturan ini, disebut tumpukan volta, bukan perangkat pertama untuk menciptakan listrik, tapi itu yang pertama untuk menghasilkan listrik yang stabil, dan hingga saat ini menjadi patokan baterai modern. Namun, ada beberapa kelemahan dari penemuan Volta. Ketinggian di mana lapisan bisa ditumpuk terbatas karena berat tumpukan akan memeras air garam keluar dari karton atau kain. Cakram logam juga cenderung menimbulkan korosi yang cepat, tentu saja memperpendek umur baterai. Meskipun maish terdapat kekurangan, unit SI dari gaya gerak listrik yang sekarang disebut volt adalah untuk menghormati prestasi Volta.
Terobosan penemuan baterai berikutnya dilanjutkan oleh kimiawan asal Inggris John Frederic Daniell. Pertama kali menemukan baterai lebih efisien yaitu piring tembaga ditempatkan di bagian bawah botol kaca dan sulfat tembaga dituangkan di atas piring mengisi setengah tabung. Kemudian plat seng digantung dalam stoples, dan seng sulfat ditambahkan. Karena tembaga sulfat lebih padat dari seng sulfat, seng melayang ke atas tembaga dan dikelilingi pelat seng. Kawat terhubung ke pelat seng diwakili terminal negatif, sedangkan yang dihasilkan dari pelat tembaga adalah terminal positif.

Baterai John Frederic Daniell, gambar: howstuffworks.com

Pengaturan ini tidak akan berfungsi dengan baik pada senter, tetapi untuk aplikasi stasioner, baterai dari John Daniell bekerja dengan baik. Bahkan, sel Daniell adalah cara yang umum untuk penggunaan bel pintu dan telepon sebelum generasi listrik disempurnakan.
Kemudian pada tahun 1866 Ilmuwan Perancis Georges Leclanché mengganti tembaga sulfat dan tembaga bagian luarnya dengan batang karbon yang disimpan dalam larutan yang mengandung Mangan IV yang akan mengurangi oksidasi mangan III. Penemuan baterai ini menghasilkan tegangan sebesar 1,4 Volt dan berhasil digunakan untuk awal telegraf dan telepon. Akan tetapi baterai ini masih belum rapi dan berbentuk kaca yang mengandung larutan kimia berbahaya.
Tahun 1892, baterai bentuk sel kering diberikan hak patennya kepada ilmuwan asal Jerman Karl Gassner, baterai tersebut menggunakan oksida mangan IV dipisah oleh pasta/elektrolit. Baterai ini pula yang sering digunakan sebagai sumber arus searah dan sekali pakai dengan tegangan standar 1,5 Volt (baterai jenis AAA, AA, C, D) seperti untuk remote ataupun lampu senter. Baterai sel kering ini terdiri dari tiga hal yakni:

• Batang karbon sebagai anoda (kutub positif baterai)
• Seng (Zn) sebagai katoda (kutub negatif baterai)
• Pasta sebagai elektrolit yang memisahkan katoda dan anoda

elemen baterai

Tahun 1898, sel kering menjadi baterai yang tersedia secara komersial pertama dan dijual di Amerika Serikat. Produsen, National Carbon Company, kemudian berganti nama menjadi Eveready Battery Company adalah yang memproduksi baterai dengan nama merek Energizer.
Seiring dengan perkembangan teknologi, baterai pun memiliki beragam jenis berdasarkan komponen kimia penyusunnya, diantaranya:

• Baterai seng-karbon: baterai kimia seng-karbon adalah baterai umum di banyak murah seperti sel kering AAA, AA, C dan D. Anoda seng, katoda adalah mangan dioksida, dan elektrolit adalah amonium klorida atau seng klorida.

komponen baterai seng-karbon, gambar: mediabelajaronline.blogspot.com

• Baterai Alkaline: baterai kimia ini juga umumnya dipakai di banyak rumah dengan jenis sel kering AA, C dan baterai sel kering D. Katoda terdiri dari campuran mangan dioksida, sedangkan anoda adalah bubuk seng. Namanya Alkaline diperoleh dari elektrolit kalium hidroksida, yang merupakan zat alkali.

Komponen Baterai Alkaline

• Baterai lithium-ion (rechargeable): baterai kimia Lithium sering digunakan dalam perangkat kinerja tinggi, seperti ponsel, kamera digital dan bahkan mobil listrik. Berbagai zat digunakan dalam baterai lithium, tetapi kombinasi umum adalah kobalt oksida lithium sebagai katoda dan karbon sebagai anoda.

komponen baterai Lithium-ion, gambar: baj.or.jp

• Timbal-asam baterai (Lead-acid battery) (isi ulang): ini adalah baterai kimia yang digunakan dalam baterai mobil khusus. Elektroda biasanya terbuat dari timbal dioksida dan logam timbal, sedangkan elektrolit adalah larutan asam sulfat.

Bagaimana Cara Kerja Baterai?
Sebelumnya mari kita cek video penjelasan berikut ini:
Dalam banyak perangkat yang menggunakan baterai – seperti radio portabel dan senter – Anda tidak menggunakan hanya satu sel pada suatu waktu. Biasanya kita menggunakan beberapa atau minimal dua baterai yang sama dalam susunan seri untuk meningkatkan tegangan atau dalam susunan paralel untuk meningkatkan arus. Diagram di bawah menunjukkan dua pengaturan ini.

Susunan Seri dan paralel baterai, gambar; howstuffworks.com

Diagram paling atas menunjukkan susunan paralel. Empat baterai secara paralel bersama-sama akan menghasilkan tegangan satu sel, yang berarti memasok energi empat kali pada satu sel. Sesuai dengan prinsip rangkaian baterai yang dipelajari di fisika untuk rangkaian listrik bahwa saat baterai dipasang paralel menghasilkan tegangan yang sama, sedangkan jika dipasang seri menghasilkan penjumlahan dari tegangan baterai yang dirangkai.
Tingkat di mana muatan listrik melewati sirkuit diukur dalam ampere. Baterai dinilai di amp-hour (ampere per jam), atau, dalam kasus baterai rumah tangga kecil, bernilai milliamp per jam (mAh). Sebuah sel rumah tangga tertentu dinilai pada 500 milliamp per jam harus dapat memasok 500 milliamps arus ke beban selama satu jam. Anda dapat memilah-milah rating milliamp per jam dalam banyak cara yang berbeda. Sebuah baterai 500 milliamp jam juga bisa menghasilkan 5 milliamps selama 100 jam, 10 milliamps selama 50 jam, atau, secara teoritis, 1.000 milliamps selama 30 menit. Secara umum, baterai dengan tinggi peringkat amp per jam memiliki kapasitas yang lebih besar dibandingkan miliamp per jam.
Diagram paling bawah menggambarkan pengaturan serial. Empat baterai dalam seri bersama-sama akan menghasilkan arus satu sel, tetapi tegangan yang mereka suplai akan empat kali dari satu sel. Tegangan adalah ukuran energi per satuan muatan dan diukur dalam volt. Dalam baterai, tegangan menentukan seberapa kuat elektron didorong melalui rangkaian, seperti tekanan menentukan seberapa kuat air didorong melalui selang. Kebanyakan baterai yang dipakai AAA, AA, C dan D dengan tegangan 1,5 volt.
Mari kita perhatikan, ketika baterai yang ditunjukkan dalam diagram yang bernilai 1,5 volt dan 500 milliamp per jam. Maka empat baterai dalam susunan paralel akan menghasilkan 1,5 volt pada 2.000 milliamp per jam. Empat baterai diatur dalam seri akan menghasilkan 6 volt di 500 milliamp per jam.
Bagaimana keadaan baterai rechargeable saat di charge?
Dengan canggihnya perangkat portable seperti laptop, ponsel, MP3 player dan alat-alat listrik tanpa kabel, kebutuhan untuk baterai isi ulang telah tumbuh secara substansial dalam beberapa tahun terakhir. Baterai isi ulang telah ada sejak tahun 1859, ketika fisikawan Perancis Gaston Plante menemukan sel asam timbal. Dengan anoda sebagai timbal, dan timbal dioksida berperan sebagai katoda dan elektrolit berupa asam sulfat, baterai Plante adalah pendahulu untuk baterai mobil modern.
Baterai non-isi ulang, atau sel primer, dan baterai isi ulang, atau sel sekunder, menghasilkan arus dengan cara yang sama: melalui reaksi elektrokimia yang melibatkan anoda, katoda dan elektrolit. Dalam baterai isi ulang, reaksinya dibuat sedemikian sebagai reaksi reversibel. Ketika energi listrik dari sumber luar diterapkan ke sel sekunder, aliran elektron negatif ke positif yang terjadi selama debit dibalik, dan daya sel dipulihkan. Baterai isi ulang yang paling umum di pasar saat ini adalah lithium-ion (LION), meskipun baterai nikel-metal hidrida (NiMH) dan nikel-kadmium (NiCd) mulai sangat lazim.

Isi ulang baterai

Ketika baterai diisi ulang, tidak semua baterai diciptakan sama. Baterai NiCd di antara sel-sel sekunder banyak tersedia, tetapi mereka memiliki masalah kenyamanan yang dikenal sebagai efek memori. Pada dasarnya, jika baterai ini tidak sepenuhnya habis setiap kali mereka digunakan, mereka akan cepat kehilangan kapasitas. Baterai NiCd sebagian besar dihapus mendukung baterai NiMH. Sel-sel sekunder ini memberikan kapasitas yang lebih tinggi dan hanya sedikit dipengaruhi oleh efek memori, tetapi mereka tidak memiliki masa hidup yang sangat baik.
Seperti baterai NiMH, baterai LION memiliki umur panjang, tetapi mereka terus menghasilkan daya yang lebih baik, beroperasi pada tegangan yang lebih tinggi, dan dalam paket yang lebih kecil serta lebih ringan. Pada dasarnya semua berkualitas tinggi pada teknologi portabel yang diproduksi hari ini. Namun, baterai jenis portabel saat ini tidak tersedia dalam ukuran standar seperti AAA, AA, C atau D, dan mereka jauh lebih mahal daripada rekan-rekan mereka yang lebih tua.
Baterai isi ulang akhirnya akan mati, meskipun mungkin membutuhkan ratusan kali pengisian ulang sebelum itu terjadi. Awal perkembangan baterai isi ulang hanya mampu dipakai untuk pengisian hingga ratusan kali, namun kemudian berkembang hingga ribuan kali. Hingga saat ini baterai isi ulang mampu dipakai untuk pengisian ulang ratusan ribu kali.

Lama pemakaian baterai isi ulang

Memilih zat untuk digunakan dalam baterai tergantung pada seberapa banyak potensi elektrokimia, atau tegangan, yang dapat dihasilkan oleh reaksi oksidasi dan reduksi. Logam reaktif seperti lithium atau kalsium lebih mungkin untuk mengoksidasi, kehilangan elektron menjadi ion air. Logam lain cenderung untuk mengoksidasi, sehingga mereka lebih sering ditemukan di daerah bagian logam murni (seperti tembaga, perak, atau emas).
Sebuah potensial reduksi standar menunjukkan berapa banyak tegangan dapat dihasilkan oleh proses oksidasi atau reduksi. Logam dengan potensial tinggi, potensi pengurangan positif menghasilkan tegangan ketika ion mereka akan berkurang menjadi logam (emas = 1,68 V, perak = 0,80 V). Logam dengan potensial rendah, potensi pengurangan negatif menghasilkan tegangan dengan mengoksidasi menjadi ion (lithium = -3,05 V, kalsium = -2,87 V). Inilah sebabnya mengapa kebanyakan orang akrab dengan emas murni, dan sangat sedikit orang yang mampu mengidentifikasi kalsium padat. Kalsium ditemukan di alam dalam bentuk ion, biasanya terikat ke sesuatu yang lain. Ion kalsium dan ion karbonat membentuk batu kapur dan marmer. Perak dan emas yang stabil seperti logam padat, jadi emas wajar digunakan untuk perhiasan dan koin.
Energi pada baterai yang dicharger semula merupakan energi listrik dari sirkuit kemudian tersimpan sebagai energi kimiawi pada baterai yang kembali berubah menjadi energi listrik pada perangkat portabel seperti smartphone.

Baterai adalah perangkat penyimpanan energi, sehingga tidak benar-benar menghasilkan energi sebanyak yang mereka mau, karena terbatas dari komponen kimia dalam baterai tersebut. Hal ini sangat mirip dengan kasus mendorong bola ke atas bukit. Energi yang digunakan untuk mendorong itu disimpan di ketinggian bola sebagai energi potensial gravitasi. Hal ini dapat berubah menjadi energi kinetik dengan membiarkan bola gulungan menuruni bukit.
Pengisian baterai seperti mendorong bola ke atas bukit, saat menggunakan baterai seperti membiarkan dalam gulungan bawah. Proses perpindahan energi ini tidak pernah 100% efisien. Sama seperti bola didorong ke atas bukit akan mengalami gesekan, baterai yang diisi ulang kehilangan energi sebagai panas. Oleh karena itu, charger yang sedang bekerja biasanya terasa hangat saat disentuh. Baterai juga tidak mampu menyimpan energi tanpa batas karena terjadi reaksi yang secara perlahan bahkan ketika mereka tidak terhubung ke sirkuit.

Menjaga baterai selalu terputus dari perangkat jika tidak digunakan dan menggunakan mereka tak lama setelah pengisian penuh adalah cara terbaik untuk meningkatkan efisiensi baterai.
Teknologi baterai telah maju secara dramatis sejak zaman tumpukan Voltaic yang ditemukan Volta. Perkembangan ini jelas tercermin dalam jaringan nirkabel, perangkat portabel, yang lebih tergantung dari sebelumnya pada sumber daya portabel yang menyediakan baterai. Mungkinkah dimasa berikutnya baterai akan berukuran lebih kecil, lebih kuat dan tahan lama atau unlimited?



Referensi:
howstuffworks.com
Ed.Ted.org