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)