Download - APLIKASI ELEKTROKIMIA
APLIKASI ELEKTROKIMIA
BATERAI
YUSUF ZIHNI
XII IPA 5 / 33
Pengertian Baterai
Baterai adalah alat l i s t r i k - k im i a w i yang menyimpan e n e r gi 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 (rev e rs i b l e
r eac t i on ), 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 abu-
abu.
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 suatu proses kimia listrik, dimana pada saat
pengisian/cas/charge energi listrik diubah menjadi 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 (PbSO4) 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 timah 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)