KEHILANGAN CAS SEBUAH BATERI AUTOMOTIF

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 motor¹.

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 bilion².

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 keluar³. 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)⁴ 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.⁵

Nyahcas sendiri adalah mencapai status quo sebuah bateri⁶

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 plat⁷. 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 sel⁸.

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 elektrolit⁹.

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 .¹⁰

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

1 http://en.wikipedia.org/wiki/Lead%E2%80%93acid_battery

2 Linden, David; Reddy, Thomas B., ed. (2002). Handbook Of Batteries (3rd ed.). New York: McGraw-Hill. (halaman 23.)

3 http://prpm.dbp.gov.my/Search.aspx?k=self+discharge

4 Kitaran bateri adalah pengecasan dan nyahcas yang berlaku berulang kali pada sebuah bateri bolehcas.

5 http://www.progressivedyn.com/battery_basics.html

6 Robert Gell – SAE-A, IAME, A Study of Lead Acid Battery Self-discharge Characteristics, dalam Seminar Effects of shelf life on Lead Acid batteries 1st – April - 2013

7 http://batteryuniversity.com/learn/article/elevating_self_discharge

8 http://www.trojanbattery.com/pdf/WP_EffectOfImpurities_0612.pdf

9 Detchko Pavlov, LeadeAcid Batteries: Science and Technology A Handbook of LeadeAcid Battery Technology and its Influence on the Product , UK 2011( halaman 140)

10 http://lead-acid.com/battery-capacity.shtml