SOLID STATE ELECTROCHEMISTRY

This blog discuss all about battery, an electrochemical conversion technology. This topic provides in Indonesian. I hope my students will enjoy it better.

Baterei merupakan sel elektrokimia yang dapat mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik. Pertama kali dibuat oleh Alessandro Volta pada tahun 1800, karena itu sel baterei sering juga disebut sebagai sel Volta. Meskipun suatu penemuan arkeologi, yaitu yang disebut dengan baterei Bagdhad, karena ditemukan di Bagdhad, Irak, memberikan kemungkinan bahwa baterai pernah dibuat jauh sebelum masa Alessandro Volta. Perbaikan teknis yang dilakukan Daniell pada 1836, yaitu pada sel baterei yang kemudian disebut dengan Sel Daniell, kemudian menyebabkan produksi baterei meningkat sangat pesat karena menjadi sumber energi listrik pada berbagai peralatan rumah tangga.

Terdapat dua tipe sel baterei yang dikenal yaitu baterei primer dan baterei sekunder. Baterei primer merupakan sel baterei yang sekali pakai (disposable battery), sedangkan baterei sekunder merupakan sel baterei yang didesain untuk dapat diisi kembali (rechargeable battery).

Suatu baterei tersusun dari sejumlah sel Volta (bisa lebih dari satu sel Volta). Setiap sel Volta tersusun dari dua setengah sel, yaitu sel katodik dan sel anodik, yang terhubung secara seri oleh suatu elektrolit yang mengandung anion dan kation. Skema satu sel Volta dapat dilihat pada Gambar 1.

Dalam sel Volta terjadi reaksi redoks, reduksi-oksidasi, yaitu kation-kation mengalami reduksi pada katoda, sedangkan anion-anion mengalami oksidasi pada anoda. Kedua elektroda, yaitu katoda dan anoda tidak saling terhubung secara langsung, tetapi terhubung secara elektrik melalui larutan elektrolit. Suatu pemisah (separator) antara setengah sel dipasang untuk mencegah pencampuran elektrolit, tetapi pemisah tersebut masih bisa melewatkan ion-ion antar setengah sel.

Gambar 1. Skema dari suatu sel Volta

Berikut adalah beberapa contoh baterai primer, yaitu:

1. Baterai Seng-Karbon. Baterei ini tersusun atas kutub positif berupa batang karbon (carbon rod) yang dikelilingi oleh campuran mangan dioksida dan bubuk karbon. Sedangkan kutub negatifnya berupa lembaran logam seng, yang juga berfungsi sebagai wadah atau kontainer. Sedangkan yang digunakan sebagai elektrolit yaitu pasta dari seng klorida dan amonium klorida dalam pelarut air. Baterei Zink-Carbon ini merupakan baterei kering komersial yang pertama. Persamaan (4.1) berikut menguraikan reaksi kimia yang terjadi dalam baterei Seng-Karbon:

Anoda : Zn_(s) ® Zn²⁺_(aq)+ 2e

Katoda : 2MnO_2(s) + 2e + 2NH₄Cl_(aq)® Mn₂O_3(s) + 2NH_3(aq) + H₂O_(aq) + 2Cl^-

Cl^- bereaksi dengan Zn²⁺ membentuk ZnCl₂

Reaksi total : Zn_(s) + 2MnO_2(s) + 2NH₄Cl_(aq) ® Mn₂O_3(s) + Zn(NH₃)₂Cl_2(aq) + H₂O_(l)

2. Baterei Merkuri. Baterei ini disebut juga dengan merkuri oksida atau sel merkuri. Baterei ini menggunakan seng, Zn, yang akan membentuk amalgam dengan merkuri, sebagai anoda. Sedangkan katodanya yaitu baja (stainless steel cylinder). Elektrolit yang dipakai dalam baterei merkuri ini adalah merkuri(II)oksida, alkalin, natrium hidroksida atau kalium hidroksida. Potensial yang dihasilkan satu sel baterei merkuri yaitu 1,35 volt. Baterei ini memiliki umur simpan yang sangat lama yaitu 10 tahun. Reaksi sel yang terjadi dalam baterei merkuri duiraikan dalam persamaan (4.2)

Katoda (+) : HgO_(s) +H₂O_(l) +2e ® Hg_(l) + 2 OH^-_(aq)

Anoda (-) : Zn(Hg)_(s) + 2 OH^-_(aq) ® ZnO_(s) +H₂O_(l)+ 2e

Total : Zn(Hg)_(s) +HgO_(s) ® ZnO_(s) + Hg_(l) (4.2)

Karena komponen utama baterei ini adalah merkuri, maka penjualannya dilarang di beberapa negara. Antara lain di beberapa negara di Eropa, sejak 1991 telah dilarang peredaran baterei merkuri, karena kandungan merkurinya mencapai 25 mg. Sedangkan di negara bagian New Jersey, Amerika Serikat, pelarangan telah diberlakukan sejak 1992. Selanjutnya kemunculan baterei alkalin dan baterei perak oksida telah menjadi alternatif Katoda (+) : HgO_(s) +H₂O_(l) +2e ® Hg_(l) + 2 OH^-_(aq)

Anoda (-) : Zn(Hg)_(s) + 2 OH^-_(aq) ® ZnO_(s) +H₂O_(l)+ 2e

Total : Zn(Hg)_(s) +HgO_(s) ® ZnO_(s) + Hg_(l) (4.2)

Karena komponen utama baterei ini adalah merkuri, maka penjualannya dilarang di beberapa negara. Antara lain di beberapa negara di Eropa, sejak 1991 telah dilarang peredaran baterei merkuri, karena kandungan merkurinya mencapai 25 mg. Sedangkan di negara bagian New Jersey, Amerika Serikat, pelarangan telah diberlakukan sejak 1992. Selanjutnya kemunculan baterei alkalin dan baterei perak oksida telah menjadi alternatifKatoda (+) : HgO_(s) +H₂O_(l) +2e ® Hg_(l) + 2 OH^-_(aq)

Anoda (-) : Zn(Hg)_(s) + 2 OH^-_(aq) ® ZnO_(s) +H₂O_(l)+ 2e

Total : Zn(Hg)_(s) +HgO_(s) ® ZnO_(s) + Hg_(l) (4.2)

3. Baterei Alkalin. Baterei ini merupakan baterei primer yang kinerjanya tergantung pada reaksi antara seng dengan mangan (IV) oksida.

Anoda : Zn_(s) + 2OH^-_(aq) ® ZnO_(s) + H₂O_(l) + 2e

Katoda : 2MnO_2(s) + 2H₂O_(l) + 2e ® 2MnO(OH)_(s) + 2OH^-

Total : Zn_(s) + 2 MnO_2(aq) + 2H₂O_(l) ® Zn(OH)_2(s) + 2MnO(OH)_(s)

4. Baterai Litium. Terdapat dua tipe baterai litium yaitu baterai litium sekali pakai ( sel primer) dan baterai litium yang dapat diisi ulang (sel sekunder). Baterai litium sekali pakai yang paling umum adalah baterai litium-mangan dioksida. Baterai ini menggunakan batang logam Li sebagai anoda dan MnO₂ sebagai katoda. Elektrolit yang digunakan adalah garam litium terlarut dalam propilen karbonat dan dimethoxyetana.

Anoda : Li ®Li⁺ + e

Katoda : MnO₂ + Li⁺ + e ® MnO₂(Li⁺)

Total : Li + MnO₂ ® MnO₂(Li⁺)

Berikut adalah beberapa contoh dari sel Volta sekunder :

1. Baterai ion-litium. Baterai litium jenis ini banyak digunakan dalam perangkat elektronika dan komputer, seperti telepon genggam, laptop dan kamera digital. Baterai ini tidak menggunakan logam Li tetapi menggunakan ion Li⁺. Dalam baterai ini terjadi proses perpindahan ion Li⁺ dari elektroda satu ke elektroda yang lain melalui elektrolit. Ion litium bergerak dari anoda ke katoda saat digunakan, kemudian akan bergerak kembali dari katoda ke anoda saat dilakukan proses charging. Terdapat empat komponen utama yang berperan dalam baterai ion litium yaitu elektroda positif, biasanya kobalt oksida yang terinterkalasi Li⁺, elektroda negatif biasanya adalah grafit,elektrolit dan separator.

Katoda : Li⁺_(aq) + CoO_2(s) + e ® LiCoO_2(s)

Anoda : Li_(s) ® Li⁺_(aq) + e

Total : Li_(s) + CoO_2(s) ® LiCoO_2(s)

2. Baterai alkalin sekunder (re-chargeable alkaline battery). Komponen dalam baterai ini hampir sama dengan baterai mangan, yaitu Zn sebagai anoda, MnO₂ sebagai katoda dan KOH sebagai elektrolit, sehingga reaksinya berlangsung dalam suasana basa.

Katoda : 2MnO₂ + H₂O_(l) + 2e ® Mn₂O_3(s) + 2OH^-_(aq)

Anoda : Zn_(s) + 2OH^-_(aq) ® ZnO_(s) + H₂O_(l) + 2e

Total : 2MnO_2(s) + Zn_(s) ® Mn₂O_3(s) + ZnO_(s)

Sedangkan reaksi saat pengisian baterai adalah sebagai berikut :

Mn₂O_(s) + ZnO_(s) ® 2MnO_2(s) + Zn_(s)

3. Baterai timbal-asam (lead acid battery)

Baterai ini lebih dikenal dengan nama akumulator atau ‘accu’. Sel baterai ini terdiri dari elektroda Pb sebagai anoda dan PbO₂ sebagai katoda dan H₂SO₄ sebagai elektrolit. Pada saat pemakaian, elektroda Pb akan teroksidasi menjadi Pb²⁺, kemudian bereaksi dengan SO₄^2- dalam elektrolit untuk membentuk PbSO_4(s). Elektron-elektron yang dihasilkan dari anoda akan mengalir melalui kawat sirkuit eksternal menuju katoda PbO₂, kemudian mereduksi PbO₂ menjadi Pb²⁺ yang kemudian berikatan dengan SO₄^2- menjadiPbSO₄. Secara ringkas reaksi elektrokimia dalam sel baterai lead acid sbb:

Anoda : Pb_(s) ® Pb²⁺ + 2e

Pb²⁺_(aq) + SO₄^2-_(aq) ® PbSO_4(s)

Total anodik: Pb_(s) + SO₄^2-_(aq) ® PbSO_4(s)

Katoda : PbO_2(s) + 4H⁺_(aq) + 2e ® Pb²⁺_(aq) + 2 H₂O_(l)

Pb²⁺_(aq) + SO₄^2-_(aq) ® PbSO_4(s)

Total katodik: PbO_2(s) + 4H⁺_(aq)+ SO₄^2-_(aq) +2e ® PbSO_4(s) + 2H₂O_(l)

Reaksi sel total: Pb_(s) + PbO_2(s) + 2H₂SO_4(aq) ® 2PbSO_4(s) + 2H₂O_(l)

Sedangkan reaksi saat pengisian adalah sbb:

2PbSO_4(s) + 2H₂O_(l) ® Pb_(s) + PbO_2(s) + 2H₂SO_4(aq)

Voltase open circuit dari suatu baterei tergantung pada keadaan muatan dari reaktan dan produk yang terlibat dalam reaksi beterei tersebut. Misalnya dalam baterei Pb-PbSO₄ atau akumulator, yaitu baterei yang digunakan dalam kendaraan bermotor, anodanya merupakan logam Pb dan katodanya adalah oksida Pb dengan elektrolit berupa asam sulfat 6 M. Konsentrasi asam sulfat tersebut sangat pekat, sehingga menyebabkan akumulator tersebut sangat berbahaya.

Anoda : Pb + SO₄^2- à PbSO₄ + 2e E_a^o = -0,356 V

Katoda : PbO₂ + SO₄^2- + 4H⁺ + 2eà PbSO₄ + 2H₂O E_k^o = 1,685 V

Reaksi sel : Pb + 2H₂SO₄ + PbO₂ à 2PbSO₄ + 2H₂O E^o = 2,041 V

Sehingga tegangan open circuit, V_O, dari baterei Pb-PbSO₄ tersebut dinyatakan sbb:

Bagaimana menghitung tegangan suatu baterei? Misalnya kita mempunyai baterei yang tersusun dari dua logam yang berbeda, maka logam dengan potensial reduksi yang lebih positif akan menjadi katoda. Sebagai contoh apabila baterei tersebut tersusun dari logam seng dan besi, maka besi akan menjadi katoda, karena ion-ion seng memiliki potensial reduksi -0,76 V, sedangkan seng memiliki potensial standar reduksi -0,44 V. Karena seng memiliki potensial reduksi negatif, maka akan bertindak sebagai anoda baterei, berarti logam seng akan teroksidasi dan ion-ion besi akan tereduksi. Sehingga reaksi setengah sel dan reaksi total dari sel baterei tersebut adalah sebagai berikut:

Zn_(s) à Zn²⁺_(aq)⁺+ 2e E= +0,76 V (reaksi setengah sel oksidasi)

Fe³⁺_(aq) + 3e à Fe_(s) E= -0,036 V ( reaksi setengah sel reduksi)

Tegangan atau voltase sel adalah (+0,76 + (-0,036) V = + 0,724 V.