PENERAPAN SEL VOLTA DALAM PEMBUATAN BATERAI

Baterai merupakan benda yang sudah tidak asing lagi di kehidupan kita. Baterai sangat bermanfaat dalam kehidupan kita. Selain itu baterai juga menjadi salah satu sumber energi dalam kehidupan kita. Baterai ditemukan oleh Alesandro Volta pada tahun 1800-an. Istilah baterai sendiri berasal dari bahasa Inggris dan dikemukakan pertama kali oleh Benjamin Franklin yaitu “battery” yang berarti “deretan”, namun dalam kehidupan sehari-hari baterai sering diartikan sebagai sebuah sel kering.

            Baterai adalah kumpulan dari beberapa sel listrik yang digunakan untuk menyimpan energi kimia untuk selanjutnya diubah menjadi energi listrik. Sel listrik terdiri dari elektroda dan elektrolit, dimana elektroda positif adalah katoda dan elektroda negatif adalah anoda. Baterai menggunakan prinsip elektrokimia sebagai dasar dari kerja baterai untuk mengonversi energy kimia menjadi energi listrik. Di dalam baterai terjadi reaksi reduksi oksidasi atau reaksi redoks yang merupakan reaksi inti dimana elektron bergerak dan menghasilkan gaya gerak listrik.

Baterai terdiri dari dua bagian. Bagian pertama yaitu bagian positif yang terdiri dari kation dan katoda, dimana katoda (elektroda positif) sebagai tempat pergerakan kation (ion positif). Bagian kedua yaitu bagian negatif yang terdiri dari anion dan anoda, dimana anoda (elektroda negatif) sebagai tempat pergerakan anion (ion negatif). Baterai juga mempunyai elektrolit yang merupakan bahan kimia sebagai sumber energi. Baterai ada yang menggunakan dua jenis elektrolit dan juga ada yang menggunakan satu jenis elektrolit. Katoda dan Anoda sebagai kutub-kutub dari baterai tidak berhubungan secara langsung satu sama lain, melainkan dihubungkan oleh elektrolit. Di dalam baterai tersebut  terjadi reaksi redoks, di mana reaksi reduksi terjadi pada kation di katoda dan reaksi oksidasi terjadi pada anion di anoda. Dari reaksi inilah timbul pergerakan elektron yang menyebabkan adanya gaya gerak listrik.

Perbedaan gaya gerak listrik (GGL) antara katoda dan anoda disebut sebagai tegangan kutub. Tegangan kutub baterai pada kondisi rangkaian terbuka memiliki nilai yang sama dengan GGL dari baterai. Namun, tegangan kutub baterai pada kondisi rangkaian tertutup adalah lebih kecil dibandingkan pada kondisi rangkaian terbuka yang dikarenakan “hambatan dalam” dari baterai. Dimana besar hambatan dalam baterai dapat dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan:     R_i           = hambatan dalam baterai (Ω)

                        E          = ggl (volt)

                        V_t        = tegangan kutub (volt)

                        I           = arus (amper)

Sedangkan daya yang dapat disuplai baterai merupakan hasil kali dari Kapasitas baterai dengan Tegangan kutub dari baterai tersebut. Contohnya bateri Lithium ion yang memiliki tegangan 3,6 volt dan kapasitas 2000 mAh memiliki daya 7,2 Wh. Luas dan jarak antar elektroda dalam baterai mempengaruhi tahanan dalam baterai, sedangkan GGL baterai dipengaruhi oleh kuat lemahnya elektrolit.

Sel Volta dibagi menjadi tiga bagian, yaitu:

1.      Sel Volta Primer

Sel volta primer merupakan sel baterai yang tidak dapat diisi lagi jika sumber energinya telah habis. Adapun contoh sel volta primer adalah:

a.       Sel Kering Karbon Seng

Sel kering karbon ditemukan oleh Ir. Georges Leclanche (1839-1882) yang paling umum dan mudah didapatkan. Berbagai usaha peningkatan telah dilakukan sejak itu, tetapi yang mengejutkan adalah desain awal tetap dipertahankan yaitu sel kering mangan.

Sel kering mangan terdiri dari bungkus dalam zink (Zn) sebagai elektroda negative (anoda), batang karbon/grafit (C) sebagai elektroda positif (katoda) dan pasta MnO₂ dan NH₄Cl yang berperan sebagai larutan elektrolit.

Anoda             : logam seng (Zn)

Katoda            : batang karbon/gafit (C)

Elektrolit         : MnO2, NH4Cl dan serbuk karbon (C)

Reaksi yang terjadi adalah:

Anoda Zn (-)   : Zn(s) → Zn²⁺(aq)  +  2e^-

 Katoda C (+)    : 2MnO₂(s)  +  2NH₄⁺(aq)  +  2e^- → Mn2O₃(s)  +  2NH₃(aq) + H₂O(l)

Reaksi total     : Zn(s) + 2MnO₂(s) + 2NH₄⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Mn2O3(s) + 2NH₃(s) + H₂O(l)

Sel kering karbon banyak digunakan untuk radio, lampu senter, jam dinding, dan mainan anak-anak. Struktur sel kering seperti gambar di bawah ini :

b.      Baterai Alkalin

Baterai Alkalin merupakan sel Leclanche yang mempunyai kekuatan arus listrik dan beda potensial 1,5 volt. Dalam sel kering alkalin padatan KOH atau NaOH digunakan sebagai ganti NH₄Cl. Umur sel kering mangan (baterai biasa) diperpendek oleh korosi zink akibat keasaman NH₄Cl. Sedangkan pada sel kering, alkali bebas masalah ini karena penggantian NH₄Cl yang bersifat asam dengan KOH/NaOH yang bersifat basa. Jadi umur sel kering alkali lebih panjang. Selain itu juga menyebabkan energi yang lebih kuat dan tahan lama. Reaksi yang terjadi ialah:

Anoda Zn (-)      : Zn → Zn²⁺ + 2e^–

Katoda C (+)  : 2MnO₂ + H₂O + 2e^- → Mn₂O₃ + 2OH^–

Reaksi total   : Zn + 2MnO₂ + H₂O → Zn²⁺ + Mn₂O₃ + 2OH^–

c.       Sel Merkuri Oksida

Sel merkuri atau disebut juga baterai kancing jenis Ruben Mallory.Sel jenis ini telah dilarang penggunaannya dan ditarik dari peredaran sebab bahaya yang dikandungnya (logam berat merkuri). Baterai kancing ini terdiri atas seng (anoda) dan merkuri(II) oksida (katoda). Kedua elektroda tersebut berupa serbuk padat. Ruang diantara kedua elektroda diisi dengan bahan penyerap yang mengandung elektrolit kalium hidroksida (basa, alkalin). Reaksi redoks yang terjadi dalam sel adalah sebagai berikut:

Anode                 : Zn(s) + 2OH^–(aq) → ZnO(s) + H₂O(l) + 2e^–

Katode           : HgO(s) + H₂O(l) + 2e^– → Hg(l) + 2OH^–(aq)

Potensial sel yang dihasilkan adalah 1,35 V.Sel ini juga banyak digunakan sebagai sumber arus pada alat-alat elektronik yang kecil. Misalnya jam tangan dan kalkulator kecil.

d.      Sel Perak Oksida

Susunan baterai perak oksida yaitu Zn (sebagai anoda), Ag2O (sebagai katoda), dan pasta KOH sebagai elektrolit. Reaksinya sebagai berikut:

Anode      :Zn + 2OH^- → Zn(OH)₂ + 2e^-

Katode     :Ag2O + H₂O + 2e^- → 2Ag + 2OH^-

Baterai perak oksida memiliki potensial sel sebesar 1,5 volt dan bertahan dalam waktu yang lama.Kegunaan baterai jenis ini adalah untuk arloji,kalkulator dan kamera.

2.      Sel Volta Sekunder

Sel volta sekunder merupakan sel volta yang jika habis dapat berfungsi lagi setelah dialiri arus listrik. Contoh Sel Volta sekunder sebagai berikut :

a)      Sel Aki Timbal Asam

Nilai sel terletak pada kegunaannya. Diantara berbagai sel, sel timbal (aki) telah digunakan sejak 1915. Berkat sel ini,mobil/sepeda motor dapat mencapai mobilitasnya, dan akibatnya menjadi alat transportasi terpenting saat ini. Baterai timbal dapat bertahan kondisi yang ekstrim (temperatur yang bervariasi, shock mekanik akibat jalan yang rusak, dll) dan dapat digunakan secara kontinyu beberapa tahun.

Dalam baterai timbal, elektroda negatif adalah logam timbal (Pb) dan elektroda positifnya adalah timbal yang dilapisi timbal oksida (PbO₂), dan kedua elektroda dicelupkan dalam larutan elektrolit asam sulfat (H₂SO₄). Reaksi elektrodanya adalah sebagai berikut:

Anoda Pb (-)         : Pb + SO₄^2- → PbSO₄ + 2e^–

Katoda PbO₂(+)    : PbO₂ + SO₄^2- + 4H⁺ + 2e^– → PbSO₄ + 2H₂O

Reaksi total           : Pb + PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄^2- → 2PbSO₄ + 2H₂O

Kondisi Saat aki digunakan:

Saat aki menghasilkan listrik, Anoda Pb dan katoda PbO₂ bereaksi dengan SO₄^2-menghasilkan PbSO₄. PbSO₄ yang dihasilkan dapat menutupi permukaan lempeng anoda dan katoda. Jika telah terlapisi seluruhnya maka lempeng anoda dan katoda tidak berfungsi. Akibatnya aki berhenti menghasilkan listrik. Saat aki menghasilkan listrik dibutuhkan ion H⁺ dan ion SO₄^2- yang aktif bereaksi. Akibatnya jumlah ion H⁺ dan ion SO₄^2- pada larutan semakin berkurang dan larutan elektrolit menjadi encer maka arus listrik yang dihasilkan dan potensial aki semakin melemah. Oleh karena reaksi elektrokimia pada aki merupakan reaksi kesetimbangan (reversibel) maka dengan memberikan arus listrik dari luar ( mencas ) keadaan 2 elektroda (anoda dan katoda) yang terlapisi dapat kembali seperti semula. Demikian pula ion akan terbentuk lagi sehingga konsentrasi larutan elektrolit naik kembali seperti semula.

Anoda PbO2( - )   : PbSO₄ + 2H₂O → PbO₂ + 4H + + SO₄^2- + 2e^–

 Katoda Pb ( + )    : PbSO₄ + 2e^– → Pb + SO₄^2-

Reaksi total         : 2PbSO₄ + 2H₂O → Pb + PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄^2-

                        Selama proses penggunaan maupun pengecasan aki terjadi reaksi sampingan yaitu elektrolisis air dan tentu saja ada air yang menguap. Dengan demikian penting untuk menambahkan air terdistilasi ke dalam baterai timbal. Baru-baru ini jenis baru elektroda yang terbuat dari paduan timbal dan kalsium, yang dapat mencegah elektrolisis air telah dikembangkan. Baterai modern dengan jenis elektroda ini adalah sistem tertutup dan disebut dengan baterai penyimpan tertutup yang tidak memerlukan penambahan air.

b)      Sel Nikel Basa

Mirip dengan baterai timbal, sel nikel-kadmium juga reversibel. Selain itu dimungkinkan untuk membuat sel nikel-kadmium lebih kecil dan lebih ringan daripada sel timbal. Jadi sel ini digunakan sebagai batu baterai alat-alat portabel seperti: UPS, handphone dll.

Anoda Cd (-)         : Cd + 2OH^– → Cd(OH)₂ + 2e^–

Katoda NiO2 (+)   : NiO₂ + 2H₂O + 2e^– → Ni(OH)₂ + 2OH^–

Reaksi total           : Cd + NiO₂ + 2H₂O → Cd(OH)₂ + Ni(OH)

c)      Sel Perak Seng

Sel ini mempunyai kuat arus (I) yang besar dan banyak digunakan pada kendaran-kendaraan balap. Sel perak seng dibuat lebih ringan dibandingkan dengan sel timbal seng. KOH adalah elektrolit yang digunakan dan elektrodenya berupa logam Zn (seng) dan Ag (perak).

d)      Baterai Litium

Terdiri atas litium sebagai anoda dan MnO₂ sebagai oksidator (seperti pada baterai alkaline). Baterai Litium ini dapat menghasilkan arus listrik yang lebih besar dan daya tahannya lebih lama dibandingkan baterai kering yang berukuran sama. Berikut notasi dari baterai Litium:

Li│Li⁺ (pelarut non-air)│KOH (pasta)│MnO₂, Mn(OH)₃, C

3.      Sel Bahan Bakar

Sel Bahan bakar merupakan sel Galvani dengan pereaksi – pereaksinya (oksigen dan hidrogen) dialirkan secara kontinyu ke dalam elektroda berpori. Sel ini terdiri atas anoda dari nikel, katoda dari nikel oksida dan elektrolit KOH. Reaksi yang terjadi :

Anode                  : 2H₂(g) + 4OH^-(aq) → 4H₂O(l) + 4e

Katode                 : O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e → 4OH^-(aq)

Reaksi sel            : 2H₂(g) + O₂ → 2H₂O(l)

Sel seperti ini biasa di gunakan untuk sumber listrik pada pesawat luar angkasa. Berikut adalah penampang Sel Bahan Bakar :

Oleh : Hoirotun Nisak (15630028)

            Kimia – A