Prinsip Kerja Baterai

17 Oct 2011 15:00 | Hits: 9526

Sejarah dan Prinsip Kerja Baterai Lithium-Ion

Sejarah dan Prinsip Kerja Baterai Lithium-Ion

Era teknologi sekarang ini, sebuah baterai khususnya ponsel bahkan tidak bisa lepas dari kehidupan sehari-hari kita. Misalnya baterai handpone, laptop, kamera bahkan hingga mobil hybrid pun yang muncul pada beberapa waktu silam membutuhkan sebuah baterai sebagai sumber penggerak kerja mereka. Di antara segala jenis baterai yang dipakai oleh ponsel, salah satu baterai yang banyak dipakai adalah baterai lithium-ion. Prinsip kerja baterai ini membuatnya memiliki daya yang tinggi serta bobot yang ringan yang memungkinkan kita untuk menggunakannya meskipun berkali-kali.

Baterai litium-ion merupakan baterai yang tidak menggunakan bahan cairan, baterai ini dikembangkan oleh seorang ilmuwan Jepang yaitu Yoshino Akira. Akira memadukan karbon, polimer dan litium sebagai anoda. Tahun 1991 adalah tahun bagi di mana baterai lithium-ion diproduksi oleh Sony Corp dan Asahi Kasei Corp secara masal. Semenjak itu baterai jenis ini terus menunjukkan perkembangannya secara pesat di pasaran sebagai sumber energi bagi ponsel dan komputer. Bahkan mobil hybrid pun memerlukan baterai lithium-ion untuk menghasilkan energi yang lebih tinggi, karena mobil hybrid memerlukan daya yang tinggi pula. Selain memiliki daya energi yang tinggi, sebuah baterai juga harus memiliki keamanan. Tentunya Anda masih ingat peristiwa ketika handphone Motorola terbakar dan menciderai pemiliknya ketika sedang digunakan. Itulah salah satu hal penting yang harus dihindari dalam penciptaan sebuah baterai sehingga menimbulkan keamanan bagi penggunanya.

Prinsip Kerja Baterai Litium-Ion

Terdapat tiga jenis baterai yang menjadi pusat perhatian sekarang ini, yaitu jenis fuel cells, nikel metal hybrid dan lithium-ion. Prinsip kerja baterai tersebut memanfaatkan reduksi dan oksidasi untuk menghasilkan listrik pada kedua elektrodanya. Di antara ketiga jenis baterai tersebut, baterai litium-ion merupakan jenis baterai yang menghasilkan voltase tertinggi, yaitu sekitar 2x lipat dari baterai nickel-metal hydride. Litium-ion menggunakan komposit yang berstruktur layer, di mana Litium Cobalt Oxide (LiCoO2) sebagai katodanya dan material karbon (sisipkan di antara lapisan karbon) sebagai anoda.

Struktur yang terdapat pada baterai lithium-ion bisa Anda lihat pada gambar di bawah ini:

prinsip kerja baterai

Baterai litium ion terdiri dari anoda, elektrolit, separator, dan katoda. Pada umunya, katoda dan anoda terdiri dari dua bagian, yaitu material aktif sebagai tempat masuk dan keluarnya ion litium dan pengumpul elektron sebagai collector current. Proses dihasilkannya listrik pada baterai litium-ion adalah sebagai berikut :

Ketika anoda dan katoda terhubung, maka elektron akan mengalir dari anoda menuju katoda, listrik pun akan mulai mengalir. Di bagian dalam baterai terjadi sebuah proses pelepasan ion litium pada anoda, kemudian ion tersebut akan berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Di bagian katoda bilangan oksidasi kobalt akan berubah dari 4 menjadi 3, hal ini dikarenakan adanya elektron dan ion litium yang masuk dari anoda. Untuk proses pengisisan ulang baterai, berbanding terbalik dari proses ini.

Dari sekian banyak jenis logam litium yang sangat menjanjikan bagi anoda, hal ini disebabkan karena litium memiliki nilai standar standar paling negatif (-3.0 V) dengan berat atom paling ringan yaitu sekitar 6.94 gram. Sehingga apabila dipakai oleh anoda, akan menghasilkan kapasitas energi yang cukup tinggi. Di bawah ini adalah cara menghitung nilai teori dari kepadatan energi dari baterai litium ion. Jika logam litium digunakan pada anoda, maka 1 kg logam litium bisa menghasilkan kapasitas energi per 1 kg massa sebesar (Coulumb/second = Ampere) :

persamaan prinsip kerja baterai

Jika dikalikan dengan potensial standar litium 3 V, maka akan menjadi 11583 W h/kg (W=Watt, h=hours). Sedangkan apabila menggunakan senyawa karbon sebagai anoda, setiap satu unit grafit atau 6 atom karbon akan dianggap mampu menampung 1 atom litium, sehingga setiap 1 kg anoda memiliki kepadatan energi 339 A h/kg secara teorinya. Begitu juga dengan katoda, kapasitas energi katoda bisa dihitung dengan cara seperti anoda. LiCoO2 secara teori memiliki kepadatan energi sebesar 137 Ah/kg, dengan mengetahui berat molekul dan banyaknya elektron yang masuk dari setiap molekul pada material elektroda, maka nilai teori dari kepadatan energi bisa mulai dihitung.

Karakteristik Bagian-Bagian Baterai Litium Ion

Seperti yang telah Paseban jelaskan di awal pembicaraan prinsip kerja baterai, bahwa anoda terdiri dari dua bagian yaitu material aktif dan pengumpul elektron. Material aktif tidak menggunakan logam lithium langsung, tetapi menggunakan material karbon (LiC6), sedangkan pengumpul elektron menggunakan lapisan film tembaga karena tidak mudah larut (stabil) juga harganya pun cukup murah. Apabila memakai logam lithium langsung, dia akan mengalami kesulitan dalam mengontrol reaksi lithium di permukaan elektrodanya. Namun demikian, salah satu kelemahan pada material karbon tersebut adalah adanya irreversible capacity, di mana apabila baterai dialiri oleh listrik untuk pertama kalinya yang bersumber dari luar dalam keadaan kosong, maka kapasitas energi yang dilepaskan pada saat proses pengisisan tidak akan sama ketika digunakan. Hal tersebut disebabkan karena adanya gas yang terbentuk pada anoda, sehingga menghalangi proses pelepasan ion lithium. Hal tersebut dapat dicegah yaitu dengan menambahkan zat adiktif ke dalam larutan elektrolit seperti contohnya vinylene carbonate.

Kunci dari pengembangan anoda adalah bukan hanya pada kepadatan energi yang tinggi namun juga pada siklus pemakaian (cyclability), seperti Li4Ti5O12/C misalnya, meskipun hanya memiliki kepadatan energi sebesar 145 Ah/kg pada suhu 50C, namun dia bisa dipakai sebanyak 500x siklus dengan kepadatan energi sebesar 142 Ah/kg. Jika ditambah dengan keamanan material yang tinggi, material tersebut bukan tidak mungkin akan dipakai sebagai anoda baterai litium-ion untuk mobil masa depan. MG