APLIKASI ELEKTROKIMIA BATERAI YUSUF ZIHNI XII IPA 5 / 33
Pengertian Baterai
Baterai adalah alat listrik-kimiawi yang menyimpan energi dengan mengubah energi listrik menjadi energi kimia dan dapat mengeluarkan energi dengan mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Baterai terdiri dari tiga komponen penting seperti di ilustrasikan dalam gambar 1, yaitu: batang karbon sebagai anoda (kutub positif baterai), seng (Zn) sebagai katoda (kutub negatif baterai), dan pasta sebagai elektrolit (penghantar). Baterai berisi bahan-bahan kimia yang dapat memproduksi elektron. Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversibel adalah di dalam baterai dapat berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik, dan sebaliknya dari tenaga listrik menjadi tenaga kimia, yaitu pengisian kembali dengan cara regenerasi dari elektroda-elektroda yang dipakai dengan melewatkan arus listrik dalam arah (polaritas) yang berlawanan di dalam sel. Tiap sel baterai ini terdiri dari dua macam elektroda yang berlainan, yaitu elektroda positif dan elektroda negatif yang dicelupkan dalam suatu larutan kimia.Dalam operasi elektrolit, yang terdiri karbon tanah, mangan dioksida, amoniak sal, dan seng klorida menyebabkan elektron mengalir dan menyebabkan listrik.
Baterai memiliki dua terminal, terminal pertama bertanda positif (+) dan
terminal kedua bertanda negatif (-).
Gambar 1 Susunan dasar suatu baterai Elektron-elektron di kumpulkan pada kutub negatif. Jika kabel dihubungkan antara kutub negatif dan kutub positif, maka elektron akan mengalir dari kutub negatif ke kutub positif dengan cepatnya. Selain kabel, sebuah penghubung atau Load dapat berupa light bulb, sebuah motor atau sirkuit elektronik seperti radio. Di dalam beterai sendiri, terjadi sebuah reaksi kimia yang menghasilkan elektron. Kecepatan dari proses ini (elektron, sebagai hasil dari elektrokimia) mengontrol seberapa banyak elektron dapat mengalir diantara kedua kutub. Elektron mengalir dari baterai ke kabel dan tentunya bergerak dari kutub negatif ke kutub positif
tempat dimana reaksi kimia tersebut sedang berlangsung. Baterai bisa bertahan selama satu tahun dan masih memiliki sedikit power, selama tidak terjadi reaksi kimia atau selama tidak dihubungkan dengan kabel atau sejenis Load lain. Ketika
dihubungkan
dengan kabel maka reaksi kimia dimulai. Secara harfiah baterai berfungsi sebagai media penyimpan dan penyedia energi listrik. Sumber listrik yang digunakan sebagai pembangkit power dalam bentuk arus searah (DC). Alat ini digunakan elektronika termasuk diantaranya komputer. Baterai merupakan sekumpulan sel-sel kimia yang masing-masing berisi dua elektron logam yang dicelupkan dalam larutan penghantar yang disebut elektrolit. Akibat reaksi-reaksi kimia antara konduktor-konduktor dan elektrolit satu elektroda anoda bermuatan positif dan lainnya, katoda , menjadi bermuatan negatif.
Gambar 2: Konstruksi Baterai Baterai dinilai oleh kapasitas amp-hour (Ah) berdasarkan jumlah energi yang diperlukan untuk menjalankan muatan dan berapa hari yang diperlukan untuk menyimpan energi karena kondisi cuaca. Beberapa faktor dapat berdampak pada kapasitas baterai, termasuk peringkat, penilaian of discharge (pembebanan), kedalaman pembebanan, suhu, umur, dan karakteristik recharging. Kapasitas yang diminta juga dipengaruhi oleh ukuran muatan. Jika muatan berkurang, kapasitas juga berkurang. Klasifikasi Baterai
Baterai dikelompokkan menjadi 2 (dua), yaitu: Baterai Primer Baterai primer yaitu baterai yang hanya digunakan satu kali karena menggunakan reaksi kimia yang bersifat tidak bisa dibalik (irreversible reaction) dan setelah habis isi (Recharge). Pada baterai primer, elektroda positif (kutub positif) berupa batang karbon dan pembungkus terbuat dari seng yang merupakan elektroda negative (kutub negatif). Adapun susunan baterai primer ditunjukkan pada gambar 3.
Gambar 3: Susunan Baterai Primer Elektrolit larutan yang menghantarkan arus listrik berupa larutan amonium klorida (NH4CL) dan depolarisasinya zat kimia yang terbuat dari mangan dioksida (MnO2) bercampur serbuk karbon. Elemen kering atau batere disebut juga elemen primer karena elemen ini tidak dapat dimuati (diisi ulang) kembali jika muatannya habis. Selama bekerja, seng berubah menjadii seng klorida, hydrogen dibebaskan dan seng serta ammonium klorida berkurang. Cara penggunaan batere kering yaitu dengan menghubungkan kutub positif dan kutub negatif ke beban.
Baterai Sekunder Baterai sekunder yaitu baterai yang dapat digunakan berkali-kali dengan mengisi kembali muatannya karena reaksi kimianya bersifat bisa dibalik (reversible reaction), apabila telah habis energinya setelah dipakai. Akumulator merupakan jenis baterai sekunder yang merupakan elemen elektro-kimia yang dapat memperbaharui bahan-bahan pereaksinya. Jenis akumulator yang sering dipakai adalah akumulator timbal. Akumulator ini terdiri dari dua kumparan pelat yang dicelupkan dalam larutan asam-sulfat encer. Kedua kumpulan pelat dibuat dari timbal, sedangkan lapisan timbal dioksida akan dibentuk pada pelat positif ketika lemen pertama kali dimuati. Letak pelat positif dan negatif sangat berdekatan tetapi dicegah tidak langsung menyentuh oleh pemisah yang terbuat dari bahan penyekat (isolator).
Bagian-bagian akumulator timah hitam dan fungsinya sebagai berikut : 1. Rangka, berfungsi sebagai rumah akumulator. 2. Kepala kutub positif, berfungsi sebagai terminal kutub positif. 3. Penghubung sel, berfungsi untuk menghubungkan sel-sel. 4. Tutup Ventilasi, berfungsi menutup lubang sel.. 5. Penutup, berfungsi untuk menutup bagian atas akumulator. 6. Plat-plat, berfungsi sebagai bidang pereaktor. 7. Plat negatif, terbuat dari Pb, berfungsi sebagai bahan aktif akumulator. 8. Plat positif, terbuat dari PbO2, berfungsi sebagai bahan aktif akumulator. 9. Ruang sedimen, berfungsi untuk menampung kotoran. 10. Plastik pemisah, berfungsi untuk memisahkan plat positif dan negatif. 11. Sel-sel.
Plat positif (PbO2) berwarna coklat, sedangkan plat negatif berwarna abuabu.
2.4 Prinsip Kerja Baterai
Baterai adalah perangkat yang mampu menghasilkan tegangan DC, yaitu dengan cara mengubah energi kimia yang terkandung didalamnya menjadi energi listrik melalui reaksi elektro kimia, Redoks (Reduksi – Oksidasi). Batere terdiri dari beberapa sel listrik, sel listrik tersebut menjadi penyimpan energi listrik dalam bentuk energi kimia. Sel batere tersebut elektroda – elektroda. Elektroda negatif disebut katoda, yang berfungsi sebagai pemberi elektron. Elektroda positif disebut anoda yang berfungsi sebagai penerima elektron. Antara anoda dan katoda akan mengalir arus yaitu dari kutub positif (anoda) ke kutub negatif (katoda). Sedangkan electron akan mengalir dari katoda menuju anoda. Baterai
adalah
pengisian/cas/charge
suatu
energi
proses listrik
kimia diubah
listrik, menjadi
dimana
pada
saat
kimia
dan
saat
pengeluaran/discharge energi kimia diubah menjadi energi listrik. Baterai terdiri dari satu atau lebih voltaic cell (tergantung besarnya voltase yang diinginkan contohnya baterai aki 6 Volt atau 12 Volt) . Masing-masing voltaic cell terdiri dari dua half cells yang dihubungkan secara seri oleh penghantar elektrolit. Satu half cells mempunyai elektroda positif (katoda) yang satunya elektroda negatif (atoda). Daya baterai di dapat dari reaksi reduksi dan oksidasi.
Gambar 5: Ilustrasi cara kerja baterai Reduksi terjadi pada katoda dan oksidasi terjadi di anoda. Elektroda tersebut tidak bersentuhan dan arus listrik dihubungkan dengan elektrolit. Elektrolit dapat berupa cairan atau padat. Untuk lebih penjelasan lebih detail tentang baterai (dalam hal ini adalah aki; aki mobil/motor/mainan yang memakai elektrolit cair). Aki terdiri dari sel-sel dimana tiap sel memiliki tegangan sebesar 2 V, artinya aki mobil dan aki motor yang memiliki tegangan 12 V terdiri dari 6 sel yang dipasang secara seri (12 V = 6 x 2 V) sedangkan aki yang memiliki tegangan 6 V memiliki 3 sel yang dipasang secara seri (6 V = 3 x 2 V).
Antara satu sel dengan sel lainnya dipisahkan oleh dinding penyekat yang terdapat dalam bak baterai, artinya tiap ruang pada sel tidak berhubungan karena itu cairan elektrolit pada tiap sel juga tidak berhubungan (dinding pemisah antar sel tidak boleh ada yang bocor/merembes). Di dalam satu sel terdapat susunan pelat pelat yaitu beberapa pelat untuk kutub positif (antar pelat dipisahkan oleh kayu, ebonit atau plastik, tergantung teknologi yang digunakan) dan beberapa pelat untuk kutub negatif. Bahan aktif dari plat positif terbuat dari oksida timah coklat (PbO2) sedangkan bahan aktif dari plat negatif ialah timah. Terdapat 2 proses yang terjadi pada baterai : Proses Pengosongan Proses pengosongan adalah proses perubahan energi kimia menjadi energi listrik. Proses discharge pada sel berlangsung menurut skema gambar 6. Bila sel dihubungkan dengan beban maka elektron mengalir dari anoda melalui beban ke katoda, kemudian ion-ion negatif mengalir ke anoda dan ion-ion positif mengalir ke katoda.
Gambar 6: Proses pengosongan (discharge) Bila baterai dibebani, maka tiap ion negatif sulfat (SO4-) akan bereaksi dengan plat timah murni (Pb) sebagai katoda menjadi timah sulfat (PbSO4) sambil melepaskan dua elektron. Sedangkan sepasang ion hidrogen (2H+ ) akan bereaksi dengan plat timah peroksida (PbO2) sebagai anoda menjadi timah sulfat (PbSO 4) sambil mengambil dua elektron dan bersenyawa dengan satu atom oksigen untuk membentuk air (H2O). Pengambilan dan pemberian elektron dalam proses kimia ini akan menyebabkan timbulnya beda potensial listrik antara kutub-kutub sel baterai. Proses tersebut terjadi secara simultan dengan reaksinya dapat dinyatakan:
dimana : PbO2 = Timah peroxida (katub positif / anoda) Pb = Timah murni (kutub negatif/katoda) 2H2SO4= Asam sulfat (elektrolit) PbSO4 = Timah sulfat (kutub positif dan negatif setelah proses pengosongan) H2O= Air yang terjadi setelah pengosongan Jadi pada proses pengosongan baterai akan terbentuk t imah sulfat (PbSO4) pada kutub positif dan negatif, sehingga mengurangi reaktifitas dari cairan elektrolit karena asamnya menjadi timah, sehingga tegangan baterai antara kutub-kutubnya menjadi lemah.
Proses Pengisian Proses pengisian adalah proses perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Pada proses pengisian menurut skema gambar 7 adalah bila sel dihubungkan dengan power supply maka elektroda positif menjadi anoda dan elektroda negatif menjadi katoda. Dan proses kimia yang terjadi adalah sebagai berikut :
Gambar 7: Proses pengisian (charge) 1. Aliran elktron menjadi terbalik, mengalir dari anoda melalui power supply menuju ke katoda. 2. Ion-ion negatif mengalir dari katoda ke anoda. 3. Ion-ion positif mengalir dari anoda ke katoda. Proses reaksi kima yang terjadi adalah sebagai berikut :
Proses pengisisan ini berlawanan dengan proses pengosongan, yaitu : oksigen (O) dalam air (H2O) terlepas karena bereaksi / bersenyawa / bergabung dengan timah (Pb) pada pelat positif dan secara perlahan – lahan kembali menjadi oksida timah colat (PbO2) dan asam (SO4) yang menempel pada kedua pelat (pelat positif maupun
negatif) terlepas dan bergabung dengan hidrogen (H) pada air (H2O) di dalam cairan elektrolit dan kembali terbentuk menjadi asam sulfat (H2SO4) sebagai cairan elektrolit. Akibatnya berat jenis cairan elektrolit bertambah menjadi sekitar 1,285 (pada baterai yang terisi penuh). Jadi reaksi kimia pada saat pengisian (charging) adalah kebalikan dari reaksi kimia pada saat pengosongan (discharging).
Prinsip Kerja Baterai Alkali
Baterai Alkali menggunakan potasium Hydroxide sebagai elektrolit, selama proses pengosongan (Discharging) dan pengisian (Charging) dari sel baterai alkali secara praktis tidak ada perubahan berat jenis cairan elektrolit. Fungsi utama cairan elektrolit pada baterai alkali adalah bertindak sebagai konduktor untuk memindahkan ion-ion hydroxida dari satu elektroda keelektroda lainnya tergantung pada prosesnya, pengosongan atau pengisian, sedangkan selama proses pengisian dan pengosongan komposisi kimia material aktif pelat pelat baterai akan berobah. Proses reaksi kimia saat pengosongan dan pengisian pada elektroda-elektroda sel baterai alkali sebagai berikut. Untuk baterai Nickel-Cadmium
dimana : 2NiOOH = Incomplate nickelic - hydroxide (Plat positif atau anoda) Cd = Cadmium (Plat negatif atau katoda) 2Ni (OH)2 = Nickelous hydroxide (Plat positif) Cd (OH)2 = Cadmium hydroxide (Plat negatif) Untuk Baterai nickle - Iron
dimana : 2NiOOH = Incomplatenickelic – hydroxide (Plat positif) Fe = Iron (Plat negatif) 2Ni (OH)2 = Nickelous hydroxide (Plat positif) Fe (OH)2 = Ferrous hydroxide (Plat negatif)
