Komparasi Baterai Timbal, Nikel dan Lithium

 

Baterai Sebagai Penyimpan Energi Listrik

Baterai merupakan teknologi penyimpanan energi listrik yang paling banyak digunakan. Hal ini dikarenakan kemudahan penggunaannya dan juga faktor biayanya yang lebih ekonomis dibandingkan jenis penyimpanan energi listrik lainnya.

 

Baterai memiliki banyak jenis, namun secara umum dapat dikelompokan menjadi tiga, yaitu baterai timbal, nikel dan lithium. Pada pembahasan kali ini, kami ingin membahas komparasi antara ketiga jenis baterai tersebut, mulai dari prinsip kerja, kelebihan dan kekurangannya, serta praktik aplikasinya.

 

Lead-Acid Battery (Baterai Timbal)

 

Baterai asam-timbal (lead-acid battery) merupakan baterai yang paling umum digunakan dalam sistem penyimpanan energi listrik, seperti untuk daya suplai cadangan, penyimpanan pada pembangkit tenaga surya, tenaga angin, baterai starter pada kendaraan bermotor, dan lain-lain. Prinsip kerja baterai jenis ini yaitu berdasarkan reaksi kimia antara timbal dioksida (katoda), timbal (anoda), dan asam sulfat (H2SO4) sebagai larutan elektrolit.

 

Umumnya baterai timbal memiliki lifetime 6 hingga 15 tahun dengan lifecycle 1.500 siklus, dan depth of discharge mencapai 80%. Tipikal baterai jenis ini memiliki tegangan sel sebesar 2 volt dan densitas energi dan daya sebesar 30 Wh/kg dan 180 W/kg berurutan. Beberapa keunggulan yang dimiliki baterai timbal diantaranya sebagai berikut:

 

1. Efisiensi relatif sangat tinggi, antara 85% - 90%.

2. Harga relatif jauh lebih rendah dibanding baterai jenis lain.

3. Instalasi sederhana, mudah dan juga low maintenance.

4. Self-discharge rate sangat rendah, sekitar 2% dari rating kapasitasnya per bulan (pada temperatur 25⁰C).

 

Adapun beberapa kekurangan dari baterai timbal diantaranya adalah sebagai berikut:

 

1. Lifetime dan lifecycle-nya relatif pendek, tipikal 5 – 15 tahun atau 1.200 – 1.800 cycle pada standar deep of discharge 80%.

2. Penggunaan pada deep of discharge tinggi dapat merusak elektroda (katoda dan anoda) baterai dan akan mengurangi lifetime baterai.

3. Temperatur kerja yang tinggi (45⁰C atau lebih) dapat mengurangi lifetime dan efisiensi baterai.

4. Limbah asam dari baterai jenis ini berbahaya bagi lingkungan, sehingga perlu penanganan khusus.

 

Nickel-Based Battery

 

Nickel-Based Battery menggunakan nikel sebagai elektroda positif dan menggunakan larutan nikel sebagai elektrolitnya. Baterai nikel memiliki tiga tipe sesuai dengan elektroda negatif yang digunakan, yaitu Nickle-Cadmium Battery (NiCd) - menggunakan kadmium hidroksida sebagai elektroda negatif, Nickel-Metal Hybrid Battery (NiMH) - menggunakan campuran logam sebagai elektroda negatif, dan Nickel-Zinc Battery (NiZn) - menggunakan zink hidroksida sebagai elektroda negatif.

 

Baterai nikel biasa juga disebut dengan nama baterai alkalin. Tipikal baterai jenis ini memiliki tegangan sel 1,2 volt (untuk NiZn tipikal 1,65 volt), dengan densitas energi yang lebih tinggi dibandingkan baterai timbal, yaitu 50 Wh/kg untuk NiCd, 80 Wh/kg untuk NiMH, dan 60 Wh/kg untuk NiZn.

 

Keunggulan baterai nikel ada pada lifetime dan lifecycle dari tipe NiCd, yang lebih panjang dari pada baterai timbal,  yaitu 1.500 - 3.000 cycle pada penggunaan deep of discharge yang tinggi. Selain itu, baterai nikel Dapat beroperasi pada suhu rendah, yaitu pada suhu -20⁰C hingga -40⁰C.

 

Adapun beberapa kekurangan baterai nikel atau alkalin ini adalah sebagai berikut:

 

1. Baterai nikel tipe NiMH dan NiZn memiliki liftime dan lifecycle relatif sama atau lebih pendek dibandingkan baterai timbal.

2. Harga baterai NiCd adalah sekitar 10 kali lebih mahal dibanding baterai timbal.

3. Efisiensi lebih rendah dari baterai timbal, yaitu 60% - 83% untuk NiCd, 65% - 70% untuk NiMH, dan sekitar 80% untuk NiZn.

4. Self-discharge baterai nikel lebih tinggi, yaitu sekitar 10% dari kapasitasnya per bulan.

5. Sifat racun pada zat cadmium menyebabkan baterai NiCd lebih sering digunakan untuk penggunaan stationary use.

 

Lithium-Based Battery

 

Lithium-Based Battery memiliki 2 tipe, yaitu Lithium-Ion cells (Li-Ion) dan Lithiun-Polymer cells (Li-Pol). Tagangan sel baterai lithium tipikal lebih tinggi dari baterai timbal dan nikel, yaitu mencapai 3,7 volt per sel. Teknologi baterai lithium hingga kini belum ada yang digunakan untuk penyimpanan dalam sistem uninterrupted power supply (UPS). Namun, baterai lithium  lebih banyak digunakan untuk teknologi mobile, seperti baterai pada handphone, laptop dan lain-lain. Perkembangan kemajuan baterai lithium hingga kini mulai banyak digunakan pada kendaraan listrik (mobil listrik).

 

Dibandingkan baterai timbal dan nikel, baterai lithium memiliki densitas energi lebih tinggi, yaitu 80-150 Wh/kg. Juga densitas daya yang lebih tinggi pula, yaitu 500-2.000 W/kg untuk Li-Ion dan 50-250 W/kg Li-Pol. Beberapa keunggulan lainnya adalah seperti berikut:

 

1. Efisiensi lebih tinggi, yaitu mencapai 95% - 98%.

2. Self-discharge cukup rendah, meskipun masih lebih tinggi dari baterai timbal, yaitu 5% dari kapasitasnya per bulan.

3. Sangat low maintenance.

4. Lifcycle dapat lebih dari 1.500 cycle.

 

Adapun beberapa kekurangan baterai lithium adalah sebagai berikut:

 

1. Lifetime dapat berkurang pada temperatur tinggi dan deep of discharge yang tinggi.

2. Mudah pecah dan memerlukan rangkaian proteksi khusus agar dapat beroperasi dengan aman (membatasi tegangan puncak tiap sel saat charging, dan mencegah tegangan sel jatuh terlalu rendah saat discharge).

3. Suhu sel baterai harus dimonitor untuk mencegah suhu terlalu tinggi, dan arus charging dan discharge perlu dibatasi.

4. Harganya relative jauh lebih mahal dibandingkan baterai nikel dan baterai timbal.

 

Komparasi Baterai Timbal, Nikel dan Lithium

 

Tabel di bawah ini menunjukan perbandingan dari tiga jenis baterai konvensional, yaitu Lead-Acid Battery (Baterai Timbal), Nickel-Based Battery (Baterai Nikel) dan Lithium-Based Battery (Baterai Lithium).

 

Tabel Komparasi Baterai Timbal, Nikel dan Lithium

Baterai lithium memiliki efisiensi paling tinggi, namun memerlukan biaya yang jauh lebih tinggi pula. Baterai timbal memiliki efisiensi yang cukup tinggi dengan harga paling murah. Life cycle baterai timbal sekitar 75% dari baterai nikel dan 35% dari baterai lithium, namun memiliki kapital kost energi 2 kali lebih murah dari baterai nikel dan 4 kali lebih murah dari baterai lithium. Oleh karena itu, dari faktor biayanya, dengan mempertimbangkan usia pakai juga, menurut hemat penulis, baterai timbal lebih unggul dari dua jenis baterai lainnya.

 

Meskipun efisiensinya paling tinggi, baterai lithium memiliki tingkat kematangan pada aplikasi standby use pada kendaraan listrik, dan kurang cocok dalam aplikasi penyimpanan yang beroperasi sebagai cycle use. Selain itu, baterai lithium memiliki sifat mudah pecah, dan memerlukan perawatan yang ekstra, seperti rangkaian proteksi charging dan tegangan discharging. Sehingga memerlukan tingkat perawatan yang tinggi.

 

Baterai timbal memiliki self discharge rate paling rendah, hanya 2% dari kapasitasnya per bulan, sehingga cocok digunakan untuk penyimpanan jangka panjang. Pada aspek lingkungan, baterai timbal memiliki kekurangan berupa zat asam yang dapat menjadi limbah berbahaya. Namun, dengan penanganan yang baik, kekurangan ini bukan sebuah permasalahan yang signifikan. Selain itu, baterai timbal tidak memerlukan perawatan yang sulit seperti baterai lithium.

 

Demikian komparasi baterai timbal, nikel dan lithium yang dapat kami sampaikan pada artikel kali ini. Pada dasarnya, setiap jenis baterai memiliki kelebiham dan kekurangan masing masing, sehingga akan lebih cocok pada aplikasi tertentu, dan akan kurang cocok pada aplikasi lainnya. Bila sobat ingin melengkapi referensi pembahasan kami, silahkan tinggalkan komentar.

 

Penulis : ER

Share this post