Baterai

Latar Belakang

Eksperimen terkenal Benjamin Franklin untuk menarik listrik dengan menerbangkan layang-layang dalam badai petir hanyalah salah satu dari banyak eksperimen akhir abad kedelapan belas dan awal abad kesembilan belas yang dilakukan untuk mempelajari listrik. Baterai pertama dibangun pada tahun 1800 oleh Italia Alessandro Volta. Apa yang disebut tumpukan volta terdiri dari piringan perak dan seng bergantian yang dipisahkan oleh kulit atau kertas karton yang telah direndam dalam air garam, alkali, atau larutan alkali. Potongan logam di setiap ujung tumpukan dihubungkan ke cangkir kecil berisi merkuri. Ketika Volta menyentuh kedua cangkir merkuri dengan jari-jarinya, dia menerima sengatan listrik; semakin banyak cakram yang dia kumpulkan, semakin besar sentakan yang dia terima.

Penemuan Volta menyebabkan eksperimen lebih lanjut. Pada tahun 1813, Sir Humphrey Davy membangun tumpukan dengan 2.000 pasang cakram di ruang bawah tanah Royal Institution of London. Di antara aplikasi lain, Davy menggunakan listrik yang dihasilkannya untuk elektrolisis—mengkatalisis reaksi kimia dengan melewatkan arus melalui zat (Davy memisahkan natrium dan kalium dari senyawa). Hanya beberapa tahun kemudian, Michael Faraday menemukan prinsip induksi elektromagnetik, menggunakan magnet untuk menginduksi listrik dalam kawat melingkar. Teknik ini merupakan inti dari dinamo yang digunakan untuk menghasilkan listrik di pembangkit listrik saat ini. (Sementara dinamo menghasilkan arus bolak-balik (AC) di mana aliran listrik berubah arah secara teratur, baterai menghasilkan arus searah (DC) yang mengalir hanya dalam satu arah.) Sel timbal-asam yang mampu menghasilkan arus dalam jumlah yang sangat besar, cikal bakal mobil today masa kini baterai, dirancang pada tahun 1859 oleh orang Prancis Gaston Planté.

Di Amerika Serikat, Thomas Edison bereksperimen dengan listrik dari baterai dan dinamo untuk menyalakan bola lampu, yang mulai menyebar di Amerika Serikat pada awal tahun 1880-an. Selama tahun 1860-an, Georges Leclanché menemukan sel basah, yang meskipun berat karena komponen cairnya, dapat dijual dan digunakan secara komersial. Pada tahun 1870-an dan 1880-an, sel Leclanché diproduksi menggunakan bahan kering dan digunakan untuk sejumlah tugas, termasuk menyediakan daya untuk telepon Alexander Graham Bell dan untuk senter yang baru ditemukan. Baterai kemudian dipanggil untuk menyediakan daya bagi banyak penemuan lain, seperti radio, yang menjadi sangat populer pada tahun-tahun setelah Perang Dunia I. Saat ini, lebih dari dua puluh miliar sel daya dijual di seluruh dunia setiap tahun, dan setiap orang Amerika menggunakan sekitar 27 baterai per tahun.

Desain

Semua baterai menggunakan prosedur serupa untuk menghasilkan listrik; namun, variasi bahan dan konstruksi telah menghasilkan berbagai jenis baterai. Sebenarnya, apa yang biasa disebut baterai sebenarnya adalah sekelompok sel yang terhubung. Berikut ini adalah deskripsi sederhana tentang cara kerja baterai.

Dua bagian penting dari setiap sel adalah anoda dan katoda. Katoda adalah logam yang digabungkan, secara alami atau di laboratorium, dengan oksigen—kombinasi ini disebut oksida . Oksida besi (karat), meskipun terlalu rapuh untuk digunakan dalam baterai, mungkin merupakan oksida yang paling dikenal. Beberapa oksida lain sebenarnya cukup kuat untuk dikerjakan (dipotong, ditekuk, dibentuk, dibentuk, dan sebagainya) dan digunakan dalam sel. Anoda adalah logam yang akan teroksidasi jika dibiarkan dan, hal lain dianggap sama, lebih mungkin untuk teroksidasi daripada logam yang merupakan bagian dari katoda.

Sebuah sel menghasilkan listrik ketika salah satu ujung katoda dan salah satu ujung anoda ditempatkan ke dalam zat ketiga yang dapat menghantarkan listrik, sedangkan ujung lainnya terhubung. Anoda menarik atom oksigen ke arahnya, sehingga menciptakan aliran listrik. Jika ada sakelar di sirkuit (mirip dengan sakelar dinding atau lampu), rangkaian tidak lengkap dan listrik tidak dapat mengalir kecuali sakelar dalam posisi tertutup. Jika, selain sakelar, ada sesuatu yang lain di sirkuit, seperti bola lampu, bola lampu akan menyala dari gesekan elektron yang melewatinya.

Zat ketiga di mana anoda dan katoda ditempatkan disebut elektrolit . Dalam banyak kasus bahan ini merupakan kombinasi kimia yang memiliki sifat basa. Jadi, baterai alkaline adalah baterai yang menggunakan elektrolit alkali. Sebuah sel tidak akan menghasilkan listrik dengan sendirinya kecuali jika ditempatkan dalam suatu rangkaian yang telah dibuat lengkap dengan sakelar sederhana, atau oleh beberapa sambungan sakelar lain dalam peranti yang menggunakan baterai.

Merancang sel dapat menyebabkan banyak variasi dalam jenis dan struktur. Tidak semua elektrolit, misalnya, bersifat basa. Selain itu, wadah elektrolit dapat bertindak sebagai wadah dan katoda atau anoda. Beberapa sel mengambil oksigennya bukan dari katoda tetapi langsung dari udara. Perubahan komposisi anoda dan katoda akan memberikan lebih banyak atau lebih sedikit listrik. Penyesuaian yang tepat dari semua bahan yang digunakan dalam sel dapat mempengaruhi jumlah listrik yang dapat dihasilkan, laju produksi, tegangan di mana listrik dikirimkan selama masa hidup sel, dan kemampuan sel untuk berfungsi pada suhu yang berbeda. .

Semua kemungkinan ini memang ada, dan berbagai aplikasinya telah menghasilkan berbagai jenis baterai yang tersedia saat ini (litium, merkuri, dan sebagainya). Namun, selama bertahun-tahun, sel yang paling umum adalah baterai alkaline 1,5 volt.

Baterai yang berbeda berfungsi lebih baik dalam keadaan yang berbeda. Sel alkaline 1,5 volt sangat ideal untuk peralatan fotografi, komputer genggam dan kalkulator, mainan, tape recorder, dan penggunaan "penguras tinggi" lainnya; itu juga baik dalam suhu rendah. Sel ini memiliki karakteristik pelepasan yang miring—sel ini kehilangan daya secara bertahap, bukannya berhenti menghasilkan listrik secara tiba-tiba—dan mungkin akan kehilangan empat persen dayanya per tahun jika tidak digunakan di rak.

Jenis baterai lainnya termasuk baterai lithium/mangan dioksida, yang memiliki karakteristik pelepasan datar—memberikan daya yang kira-kira sama pada awal masa pakainya dan pada akhir masa pakainya—dan dapat digunakan di mana ada kebutuhan untuk baterai kecil, baterai berdaya tinggi (alarm asap, kamera, cadangan memori di komputer, dan sebagainya). Alat bantu dengar, pager, dan beberapa jenis peralatan medis lainnya sering menggunakan baterai jenis kancing udara seng, yang memberikan kepadatan energi tinggi pada pelepasan terus menerus. Baterai merkuri sering digunakan dalam banyak aplikasi yang sama dengan baterai udara seng, karena juga memberikan tegangan keluaran yang stabil.

Bahan Baku

Bagian ini, serta bagian berikutnya, akan berfokus pada baterai alkaline. Dalam baterai alkaline, silinder yang berisi sel terbuat dari baja berlapis nikel. Itu dilapisi dengan pemisah yang membagi katoda dari anoda dan terbuat dari kertas berlapis atau bahan sintetis berpori. Tabung disegel di satu ujung dengan sealant aspal atau epoksi yang mendasari pelat baja, dan di ujung lainnya dengan paku kuningan yang didorong melalui silinder. Paku ini dilas ke tutup ujung logam dan melewati segel plastik eksterior. Di dalam silinder, katoda terdiri dari campuran mangan dioksida, grafit, dan larutan kalium hidroksida; anoda terdiri dari bubuk seng dan elektrolit kalium hidroksida.

Manufaktur
Proses

Katoda

• 1 Dalam baterai alkaline, katoda sebenarnya berfungsi ganda sebagai bagian dari wadah. Banyak sekali bahan penyusunnya—mangan dioksida, karbon hitam (grafit), dan elektrolit (kalium hidroksida dalam larutan)—adalah Mencampur bahan-bahan penyusunnya adalah langkah pertama dalam pembuatan baterai. Setelah granulasi, campuran tersebut kemudian ditekan atau dipadatkan menjadi bentuk awal—silinder berongga. Prinsip yang terlibat dalam pemadatan sederhana:pukulan baja turun ke dalam rongga dan memadatkan campuran. Saat ditarik, pukulan dari bawah naik untuk mengeluarkan bentuk awal yang dipadatkan. dikirim dengan kereta api dan dicampur dalam batch yang sangat besar di lokasi produksi. Campuran tersebut kemudian digranulasi dan ditekan atau dipadatkan menjadi silinder berongga yang disebut bentuk awal . Tergantung pada ukuran baterai yang dibuat, beberapa bentuk awal dapat ditumpuk satu di atas yang lain dalam baterai. Atau, rangkaian bentuk awal dapat diganti dengan cincin yang diekstrusi dari bahan yang sama.
• 2 Preform selanjutnya dimasukkan ke dalam kaleng baja berlapis nikel; kombinasi bentuk awal dan baja dapat membentuk katoda baterai. Dalam operasi besar, kaleng dibuat di pabrik baterai menggunakan teknik pemotongan dan pembentukan standar. Lekukan dibuat di dekat bagian atas kaleng, dan sealant aspal atau epoksi ditempatkan di atas lekukan untuk melindungi dari kebocoran.

Pemisah

• 3 Pemisah kertas yang direndam dalam larutan elektrolit kemudian dimasukkan ke dalam kaleng melawan bentuk awal; pemisah terbuat dari beberapa lembar kertas yang diletakkan bersilangan satu sama lain (seperti kayu lapis). Melihat ke bawah pada kaleng yang terbuka, orang akan melihat apa yang tampak seperti cangkir kertas yang dimasukkan ke dalam kaleng. Pemisah menjaga bahan katoda agar tidak bersentuhan dengan bahan anoda. Sebagai alternatif, produsen dapat menggunakan serat sintetis berpori untuk tujuan yang sama.

Anoda

• 4 Selanjutnya anoda masuk ke kaleng baterai. Ini adalah gel yang terutama terdiri dari bubuk seng, bersama dengan bahan lain termasuk elektrolit kalium hidroksida. Gel ini memiliki konsistensi pasta yang sangat kental. Alih-alih larutan, ini adalah suspensi kimia, di mana partikel tidak mengendap (meskipun filter yang sesuai dapat memisahkannya). Gel tidak mengisi kaleng ke atas sehingga memberikan ruang untuk reaksi kimia yang akan terjadi setelah baterai mulai digunakan.

Segel

• 5 Meskipun baterai mampu menghasilkan listrik pada titik ini, sel terbuka tidak praktis dan akan menghabiskan potensinya dengan cepat. Baterai perlu disegel dengan tiga komponen yang terhubung. Yang pertama, "paku" kuningan atau paku panjang, dimasukkan ke tengah kaleng, melalui bahan gel dan berfungsi sebagai "pengumpul arus". Yang kedua adalah segel plastik dan yang ketiga tutup ujung logam. Paku, yang memanjang sekitar dua pertiga Wadah baterai alkaline biasa, terdiri dari bentuk awal yang dimasukkan ke dalam kaleng baja, juga berfungsi ganda sebagai katoda. Anoda di tengah adalah gel yang terutama terdiri dari bubuk seng. Pemisah antara anoda dan katoda adalah kertas atau serat sintetis yang telah direndam dalam larutan elektrolit.
  Pada baterai yang sudah jadi, segel plastik, paku baja, dan bagian atas dan bawah logam telah ditambahkan. Paku dilas ke bagian bawah logam dan memanjang sekitar dua pertiga dari jalan ke dalam kaleng, melalui anoda. dari jalan ke kaleng, dilas ke tutup ujung logam dan kemudian melewati segel plastik.
• 6 Segel ini secara signifikan lebih tipis di beberapa tempat daripada di tempat lain, sehingga jika terlalu banyak gas yang menumpuk di kaleng, segel akan pecah daripada seluruh baterai. Beberapa desain baterai menggunakan lubang berisi lilin di plastik; kelebihan gas mendorong melalui lilin daripada merusak baterai. Rakitan segel memenuhi lekukan yang dibuat di kaleng pada awal proses dan dikerutkan di tempatnya.
• 7 Ujung kaleng yang berlawanan (ujung positif baterai) kemudian ditutup dengan pelat baja yang dilas pada tempatnya atau direkatkan dengan semen jenis epoksi.

Labelnya

• 8 Sebelum baterai meninggalkan pabrik, label ditambahkan yang mengidentifikasi jenis baterai, ukurannya, dan informasi lainnya. Labelnya sering berupa kertas yang hanya direkatkan ke baterai. Salah satu produsen besar memiliki desain label yang dicetak pada plastik shrink wrap:sepotong plastik peka panas yang longgar dililitkan di sekitar kaleng baterai dan kemudian terkena ledakan panas yang membuat plastik menyusut agar pas di sekitar kaleng.

Kontrol Kualitas

Karena teknologi baterai tidak terlalu baru atau eksotik, kontrol kualitas dan hasilnya sangat penting sebagai dasar persaingan merek. Kemampuan baterai untuk menahan korosi, untuk beroperasi dengan baik di bawah berbagai kondisi, untuk mempertahankan umur simpan dan penggunaan yang baik, dan faktor lainnya, adalah hasil langsung dari kontrol kualitas. Baterai dan bahan-bahan diperiksa dan diuji di hampir semua tahap proses produksi, dan batch yang telah selesai menjalani pengujian yang ketat.

Masalah Lingkungan

Meskipun membuat baterai memang menghadirkan beberapa kendala lingkungan, tidak ada yang tidak dapat diatasi. Seng dan mangan, bahan kimia utama dalam baterai alkaline, tidak menimbulkan kesulitan lingkungan, dan keduanya dianggap aman oleh Food and Drug Administration (FDA). Polusi potensial utama dalam baterai adalah merkuri, yang biasanya menyertai seng dan yang selama bertahun-tahun ditambahkan ke baterai alkaline untuk membantu konduktivitas dan mencegah korosi. Pada pertengahan 1980-an, baterai alkaline biasanya mengandung antara lima dan tujuh persen merkuri.

Ketika menjadi jelas beberapa tahun yang lalu bahwa merkuri merupakan bahaya lingkungan, produsen mulai mencari cara untuk memproduksi baterai yang efisien tanpa itu. Metode utama untuk melakukan ini berfokus pada kontrol kemurnian bahan yang lebih baik. Baterai alkaline saat ini mungkin mengandung sekitar 0,025 persen merkuri. Baterai tanpa merkuri tambahan sama sekali (ini adalah elemen alami, sehingga akan sulit untuk menjamin produk yang bebas dari kualitas jejak yang merata) tersedia dari beberapa produsen dan akan menjadi aturan industri secara luas daripada pengecualian pada akhirnya tahun 1993.

Masa Depan

Baterai saat ini menjadi fokus penyelidikan intensif oleh para ilmuwan dan insinyur di seluruh dunia. Alasannya sederhana:beberapa inovasi utama bergantung pada pembuatan baterai yang lebih baik. Mobil listrik yang layak dan perangkat elektronik portabel yang dapat beroperasi untuk waktu yang lama tanpa perlu diisi ulang harus menunggu sampai baterai yang lebih ringan dan lebih kuat dikembangkan. Baterai timbal-asam khas yang saat ini digunakan dalam mobil, misalnya, terlalu besar dan tidak dapat menyimpan listrik yang cukup untuk digunakan dalam mobil listrik. Baterai lithium, meskipun ringan dan kuat, rentan bocor dan terbakar.

Pada awal 1993, para ilmuwan di Arizona State University mengumumkan bahwa mereka telah merancang kelas elektrolit baru dengan melarutkan polipropilen oksida dan polietilen oksida ke dalam larutan garam litium. Elektrolit baru tampaknya sangat konduktif dan lebih stabil daripada elektrolit lithium biasa, dan para peneliti sekarang mencoba membangun baterai prototipe yang menggunakan zat yang menjanjikan.

Sementara itu, beberapa produsen sedang mengembangkan baterai nikel-metal hidrida yang lebih besar dan lebih kuat untuk digunakan di komputer portabel. Baterai baru ini diharapkan muncul pada akhir tahun 1994.