KEHILANGAN
CAS SEBUAH BATERI AUTOMOTIF
Muhammad
Nuruddin Bashah
Sarjana
Muda Kejuruteraan Bahan UM
Tahukah
anda bahawa bateri kenderaan anda boleh kehilangan cas setiap hari
walaupun tanpa menggunakannya? Malah hal ini adalah keadaan biasa
bagi semua jenis bateri dan tabiat semula jadi bagi sebuah sistem
elektrokimia.
Penulisan
makalah ini lebih memberi perhatian kepada bateri jenis asid plumbum
sel basah yang kerap ditemui dalam kenderaan awam Malaysia.
Plumbum-asid
bateri telah dicipta pada tahun 1859 oleh ahli fizik Perancis Gaston
Plante dan adalah jenis bateri boleh dicas semula
yang paling lama.
Dengan
ciri
kos yang rendah, menjadikannya praktikal
untuk digunakan dalam kenderaan bermotor untuk menyediakan arus
yang tinggi yang diperlukan oleh penghidup
kereta
motor.
Di
sebabkan jenis ini adalah
murah berbanding dengan teknologi yang lebih baru, bateri asid
plumbum digunakan secara meluas walaupun
isu pencemarah dan toksin adalah isu besar melibatkan unsur plumbum.
Bateri
plumbum-asid
telah
menyaksikan
jualan sehingga
40-45% daripada nilaian
keseluruha jenis
bateri yang dijual di seluruh dunia (1999, tidak termasuk China dan
Rusia), dan
nilai
pasaran pengeluaran kira-kira AS $ 15 bilion.
Self-discharge
atau dalam bahasa melayunya nyahcas
sendiri adalah
tindak
balas kimia di dalam bateri yang menyebabkan bateri mengalami nyahcas
sendiri walaupun tiada arus yang dialirkan keluar.
Walaupun ia adalah tabiiat semulajadi sebuah sel kimia namun ia boleh
dikawal serta dihalang daripada berlaku dengan lebih buruk sehingga
menjadikan bateri terlalu cepat hilang fungsinya.
Pengenalan
tindakbalas redokds dalam sel elektrokimia
Nyahcas
Satu
sel asid plumbum dengan dua plat plumbum
sulfat.
Nyahcas
sepenuhnya :
Dalam keadaan yang dinyahcas
kedua-dua plat positif
(PbO2) dan
negatif
(Pb) menjadi
plumbum (II) sulfat (PbSO4), dan elektrolit kehilangan banyak asid
sulfurik atau
kepekatan asid menjadi rendah yang
dibubarkan dan menjadi majorti
air. Ion
sulfat telah keluar daripada asid sulfurik dan bergaung dengan plat
positif dan negatif melalui tindakbalas elektrokimia. Proses
ini
adalah didorong oleh pengaliran elektron dari plat negatif ke dalam
sel pada plat positif dalam litar luar.
Tindakbalas
di Plat
negatif:
Pb (s)
+ HSO-
4
(aq) → PbSO 4 (s) + H + (aq) + 2e- (elektron
dibebaskan)
Tindakbalas
di Plat
positif:
PbO 2
(s) + HSO- 4 (aq) + + 3H (aq) + 2e- → PbSO 4 (s) + 2H 2 º (l)
(menerima
elektron)
Jumlah
tindakbalas
boleh
ditulis sebagai :
Pb (s)
+ PbO 2 (s) + 2H 2SO 4 (aq) → 2PbSO 4 (s) + 2H 2 º (l)
Mengecas
Mengecas
bateri sama ada melalui pengecas atau alternator kereta akan
menghasilkan plat negatif dalam bentuk plumbum
hampir tulen
dan plat plumbum oksida.
Dalam
keadaan yang dicas,
setiap sel mengandungi plat negatif plumbum unsur (Pb) dan plat
positif plumbum (IV) oksida (PbO2) dalam elektrolit asid sulfurik
(H2SO4). Proses mengecas didorong oleh penyingkiran secara paksa
(forcible
removal of electrons)
elektron daripada plat positif dan menghalakan
elektron itu
secara paksa ke
plat negatif oleh sumber pengecasan.
Tindak
balas di plat
negatif:
PbSO 4
(s) + H + (aq) + 2e- → Pb (s) + HSO- 4 (aq) (Elektron
dipaksa masuk ke negatif)
Tindakbalas
di Plat
positif:
PbSO 4
(s) + 2H
2
º (l) → PbO 2 (s) + HSO- 4 (aq) + + 3H (aq) + 2e-
Pengecasan
berlebihan dengan voltan pengecasan tinggi menjana oksigen dan gas
hidrogen melalui elektrolisis air, yang tidak
baik
kepada sel. Penyelenggaraan bateri asid plumbum memerlukan
pemeriksaan tahap elektrolit dan penggantian mana-mana air yang telah
hilang.
Oleh
kerana titik
pembekuan
elektrolit
(freezing-point
depression of the electrolyte)
,
sebagai nyahcas
bateri dan kepekatan asid sulfurik menurun,
elektrolit adalah lebih cenderung untuk membeku semasa cuaca musim
sejuk apabila nyahcas
kerana unsur majoriti dalam elektrolit selepas nyahcas adalah H2O.
Apa
itu nyahcas sendiri? (self discharge)
Rajah
:
Kesan
nyahcas
sendiri
yang tinggi
Semua
bateri dipengaruhi oleh nyahcas
sendiri.
Nyahcas
sendiri-bukan
suatu
kecacatan
pembuatan tetapi ia
salah satu ciri
sebuah
bateri
walaupun
amalan pengeluaran
di kilang yang lemah
dan pengendalian yang tidak betul boleh meningkatkan masalah.
Nyahcas
sendiri akan meningkat
dengan usia
bateri ,
jumlah
kitaran (cycle)
bateri
dan
suhu tinggi. Bateri
perlu digantikan
jika nyahcas
sendiri
mencecah 30 %
dalam masa 24 jam.
Jumlah
nyahcas
sendiri
berbeza bagi
setiap
jenis bateri dan sel
kimia.
Sel-sel utama seperti lithium dan alkali mengekalkan tenaga tersimpan
(reserved energy)
terbaik dan boleh disimpan dalam simpanan selama beberapa tahun.
Antara bateri boleh dicas semula, asid plumbum yang
kita bincang ini mempunyai
nyahcas
sendiri
yang paling rendah dan kehilangan hanya kira-kira 5
%
sebulan.
|
Sistem
Bateri
|
Jangkaan
nyahcas sendiri (
Self-discharge)
|
|
Logam
lithium
|
10%
dalam
5 tahun
|
|
Alkali
|
2-3%
setiap tahun
(7-10 tahun jangka
simpan)
|
|
Lead-acid
|
5%
setiap bulan
|
|
Nickel-alkali
|
10-15%
dalam
24 jam,
kemudian 10-15% setiap
bulan
|
|
Lithium-ion
|
5%
dalam tempoh
24 jam,
kemudian 1-2%
setiap bulan
|
Semua
bateri, tanpa mengira kimia mereka, akan nyahcas
sendiri.
Kadar nyahcas
sendiri
untuk bateri asid plumbum bergantung kepada simpanan atau suhu
operasi. Pada suhu 80 F
atau 27 darjah celcius
asid bateri akan menyahcas
sendiri
pada kadar kira-kira 4% seminggu. Bateri dengan kapasiti
125-amp/jam
akan nyahcas
sendiri
pada kadar kira-kira lima amp seminggu.
Perlu
diketahui jika
bateri 125 AH disimpan selama empat bulan (16 minggu) musim sejuk
tanpa digunakan,
ia akan kehilangan
80
amp daripada
kapasiti
125-amp itu. Ia juga akan mempunyai (pensulfatan)
sulfation
teruk, yang menyebabkan kehilangan tambahan kapasiti. Pastikan bateri
anda dicas
walaupun
tidak digunakan.
Nyahcas
sendiri adalah mencapai status quo sebuah bateri
Keadaan
termodinamik
stabil untuk sebuah
bateri
asid plumbum adalah keadaan
nyahcas.
Pengecasan
perlu dilakukan untuk menyebabkan keseimbangan tindak balas
elektrokimia untuk menukar keadaan
kedua-dua
plat, dengan itu voltan sumber kuasa untuk mengecas bateri asid
plumbum mesti lebih tinggi daripada voltan Nernst bateri pada litar
terbuka.
Faktor
yang menambah kepantasan nyahcas sendiri sebuah bateri.
Enap
cemar :
Dengan
jangka waktu
dan penggunaan
berpanjangan,
bateri
asid plumbum (flooded)
akan
memiliki
enapcemar dalam bekas
bateri (container),
yang menyebabkan litar
pintas ringan
apabila bahan separa pengalir ini mencapai plat.
Litar pintas ringan ini akan menyebabkan nyahcas sendiri bertambah.
Tahukah anda enap cemar itu terkumpul apabila bahan aktif (plumbum
sulfat, plumbum oksida, plumbun tulen) dalam bentuk pasta yang
dilekatkan pada grid bateri. Ia boleh luruh dan jatuh selepas sekian
lama digunakan atau jika ada hentakan pada bateri.
Kepekatan
asid tinggi : Jika kepekatan spesifik graviti asid yang ditambah ke
dalam bateri semasa pembuatan terlalu pekat, ia boleh menyumbang
kepada peningkatan nyah cas sendiri. Ha ini kerana tindak balas
menjadi aktif dengan kepekatan ion sulfat dan hidrogen dalam
elektrolit bateri. Bagi pihak kilang pengeluar pastikan asid yang
digunakan tidak melebihi kepakatan yang disyorkan mengikut keperluan
cuaca dan iklim bateri.
Pemindahan
semulajadi unsur antimoni:
Misalnya
antimoni
(Sb) yang
tersisa daripada grid positif akibat kakisan boleh mnyerap ke grid
negatif.
Ia
akan terkumpul di grid negatif. Perubahan warna boleh kelihatan di
antara strap sel dan ia dikenali sebagai keracuna antimoni
(Antimonial
poisoning).
Keracunan antimoni ini menyebabkan tindak balas lokal (dalaman) iaitu
nyah cas di mana ia mengubah bahan aktif pasta pada grid menjadi
mejoriti
PbSO4
iaitu keadaan pasta (bahan aktif) yang ditukar menjadi nyah cas.
Bagi
bateri yang menggunakan grid antimoni -plumbum akan kehilangan cas
sekitar
1% setiap
hari pada suhu
25
C,
tetapi
kadar kehilangan bertambah 2 hingga 5 kali ganda apabila usia bateri
bertambah.
Bagi
penggunaan grid dengan kandungan kalsium akan kehilangan cas hanya
sekitar rendah daripada
0.5% cas
setiap hari tanpa bertambanh disebabkan usia bateri. Hal ini
dijelaskan melalui graf di bawah.
Di
sebabkan itulah para penjual bateri tanpa penyelenggaraan berani
menjamin kepada anda bahawa bateri kering berkenaan mengalami
kehilangan cas yang amat rendah di samping tidak perlu ditambah air
bateri.
Walau
bagaimanapun disebabkan unsur antimoni amat berguna dalam mengeraskan
grid dan mengelak grid reput, penghapusan unsur ini hanya semata-mata
untuk tujuan mengelak nyah cas sendiri adaah tidak praktikal. Maka
pengusaha bateri lebih berminat mengurangkan peratusan antimoni
sahaja dalam grid.
Suhu
:
Nyahcas sendiri adaah bergantung kepada suhu bateri berdasarkan graf
di atas. Semakin panas bateri dan bonet kenderaan, semakin cepat
kehilangan cas semulajadi sesebuah bateri. Hal ini boleh dielak
dengan meletak kenderaan di teduhan dan mengelak sinaran matahari
berpanjangan. Di Eropah masalah sebegini menjadi kurang kerana suhu
yang rendah. Kejuruteraan automotif setiap jenama memang mengambil
berat isu suhu dalam bonet kenderaan yang menyumbang kepada kerosakan
bateri.
Graf
menunjukkan kepekatan asid dalam unit spesifik graviti (SG) menurun
setiap hari dengan penambahan suhu. Berdasarkan graf ini, nyahcas
sendiri pada bateri boleh diminimakan dengan menyimpan bateri pada
suhu antara
5
darjah celsius hingga
15
darjah celcius.
Kekotoran
dalam elektrolit:
Menurut salah seorang pengulas dalam laman sesawang University
Battery, nyahcas sendiri
biasanya disebabkan oleh kekotoran
(impurities) .
Dalam kes bateri
asid
plumbum, menjaga kotoran daripada
mencemar elektrolit bateri adalah penting.
Pengguna
kenderaan perlu mengelakkan penggunaan air paip untuk mengisi sel
bateri kerana air selain air terion adalah tercemar denga bahan
mikrobiologi yang juga merosakkan plat serta meningkatkan kehilangan
cas.
Arsenik
boleh menyababkan nyahcas kepada bateri serta membentuk gas beracun
pada plat dan terminal negatif.
Selain
itu Ammonia juga menghasilkan nyahcas minor pada plat.
Unsur
ferum yang ada dalam air paip boleh menambah masalah nyahcas di kedua
plat dan juga menyebabkan kejatuhan voltan dalam sel.
Pada
plat negatif, unsur zink antara unsur yang mengambah masalah nyahcas.
Terdapat
beberapa bahan kimi terkini yang dicipta khas yang mampu
menghalang kotoran, berpindah
melalui elektrolit, dan
mencapai
plat negatif.
Kesan
asid
borik terhadap masalah nyahcas sendiri telah dikaji.
Saintis
telah mendapati bahawa penambahan asid
borik (H3BO3)
dalam elektrolit
dapat menghalang sehingga
0.4% pembentukan PbSO4 keras dan mengurangkan nyahcas
sendiri
pada plat positif
PbO2.
Asid
sitrik
juga memberi kesannya
terhadap pengoksidaan
dan
proses pengurangan dalam Pb / PbSO4 dan PbO2 / PbSO4.
Kehadiran
asid sitrik mempunyai kesan yang baik pada proses caj / discas,
tetapi dengan peningkatan kepekatan
evolusi oksigen dan juga
peningkatan
hidrogen. Kesan optimum asid sitrik dicapai apabila ditambah jumlah
kira-kira 2 g/
L ke
dalam
elektrolit.
Nyahcas
sendiri dan Kapasiti Simpanan (Reserve
Capacity)
bateri
Rajah
di bawah menunjukkan perbandingan peratusan kapasiti simpanan yang
kekal semasa bateri masih berada di rak kedai bateri.
Kapasiti
simpanan (Reserve Capacity) adalah nilai di mana bateri mampu
menyalurkan 25 ampere sehingga akhir voltage 1.75 V bagi setiap sel
bateri. Salah
satu ciri-ciri kereta bateri asid plumbum adalah kapasiti simpanan.
Kapasiti simpanan
menunjukkan berapa lama bateri kereta boleh memberi beban kereta jika
penjana
(alternator)
kereta tidak berfungsi. Kapasiti simpanan diukur dalam minit
nyahcas bateri
dengan 25 A .
Jika
grid dengan kalsium mengekalkan hampir kesemua kapasiti simpananyanya
bateri
hybrid
pula
mengalami kehilangan kapasiti melebihi 65%
dan
grid dengan
antimoni
rendah pula mengalami kehilangan
95% daripada
kapasiti simpanannya.
Selepas
12
bulan
tanpa mengecas,
grid
rendah antimoni
dan
bateri Hybrid
tidak akan memegang cas,
manakala grid dengan kalsium pula boleh dicas semula dengan mudah
tanpa kehilangan kapasiti.
Semoga
makalah ini sedikit sebanyak dapat membantu para pengguna kereta
menilai prestasi bateri serta melakukan langkah penjagaan untuk
mengurangkan masalah ini.
Muhammad
Nuruddin bin Bashah
017 6291368
