Permasalahan dan Solusi pada Baterai Asam-Timbal¶

Baterai adalah kumpulan dari satu atau lebih sel yang hasil dari reaksi kimianya membuat elektron mengalir didalam rangkaian. Semua jenis baterai terdiri dari tiga komponen dasar, yaitu; plat Negatif, plat Positif, dan beberapa jenis elektrolit (sebuah zat yang secara kimia bereaksi terhadap anoda dan katoda).

Pada dasarnya baterai terdiri dari 2 jenis, yaitu baterai primer dan baterai sekunder. Baterai primer adalah baterai yang harus dibuang setelah digunakan atau sudah dalam keadaan mati. Reaksi kimia sudah tidak dapat dibangkitkan lagi pada baterai primer. Sedangkan baterai sekunder adalah baterai yang dapat diisi ulang (recharge). Reaksi kimia pada baterai jenis ini dapat dibangkitkan kembali setelah baterai "mati". Salah satu jenis baterai sekunder adalah baterai asam-timbal. Baterai asam-timbal tersusun dari plat-plat timbal dan elektrolit asam sulfat. Karena proses elektrokimia didalam baterai, maka baterai asam-timbal juga memiliki masalah yang jika tidak diketahui sejak dini akan memperpendek umur baterai dan tentunya menguras pendanaan.

Secara garis besar, baterai sekunder jenis asam-timbal memiliki tiga permasalahan yang sering terjadi, yaitu; masalah elektrolisis, sulfasi dan stratifikasi.

1. Elektrolisis¶

Definisi Elektrolisis¶

Elektrolisis adalah proses penguraian suatu zat pada elektrolit melalui bantuan arus listrik. Elektrolisis berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi kimia. Tujuan utama elektrolisis adalah menguraikan zat yang terkandung didalam elektrolit. Sedangkan yang terjadi didalam sel baterai (disebut juga voltaic cel atau galvanic cel) bukanlah proses elektrolisis tetapi elektrokimia (electrochemical).

Elektrokimia adalah cabang ilmu kimia fisik yang mempelajari aspek elektronik dari reaksi kimia. Elemen yang digunakan dalam reaksi elektrokimia dikarakterisasikan dengan banyaknya elektron yang dimiliki. Proses pengisian (charge) pada sel baterai itu bertujuan untuk menyimpan energi listrik ke dalam sel sekunder melalui proses kimia tanpa harus menguraikan zat yang ada pada elektrolit. Sehingga proses pengisian baterai asam timbal bukanlah proses elektrolisis.

Tabel dibawah ini menunjukan perbedaan elektolisis dan elektrokimia

Sel Elektrokimia	Sel Elektrolisis
Mengkonversi energi kimia ke energi listrik	Mengkonversi energi listrik ke energi kimia
Terjadi reaksi redoks spontan	Terjadi reaksi redoks non-spontan
Perubahan kimiawi terjadi kedalam dua pemecahan yang berbeda	Hanya satu senyawa kimia yang mengalami dekomposisi

Penyebab Elektrolisis¶

Proses pengisian muatan listrik pada baterai merupakan proses elektrokimia, namun itu bisa saja berubah menjadi elektrolisis ketika terjadi pengisian daya yang berlebihan. Pengisian daya yang berlebihan dapat menyebabkan masalah pada baterai asam-timbal, termasuk kehilangan kapasitas dan bahkan ledakan. Ini karena pengisian yang berlebihan menyebabkan berubahnya proses elektrokimia menjadi elektrolisis, yang juga dikenal sebagai 'gassing', yaitu proses pemisahan air menjadi gas hidrogen dan gas oksigen. Hilangnya air dapat menyebabkan masalah pada berat jenis elektrolit. Semakin tinggi tingkat keasaman pada eletrolit akan mempersulit proses pengisian dan pengosongan baterai. Bahkan baterai yang kekurangan elektrolit karena penguapan yang berlebihan saat pengisian akan menyebabkan baterai gagal menyimpan energi.

Solusi Elektrolisis¶

Proses reaksi elektrolisis dan elektrokimia menggunakan reaksi yang sama, yaitu reaksi redoks namun dengan tujuan yang berbeda. Proses elektrolisis boleh saja terjadi didalam baterai tetapi dengan tujuan khusus, sedang secara normal, elektrolisis adalah hal yang harus dihindari. Beberapa hal bisa dilakukan merawat baterai untuk mencegah atau menanggulangi masalah elektrolisis pada baterai, diantaranya:

Pastikan tegangan dan arus pengisian dari sumber listrik (charger) sesuai dengan spesifikasi yang disarankan produsen baterai.
Hindari menggunakan charger berjenis arus konstan untuk menghindari terjadinya elektrolisis pada baterai. Jika menggunakan charger constant current ketika baterai telah sampai pada muatan penuh, maka charger harus segera dilepas dari terminal baterai. Membiarkan charger terus terhubung ke baterai akan menyebabkan terjadinya overcharging yang memicu elektrolisis.
Pada kendaraan, periksa secara berkala tegangan pengisian dari sistem pengisian (alternator) untuk memastikan bahwa alternator memasok daya sesuai dengan spesifikasi baterai.
Lakukan pengisian air sulingan secara rutin sampai pada level elektrolit yang sudah ditetapkan. Jangan sampai konsentrasi asam meningkat dan plat baterai tidak terendam elektrolit. Ini akan memicu masalah berikutnya yaitu sulfasi dan stratifikasi.

2. Sulfasi¶

Definisi Sulfasi¶

Sulfasi adalah proses pembentukan kristal timbal sulfat yang membentuk massa padat dan stabil yang menempel pada permukaan sel baterai. Seiring waktu, ketika siklus baterai (pengisian dan pelepasan muatan) terus terjadi, timbal sulfat (atau senyawa lainnya) mulai mengkristal, membentuk massa padat yang stabil hingga menutupi seluruh permukaan plat baterai.

Penyebab Sulfasi¶

Sulfasi terjadi di dalam baterai asam-timbal ketika elektrolit mulai rusak. Saat asam sulfat (elektrolit) terpecah, ion sulfur (belerang) akan terbentuk menjadi kristal ion sulfur bebas. Sekumpulan kristal ion sulfur ini kemudian menempel pada plat timbal sel baterai, sehingga membentuk kristal timbal sulfat. Seiring waktu, kristal timbal sulfat ini akan menjadi lebih tebal dan keras, dan akhirnya menutupi seluruh permukaan plat timbal.

Jeda pengisian baterai yang terlalu lama. Setidaknya 24 jam sekali harus dilakukan pengisian ulang baterai jika kondisi iklim panas dan beberapa hari jika di iklim yang lebih sejuk. Semakin lama baterai didiamkan tanpa diisi ulang, semakin banyak sulfasi yang terbentuk pada plat baterai.
Baterai disimpan dalam keadaan kosong tanpa tersedia energi.
Pengaturan tingkat pengisian daya yang salah. Misalnya, melakukan pengisian baterai hanya sampai 90%, ini akan memungkinkan proses sulfasi baterai terbentuk dari sisa pengisian yaitu 10%. Sisa pengisian ini membuat plat baterai tidak aktif karena tidak menyelesaikan siklus pengisian dengan sempurna.
Jumlah elektrolit rendah sehingga sebagian plat baterai tidak terendam elektrolit. Plat baterai yang terbuka akan berhubungan dengan udara bebas yang akan mempercepat terjadinya sulfasi.

Efek Sulfasi¶

Penutupan plat timbal ini memperburuk efisiensi dan kemampuan penyimpanan daya baterai, karena proses elektrokimia akan terganggu bahkan berhenti. Senyawa yang mengkristal ini tidak dapat diurai oleh baterai, sehingga seiring dengan meningkatnya ketebalan kristal timbal sulfat pada sel, baterai akan kehilangan kapasitasnya. Jika dibiarkan, proses sulfasi hanya akan memperburuk kondisi baterai, kapasitas menurun drastis, dan akhirnya mengalami kegagalan fungsi.

Dibawah ini ada beberapa gejala sulfasi pada baterai asam-timbal:

Terbentuk lapisan putih pada plat
Baterai mengeluarkan arus yang rendah
Resistansi internal baterai tinggi

Solusi Sulfasi¶

Mitos untuk menghemat baterai dari terjadinya sulfasi adalah dengan melepaskan baterai dari beban yang terhubung. Memutuskan sambungan baterai dapat mencegah pengosongan dalam jumlah kecil, namun tidak mencegah kerusakan elektrolit di dalam baterai. Dengan melepas baterai dari beban kelistrikan memang dapat membantu memperlambat sulfasi baterai, tetapi tidak akan mencegah terjadinya proses sulfasi.

Beberapa organisasi, forum, bahkan perusahaan menawarkan perangkat "desulfasi" yang menerapkan pulsa ke terminal baterai untuk mencegah dan membalikkan sulfasi. Perangkat ini didasarkan pada teknologi yang cenderung menurunkan sulfasi pada baterai yang sehat, namun sebenarnya tidak dapat membalikkan kondisi baterai yang sudah terlanjur mengalami sulfasi parah.

Perbandingan Plat Baterai dengan Desulfator dan tanpa Desulfator

Setiap baterai asam-timbal memiliki frekuensi total sekitar 2 hingga 6 megahertz. Jika pulsa listrik berdaya rendah, tetapi menghasilkan frekuensi tinggi dan tegangan tinggi dikirim ke dalam sel baterai, resonansi ritmik plat menyebabkan endapan kristal timbal sulfat terpecah dan sulfat kembali ke larutan elektrolit. Namun, metode desulfasi ini membutuhkan waktu tiga hingga empat minggu secara normal di mana baterai harus dilakukan pengisian bertahap dengan sejumlah kecil muatan. Proses pengisian daya dilakukan secara paralel dengan perangkat "desulfator" sehingga baterai kembali normal dan muatan terisi penuh.

Namun demikian, teknologi desulfator ini lebih merupakan hipotesis dan tidak memiliki kepraktisan yang menyertainya. Perangkat desulfator ini mungkin saja berharga untuk perawatan insidental, tetapi sekali lagi tidak ada konfirmasi atau bukti secara signifikan bahwa baterai yang sudah mati akan hidup kembali atau minimal pulih walau tidak 100%. Sebagian pengguna teknologi desulfator menyarankan penggunaan desulfator hanya untuk merawat baterai yang masih sehat, tetapi tidak menyarankan untuk menghidupkan kembali baterai yang telah terlanjur mati.

3. Stratifikasi¶

Stratifikasi menurut KBBI

Menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia (KBBI) stratifikasi sosial adalah pembedaan penduduk atau masyarakat ke dalam kelas-kelas secara bertingkat atas dasar kekuasaan, hak-hak istimewa, dan prestise.

Definisi Stratifikasi¶

Lalu apa hubungannya stratifikasi pada baterai asam-timbal? Stratifikasi pada baterai asam-timbal adalah akumulasi asam sulfat di bagian bawah sel. Elektrolit baterai asam-timbal merupakan campuran air murni dengan asam sulfat. Asam sulfat memiliki berat jenis yang lebih tinggi dibandingkan dengan air murni. Sehingga konsentari asam sulfat tidak merata pada semua area elektrolit, konsentrai asam sulfat pada bagian bawah akan lebih tinggi dibandingkan bagian atas.

Perbandingan tidak ada stratifikasi dengan terjadi stratifikasi

Penyebab Stratifikasi¶

Penyebab stratifikasi pada baterai asam-timbal diantaranya:

Baterai tidak digunakan dalam jangka waktu yang cukup lama, asam sulfat cenderung mengendap di bagian bawah sel.
Pengisian baterai yang rutin (berulang) hanya sekitar 80% - 85%, atau tidak terisi penuh (100%).
Kendaraan digunakan pada jarak pendek, sehingga sistem pengisian belum sempat mengisi baterai hingga penuh.

Efek Stratifikasi¶

Saat baterai disimpan, terdapat lebih banyak asam sulfat di bagian bawah, dan bagian bawah plat timbal akan mengalami sulfasi lebih cepat dan lebih tinggi daripada plat lainnya. Sedangkan konsentrasi asam yang rendah di bagian atas menyebabkan korosi yang lebih tinggi dan aktivasi plat yang lebih rendah. Di bagian bawah, karena konsentrasi ion yang lebih tinggi, tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) meningkat secara artifisial. Disebut artifisial karena pembacaan menunjukkan tegangan tinggi tetapi baterai tidak dapat digunakan oleh beban dengan baik. Pada kendaraan, hal ini dapat menyebabkan hilangnya nilai CCA (Cold Cranking Ampere). Ciri baterai mengalami stratifikasi asam adalah ketika dilakukan pengukuran tegangan rangkaian terbuka (pengukuran pada kedua terminal baterai) dihasilkan nilai yang normal, namun ketika diberi beban, baterai akan mengalami penurunan muatan yang disignifikan dan cepat.

Solusi Stratifikasi¶

Lalu apakah stratifikasi terjadi pada baterai jenis SLA (VRLA)? Terjadi namun pada skala kejadian yang sangat kecil. Baterai SLA jenis AGM ataupun Sel Gel tidak mengalami masalah stratifikasi yang tinggi. Namun, jika kita menggunakan baterai jenis VLA (Flooded Battery) maka lakukan beberapa perawatan dibawah ini untuk memperpanjang umur pakai baterai, diantaranya:

Isi baterai (charge) hingga kapasitas penuh secara teratur kemudian gunakan baterai sewajarnya, misal: menyalakan sebuah lampu berdaya kecil hingga beberapa menit, atau peralatan elektronik berdaya rendah, hal ini untuk menjaga siklus baterai secara teratur.
Menggoyangkan atau memiringkan baterai untuk mencampur elektrolitnya agar konsentrasi asamnya merata pada semua area.
Menambahkan air murni pada elektrolit (saat baterai diisi), jika jumlah elektrolit menurun. Pada kendaraan yang sedang bergerak elektrolit akan bercampur dengan sendirinya.
Jika kendaraan digunakan pada jarak pendek, hindari menggunakan perlengkapan yang menguras arus cukup tinggi, misal; Penyejuk Ruangan (AC), Audio, Charge Smartphone dan sebagainya.
Cara yang terbaik adalah melakukan "Equalizing Charge" atau penyetaraan pengisian muatan selama beberapa jam. Equalizing Charge adalah pengisian muatan yang lebih tinggi 10% dari tingkat pengisian yang disarankan. Penyetaraan pengisian akan menyebabkan terjadinya elektrolisis, yang bertujuan untuk mencampur elektrolit didalam sel baterai dengan baik.

Produsen baterai merekomendasikan untuk melakukan equalizing charge baterai setiap 6 bulan sekali jika baterai tidak terlalu sering digunakan. Atau, equalizing charge harus dilakukan setelah 20 kali siklus baterai.

Penggunaan baterai hidrometer juga bisa dilakukan untuk menetapkan proses equalizing charge. Jika hasil pengukuran berat jenis sel baterai bervariasi (lebih dari atau sama dengan 0,03), maka baterai harus dilakukan equalizing charge atau penyetaraan pengisian muatan.

Daftar Pustaka¶

Pembaharuan Terakhir: 23 November 2020 20:14:41