19.6 BateraiBaterai adalah sel galvanik , atau beberapa sel galvanik yang disatukan, yang dapat digunakan

sebagai sumber arus listrik searah pada voltase tetap. Meskipun cara bekerja baterai pada

dasarnya sama dengan sel galvanik yang dijelaskan pada Subbab 19.2, baterai memiliki

keunggulan karena sifatnya, yang berdiri sendiri dan tidak memerlukan komponen tamabahan

seperti jembatan garam. Di sini kita akan membahas beberapa jenis baterai yang banyak

digunakan.

Baterai Sel Kering

Sel kering yaitu sel tanpe komponen cairan, yang paling lazim, ialah sel

Leclanche yang digunakan dalam lampu senter dan radio transistor.Anoda

selnya terbuat dari sebuah kaleng atau wadah seng yang bersentuhan

dengan mangan dioksida (MnO2 ) dan sebuah elektrolit. Elektrolit itu terdiri

atas ammonium klorida dan seng klorida dalam air, yang ditambahkan pati

sebagai pengental agar larutan menyerupai pasta sehingga tidak mudah

bocor (Gambar 19.7). Sebatang karbon berfungsi sebagai katoda, yang

direndam di dalam elektrolit ini pada bagian tengah dari sel. Reaksi selnya

ialah

Anoda : Zn(s )→ Zn(aq )2+¿+2e−¿ ¿¿

Katoda : 2NH¿+¿¿ + 2MnO2( s) + 2e−¿→Mn2O3( s)¿ + 2NH3(aq) + H 2O(l)

Keseluruhan : Zn(s )+ 2NH¿+¿¿+ 2MnO2( s) Zn(aq )

2+¿¿ + 2NH3(aq) + H 2O(l) + Mn2O3( s)

Sebenarnya, persamaan ini merupakan bentuk sangat sederhana dari suatu proses yang

rumit.Voltase yang dihasilkan oleh sel kering sekitar 1,5 V.

Baterai Merkuri

Baterai merkuri banyak digunakan dalam dunia pengobatan dan industri elektronik dan lebih

mahal dibandingkan sel kering biasa. Ditempatkan di dalam sebuah silindir baja antikarat,

baterai merkuri terdiri atas anoda sen (diamalgamkan dengan merkuri) yang bersentuhan

dengan elektrolit alkali kuat yang mengandung seng oksida dan merkuri (II) oksida (Gambar

19.8). Reaksi selnya ialah

Anoda : Zn(Hg)+2OH (aq)−¿ →¿ ZnO (s )+H 2O(l )+2e−¿ ¿

Katoda : HgO (s ) + H 2O(l) + 2e−¿→Hg( l )¿ + 2OH (aq)−¿ ¿

Keseluruhan : Zn(Hg)+ HgO (s )→ ZnO (s ) + Hg(l )

Karena tidak ada perubahan komposisi ekektrolit selama

pengoperasian-reaksi sel keseluruhan hanya melibatkan zat padat-

baterai merkuri memberikan voltase lebih konstan (1,35 V) dibandingkan

sel Leclanche. Baterai merkuri juga memiliki kapasitas jauh lebih tinggi

dan lebih awet. Sifat-sifat ini membuat baterai merkuri ideal untuk

digunakan dalam alat pacu jantung, alat bantu dengar, arloji listrik, dan

pengatur cahaya.

Baterai Bertimbal (Aki)

Baterai bertimbal (aki) yang umum digunakan di mobil terdiri atas enam sel identik yang

tersusun secara seri. Setiap sel mempunyai anoda timbale dan katoda yang terbuat dari timbal

oksida (PbO2) yang dikemas pada sebuah pelat logam (Gambar 19.9). Baik katoda maupun

anoda dicelupkan dalam larutan asam sulfat, yang berfungsi sebagai elektrolit. Reaksi selnya

ialah

Anoda : Pb( s)+SO ¿2−¿→¿ PbSO4( s)+2e−¿¿

Katoda : PbO2(s ) + 4 H (aq )+¿ ¿ +SO¿

2−¿+2e−¿→PbSO4(s )¿¿ + 2H 2O( l)

Keseluruhan :Pb( s)+ PbO2(s )+4H (aq)+¿ +2SO¿

2−¿→¿¿ 2 PbSO4(s ) + 2H 2O( l)

Pada kondisi kerja normal, setiap sel menghasilkan 2 V; jadi total 12 V dari keenam sel

digunakan sebagai catu daya untuk menyalakan rangkaian pengapian mobil dan sistem listrik

lainnya. Aki dapat memberi banyak arus dalam waktu singkat, seperti waktu yang dipakai untuk

menyalakan mesin.

Tidak seperti sel Leclanche dan baterai merkuri, aki dapat diisi ulang (rechargeable).

Pengisian ulang baterai berarti membalik reaksi elektrokimia normal dengan menerapkan

voltase eksternal pada katoda dan anoda. (Jenis proses ini dinamakan proses elektrolisis).

Reaksi pengisian material awalnya ialah

PbSO4( s)+2e−¿→ ¿ Pb( s)+SO ¿2−¿¿

PbSO4( s) + 2H 2O( l)→PbO2(s )+4H (aq)+¿ +SO ¿

2−¿+2e−¿¿¿¿

Keseluruhan : 2 PbSO4(s ) + 2H 2O( l)→ Pb( s)+ PbO2(s )+4H (aq)+¿ +2SO¿

2−¿¿¿

Reaksi keseluruhannya sepenuhnya berlawanan dengan reaksi sel normal.

Dua aspek kerja aki perlu mendapat perhatian. Pertama, karena reaksi elektrikimia

menggunakan asam sulfat, seberapa kurang aki dapat diperiksa dengan mengukur kerapatan

elektrolit dengan hidrometer, seperti lazimnya dilakukan di bengkel. Kerapatan cairan dalam aki

yang baik dan penuh harus sama atau lebih besar dari 1,2 g/mL . Kedua, orang di daerah

dingin kadang-kadang sulit menyalakan mobilnya karena akinya “mati.” Perhitungan

termodinamika menunjukkan bahwa emf dari banyak sel elektrokimia menurun dengan

menurunnya suhu. Namun demikian, untuk baterai timbal, koefisien suhunya adalah sekitar 1,5

×10−4V /℃ ; artinya, ada penurunan volume sebesar 1,5 ×10−4 V untuk setiap derajat

penurunan suhu. Jadi, meskipun penurunan suhunya 40 , besarnya penurunan voltase

hanyalah sejumlah 6 ×10−3V , yaitu sekitar

6×10−3V12V

×100 %=0,05 %

dari voltase kerja, satu perubahan yang sangat kecil. Penyebab sebenarnya matinya aki adalah

meningkatnya viskositas elektrolit karena suhu menurun. Agar aki dapat berfungsi baik,elektrolit

harus bisa menghantar sepenuhnya. Namun, ion bergerak jauh lebih lambat dalam medium

yang kental, sehingga resistansi cairan meningkat, mengakibatkan turunnya daya aki. Jika “aki

mati” dihangatkan sampai mendekati suhu kamar pada hari yang dingin, kekuatannya dalam

menghantar daya akan kembali.

Baterai Litium Keadaan-Padat

Tidak seperti baterai yang dibahas sejauh ini, baterai keadaan padat menggunakan padatan

(bukannya berair atau pasta dalam air) sebagai elektrolit yang menghubungkan elektroda.

Gambar 19.10 menunjukkan skema baterai litium keadaan padat. Litium dipilih sebagai anoda

karena litium memiliki nilai E° paling negatif. Selain itu, litium merupakan logam ringan sehingga

hanya diperlukan 6,941 gr Li (massa molarnya) saja untuk menghasilkan 1 moil elektron.

Elektrolitnya adalah suatu bahan polimer yang akan melewatkan ion tetapi menahan elektron.

Katodanya terbuat dari TiS2 atau V 6O13. Voltase sel suatu baterai litium keadaan-padat, dapat

mencapai 3 V, dan dapat diisi ulang seperti pada aki. Meskipun belum terlalu andal dan

umurnya masih pendek, baterai ini dianggap sebagai baterai masa depan.

Sel Bahan Bakar

Minyak fosil merupakan sumber energi utama, tetapi proses pengubahan minyak fosil menjadi

energi listrik sangat tidak efisien. Kita lihat pembakaran metana

CH 4(g)+2O2(g )→CO2(g)+2H 2O(l)+¿ energi

Untuk menghasilkan listrik, kalor yang dihasilkan dari reaks terlebih dahulu digunakan untuk

mengubah air menjadi uap air, yang selanjutnya menggerakkan turbin yang menggerakkan

generator. Cukup banyak energy yang dilepaskan dalam bentuk kalor hilang ke lingkungan

pada setiap tahap; pembangkit tenaga yang paling efisien pun hanya mengubah sekitar 40

persen dari energi kimia asalnya menjadi listrik. Karena reksi pembakaran adalah reaksi redoks,

akan lebih baik melaksanakannya langsung dengan cara-cara elektrokimia, dengan demikian

akan sangat meningkatkan efisiensi produksi daya. Tujuan ini dapat dicapai dengan alat yang

dikenal sebagai sel bahan bakar (fuel cell), yaitu sel galvanik yang memerlukan pasokan

reaktan yang kontinu agar tetap berfungsi.

Dalam bentuknya yang paling sederhana, sel bahan bakar hidrogen-oksigen terdiri atas

larutan elektrolit,seperti larutan kalium hidroksida, dan dua elektroda inert. Gas hidrogen dan

oksigen dihmbuskan melalui kompartemen anoda dan katoda (Gambar 19.11), di mana reaksi-

reaksi berikut terjadi

Anoda : 2H 2(s )+4OH (aq )−¿ →¿ 4 H2O( l)+4 e−¿¿

Katoda : O2(g) + 2H 2O( l) +4 e−¿→4OH (aq )

−¿ ¿ ¿

Keseluruhan : 2H 2(s )+ O2(g)→ 2H 2O( l)

Emf standar dari sel ini dapat dihitung sebagai berikut.

E sel° =Ekatoda

° −Eanoda°

¿ 0,40 V – (−¿0,83 V)

¿ 1,23 V

Jadi, reaksi selnya adalah reaksi spontan pada kondisi keadaan-standar. Perhatikan bahwa

reaksi ini sama seperti reaksi pembakaran hidrogen, tetapi oksidasi dan reduksinya

dilaksanakan terpisah pada anoda dan katoda. Seperti platina pada elektroda hidrogen standar,

elektroda-elektroda di sini mempunyai dua fungsi. Kedua elektroda tersebut berfungsi sebagai

penghantar listrik, dan keduanya menyediakan permukaan yang diperlukan untuk mengawali

penguraian spesi dalam bentuk molekul menjadi bentuk atom, sebelum transfer elektron.

Elektroda-elektroda ini dinamakan elektrokatalis. Logam seperti platina, nikel, dan rodium

merupakan elektrokatalis yang baik.

Selain sistem H 2−O2, sejumlah sel bahan bakar lain telah dikembangkan. Di antaranya ialah

sel propana-oksigen. Reaksi setengah selnya ialah

Anoda : C3H 8(g )+6H 2O(l )→ 3CO2(g )+2OH (aq )+¿ +2Oe−¿¿¿

Katoda : 5O2(g ) + 2OH (aq)+¿ ¿ + 2Oe−¿→¿ 10H 2O( l)

Keseluruhan : C3H 8(g )+ 5O2(g ) → 3CO2(g ) + 4 H2O( l)

Reaksi keseluruhannya sama dengan pembakaran propana dan oksigen.

Tidak seperti baterai, sel bahan bakar tidak menyimpan energy kimia. Reaktan harus

dipasok secara konstan, dan produknya harus dipindahkan secara konstan dari sel bahan

bakar. Dari segi ini, sel bahan bakar lebih menyerupai mesin daripada baterai. Namun, sel

bahan bakar tidak bekerja seperti mesin kalor sehingga tidak terkena kendala

termodinamikayang dialami mesin kalor dalam hal konversi energi.

Sel bahan bakar yang dirancang dengan baik dapat mencapai efisiensi sampai 70 persen,

sekitar dua kali efisiensi mesin bakar internal. Selain itu, generator sel bahan bakar bebas dari

bising, getaran, transfer kalor, pencemaran termal, dan masalah lain yang biasanya terdapat

pada pembangkit tenaga konvensional. Bagaimanapun, sel bahan bakar masih belum

digunakan secara luas. Masalah utama terletak pada kurangnya elektrokatalis yang murah yang

mampu berfungsi efisien dalam kurun waktu yang lama tanpa terkontaminasi. Penerapan yang

paling berhasil dari sel bahan bakar sampai saat ini adalah dalam kendaraan ruang angkasa.