Baterai zink-udara menggunakan oksigen dari atmosfer sekitar untuk menghasilkan energi elektrokimia. Setelah membuka baterai ke udara, oksigen berdifusi ke dalam sel dan digunakan sebagai reaktan katoda. Udara melewati katoda ke permukaan aktif katoda interior yang bersentuhan dengan elektrolit sel. Pada permukaan aktif, katoda udara secara katalitik mendorong reduksi oksigen dengan adanya elektrolit alkali berair. Elektroda udara katalitik
tidak dikonsumsi atau diubah dalam proses. Karena satu bahan aktif terletak di luar sel, sebagian besar volume sel mengandung komponen aktif lainnya (zink), sehingga berdasarkan satuan volume, baterai zink-udara memiliki kepadatan energi yang sangat tinggi.
Pada pasangan zink-oksigen, yang juga menggunakan elektrolit alkali, perlu untuk hanya meningkatkan jumlah zink yang ada untuk meningkatkan kapasitas sel. Oksigen disuplai dari udara luar yang berdifusi ke dalam sel sesuai kebutuhan. Katoda udara hanya bertindak sebagai tempat reaksi dan tidak dikonsumsi. Secara teoritis, katoda udara memiliki masa manfaat tak terbatas dan ukuran fisik serta sifat elektrokimia tetap tidak berubah selama pelepasan.
Representasi skematis dari baterai tombol seng / udara khas diberikan pada gambar 3.2d.
Reaksi katoda udara kompleks tetapi dapat disederhanakan untuk menunjukkan reaksi sel sebagai berikut:
Katoda : 1
2O2 + H2O + e− discharge→ 2OH− Anoda : Zn discharge→ Zn2+ + 2e−
Anoda : Zn2+ + 2OH− discharge→ Zn(OH)2 + 2e− Anoda : Zn(OH)2 discharge→ ZnO + H2O
Reaski sel : Zn + 1
2O2 discharge→ ZnO 3.7 Baterai Primer Lithium
Baterai litium terdiri dari sejumlah desain sel yang menggunakan anoda lithium. Lithium mendapatkan banyak popularitas sebagai anoda karena sejumlah alasan. Perhatikan bahwa litium, logam yang paling ringan, juga memiliki potensi standar tertinggi dari semua logam, di atas 3 V. Beberapa desain sel lithium memiliki tegangan hampir 4 V. Ini berarti bahwa lithium memiliki kerapatan energi tertinggi. Banyak sel lithium berbeda karena stabilitas dan reaktivitas rendah dengan sejumlah katoda dan elektrolit tak berair. Zat terlarut ditambahkan ke elektrolit untuk meningkatkan konduktivitas. Desain baterai membutuhkan sel yang tersegel. Sel lithium tingkat tinggi dapat menghasilkan tekanan jika terjadi hubungan pendek dan menyebabkan suhu dan tekanan meningkat. Dengan demikian, desain perlu memasukkan lubang pengaman, yang terbuka pada tekanan tertentu untuk mencegah ledakan (Viswanathan, 2017).
3.7.1 Baterai Primer Lithium Sulfur Dioksida (LiSO2)
Lithium-sulfur dioxide (LiSO2) adalah baterai primer dengan tegangan 2,8 - 3.0 V, kerapatan energi hingga 330 Wh/kg, suhu operasi adalah 219-344 K, umur simpan adalah 5-10 tahun, mahal dan biasanya digunakan di militer (Viswanathan, 2017; Huggins, 2010).
3.7.2 Baterai Primer Lithium Tionil Klorida (LiSOCl2)
LTC adalah salah satu sel berat di keluarga baterai lithium. Sel ini dapat menahan panas dan getaran yang kuat. Beberapa sel LTC dapat beroperasi dari 273 hingga 473 K. Sel-sel ini dapat digunakan dalam aplikasi medis dan sensor. Dengan energi spesifik lebih dari 500 Wh/kg, LTC menawarkan dua kali kapasitas sel Li-ion terbaik. Jika disimpan untuk sementara waktu, lapisan pasif terbentuk antara anoda litium dan katoda berbasis karbon yang hilang ketika beban diterapkan. Lapisan pasif ini membantu mengurangi laju self-discharge dan dengan demikian memberikan umur yang lebih panjang (Viswanathan, 2017). Reaksi yang terjadi adalah (Béguin and Frackowiak, 2010).
Elektroda positif : 2SOCl2 + 4Li+ + 4e− discharge→ 4LiCl + S + SO2 Elektroda negatif : 4Li discharge→ 4Li+ + 4e−
Reaksi total : 4Li + 2SOCl2 discharge→ 4LiCl + S + SO2 3.7.3 Baterai Primer Lithium Vanadium Pentaoksida
Sistem ini menggunakan anoda Lithium, katoda karbon-vanadium pentoksida dan elektrolit garam rangkap logam fluorid (lithium hexafluoroarsenate) yang dilarutkan dalam metil formiat. Baterai ini memiliki profil debit yang unik sekitar 3.4 V untuk 50% siklus pertama dan 2.4 V untuk 50% siklus terakhir. Ketika kedua tegangan digunakan, ia menawarkan kepadatan energi (660 Wh/dm3, 264 Wh/kg) diantara sistem lithium-sulfur dioksida dan sistem llithium-tionil klorida. Baterai ini memiliki karakteristik penyimpanan yang sangat baik. Sistem ini beroperasi dengan sangat baik pada suhu serendah -55 oC dengan efisiensi mendekati 50%.
Sistem ini kehilangan sekitar 3% kapasitas per tahun bila disimpan pada 24oC. Kinerja sel menurun pada suhu penyimpanan yang tinggi. Dengan demikian, sel menjadi benar-benar habis setelah penyimpanan 40-70 hari di 71oC (Crompton, 2000).
3.7.4 Baterai Primer Lithium Mangan (IV) Oksida
Baterai LiMnO2 menyumbang sekitar 80% dari semua sel lithium primer; salah satu alasannya adalah biaya rendah mereka. Katoda yang digunakan adalah MnO2 yang dipanaskan dan elektrolitnya adalah campuran PC dan DME. Pada suhu yang lebih rendah dan pada tingkat pemakaian yang tinggi, sel LiSO2 berkinerja lebih baik daripada sel LiMnO2. Pada suhu yang lebih tinggi dan pada tingkat pemakaian yang rendah, kedua sel memiliki kinerja yang sama baiknya, tetapi sel LiMnO2 memiliki keunggulan karena tidak memerlukan tekanan (Viswanathan, 2017).
Skema sel dapat dilihat pada gambar 3.3 dan reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:
Elektroda positif : MnIVO2 + Li+ + e− discharge→ LiMnIIIO2 Elektroda negatif : Li discharge→ Li+ + e−
Reaksi total : Li + MnIVO2 discharge→ LiMnIIIO2
Gambar 3.3. Baterai LiMnO2 tipe Silinder dan Koin (Béguin and Frackowiak, 2010) 3.7.5 Baterai Primer Lithium Perak (I) Kromat
Balasubramanian et al (1996) mempelajari karakteristik baterai perak kromat dalam larutan elektrolit yang berbeda. Sel litium-perak kromat, memiliki kelebbihan dalam kemampuannya yang tinggi, umur simpan yang lama, keandalan tinggi, dan tegangan dua tahap, banyak digunakan di seluruh dunia dalam perangkat alat pacu jantung implan. Hasil menunjukkan bahwa sel ini berkinerja lebih baik dalam elektrolit 1 M LiClO4 dalam 1:1 (v/v) campuran PC dan DOL dengan kapasitas 170 mAh daripada elektrolit 1 M LiClO4 dalam PC dengan kapasitas 130 mAh.
3.7.6 Baterai Primer Lithium Polikarbon Monoflorida
Katoda dalam sel ini adalah karbon monofluorida, senyawa yang terbentuk melalui interkalasi suhu tinggi. Ini adalah proses di mana atom asing (dalam hal ini gas fluor) dimasukkan ke dalam beberapa kisi kristal (bubuk grafit), dengan atom kisi kristal mempertahankan posisi mereka relatif satu sama lain. Elektrolit yang khas adalah garam lithium tetrafluorobate (LiBF4) dalam campuran PC dan DME. Sel-sel ini juga memiliki tegangan tinggi (sekitar 3,0 V tegangan terbuka) dan kepadatan energi yang tinggi (sekitar 250 Wh/kg) (Viswanathan, 2017).
3.7.7 Baterai Primer Lithium Besi Disulfida
Lithium iron disulfide adalah pendatang baru di keluarga baterai primer. Anodanya adalah logam Li dan katodanya adalah FeS2 pada substrat Aluminium foil (lihat gambar 3.2e).
Separator menggunakan polyolefin dan elektrolit yang digunakan adalah garam lithium/pelarut organik. Biasanya baterai Li menghasilkan 3 V atau lebih tinggi tetapi LiFeS2 memiliki 1.5 V. Ia memiliki kapasitas lebih tinggi dan IR lebih rendah. Sel-sel ini telah meningkatkan kinerja pada suhu rendah dan menunjukkan debit diri rendah. Kerugian dari sel-sel ini adalah biaya tinggi dan masalah transportasi sebagai akibat dari kandungan logam lithium dalam anoda (Viswanathan, 2017; Energizer, 2020).
3.7.8 Baterai Primer Lithium Iodin
Semua sel yang diproduksi secara komersial yang menggunakan elektrolit padat memiliki anoda litium. Mereka memiliki kinerja baik dalam aplikasi arus rendah dan masa pakai yang sangat panjang. Untuk alasan ini, mereka digunakan pada alat pacu jantung. LiI2 (Lithium iodine) menggunakan LiI padat sebagai elektrolitnya dan juga menghasilkan LiI saat sel digunakan. LiI dibentuk in situ oleh reaksi langsung dari elektroda. Katoda adalah poly-2-vinylpyridine (P2VP) dengan reaksi berikut (Viswanathan, 2017).
Elektroda positif : 2Li+ + 2e− + P2VP∙nI2 discharge→ 2LiI + P2VP∙(n-1)I2 Elektroda negatif : 2Li discharge→ 2Li+ + 2e−
Reaksi total : 2Li + P2VP∙nI2 discharge→ 2LiI + P2VP∙(n-1)I2
3.7.9 Baterai Primer Lithium Perak Vanadium Pentaoksida
Ini adalah hasil pengembangan dan modifikasi dari baterai lithium-vanadium pentaoksida. Memiliki tegangan pemakaian pada kisaran tegangan antara 3.2 dan 2.6 V. Selain itu, kepadatan energi volumetrik yang baik (870 Wh/dm3) dan kapabilitas yang baik, dan denyut arus yang baik. Aplikasi yang mungkin untuk sel ini adalah defibrilator jantung dan sistem pengiriman obat (Crompton, 2000).
3.8 Baterai Sekunder