Cara Kerja Baterai dan BMS — Molicel, DJI, Samsung SDI

Baterai mengubah pertukaran elektron dari reaksi kimia menjadi arus listrik yang dapat digunakan, dan baterai lithium-ion secara khusus mengambil daya dari perbedaan potensial yang tercipta saat ion lithium berpindah antara elektroda positif dan negatif. Ketika orang berbicara tentang apa yang membuat robot atau drone berkinerja baik, sorotan cenderung tertuju pada sensor seperti LiDAR atau IMU — tetapi dalam praktiknya, apa yang sebenarnya membatasi jangkauan, kapasitas muatan, dan margin keselamatan kendaraan hampir selalu adalah baterai dan BMS (Sistem Manajemen Baterai) yang mengendalikannya. Tidak peduli seberapa mumpuni sensor atau motornya, jika sistem daya menjadi hambatan, pesawat tidak akan terbang dan robot tidak akan berjalan.

Sel lithium-ion silindris 18650 (kiri) dan 21700 (kanan)

Bagian dalam paket baterai: beberapa sel yang dihubungkan secara seri/paralel, ditambah papan BMS

Gambar: 18650 dan sel baterai lithium ion 21700 (Sevenethics, CC0) / Lithiumion-laptop-battery-internals (Pemegang utama, CC BY-SA 3.0), keduanya Wikimedia Commons.

Prinsip: ion litium bolak-balik, dan batasan yang disebut laju C

Selama pengosongan, ion litium yang tertahan di elektroda negatif (biasanya grafit) bergerak melalui elektrolit ke elektroda positif (oksida logam transisi seperti litium kobalt oksida), sementara elektron secara bersamaan mengalir melalui sirkuit eksternal ke elektroda positif, menghasilkan arus. Untuk pasangan anoda grafit / katoda litium kobalt oksida yang umum, reaksi setengahnya dapat ditulis sebagai berikut.

Selama pengisian, reaksi ini berjalan terbalik: sumber daya eksternal memaksa elektron kembali ke elektroda negatif, mendorong ion litium kembali ke sisi tersebut. Kombinasi spesifik bahan elektroda menentukan tegangan nominal, kepadatan energi, dan karakteristik keselamatan — yang merupakan asal perbedaan kimia (NMC, NCA, LiFePO4, dan sebagainya) antara produk yang dibandingkan di bawah ini.

Model pelepasan daya baterai ion litium (desain elektrolit cair / pemisah)

Gambar: General diagram pelepasan daya baterai Li (Sdk16420, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Untuk aplikasi robotika dan drone, metrik yang lebih penting dalam praktik daripada elektrokimia itu sendiri adalah "C-rate." C-rate adalah angka tanpa dimensi yang menyatakan berapa kali lipat kapasitas terukur sel Q (dalam Ah) arus aktual I yang diwakilinya.

Sebagai contoh, menarik arus 45A dari sel dengan kapasitas 4,2Ah setara dengan sekitar 10,7C. Pada drone dan robot berkaki yang membutuhkan arus sesaat yang besar untuk menggerakkan motor, memilih sel yang tidak dapat mempertahankan pelepasan daya dengan laju C tinggi tidak hanya membatasi kinerja melalui penurunan tegangan dan panas dari resistansi internal — tetapi juga meningkatkan risiko degradasi yang dipercepat dan pelarian termal. Kepadatan energi (Wh/kg, Wh/L) dan kemampuan pelepasan daya dengan laju C tinggi saling bertentangan, dan pertukaran ini secara langsung terhubung dengan kebutuhan arus pada sisi aktuator (motor) dari sistem.

Struktur yang sama mendasari estimasi SOC (State of Charge) yang dilakukan oleh BMS. Metode paling sederhana, penghitungan Coulomb, mengintegrasikan arus dari waktu ke waktu untuk melacak kapasitas yang tersisa.

Persamaan ini memiliki struktur yang sama dengan pengintegrasian kecepatan sudut untuk estimasi sikap pada IMU, dan memiliki masalah yang sama: kesalahan dalam pengukuran sensor arus terakumulasi seiring waktu sebagai "drift." Dalam praktiknya, BMS secara berkala mengatur ulang kesalahan penghitungan Coulomb dengan merujuk pada tegangan rangkaian terbuka (OCV) — hubungan antara OCV dan SOC ketika baterai tidak berbeban — atau menggabungkan referensi OCV dengan arus terintegrasi menggunakan filter Kalman yang diperluas.

Baterai solid-state: mengganti elektrolit dengan yang padat

Hampir setiap baterai lithium-ion yang digunakan saat ini menggunakan pelarut organik cair yang mudah terbakar sebagai elektrolit yang memisahkan elektroda positif dan negatif. Baterai solid-state sepenuhnya menggantikan elektrolit cair tersebut dengan yang padat — keramik (berbasis oksida), sulfida, atau polimer — yang secara struktural mengurangi risiko kebocoran dan kebakaran dari pelarut yang mudah menguap. Hal ini juga membuka peluang untuk menggunakan logam litium itu sendiri sebagai anoda (mendepositkan dan melarutkan litium secara langsung, tanpa material pendukung seperti karbon), yang dapat secara substansial meningkatkan kepadatan energi per satuan volume dan berat. Jika baterai ion litium tipikal berada dalam kisaran sekitar 160–260 Wh/kg, desain solid-state dilaporkan melebihi 300 Wh/kg, dengan beberapa hasil skala laboratorium mencapai 400–500 Wh/kg.

Skema struktur baterai padat

Gambar: All-Solid-State Baterai (Luca Bertoli, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Tantangannya pun sama jelasnya. Antarmuka padat-padat tidak dapat mencapai kontak yang mulus seperti elektrolit cair, sehingga resistansi antarmuka cenderung menjadi masalah, dan mencocokkan konduktivitas ionik tingkat elektrolit cair telah lama menjadi hambatan teknis utama. Ternyata juga bahwa asumsi awal—bahwa elektrolit padat secara fisik akan menghambat pertumbuhan dendrit—tidak sepenuhnya benar: laporan telah mendokumentasikan dendrit yang menyebar melalui batas butir elektrolit padat dan menyebabkan korsleting internal. Sekadar beralih ke elektrolit padat tidak secara otomatis menjamin keamanan.

Fungsi BMS: pemantauan, penyeimbangan, dan perlindungan

BMS adalah rangkaian kontrol yang dibangun di sekitar dua fungsi inti: terus menerus memantau tegangan, arus, dan suhu setiap sel dalam satu paket, dan meratakan perbedaan antar sel melalui "penyeimbangan sel," sambil memutus arus jika terjadi kesalahan ("perlindungan").

Papan kontrol BMS di dalam paket baterai lithium-polimer (aplikasi laptop)

Gambar: Asus Zenbook UX31E - Pengontrol baterai Lithium-Polimer (Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Penyeimbangan sel mengatasi perbedaan kecil dalam tegangan dan kapasitas yang tak terhindarkan muncul di antara sel-sel yang dihubungkan secara seri dalam sebuah paket. Pendekatan yang paling umum, "penyeimbangan pasif," hanya mengurangi tegangan sel yang lebih tinggi sedikit melalui resistor untuk menyelaraskannya dengan yang lain — mudah diimplementasikan, tetapi energi yang dilepaskan terbuang sebagai panas. Alternatif yang lebih mahal, "penyeimbangan aktif," sebenarnya mentransfer energi dari sel tegangan tinggi ke sel tegangan rendah, yang lebih hemat energi tetapi menambah kompleksitas sirkuit. Tanpa penyeimbangan, kapasitas efektif seluruh paket baterai akan terhambat oleh sel terlemahnya, dengan sel yang terdegradasi lebih mungkin masuk ke zona pengisian berlebih atau pengosongan berlebih yang berbahaya.

Fungsi proteksi memutus jalur arus melalui sakelar MOSFET saat mendeteksi pengisian berlebih, pengosongan berlebih, arus berlebih, korsleting, atau panas berlebih. Bersamaan dengan itu, BMS memperkirakan SOH (State of Health, tingkat degradasi baterai) — rasio kapasitas efektif saat ini terhadap kapasitas awal — dan melaporkannya ke pengontrol penerbangan atau sistem kontrol robot, yang menjaga perkiraan jarak tempuh yang tersisa tetap akurat. Seluruh tumpukan elektronik onboard, termasuk SBC (single-board computer), membuat keputusan alokasi daya dan pendaratan darurat atau penghentian darurat berdasarkan angka yang dilaporkan oleh BMS ini.

Perbandingan Spesifikasi Produk Utama

Sel baterai berdaya pelepasan tinggi seperti Molicel P42A cocok untuk aplikasi yang membutuhkan arus sesaat yang besar — motor drone, atau sambungan lengan robot — melalui desain yang menyeimbangkan kapasitas dengan laju pengisian/pengosongan (C-rate). Sebaliknya, sel yang memprioritaskan kepadatan energi di atas segalanya, seperti sel Panasonic yang digunakan oleh Tesla, cenderung dipilih untuk aplikasi kendaraan listrik (EV) di mana profil beban motor relatif halus. DJI TB65 bukanlah sel tunggal tetapi paket lengkap dengan BMS (Battery Management System) terintegrasi; dalam operasi drone industri, standar yang berlaku adalah memperlakukan "baterai pintar" ini sebagai unit operasi daripada menangani sel individual secara langsung. Di antara IC BMS, TI BQ76952 adalah desain yang sangat terintegrasi yang bahkan menggabungkan driver MOSFET pengisian/pengosongan ke dalam satu chip, sementara Analog Devices LTC6811-1 mengkhususkan diri dalam pengukuran tegangan sel dengan presisi lebih tinggi (di bawah 1,2mV) dan dapat dirangkai secara berantai di beberapa chip untuk meningkatkan skala hingga lebih dari 12 sel per paket. Fakta bahwa ASB milik Samsung SDI mengirimkan sampel tidak hanya kepada produsen kendaraan listrik tetapi juga kepada pelanggan AI tertanam dan robot humanoid menandakan bahwa baterai solid-state memperluas cakupannya jauh melampaui sektor otomotif.

Sejarah: produk sampingan dari krisis minyak, komersialisasi Sony, dan Hadiah Nobel

Asal usul baterai lithium-ion dapat ditelusuri kembali ke awal tahun 1970-an. M. Stanley Whittingham menemukan bahwa ion lithium dapat dimasukkan dan dikeluarkan secara reversibel dari struktur berlapis titanium disulfida (TiS2), dan setelah pindah ke Exxon, ia membuat prototipe baterai yang dibangun berdasarkan prinsip ini. Namun, anoda lithium metalik pada era itu memiliki masalah keamanan, dan ketika runtuhnya harga minyak pada akhir tahun 1970-an menyebabkan Exxon mengurangi investasinya dalam penelitian energi alternatif, teknologi tersebut sempat terabaikan dalam proses komersialisasi.

Pada tahun 1980, John Goodenough di Universitas Oxford membuat lompatan besar dalam stabilitas baterai dengan menggunakan lithium kobalt oksida (LiCoO2) sebagai bahan katoda. Kemudian Akira Yoshino di Asahi Kasei menggabungkan katoda LiCoO2 karya Goodenough dengan anoda karbon yang berasal dari kokas minyak bumi, sehingga pada tahun 1985 tercipta struktur baterai yang sepenuhnya menghilangkan litium metalik sambil menyeimbangkan keamanan dan kepraktisan. Struktur dasar ini tetap menjadi desain utama untuk baterai ion litium hingga saat ini.

Sony-lah yang mengambil langkah pertama dalam komersialisasi: pada tahun 1991, Sony Energy Tec (sekarang Sony Energy Devices) menjadi yang pertama di dunia yang mengirimkan baterai ion litium. Usaha patungan Asahi Kasei dan Toshiba memulai produksi pada tahun berikutnya, dan Sanyo Electric serta Matsushita Electric Industrial (sekarang Panasonic) bergabung pada tahun 1994, dengan perusahaan-perusahaan Jepang memimpin pasar pada tahun-tahun awalnya. Prestasi ini tidak secara resmi dan luas diakui hingga seperempat abad kemudian: pada tahun 2019, Hadiah Nobel Kimia diberikan bersama kepada Whittingham, Goodenough, dan Yoshino.

Pelajaran yang didapat industri dari Boeing 787 tentang keterbatasan BMS, dan batas prediksi degradasi

Penarikan kembali baterai laptop "terbesar yang pernah dilakukan Sony" — Pada Agustus 2006, Dell, Apple, dan beberapa produsen PC lainnya meluncurkan penarikan kembali besar-besaran laptop yang dibuat dengan baterai lithium-ion buatan Sony. Cacat produksi — kontaminasi partikel logam — ditemukan dapat menyebabkan korsleting internal, panas berlebih, dan kebakaran, dan penarikan kembali tersebut akhirnya mencakup sekitar 9,6 juta unit. Komisi Keamanan Produk Konsumen AS (CPSC) menyebutnya sebagai "penarikan kembali terkait komputer terbesar" dalam sejarahnya. Bagian biaya yang ditanggung Sony diperkirakan mencapai ratusan juta dolar. Penarikan kembali ini menjadi pelajaran bagi seluruh industri: tidak ada desain BMS, sebaik apa pun, yang dapat sepenuhnya menggantikan kontrol kualitas pada tingkat pembuatan sel individual.

Pelarian termal yang menyebabkan Boeing 787 dilarang terbang di seluruh dunia — Pada Januari 2013, sebuah Boeing 787 milik Japan Airlines (JAL) yang diparkir di Bandara Internasional Logan Boston mengalami asap dan kebakaran akibat baterai lithium-ion buatan GS Yuasa yang memberi daya pada unit daya bantu (APU). Dalam laporan yang diadopsi pada tahun 2014, Dewan Keselamatan Transportasi Nasional AS (NTSB) menyimpulkan bahwa korsleting internal di dalam sebuah sel menyebabkan "pelarian termal" yang menjalar ke sel-sel yang berdekatan — itulah penyebab langsungnya. Yang sama pentingnya: investigasi tersebut secara eksplisit mencatat bahwa "sirkuit pengaman yang terpasang di ujung konektor... [tidak] mampu menghentikan pelarian termal setelah terjadi." Sebagai tanggapan, Administrasi Penerbangan Federal AS (FAA) melarang terbang seluruh armada 787 — sebuah langkah luar biasa yang belum pernah dilakukan sejak tahun 1979. Sistem manajemen baterai (BMS) dapat mendeteksi tanda-tanda awal masalah dan memutus arus, tetapi pada dasarnya tidak memiliki cara untuk menghentikan reaksi berantai pelarian termal setelah dimulai di dalam sebuah sel — keterbatasan yang ditunjukkan dengan jelas oleh insiden ini bagi seluruh industri.

Baterai lithium-ion APU yang terbakar dalam insiden kebakaran JAL 787 tahun 2013 (difoto oleh NTSB)

Gambar: 1-7-12 Baterai APU JAL787 (Dewan Keselamatan Transportasi Nasional, Domain Publik), Wikimedia Commons.

Memprediksi degradasi sebelum rusak — Setiap insiden pelarian termal ini hanya terlihat setelah degradasi atau cacat internal telah melewati ambang batas tertentu. Penelitian yang bertujuan untuk mengubah pola "Anda hanya mengetahuinya setelah rusak" ini telah menjadi salah satu medan pertempuran utama dalam penelitian BMS baru-baru ini. Sebuah makalah yang diterbitkan pada April 2026, "A Deep Learning Model for Battery State Prediction towards Intelligent Energy Management" (arXiv:2605.00898), menerapkan model pembelajaran mendalam pada kumpulan data operasional skala besar untuk memprediksi kapasitas sisa baterai dan lintasan degradasi di masa mendatang, mengusulkan kerangka kerja yang mendukung pemeliharaan prediktif dan manajemen energi yang lebih aman. Penambahan prediksi degradasi berbasis data di atas kombinasi klasik penghitungan Coulomb dan referensi OCV merupakan arah yang kemungkinan akan menyebar ke desain BMS untuk sektor robotika dan drone yang semakin terlistrik.

Parameter yang Menentukan Kinerja

• Kepadatan energi (Wh/kg, Wh/L): Secara langsung menentukan waktu terbang drone atau jangkauan robot darat otonom pembawa muatan. Baterai solid-state berupaya melampaui 300 Wh/kg, sementara paket lithium-ion praktis saat ini berada di sekitar 160–260 Wh/kg — celah tersebut persis merupakan ruang desain untuk platform generasi berikutnya.
• Kecepatan C (kemampuan pengosongan): Menentukan apakah sel dapat memenuhi permintaan arus tinggi sesaat dari motor dan aktuator. Sel dengan kecepatan C tinggi seperti Molicel P42A (45A, sekitar 10,7C) cocok untuk aplikasi dengan perubahan beban yang besar, seperti lompatan robot berkaki atau akselerasi cepat drone. Ganti dengan sel yang dioptimalkan untuk kepadatan energi, dan penurunan tegangan atau panas dapat mencegahnya memberikan output yang dinilai.
• Umur siklus: Angka seperti DJI TB65 hingga 400 siklus secara langsung berkaitan dengan biaya operasional melalui berapa banyak siklus pengisian/pengosongan yang dapat ditoleransi oleh paket tersebut. Dalam lingkungan dengan tingkat pemanfaatan tinggi seperti operasi drone komersial harian, angka ini secara efektif menentukan frekuensi penggantian dan biaya operasional.
• Akurasi penyeimbangan sel: Seberapa tepat BMS dapat melacak tegangan sel — seperti kesalahan pengukuran sub-1,2mV pada LTC6811-1 — mengatur kapasitas efektif paket dan umur sel. Jika ketidakseimbangan yang terus meningkat terlewatkan, satu sel yang rusak akan menghambat kinerja seluruh paket.
• Kecepatan respons sirkuit proteksi dan batasnya: Seberapa cepat BMS mendeteksi arus berlebih atau panas berlebih dan memutus arus terkait langsung dengan keselamatan, tetapi seperti yang ditunjukkan kasus Boeing 787, BMS tidak memiliki daya untuk menghentikan reaksi berantai pelarian termal setelah reaksi tersebut dimulai di dalam sel. Kontrol kualitas pada tingkat sel, dan pemilihan kimia yang kurang rentan terhadap pelarian termal (LiFePO4, misalnya), harus melengkapi sirkuit perlindungan, bukan sebaliknya.
• Rentang suhu operasi: Angka seperti peringkat -40°C hingga 60°C pada Molicel P42A penting untuk ketersediaan di dunia nyata, karena drone dan robot luar ruangan membutuhkan ketahanan terhadap kehilangan kapasitas dan output yang terjadi pada suhu rendah. Fungsi pemanasan sendiri baterai DJI adalah salah satu jawaban untuk masalah ini.
• Kemampuan pengisian cepat: Baterai generasi berikutnya — dari ASB Samsung SDI hingga tujuan yang dinyatakan oleh Toyota dan Idemitsu Kosan untuk mengisi daya dari 10% hingga 80% SOC dalam waktu kurang dari 10 menit — memperlakukan pengurangan waktu pengisian sebagai poin pembeda yang jelas. Untuk operasi drone komersial dan robot pengiriman yang mengejar pemanfaatan maksimal, waktu henti pengisian daya itu sendiri menjadi metrik kinerja yang efektif.

Referensi

• Lembar data Molicel INR21700-P42A
• Ringkasan spesifikasi Molicel P42A (Tentang:Energi)
• Halaman produk Baterai Penerbangan Cerdas DJI TB65
• Spesifikasi Matrice 350 RTK (DJI Enterprise)
• [Fitur utama Matrice 300 RTK, termasuk...] redundansi baterai ganda (DJI Enterprise Insights)](https://enterprise-insights.dji.com/blog/matrice-300-top-9-features)
• Halaman produk Texas Instruments BQ76952
• Halaman produk Analog Devices LTC6811-1
• Samsung SDI meluncurkan baterai solid-state 900Wh/L (Berita resmi Samsung SDI)
• Samsung SDI berencana memulai produksi massal baterai solid-state pada tahun 2027 (Berita Baterai)
• Toyota dan Idemitsu Kosan berkolaborasi dalam produksi massal baterai solid-state (Toyota resmi)
• Kepadatan energi sel Tesla 2170 (InsideEVs)
• Hadiah Nobel Kimia 2019, Informasi Populer (Situs resmi Hadiah Nobel)
• Situs khusus Akira Yoshino (Situs resmi Asahi Kasei)
• Dell mengumumkan penarikan kembali baterai komputer notebook karena bahaya kebakaran (Situs resmi CPSC)
• Kebakaran Baterai Unit Daya Tambahan, Laporan investigasi JAL Boeing 787-8, JA829J (PDF resmi NTSB)
• NTSB Menyebutkan 'Pelarian Termal' dalam Kebakaran Baterai Boeing 787 (Majalah Penerbangan)
• [Model Pembelajaran Mendalam untuk Prediksi Kondisi Baterai menuju Manajemen Energi Cerdas] (arXiv:2605.00898)](https://arxiv.org/abs/2605.00898)