NIKEL.CO.ID, 6 JANUARI 2023 – Peneliti Ahli Utama Ketua Kelompok Riset Material Baterai Pusat Riset Material Maju (PRMM) dan Organisasi Riset Nanoteknologi dan Material (ORNM) BRIN, Dr. Sudaryanto, M.Eng, menguraikan prinsip kerja dan komponen baterai yang diaplikasikan di jam, remote, handphone, hingga kendaraan listrik.
“Di antara baterai-baterai tersebut ada yang sekali pakai atau tidak dapat diisi ulang yang juga disebut baterai primer seperti baterai jam, remote dan lain-lain. Sedangkan baterai untuk HP dan kendaraan listrik menuntut harus dapat diisi ulang, atau disebut baterai sekunder,” kata Peneliti Ahli Utama PRMM dan ORNM BRIN, Sudaryanto kepada nikel.co.id, Jum’at (6/1/2023).
Menurut Sudaryanto, selain katagori primer dan sekunder, baterai juga memiliki bentuk dan ukuran yang berbeda-beda. Di antaranya ada yang berbentuk tabung (cylinder), kotak (prismatic), kantong (pouch), dan kancing (koin). Setiap bentuk dan ukuran memiliki kelebihan dan kekurangan sesuai dengan penggunaannya.
“Secara umum, semakin besar ukuran semakin besar pula energi yang tersimpan. Namun demikian, telah ada standar ukuran untuk masing-masing bentuk baterai,” ujarnya.
Untuk lebih jelasnya, kata dia, sebagai contoh baterai lithium 18650 adalah baterai lithium dalam bentuk tabung dengan ukuran diameter 18 mm dan tinggi 65 mm.
Satu satuan baterai tersebut dinamakan sel baterai, yang memiliki tegangan tertentu tergantung dari jenis bahan (material). Serta memiliki kapasitas penyimpanan energi tergantung pada jenis dan jumlah bahan yang digunakan.
Sudaryanto menjelaskan, sebuah baterai dapat diisi ulang atau tidak tergantung dari jenis bahan yang digunakan. Demikian pula kinerja baterai lainnya seperti tegangan per sel, kapasitas penyimpanan, bahkan harga juga ditentukan oleh bahannya, sehingga penamaan baterai pun sering berdasarkan nama bahan utama yang digunakan.
Sebagai contoh aki adalah baterai yang menggunakan bahan utama timbal dan larutan asam sehingga disebut juga baterai asam timbal (Lead Acid). Demikian juga baterai zinc-carbon, NiMH, NiCd dan Lithium adalah nama yang diambil dari jenis bahan yang digunakan untuk membuat komponen utama sel baterai.
Saat ini dari berbagai jenis bahan baterai yang ada, yang memiliki tegangan dan kemampuan menyimpan energi paling tinggi adalah jenis lithium. Sehingga baterai yang yang digunakan untuk kendaraan listrik adalah jenis baterai lithium atau Li-ion.
Selain itu, dia menuturkan mengenai komponen utama sel baterai adalah katoda atau kutub positif, anoda atau kutub negatif, separator yang memisahkan antara katoda dan anoda, serta elektrolit yang menghantarkan ion dari katoda ke anoda atau sebaliknya.
Pada umumnya yang digunakan untuk katoda baterai lithium adalah senyawa yang mengandung logam lithium yang digabungkan dengan kobalt, mangan, nikel, besi, atau aluminat sebagai material aktif. Sedangkan untuk anoda pada umumnya menggunakan bahan karbon atau grafit.
“Sedangkan separator berupa isolator dari plastik semisal polipropilen, dan elektrolit berupa cairan organik yang mengandung ion lithium,” tuturnya.
Sudaryanto mengungkapkan bahwa satu sel baterai lithium dengan bentuk dan ukuran yang sama dapat memiliki tegangan dan kapasitas penyimpanan yang berbeda, tergantung pada senyawa material lithium yang digunakan.
Sebagai contoh baterai yang menggunakan bahan katoda lithium yang digabungkan dengan besi fosfat atau dalam bentuk LiFePO4 (LFP) akan memiliki tegangan 3,2V sedangkan bila menggunakan bahan katoda lithium mangan oksida (LiMnO4) akan memiliki tegangan 3,8V.
Demikian pula bila menggunakan lithium kobalt oxida (LiCO2) atau gabungan lithium nikel kobalt mangan oksida (LNCM atau NMC) akan memiliki tegangan 3,7V.
Tegangan tersebut jauh lebih tinggi dibandingkan baterai isi ulang selain jenis lithium seperti NiCd atau NiMH yang biasa digunakan untuk mobil Tamiya hanya bertegangan 1,2V. Aki mobil yang merupakan baterai timbal memiliki tegangan 12V, sebenarnya terdiri dari 6 sel baterai yang disusun seri, dimana setiap sel baterai hanya memiliki tegangan 2V.
“Semakin tinggi tegangan baterai akan semakin besar kerapatan energi yang tersimpan. Karena itu kendaraan listrik menggunakan baterai lithium,” ungkapnya.
Namun, lanjutnya, pada praktiknya motor listrik membutuhkan baterai dengan tegangan 48V atau 72V sedangkan mobil listrik membutuhkan hingga 300V.
“Untuk memenuhi kebutuhan tersebut sel baterai lithium di susun seri,” tukasnya.
Peneliti Ahli Utama PRMM dan ORNM BRIN ini menerangkan, baterai adalah penyimpan energi listrik, besar kecilnya energi yang tersimpan atau yang dapat dikeluarkan suatu baterai tergantung pada tegangan dan kapasitasnya. Sedangkan kapasitas penyimpanan tergantung pada jumlah dan kapasitas spesifik material aktifnya.
Kapasitas spesifik adalah kapasitas mutan listrik per satuan berat yang berhubungan dengan jumlah partikel atau atomnya, sehingga berbeda untuk setiap jenis material.
Sebagai contoh material lithium fero fosfat (LFP) secara teori memiliki kapasitas spesifik 170 mAh/g, sedang material yang berbasis nikel seperti NMC memiliki kapasitas spesifik 234 mAh/g.
“Dengan demikian kapasitas penyimpanan baterai selain bergantung pada jenis material juga pada ukuran baterai yang berdampak pada jumlah material aktif di dalamnya. Dengan kata lain, kapasitas penyimpanan muatan listrik suatu baterai juga dibatasi oleh ukurannya,” terangnya.
Sebagai contoh, lanjut Sudaryanto, 1 sel baterai silinder 18650 dengan material katoda LFP dan anoda grafit dapat miliki tegangan 3,2V dan kapasitas penyimpanan sekitar 1.800 mAh atau dapat menyimpan energi sebesar 5,76 Wh.
Sedangkan bila baterai silinder 18650 menggunakan material MNC, dapat memiliki tegangan 3,7V dan kapasitas hingga 2,600 mAh atau dapat menyimpan energi sebesar 9,62 Wh. Besaran energi 9 Wh artinya bila digunakan untuk menyalakan lampu 9W akan habis dalam waktu sekitar 1 jam.
“Pada kenyataannya energi yang harus disimpan oleh suatu baterai bergantung pada kebutuhannya,” paparnya.
Untuk mobil listrik, menurutnya, menuntut energi listrik yang jauh lebih besar daripada motor listrik. Sebagai contoh suatu motor listrik membutuhkan baterai dengan energi tersimpan sekitar 1,5 kWh. Energi tersebut biasanya tersimpan dalam sebuah baterai dengan tegangan 60V atau 72V dan kapasiatan muatan sekitar 20Ah.
“Sedangan untuk mobil listrik membutuhkan baterai hingga hingga sekitar 50kWh dengan tegangan sekitar 300V,” ujarnya.
Menurut Sudaryanto, untuk dapat menyimpan dan menghasilkan energi sebesar kebutuhan tersebut, sel baterai lithium harus dirangkai seri dan paralel, sehingga dalam satu pack baterai terdapat ratusan hingga ribuan sel baterai.
Sebagai contoh mudahnya untuk membuat baterai 72V/20Ah menggunakan sel baterai silinder 18650 dengan material NMC (3,7V/2,6Ah) perlu rangkaian seri paralel baterai sejumlah 20 x 8 atau 160 sel baterai, sedangkan bila menggunakan baterai LFP (3,2V/1,8Ah) akan membutuhkan 23 x 12 atau sejumlah 276 sel. Sehingga, untuk mobil listrik yang membutuhkan energi hingga 50kWh akan membutuhkan ribuan sel baterai.
Dalam merangkai seri dan paralel sel baterai hingga menjadi pack baterai diperlukan sistem manajemen baterai (BMS) yang memiliki fungsi utama menyeimbangkan (blancing) tegangan dan kapasitas masing-masing sel dan melindungi (proteksi) agar tidak terjadi kelebihan pengisian atau pengosongan.
“Selain itu biasanya juga perlu sistem manajemen termal agar baterai tidak overheat,” jelasnya.
Ia melanjutkan, dengan demikian kinerja suatu baterai kendaraan listrik akan tergantung pada sel baterai penyusun dan sistem manajemen baterai. Sedang kinerja sel baterai dipengaruhi utamanya oleh material yang digunakan meskipun pengaruh bentuk dan ukurannya tidak dapat diabaikan.
Berapa lama waktu yang dimiliki hingga energi baterai itu habis? Tergantung pada kapasitas penyimpanan dan berapa besar bebannya. Sedangkan beban sebuah kendaraan listrik tentu bergantung pada beban yang ditanggung oleh motor penggerak dan efisiensi motornya.
Sebagai gambar sebuah baterai motorl listrik dengan spesifikasi 72V/20Ah atau menyimpan energi sebesar 1,44kwh akan bertahan selama 1 jam untuk menggerakan motor yang membutuhkan energi sebesar 1,44kW.
“Sehingga terdapat spesifikasi motor listrik dengan baterai 72V/20Ah menggunakan motor 5000W, dalam kondisi baterai penuh dapat menempuh jarak 50km,” lanjutnya.
Sudaryanto mengungkapkan, sebenarnya kinerja suatu baterai tidak hanya jumlah atau kapasitas energi yang tersimpan, tetapi juga daya atau besaran energi yang dapat dikeluarkan per satuan waktu, ketahanan siklus (cycleability) atau berapakali dapat diisi ulang, harga, keselamatan dan lain-lain.
Pada level sel baterai, kinerja tersebut juga sangat ditentukan oleh material aktif yang digunakan.
Salain itu juga, terkait harga misalnya, sekitar 50% dari harga sel baterai adalah harga dari material katoda. Dengan kata lain kunci teknologi dari baterai adalah material.
“Maka penguasaan teknologi baterai harus dilakukan hingga penguasaan teknologi materialnya,” pungkasnya. (Shiddiq)
