- Riwayat Baterai Lithium-Ion
- Kimia Baterai Li-ion dan cara kerjanya
- Pengantar Baterai Lithium Ion
- Cara termudah untuk Menggunakan Sel 18650
- Paket Baterai Li-ion (sel dalam seri dan paralel)
Kecuali beberapa Tony Stark masuk dan menciptakan reaktor Arc atau penelitian di Solar Power Satellites (SPS) untuk transfer energi nirkabel berhasil, kita manusia harus bergantung pada Baterai untuk memberi daya pada perangkat elektronik portabel atau jarak jauh kita. Jenis baterai isi ulang yang paling umum yang Anda temukan di elektronik konsumen adalah jenis Lithium ion atau Lithium Polymer. Pada artikel ini, minat kami akan tertuju pada Baterai Li-ion karena cenderung lebih berguna daripada semua jenis lainnya. Baik itu bank daya kecil atau Laptop atau sesuatu sebesar Tesla Model 3 baru semuanya didukung oleh baterai Lithium-ion.
Apa yang membuat baterai ini istimewa? Apa yang harus Anda ketahui tentang itu sebelum Anda menggunakannya dalam proyek / desain Anda? Bagaimana Anda akan mengisi atau mengosongkan baterai ini dengan aman? Jika Anda penasaran untuk mengetahui jawaban dari semua pertanyaan ini maka Anda telah mendarat di artikel yang tepat, cukup duduk dan baca terus sementara saya akan mencoba untuk membuat ini semenarik mungkin.
Riwayat Baterai Lithium-Ion
Ide baterai Lithium Ion pertama kali dicetuskan oleh GN Lewis pada tahun 1912, tetapi baru menjadi layak pada tahun 1970-an dan baterai lithium yang tidak dapat diisi ulang pertama kali dimasukkan ke pasar komersial. Kemudian pada tahun 1980-an para insinyur berusaha membuat baterai isi ulang pertama menggunakan lithium sebagai bahan anoda dan sebagian berhasil. Mereka gagal memperhatikan bahwa jenis baterai lithium ini tidak stabil selama proses pengisian dan itu akan membuat baterai pendek meningkatkan suhu dan menyebabkan pelarian termal.
Pada tahun 1991, satu baterai lithium yang digunakan di ponsel meledak di wajah seorang pria di Jepang. Hanya setelah kejadian ini disadari bahwa baterai Li-ion harus ditangani dengan sangat hati-hati. Sejumlah besar jenis baterai yang ada di pasaran kemudian ditarik kembali oleh produsen karena masalah keamanan. Kemudian setelah banyak penelitian, Sony memperkenalkan baterai Li-ion canggih dengan bahan kimia baru yang digunakan hingga saat ini. Mari kita akhiri pelajaran sejarah di sini dan melihat kimiawi baterai Lithium Ion.
Kimia Baterai Li-ion dan cara kerjanya
Seperti namanya, baterai Lithium Ion menggunakan ion Lithium untuk menyelesaikan pekerjaan. Lithium adalah logam yang sangat ringan dengan kepadatan energi tinggi, properti ini memungkinkan baterai menjadi ringan dan memberikan arus tinggi dengan faktor bentuk kecil. Kepadatan energi adalah jumlah energi yang dapat disimpan dalam per satuan volume baterai, semakin tinggi kepadatan energi, semakin kecil baterai tersebut. Terlepas dari sifat logam litium yang luar biasa, ia tidak dapat digunakan sebagai elektroda langsung di dalam baterai karena litium sangat tidak stabil karena sifat logamnya. Oleh karena itu kami menggunakan ion litium yang kurang lebih memiliki sifat yang sama dengan logam litium tetapi bukan logam dan relatif lebih aman untuk digunakan.
Biasanya Anoda baterai Lithium terbuat dari Karbon dan Katoda baterai dibuat menggunakan oksida Cobalt atau oksida logam lainnya. Elektrolit yang digunakan untuk menghubungkan kedua elektroda ini akan menjadi larutan garam sederhana yang mengandung ion litium. Saat melepaskan ion litium bermuatan positif bergerak menuju katoda dan membombardirnya sampai bermuatan positif. Sekarang karena katoda bermuatan positif itu menarik elektron bermuatan negatif ke arahnya. Elektron ini dibuat untuk mengalir melalui rangkaian kita sehingga memberi daya pada rangkaian.
Demikian pula saat mengisi daya, yang terjadi justru sebaliknya. Elektron dari muatan mengalir ke baterai dan karenanya ion lithium bergerak menuju anoda membuat katoda kehilangan muatan positifnya.
Pengantar Baterai Lithium Ion
Cukup banyak teori tentang Baterai Lithium Ion, sekarang mari kita secara praktis mengetahui tentang sel-sel ini sehingga kita dapat yakin tentang mereka untuk menggunakannya dalam proyek kita. Baterai Lithium Ion yang paling umum digunakan adalah Cell 18650, demikian akan dibahas hal yang sama pada artikel ini. Sel 18650 khas ditunjukkan pada gambar di bawah ini
Seperti semua baterai, baterai Li-ion juga memiliki nilai voltase dan kapasitas. Nilai tegangan nominal untuk semua sel litium adalah 3.6V, sehingga Anda memerlukan spesifikasi tegangan yang lebih tinggi, Anda harus menggabungkan dua atau lebih sel secara seri untuk mencapainya. Secara default, semua sel ion litium akan memiliki tegangan nominal hanya ~ 3.6V. Tegangan ini dapat dibiarkan turun hingga 3,2V saat daya terisi penuh dan naik hingga 4,2V saat terisi penuh. Ingatlah selalu bahwa mengosongkan baterai di bawah 3.2V atau mengisi di atas 4.2V akan merusak baterai secara permanen dan mungkin juga menjadi resep kembang api. Mari kita uraikan terminologi yang terlibat dalam baterai 18650 sehingga kita dapat memahami dengan lebih baik. Perlu diingat bahwa penjelasan ini hanya berlaku untuk satu sel 18650, kita akan membahas lebih banyak tentang paket baterai Li-ion nanti, di mana lebih dari satu sel dihubungkan secara seri atau paralel untuk mendapatkan voltase dan peringkat arus yang jauh lebih tinggi.
Tegangan Nominal: Tegangan nominal adalah nilai tegangan aktual dari 18650 Cell. Secara default adalah 3.6V dan akan tetap sama untuk semua 18650 sel meskipun ada pabriknya.
Tegangan pengosongan penuh: Sel 18650 tidak boleh dibiarkan kosong di bawah 3,2V, jika tidak dilakukan akan mengubah resistansi internal baterai yang akan merusak baterai secara permanen dan mungkin juga menyebabkan ledakan
Tegangan pengisian penuh: Tegangan pengisian untuk sel ion lithium adalah 4.2V. Harus diperhatikan bahwa tegangan sel tidak meningkat 4.2V pada waktu tertentu.
Peringkat mAh: Kapasitas sel biasanya diberikan dalam hal peringkat mAh (jam Milli Ampere). Nilai ini akan bervariasi berdasarkan jenis sel yang Anda beli. Sebagai contoh mari kita asumsikan sel kita di sini adalah 2000mAh yang tidak lain adalah 2Ah (Ampere / jam). Artinya jika kita mengambil 2A dari baterai ini maka akan bertahan selama 1 jam dan begitu pula jika kita menarik 1A dari baterai ini akan bertahan selama 2 jam. Jadi jika Anda ingin tahu berapa lama baterai akan memberi daya yang Anda proyeksikan (Run-time) maka Anda harus menghitungnya menggunakan Peringkat mAh.
Run Time (dalam jam) = Saat ini ditarik / Peringkat mAh
Dimana, arus yang ditarik harus berada dalam batas rating C.
Peringkat C: Jika Anda pernah bertanya-tanya berapa jumlah arus maksimum yang dapat Anda tarik dari baterai, maka jawaban Anda dapat diperoleh dari peringkat C baterai. Rating C baterai kembali berubah untuk setiap baterai, anggap saja baterai yang kita miliki adalah baterai 2Ah dengan rating 3C. Nilai 3C berarti baterai dapat mengeluarkan 3 kali nilai rating Ah sebagai arus maksimumnya. Dalam hal ini dapat memasok hingga 6A (3 * 2 = 6) sebagai arus maksimum. Biasanya 18650 sel hanya memiliki rating 1C.
Arus maksimum yang ditarik dari baterai = Rating C * Rating Ah
Arus Pengisian: Spesifikasi penting lainnya dari baterai yang perlu diperhatikan adalah arus pengisian daya. Hanya karena baterai dapat mensuplai arus maksimum 6A tidak berarti baterai dapat diisi dengan 6A. Arus pengisian maksimum baterai akan disebutkan dalam lembar data baterai karena bervariasi berdasarkan baterai. Biasanya akan menjadi 0,5C, yang berarti setengah dari nilai peringkat Ah. Untuk baterai peringkat 2Ah, arus pengisian akan menjadi 1A (0,5 * 2 = 1).
Waktu pengisian: Waktu pengisian minimum yang diperlukan untuk satu sel 18650 untuk diisi dapat dihitung dengan menggunakan nilai arus pengisian dan peringkat Ah baterai. Misalnya pengisian baterai 2Ah dengan arus pengisian 1A akan memakan waktu sekitar 2 jam untuk diisi, dengan asumsi pengisi daya hanya menggunakan metode CC untuk mengisi daya sel.
Resistensi Internal (IR): Kesehatan dan kapasitas baterai dapat diprediksi dengan mengukur resistansi internal baterai. Ini tidak lain adalah nilai resistansi antara terminal anoda (positif) dan katoda (negatif) baterai. Nilai khas IR sebuah sel akan disebutkan dalam lembar data. Semakin banyak ia menyimpang dari nilai sebenarnya, semakin kurang efisien baterai tersebut. Nilai IR untuk sel 18650 akan berada dalam kisaran mili ohm dan ada instrumen khusus untuk mengukur nilai IR.
Metode pengisian: Ada banyak metode yang dilakukan untuk mengisi sel li-ion. Tetapi yang paling umum digunakan adalah topologi 3 langkah. Tiga langkah tersebut adalah CC, CV, dan trickle charging. Dalam mode CC (Arus konstan), sel diisi dengan arus pengisian konstan dengan memvariasikan tegangan input. Mode ini akan aktif sampai baterai terisi ke level tertentu, kemudian CV (Constant Voltage)mode dimulai di mana tegangan pengisian dijaga biasanya pada 4.2V. Mode terakhir adalah pengisian pulsa atau pengisian tetesan di mana pulsa kecil saat ini dilewatkan ke baterai untuk meningkatkan siklus hidup baterai. Ada juga pengisi daya yang jauh lebih kompleks yang melibatkan pengisian 7 langkah. Kami tidak akan membahas lebih dalam tentang topik ini karena topik ini berada jauh di luar cakupan artikel ini. Tetapi jika Anda tertarik untuk mengetahui penyebutan di bagian komentar dan mungkin saya akan menulis artikel terpisah tentang pengisian sel Li-ion.
State Of Charge (SOC)%: Status pengisian tidak lain adalah kapasitas baterai, mirip dengan yang ditunjukkan pada ponsel kita. Kapasitas baterai tidak dapat dihitung secara sederhana dengan katup tegangannya, biasanya dihitung menggunakan integrasi arus untuk menentukan perubahan kapasitas baterai dari waktu ke waktu.
Depth Of Discharge (DOD)%: Seberapa jauh baterai dapat dikosongkan yang diberikan oleh DOD. Tidak ada baterai yang akan memiliki 100% pengosongan karena seperti yang kita tahu itu akan merusak baterai. Biasanya kedalaman pengosongan 80% diatur untuk semua baterai.
Dimensi sel: Fitur unik dan menarik lainnya dari sel 18650 adalah dimensinya. Setiap sel akan memiliki diameter 18mm dan tinggi 650mm yang membuat sel ini dinamai 18650.
Jika Anda ingin lebih banyak definisi terminologi, lihat dokumentasi terminologi Baterai MIT, di mana Anda pasti akan menemukan lebih banyak parameter teknis terkait dengan baterai.
Cara termudah untuk Menggunakan Sel 18650
Jika Anda seorang pemula yang lengkap dan baru saja memulai dengan 18650 sel untuk memberi daya pada proyek Anda, maka cara termudah adalah dengan menggunakan modul siap pakai yang dapat mengisi daya dan melepaskan 18650 sel Anda dengan aman. Hanya modul tersebut adalah modul TP4056 yang dapat menangani satu sel 18650.
Jika Anda memproyeksikan membutuhkan lebih dari 3.6V sebagai tegangan input maka Anda mungkin ingin menggabungkan dua sel 18650 secara seri untuk mendapatkan tegangan 7.4V. Dalam kasus seperti itu, gunakan modul seperti modul baterai Li-ion 2S 3A harus berguna dalam mengisi dan mengosongkan baterai dengan aman.
Untuk menggabungkan dua atau lebih 18650 sel, kami tidak dapat menggunakan teknik penyolderan konvensional untuk membuat sambungan antara keduanya sebagai gantinya proses yang disebut pengelasan titik digunakan. Juga saat menggabungkan 18650 sel secara seri atau paralel lebih hati-hati harus diambil yang dibahas dalam paragraf berikut.
Paket Baterai Li-ion (sel dalam seri dan paralel)
Untuk memberi daya pada elektronik portabel kecil atau perangkat kecil, satu sel 18650 atau paling banyak sepasang secara seri akan membantu. Dalam jenis aplikasi ini, kerumitannya lebih sedikit karena jumlah baterai yang digunakan lebih sedikit. Tetapi untuk aplikasi yang lebih besar seperti Electric Cycle / Moped atau mobil Tesla, kita perlu menghubungkan banyak sel ini secara seri dan paralel untuk mencapai tegangan dan kapasitas keluaran yang diinginkan. Misalnya mobil Tesla berisi lebih dari 6800 sel lithium masing-masing dengan rating 3.7V dan 3.1Ah. Gambar di bawah ini menunjukkan bagaimana pengaturannya di dalam sasis mobil.
Dengan jumlah sel sebanyak ini untuk dipantau, kita memerlukan sirkuit khusus yang dapat mengisi, memantau, dan melepaskan sel-sel ini dengan aman. Sistem khusus ini disebut Sistem Pemantauan Baterai (BMS). Tugas BMS adalah memonitor voltase sel individu dari setiap sel lithium ion dan juga memeriksa suhunya. Selain itu beberapa BMS juga memonitor arus charging dan discharging dari sistem.
Saat menggabungkan lebih dari dua sel untuk membentuk satu paket, harus diperhatikan bahwa sel memiliki kimia, voltase, peringkat Ah dan resistansi internal yang sama. Juga saat mengisi daya sel, BMS memastikan bahwa mereka diisi secara merata dan dikosongkan secara merata sehingga pada waktu tertentu semua baterai mempertahankan tegangan yang sama, ini disebut Penyeimbangan Sel. Selain itu, perancang juga harus khawatir tentang mendinginkan baterai ini saat pengisian dan pengosongan karena tidak merespons dengan baik selama suhu tinggi.
Semoga artikel ini memberi Anda detail yang cukup bagi Anda untuk sedikit percaya diri dengan sel Li-ion. Jika Anda memiliki keraguan khusus, silakan tinggalkan di bagian komentar dan saya akan mencoba yang terbaik dalam menanggapi kembali. Sampai saat itu selamat mengutak-atik.