Baterai asam timbal adalah jenis baterai isi ulang yang menyimpan energi listrik dengan menggunakan reaksi kimia antara timbal, air, dan asam sulfat. Teknologi di balik baterai ini sudah berusia lebih dari 160 tahun, tetapi alasan mengapa masih sangat populer adalah karena keandalan, kekokohan, dan biaya yang murah dalam produksi dan penggunaannya.
Namun, sebaiknya Anda tidak memilih baterai asam timbal untuk kebutuhan penyimpanan energi rumah Anda.
Baterai asam timbal mungkin lebih terjangkau daripada teknologi litium yang lebih baru, tetapi hampir pasti lebih sulit digunakan dan dipelihara serta memerlukan lebih banyak pekerjaan dan pengetahuan langsung untuk membuatnya berfungsi.
Jika Anda mencari penyimpanan energi dari sistem panel surya, baterai litium ferro fosfat akan lebih nyaman, ringkas, dan mudah digunakan. Untuk rekomendasi khusus, lihat panduan kami untuk baterai surya rumah terbaik.
Bagaimana Baterai Asam Timbal Bekerja
Meskipun kimia dari baterai asam timbal cukup sederhana, menuliskan semua persamaan kimianya bisa membuatnya terlihat sangat rumit, jadi kami akan mencoba menjelaskan tanpa semua itu.
Versi paling sederhana dari baterai asam timbal terdiri dari tiga hal:
- Pelat logam yang terbuat dari timbal dan antimon dengan muatan negatif
- Pelat logam bermuatan positif yang terbuat dari dioksida timbal
- Campuran asam sulfat dan air
Pelat negatif disebut anoda, pelat positif disebut katoda, dan campuran air/asam disebut elektrolit.
Ketika pelat tergantung dalam campuran elektrolit dan terhubung ke kawat, baterai siap memberikan listrik!
Saat elektron mengalir keluar dari baterai, asam dalam elektrolit mulai menempel pada timbal di elektroda, mengubah permukaan luar mereka menjadi sulfat timbal dan meninggalkan ion hidrogen ekstra mengapung di dalam air.
Mengisi ulang baterai menambahkan elektron kembali dan memutus ikatan elektrokimia antara timbal dan sulfat. Sulfat bergabung kembali dengan ion hidrogen bebas dalam elektrolit untuk membuat asam sulfat lagi.
Ada kekurangan dalam desain asam timbal. Jika baterai terlalu sering dicharge, beberapa sulfat timbal tidak dapat diuraikan dan digabungkan kembali dengan hidrogen bebas, yang menghasilkan lapisan permanen pada pelat timbal yang disebut sulfasi. Sulfasi secara signifikan mengurangi umur pakai baterai.
Agar baterai asam timbal dapat bekerja untuk jangka waktu yang lama, mereka harus dicharge tidak lebih dari setengah kapasitas total baterai secara teratur.
Baterai Mobil vs Baterai Deep Cycle
Baterai mobil tidak cocok untuk menyimpan energi untuk penggunaan rumah karena dirancang untuk memberikan ledakan listrik singkat yang digunakan untuk menyalakan mobil. Bahkan, jenis baterai ini disebut sebagai starting, lighting, and ignition (SLI) batteries.
Baterai SLI dibuat dengan pelat timbal yang tipis dan berpori yang dirancang untuk menarik sebanyak mungkin listrik dari elektrolit dalam satu waktu. Ledakan energi tersebut disebut arus, dan diukur dalam ampere.
Baterai mobil dibuat menggunakan 6 sel yang dihubungkan secara seri. Ketika baterai sepenuhnya terisi, setiap sel menghasilkan sekitar 2 volt, menghasilkan tegangan total 12 volt. Volt dikali ampere sama dengan daya total yang tersedia pada satu waktu.
Baterai siklus dalam untuk penyimpanan energi surya tidak perlu menghasilkan daya instan untuk memulai sesuatu, sehingga mereka memiliki pelat timbal yang lebih tebal yang akan bertahan lama dan menarik daya dari elektrolit lebih lambat dan merata.
Bank Baterai Siklus Dalam untuk Penyimpanan Energi Surya
Baterai siklus dalam cenderung berbentuk kotak besar yang terbuat dari bahan komposit plastik, yang membuatnya mudah untuk ditumpuk satu sama lain. Karena tidak perlu memulai mobil, mereka dapat menghasilkan daya lebih sedikit secara individu dan dapat dihubungkan bersama untuk membuat bank baterai.
Banyak baterai siklus dalam untuk penyimpanan energi memiliki satu sel besar dan menghasilkan 2 volt. Dan semakin besar selnya, semakin banyak energi yang bisa disimpan. Desain baterai 2, 3, dan 6 sel ditemukan dalam baterai dengan daya 4, 6, dan 12 watt, masing-masing. Bank baterai yang dibuat untuk menyimpan energi surya dihubungkan bersama untuk menghasilkan 12, 24, atau 48 volt.
Sebagai contoh, enam baterai 2 volt dapat dihubungkan secara seri (negatif ke positif semua sepanjang jalur) untuk membuat bank baterai 12 volt, atau empat baterai 12 volt dapat dihubungkan secara seri untuk membuat bank baterai 48 volt.
Jika Anda memikirkan listrik seperti air, tegangan baterai sesuai dengan tekanan di selang. Tekanan tinggi berarti laju aliran yang lebih besar. Arus, diukur dalam amper, menentukan seberapa lebar bukaan selangnya. Keduanya bersama-sama menentukan daya, atau laju aliran.
Kemampuan penyimpanan energi diukur dalam ampere-jam per 20 jam, yang berarti diukur oleh jumlah energi yang dibutuhkan untuk mengosongkan baterai dalam 20 jam. Bayangkan selang terpasang pada tong. Baterai yang lebih besar seperti tong yang lebih besar, karena dapat menyimpan lebih banyak energi (air).
Anda mungkin melihat baterai 2 volt yang diukur untuk menyimpan 1100 ampere-jam. Ini berarti baterai dapat menghasilkan 55 ampere selama 20 jam. Pada 2 volt, itu berarti baterai akan menghasilkan 110 watt pada setiap waktu tertentu (2 volt x 55 ampere = 110 watt).
Tetapi 2 volt tidak memiliki tekanan yang sangat tinggi. Ini akan seperti menahan selang sejajar dengan tong. Ada banyak air di belakangnya, tetapi hanya menetes keluar. Ide nya adalah menciptakan lebih banyak tekanan agar energi bisa mengalir dengan laju yang lebih tinggi.
Menghubungkan baterai secara seri untuk meningkatkan tegangan seperti menambahkan tekanan pada air. Ambil bank baterai tadi: menghubungkan enam baterai 2 volt secara seri tidak meningkatkan energi yang disimpan, hanya meningkatkan seberapa cepat alirannya oleh tekanan dalam “selang”.
Dalam hal ini, seri baterai masih bisa menghasilkan 55 ampere selama 20 jam, tetapi kali ini dihasilkan pada 12 volt, untuk total daya 660 watt (55 ampere kali 12 volt).
Sebaliknya, menghubungkan dua baterai secara paralel meningkatkan amper, tetapi tidak tegangan. Penghubung paralel menghubungkan terminal negatif keduanya dan terminal positif keduanya. Penghubungan paralel diterima jika Anda menghubungkan baterai 12 volt bersama-sama, tetapi kebanyakan orang akan memerlukan bank baterai yang dapat menghasilkan 24 atau 48 volt; dalam hal ini, mereka akan perlu menghubungkan secara seri-paralel.
Penghubungan seri-paralel menghubungkan dua atau lebih rangkaian baterai yang dihubungkan secara seri. Ini meningkatkan baik total energi yang disimpan maupun tegangan, seperti yang terlihat pada gambar di bawah.
Mendesain Bank Baterai untuk Penyimpanan Energi Surya
Merancang bank baterai untuk penyimpanan energi surya adalah suatu upaya seimbang untuk menemukan tegangan yang tepat, arus yang tepat, dan jumlah energi yang tersimpan yang sesuai.
Sebagian besar rumah memerlukan total sekitar 900 kilowatt-hours (kWh) listrik per bulan, atau 30 kWh per hari. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, Anda akan memerlukan bank baterai yang mampu menyimpan 625 ampere-jam pada tegangan 48 volt.
Aturan penting dalam merancang bank baterai adalah tidak membiarkan arus melebihi 100 ampere. Ide utamanya adalah membangun bank baterai dengan tegangan yang cukup tinggi sehingga arus tidak akan melebihi 100 ampere.
Tegangan baterai turun saat baterai dikurangi dari muatan penuh, sehingga penting untuk mempertimbangkan hal ini saat merencanakan bank baterai. Jika Anda berencana untuk menjalankan banyak peralatan dengan daya baterai saja, ide bagusnya adalah memilih bank baterai 48 volt sehingga Anda dapat menarik hingga 4.800 watt pada satu waktu.
Ketika menggunakan peralatan rumah, masing-masing memerlukan jumlah daya tertentu, dan kebanyakan memiliki daya operasional dan daya start yang lebih tinggi. Idealnya, bank baterai akan mampu memenuhi semua kebutuhan Anda pada saat beberapa peralatan berjalan.
Berbagai Jenis Baterai Timbal Asam Siklus Dalam untuk Energi Surya
Di sinilah perbedaan nyata terjadi. Ada tiga jenis utama baterai timbal asam siklus dalam, dan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan sendiri. Mereka mencakup:
- Baterai timbal asam terendam (Flooded lead acid batteries)
- Baterai Absorbent Glass Mat (AGM)
- Baterai Gel
Jenis pertama ini murah dan tahan lama, tetapi memerlukan pemeliharaan rutin untuk menjaga elektrolit seimbang dengan air di dalam casing baterai.
Dua jenis lainnya termasuk dalam kategori umum “baterai timbal asam tertutup”. Meskipun dirancang untuk bebas pemeliharaan dengan menyegel elektrolit di dalam casing, mereka juga lebih mahal dan mungkin tidak bertahan lama.
Baterai Timbal Asam Terendam (Flooded Lead Acid Batteries)
Jenis baterai siklus dalam yang paling sederhana dan paling murah adalah baterai timbal asam terendam (Flooded Lead Acid, FLA). Baterai ini mirip dengan gambar baterai timbal asam sederhana yang ditunjukkan di bawah ini, dengan pelat timbal silinder terendam dalam larutan elektrolit air dan asam.
Baterai FLA mungkin murah, tetapi juga rumit untuk dirawat karena elektrolit di dalam casing baterai menguap seiring waktu, memerlukan penambahan air suling secara teratur. Jika Anda tidak menambahkan air cukup sering, umur baterai akan berkurang secara signifikan.
Karena dibangun untuk dibuka, baterai FLA perlu disimpan tegak dan diberikan ventilasi yang cukup untuk mencegah penumpukan gas hidrogen yang dilepaskan saat baterai dicharge. Ini berarti menyimpan bank baterai siklus dalam FLA untuk penyimpanan energi rumah dapat memakan banyak ruang, seperti yang ditunjukkan dalam gambar di atas.
Jika dirawat dengan baik dan dicharge tidak lebih dari setengah kapasitas mereka secara teratur, baterai FLA dapat bertahan dari 5 hingga 8 tahun dalam penyiapan penyimpanan energi rumah.
Baterai Timbal Asam Tertutup (Sealed Lead Acid Batteries)
Seperti namanya, baterai timbal asam tertutup (SLA) tidak dapat dibuka dan tidak memerlukan pengisian ulang air. Sebaliknya, mereka menggunakan salah satu dari dua metode untuk menjaga hampir semua air yang ada dalam elektrolit di dalam tubuh baterai, baik dengan menambahkan pemisah fiberglass absorbent di antara pelat positif dan negatif atau dengan mengubah elektrolit menjadi gel. Desain ini membuat baterai SLA dapat ditempatkan pada sisi mereka dan ditumpuk untuk penyimpanan yang mudah.
Meskipun ada perbaikan ini, baterai SLA masih perlu dihembuskan untuk mencegah penumpukan gas hidrogen. Hembusan ini dikendalikan oleh katup, itulah mengapa baterai SLA kadang-kadang disebut “valve-regulated lead acid” atau VRLA.
Seperti yang disebutkan di atas, ada dua jenis utama baterai SLA: Absorbent Glass Mat (AGM) dan baterai gel.
Baterai AGM (Absorbent Glass Mat)
Baterai AGM dikembangkan ketika produsen baterai mencari cara terbaik untuk menjaga elektrolit tetap dekat dengan plat untuk digunakan dalam aplikasi bergetar tinggi seperti pada mobil golf.
Mat pada kasus ini terbuat dari serat kaca halus yang mirip dengan bantalan gips dan ditempatkan di antara plat positif dan negatif di setiap sel baterai.
Karena baterai AGM hampir sepenuhnya menyimpan elektrolit di dalam baterai, dapat dikosongkan hingga kedalaman yang lebih besar sambil memungkinkan sulfat untuk bergabung kembali dengan hidrogen bebas.
Baterai AGM berkualitas tinggi dapat dikosongkan hingga 80% kapasitasnya selama ratusan siklus, dan biasanya bertahan 4 hingga 6 tahun dalam setup penyimpanan energi rumah. Disarankan untuk tidak mengosongkan lebih dari 50% untuk umur baterai maksimal.
Keuntungan ini tidak datang tanpa biaya, dan baterai AGM biasanya memiliki biaya 1,5 hingga 2 kali lipat per kilowatt-jam (kWh) penyimpanan energi. Baterai AGM juga membutuhkan sedikit lebih banyak ruang per kWh, tetapi lagi, mereka dapat disusun berdampingan untuk menghemat ruang dalam setup penyimpanan rumah.
Pilih baterai AGM untuk penyimpanan energi surya jika Anda tidak ingin menjalani jadwal ketat pengujian dan pengairan baterai FLA, Anda menginginkan opsi pemasangan yang fleksibel dan umur panjang, dan Anda bersedia membayarnya.
Baterai Gel
Seperti baterai AGM, baterai gel dirancang untuk menjaga elektrolit di dalam baterai dan mencegah penguapan atau tumpah.
Dalam desain ini, asam sulfat disuspensikan dalam gel silika, yang membuat baterai sangat stabil dan memiliki tingkat autodescharge rendah selama periode waktu yang lama.
Baterai gel adalah baterai asam timbal paling aman karena melepaskan sedikit gas hidrogen dari katup ventilasinya. Mereka berperforma baik di tempat-tempat dengan suhu tinggi dan dapat dikosongkan di bawah 50% dan tetap mempertahankan umur pakainya.
Kelemahan baterai gel adalah bahwa mereka menyimpan energi lebih sedikit dalam ruang yang sama dibandingkan dengan jenis baterai asam timbal lainnya, dan gel tidak berperforma baik dalam suhu rendah.
Selain itu, baterai gel memerlukan pengisian hati-hati dengan pengisi daya pintar khusus yang dirancang untuk membatasi tegangan yang digunakan untuk mengisi baterai dan mencegah pengisian berlebihan. Tidak menggunakan pengisi daya ini dapat mengakibatkan baterai mati sebelum waktunya.
Pilih baterai gel untuk penyimpanan energi surya jika Anda tinggal di iklim panas dan tidak dapat menyimpan baterai Anda di tempat yang sejuk atau berventilasi baik, dan juga jika Anda dapat memastikan bahwa mereka benar-benar tidak pernah diisi pada tegangan di luar rentang spesifik mereka.
Apakah baterai asam timbal lebih baik daripada baterai ion litium?
Jawaban singkat untuk pertanyaan ini adalah tidak, baterai asam timbal tidak lebih baik daripada baterai ion litium.
Namun, perlu dicatat bahwa ion litium adalah teknologi baterai yang lebih baru yang memiliki keunggulan tertentu dibandingkan dengan asam timbal, termasuk:
- Densitas energi yang lebih tinggi (lebih banyak energi dalam ruang yang lebih kecil)
- Toleransi yang lebih tinggi terhadap perubahan suhu
- Kemampuan untuk secara teratur dikosongkan hingga 80% dan masih bertahan selama 10 tahun
Sebagai contoh, baterai ion litium seperti Tesla Powerwall hanya membutuhkan sekitar 4,5 kaki kubik, digantung di dinding, menyimpan 13,5 kWh energi yang dapat digunakan, dan memiliki garansi yang menyatakan bahwa baterai itu akan bertahan setidaknya 10 tahun sambil masih dapat menyimpan 70% kapasitas awalnya. Dengan pengosongan harian hingga 80%, itu sekitar 33.000 kWh melayani.
Sementara itu, bank baterai asam timbal yang terdiri dari baterai asam timbal berisi yang dapat dikosongkan hingga 10,4 kWh per hari akan membutuhkan sekitar 8,2 kaki kubik di lantai, memerlukan pemeliharaan reguler, dan akan bertahan sekitar 7 tahun total, melayani sekitar 28.000 kWh.