Bagaimana Baterai Beroperasi Baterai

2.1.1 Bagaimana Baterai Beroperasi

Banyak reaksi kimia yang melibatkan transfer elektron sehingga material aktif yang terlibat mengalami perubahan dalam keadaan oksidasi yang disebut reaksi redoks. Dalam reaksi redoks, salah satu material aktif teroksidasi dengan memberikan elektron sehingga bilangan oksidasi naik dan material aktif lain berkurang dengan menerima elektron dan dengan demikian mengurangi bilangan oksidasinya. Secara fisik, reaksi oksidasi terpisah dari reaksi reduksi dan membawa elektron melalui sirkuit eksternal sehingga elemen galvanik atau sel baterai terbentuk. Selama elektron bergerak melalui sirkuit eksternal maka akan ada arus yang dapat digunakan, sebagai contohnya kekuatan bola lampu di senter. Tujuan dari semua baterai adalah untuk mengkonversi energi kimia yang tersimpan menjadi energi listrik Nordh, 2013. Setiap reaksi redoks memiliki tegangan tertentu. Ada nilai mutlak praktis untuk potensial ini, sehingga sistem pengukuran relatif digunakan sebagai gantinya. Dalam referensi ini, potensial keseimbangan reaksi antara proton dan gas hidrogen diatur ke nol. 2H + + 2 e - → H 2 g 2.1 Untuk mengukur potensi reaksi lain, percobaan diatur di mana persamaan 2.1 didefinisikan sebagai anoda dan reaksi lain sebagai katoda, dan diukur potensial antara dua reaksi ekuilibrium. Potensi reaksi tersebut tergantung pada suhu, tekanan dan aktivitas reaktan, sehingga tidak praktis untuk tabulasi semua nilai saat adanya faktor-faktor tersebut. Potensi standar diukur terhadap persamaan 2.1 di bawah satu variabel tetap seperti suhu, tekanan, dan nilai yang terukur. Kondisi ini menjelaskan bahwa potensial suhu dan tekanan normal NTP pada reduksi standar. Karena pada persamaan 2.1 didefinisikan sebagai anoda, berarti keseimbangan yang diukur dilambangkan sebagai katoda dan potensial elektroda diberi tanda yang sesuai +- Nordh, 2013. Dalam sel baterai, site reduksi disebut katoda dan site oksidasi disebut anoda. Elektroda yang bertindak sebagai anoda dan yang bertindak sebagai katoda ditentukan oleh bagaimana potensial reduksi standar berhubungan satu sama lain, dan dengan demikian yang lainnya lebih mudah teroksidasi. Elektroda dengan Universitas Sumatera Utara potensial standar yang lebih tinggi akan bertindak sebagai katoda, dan potensial rendah sebagai anoda Nordh, 2013. Skema dasar baterai menggunakan elektrolit Li-ion ditunjukkan pada Gambar 2.1. Kedua elektroda dipisahkan oleh isolasi elektronik dan ionik yang terdapat pada elektrolit, ketika sedang terhubung dengan sebuah sirkuit eksternal maka elektron akan mengalir. Elektrolit biasanya berupa larutan garam. Jika elektrolit tidak mengalami isolasi elektronik, maka elektron akan diangkut melalui elektrolit bukan melalui sirkuit eksternal, dan baterai akan mengalami hubungan pendek, sehingga terjadi kerugian kapasitas. Namun demikian, banyak elektrolit yang memiliki beberapa konduktivitas elektronik yang rendah. Sementara penghantar ini tidak cukup untuk baterai pada sirkuit pendek dan discharge dengan cepat, kondisi ini akan menyebabkan discharge pada baterai itu sendiri lambat dari waktu ke waktu, sehingga waktu penyimpanan pada baterai terbatas. Nordh, 2013 Gambar 2.1. Skema sederhana dari baterai Lithium ion Gambar 2.1 menampilkan skema baterai yang sangat sederhana dengan komponen utama: anoda, katoda dan elektrolit. Perjalanan ion melalui elektrolit dari anoda ke katoda dan elektron melalui sirkuit eksternal. Namun, ada beberapa lagi komponen yang diperlukan untuk sebagian besar baterai praktis. Skema kerja baterai yang lebih lengkap dapat dilihat pada Gambar 2.2. Elektroda membutuhkan separator mekanis, jika tidak ada separator maka baterai akan mengalami arus pendek dan bisa hancur. Elektrolit cair lebih disukai karena konduktivitas ionik yang tinggi, tetapi elektrolit cair kurang stabil untuk Universitas Sumatera Utara mencegah kontak antara elektroda. Sehingga separator menjadi solusi untuk hal ini, polimer atau serat gelas berpori sering direndam dengan cairan elektrolit untuk menggabungkan pemisahan fisik dan konduktivitas ionik. Elektroda bahan aktif itu sendiri merupakan konduktor elektronik yang buruk, sehingga elektroda menjadi bahan komposit dengan aditif yang meningkatkan konduktivitas. Kolektor memberikan kontak yang baik antara elektroda dan sirkuit eksternal. Winter, 2004 Gambar 2.2. Skema lengkap dari baterai Lithium ion Dari Gambar 2.2. dapat dilihat dalam sebuah wadah, anoda dan katoda dipisahkan oleh separator dan direndam dalam elektrolit. Kolektor yang dihubungkan dengan kontak akan menyediakan sambungan ke sirkuit eksternal. Berikut dua formula dari NTP potensial reduksi standar: O 2 g + 4H + + 4e - 2H 2 O E = + 1,229 V 2.2 2H 2 O + 2e- H 2 g + 2OH - aq E = -0.83 V 2.3 ditunjukkan bahwa setiap baterai berisi air hanya memiliki jendela potensial stabil antara -0,83 V dan 1,229 V tanpa menghasilkan hidrogen atau oksigen gas. Kebanyakan baterai ion lithium komersial memiliki anoda dengan potensial kerja di bawah -0,83 V, oleh karena itu penting untuk menghindari terjadinya hubungan dengan gas beracun dalam air ketika perangkat baterai ion lithium bekerja. Universitas Sumatera Utara Ada beberapa cara untuk menaikan spesifikasi dari baterai. Energi dapat dinyatakan dalam energi spesifik yang diukur dalam Whkg atau kepadatan energi diukur dalam WhL, juga disebut energi gravimetri dan volumetric density . Listrik dinyatakan dalam daya spesifik Wkg dan kerapatan daya WL. Kekuatan khususdensitas daya dan energi spesifikkepadatan energi dari baterai dapat diubah oleh desain sel. Lapisan tebal bahan elektroda memberikan energi yang tinggi karena peningkatan jumlah bahan aktif, tapi ini juga meningatkan panjang difusi untuk ion dalam materi yang pada gilirannya dapat menurunkan daya. Begitu juga sebaliknya, lapisan tipis elektroda memberikan jalur difusi pendek dan lebih berpengaruh, tetapi mereka mengandung bahan yang kurang aktif dan akibatnya kandungan energi menurun. Dengan demikian, peningkatan satu sifat bahan sering datang dari bahan lainnya Nordh, 2013.

2.1.2 Desain baterai