A. Pendahuluan
Kimia adalah salah satu ilmu yang dekat dengan manusia.
Namun kedekatan kimia dengan penerapannya pada kehidupan manusia kadang tidak
dirasakan oleh manusia karena yang manusia tahu hanyalah bagaimana menggunakan
alat, bukan bagaimana cara kerja alat tersebut ditinjau secara ilmiah. Salah
satu dari penerapan kimia pada kehidupan sehari-hari adalah sel elektrokimia.
Sel elektrokimia sendiri terbagi menjadi dua, yaitu sel volta dan sel
elektrolisis.
B. Sel Volta
Sel volta adalah sel elektrokimia dimana terjadi
reaksi reduksi oksidasi spontan sehingga menghasilkan listrik.
Sel volta
mempunyai susunan :
1.
Batang anoda yang berfungsi
sebagai kutub negatif dan tempat
berlangsungnya reaksi oksidasi.
2.
Batang katoda yang berfungsi
sebagai kutub positif dan tempat berlangsungnya reaksi reduksi.
3.
Jembatan garam adalah larutan
garam (NaNO3) yang berfungsi untuk menetralkan kelebihan anion dan
kelebihan kation dalam.
4.
Voltmeter, bukan hal yang wajib
namun amat berguna untuk mengukur jumlah listrik yang dihasilkan dari reaksi
redoks.
Prinsip kerja sel
volta adalah memindahkan elektron dari anode ke katode sehingga menghasilkan listrik. Pemindahan
elektron ini hanya terjadi bila syarat yang dipenuhi yaitu anode mempunyai
potensial standar(E0) yang lebih negative dibandingkan
dengan katodenya. Karena mempunyai potensial standar yang berbeda hal ini
menyebabkan sel volta mempunyai selisih antara potensial standar katode dengan
potensial standar anode. Hal ini disebut dengan potensial sel atau sering juga
disebut dengan gaya gerak listrik.
Susunan potensial standar
electrode disusun sesuai dengan deret volta :
Li K Ba Sr Ca Na Mg Al
Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pt Au
Pada Deret Volta, unsur logam dengan potensial elektrode lebih
negatif ditempatkan di bagian kiri, sedangkan unsur dengan potensial elektrode
yang lebih positif ditempatkan di bagian kanan.
Semakin ke kiri kedudukan suatu logam dalam deret tersebut, maka
1.
Logam semakin reaktif (semakin
mudah melepas elektron)
2.
Logam merupakan reduktor yang semakin kuat
(semakin mudah mengalami oksidasi)
Sebaliknya, semakin ke kanan kedudukan suatu logam dalam deret
tersebut, maka
1.
Logam semakin kurang reaktif
(semakin sulit melepas elektron)
2.
Logam merupakan oksidator yang semakin kuat
(semakin mudah mengalami reduksi)
C. Penerapan Sel Volta
Listrik merupakan kebutuhan pokok manusia masa kini dengan
perkembangan teknologi yang canggih.
Tentu saja apabila menggunakan langsung dari sumber listrik melalui
stopkontak dapat mengganggu portabilitas manusia zaman sekarang. Maka dari itu
digunakan sel volta yang dapat dirakit dalam ukuran yang mudah untuk
dipindahkan serta tidak perlu langsung dari sumber listrik melalui stopkontak.
Beberapa diantaranya adalah :
a)
Baterai Konvensional
·
Aki
ACCU(mulator) atau sering
disebut aki, adalah salah satu komponen utama dalam kendaraan bermotor, baik
mobil atau motor, semua memerlukan aki untuk dapat menghidupkan mesin mobil
(mencatu arus pada dinamo stater kendaraan). Aki mampu mengubah tenaga kimia
menjadi tenaga listrik. Di pasaran saat ini sangat beragam jumlah dan jenis aki
yang dapat ditemui.
Aki untuk mobil biasanya
mempunyai tegangan sebesar 12 Volt, sedangkan untuk motor ada tiga jenis yaitu,
dengan tegangan 12 Volt, 9 volt dan ada juga yang bertegangan 6 Volt. Selain
itu juga dapat ditemukan pula aki yang khusus untuk menyalakan tape atau radio
dengan tegangan juga yang dapat diatur dengan rentang 3, 6, 9, dan 12 Volt.
Tentu saja aki jenis ini dapat dimuati kembali (recharge) apabila muatannya
telah berkurang atau habis.
Dikenal dua jenis elemen
yang merupakan sumber arus searah (DC) dari proses kimiawi, yaitu elemen primer
dan elemen sekunder. Elemen primer terdiri dan elemen basah dan elemen kering.
Reaksi kimia pada elemen primer yang menyebabkan elektron mengalir dari
elektroda negatif (katoda) ke elektroda positif (anoda) tidak dapat dibalik
arahnya. Maka jika muatannya habis, maka elemen primer tidak dapat dimuati
kembali dan memerlukan penggantian bahan pereaksinya (elemen kering). Sehingga
dilihat dari sisi ekonomis elemen primer dapat dikatakan cukup boros. Contoh
elemen primer adalah batu baterai (dry cells).
Allesandro Volta, seorang
ilmuwan fisika mengetahui, gaya gerak listrik (ggl) dapat dibangkitkan dua
logam yang berbeda dan dipisahkan larutan elektrolit. Volta mendapatkan
pasangan logam tembaga (Cu) dan seng (Zn) dapat membangkitkan ggl yang lebih
besar dibandingkan pasangan logam lainnya (kelak disebut elemen Volta).
Hal ini menjadi prinsip
dasar bagi pembuatan dan penggunaan elemen sekunder. Elemen sekunder harus
diberi muatan terlebih dahulu sebelum digunakan, yaitu dengan cara mengalirkan
arus listrik melaluinya (secara umum dikenal dengan istilah 'disetrum'). Akan
tetapi, tidak seperti elemen primer, elemen sekunder dapat dimuati kembali
berulang kali.
Elemen sekunder ini lebih
dikenal dengan aki. Dalam sebuah aki berlangsung proses elektrokimia yang
reversibel (bolak-balik) dengan efisiensi yang tinggi. Yang dimaksud dengan
proses elektrokimia reversibel yaitu di dalam aki saat dipakai berlangsung
proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (discharging). Sedangkan saat
diisi atau dimuati, terjadi proses tenaga listrik menjadi tenaga kimia
(charging).
Jenis aki yang umum
digunakan adalah accumulator timbal. Secara fisik aki ini terdiri dari dua
kumpulan pelat yang yang dimasukkan pada larutan asam sulfat encer (H2S04).
Larutan elektrolit itu ditempatkan pada wadah atau bejana aki yang terbuat dari
bahan ebonit atau gelas. Kedua belah pelat terbuat dari timbal (Pb), dan ketika
pertama kali dimuati maka akan terbentuk lapisan timbal dioksida (Pb02) pada
pelat positif.
Letak pelat positif dan
negatif sangat berdekatan tetapi dibuat untuk tidak saling menyentuh dengan
adanya lapisan pemisah yang berfungsi sebagai isolator (bahan penyekat). Proses
kimia yang terjadi pada aki dapat dibagi menjadi dua bagian penting, yaitu
selama digunakan dan dimuati kembali atau 'disetrum'.
Reaksi kimia
Pada saat aki digunakan,
tiap molekul asam sulfat (H2SO4) pecah menjadi dua ion
hidrogen yang bermuatan positif (2H+) dan ion sulfat yang bermuatan
negatif (SO4-). Tiap ion SO4 yang berada dekat lempeng Pb
akan bersatu dengan satu atom timbal murni (Pb) menjadi timbal sulfat (PbSO4)
sambil melepaskan dua elektron. Sedang sepasang ion hidrogen tadi akan ditarik
lempeng timbal dioksida (PbO2), mengambil dua elektron dan bersatu
dengan satu atom oksigen membentuk molekul air (H2O).
Dari proses ini terjadi
pengambilan elektron dari timbal dioksida (sehingga menjadi positif) dan memberikan
elektron itu pada timbal murni (sehingga menjadi negatif), yang mengakibatkan
adanya beda potensial listrik di antara dua kutub tersebut. Proses tersebut
terjadi secara simultan, reaksi secara kimia dinyatakan sebagai berikut :
PbO2 + Pb + 2H2SO4
-----> 2PbSO4+ 2H2O
Di atas ditunjukkan
terbentuknya timbal sulfat selama penggunaan). Keadaan ini akan mengurangi
reaktivitas dari cairan elektrolit karena asamnya menjadi lemah (encer),
sehingga tahanan antara kutub sangat lemah untuk pemakaian praktis.
Sementara proses kimia
selama pengisian aki (charging) terjadi setelah aki melemah (tidak dapat
memasok arus listrik pada saat kendaraan hendak dihidupkan). Kondisi aki dapat
dikembalikan pada keadaan semula dengan memberikan arus listrik yang arahnya
berlawanan dengan arus yang terjadi saat discharging. Pada proses ini, tiap
molekul air terurai dan tiap pasang ion hidrogen yang dekat dengan lempeng
negatif bersatu dengan ion S04 pada lempeng negatif membentuk molekul asam
sulfat. Sedangkan ion oksigen yang bebas bersatu dengan tiap atom Pb pada
lempeng positif membentuk Pb02. Reaksi kimia yang terjadi adalah :
2PbSO4 + 2H2O
----> PbO2 + Pb + 2H2SO2
Aki kendaraan
Besar ggl yang dihasilkan
satu sel aki adalah 2 Volt. Sebuah aki mobil terdiri dari enam buah aki yang
disusun secara seri, sehingga ggl totalnya adalah 12 Volt. Accu mencatu arus
untuk menyalakan mesin (motor dan mobil dengan menghidupkan dinamo stater) dan
komponen listrik lain dalam mobil. Pada saat mobil berjalan aki dimuati (diisi)
kembali sebuah dinamo (disebut dinamo jalan) yang dijalankan dari putaran mesin
mobil atau motor.
Pada aki kendaraan bermotor
arus yang terdapat di dalamnya dinamakan dengan kapasitas aki yang disebut
Ampere-Hour/AH (Ampere-jam). Contohnya untuk aki dengan kapasitas arus 45 AH,
maka aki tersebut dapat mencatu arus 45 Ampere selama 1 jam atau 1 Ampere
selama 45 jam.Penulis sempat melakukan penelitian untuk mengetahui
karakteristik aki dan hasilnya telah diseminarkan beberapa waktu yang lalu.
Penelitian tersebut dilakukan baik saat aki sedang di discharging maupun saat
charging. Metodenya adalah dengan mengukur tegangan jepit (Volt) antara kedua
kutub dari aki yang dibandingkan per satuan waktu (30 menit). Penelitian
tersebut dilakukan untuk aki 12 Volt, 9 Volt dan 6 Volt (meliputi aki mobil dan
motor).
Pengamatan ini dilakukan
selama kurang lebih lima sampai enam jam untuk tiap jenis aki, dan hasilnya
antara tegangan jepit diplot terhadap perubahan waktu. Ternyata aki yang
kutubnya terbuat dari timbal dan timbal peroksida dan dicelupkan dalam cairan
asam sulfat (yang banyak dipakai) cukup baik hasilnya dalam mempertahankan beda
potensial. Karena itu kedua kutub aki timbal dan timbal peroksida mampu
mempertahankan perbedaan potensial antara kedua kutub secara stabil, sekalipun
arus yang melalui rangkaian cukup besar.
Menghemat aki
Bila mana aki yang setelah
kurang lebih satu tahun kita pakai mulai rewel alias 'zwak', ada beberapa tips
yang dapat dicoba untuk lebih memperlama umur aki, mengingat harganya cukup
mahal.
Sebelum 'disetrum' ulang, buang seluruh
cairan asam sulfat yang tersisa dalam aki. Lalu dibilas dengan air murni
sebanyak empat kali, dan isi dengan cairan accu zuur. Setelah itu dapat
'disetrum'. Pada pemakaian normal, aki dapat bertahan selama satu sampai tiga
bulan.
Atau dapat juga setelah mobil atau motor
diparkir, lepaskan salah satu kabel pada kutub positif aki, sehingga pada aki
tak ada arus yang benar-benar mengalir. Dan sebaiknya jangan menyalakan
perlengkapan yang memerlukan arus (radio atau tape) saat mobil sedang tidak
dijalankan.
Dan sebelum terjadi dua hal di atas,
perawatan dan pengecekan terhadap tinggi permukaan air aki harus diperhatikan.
Dan selain itu juga massa jenis air aki juga harus diukur dengan hidrometer
secara berkala.
Bila ternyata ketiga cara
di atas tidak maksimal, mungkin sudah saatnya kita perlu membeli aki baru. Kita
juga harus ingat, semua barang memiliki umur ekonomis, artinya setelah jangka
waktu tertentu digunakan, barang tersebut secara perlahan-lahan akan berkurang
kemampuannya dan rusak.
·
Baterai kering (Sel Leclanche)
Proses kimia yang menghasilkan listrik dalam selLeclanché
dimulai ketika atom seng pada permukaanmengoksidasi anoda, yaitu mereka
melepaskan keduaelektron mereka untuk menjadi ion bermuatan positif.Karena ion
seng menjauh dari anoda, meninggalkanelektron mereka pada permukaannya, anoda
menjadisemakin bermuatan negatif dari katoda. Ketika selterhubung dalam sebuah
sirkuit listrik eksternal, elektronyang berlebih pada anoda seng mengalir melalui
sirkuit kebatang karbon. Gerakan elektron tersebut membentuksebuah arus
listrik.
Ketika elektron memasuki batang, mereka bergabungdengan
mangan dioksida dan air, yang bereaksi satu samalain untuk memproduksi oksida
mangan dan ion hidroksidabermuatan negatif. Hal ini disertai dengan reaksi
sekunderdi mana ion hidroksida bereaksi negatif dengan ionamonium positif dalam
elektrolit amonium klorida untukmenghasilkan molekul amonia dan air.
Susunan sel kering dan reaksi pada elektrode :
Anode : Logam seng (Zn) yang
dipakai sebagai wadah.
Katode : Batang karbon (tidak aktif).
Elektrolit : Campuran berupa pasta yang terdiri dari MnO2,NH4Cl, dan sedikit air.
Reaksi:
Anode : Zn(s) --->Zn2+(aq) + 2 e–
Katode :2 MnO2(s) + 2 NH4+(aq) + 2 e–--->Mn2O3(s) + 2 NH3(g) + H2O(l)
Katode : Batang karbon (tidak aktif).
Elektrolit : Campuran berupa pasta yang terdiri dari MnO2,NH4Cl, dan sedikit air.
Reaksi:
Anode : Zn(s) --->Zn2+(aq) + 2 e–
Katode :2 MnO2(s) + 2 NH4+(aq) + 2 e–--->Mn2O3(s) + 2 NH3(g) + H2O(l)
·
Baterai Alkaline
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.
Anode : Logam seng (Zn)
yang sama seperti baterai biasa digunakan sebagai wadah.
Katode : Oksida mangan (MnO2 ).
Elektrolit : Kalium hidroksida (KOH).
Reaksi:
Anode : Zn(s)---> Zn2+(aq) + 2 e–
Katode : 2 MnO2+ H2O + 2 e–--->Mn2O3 + 2 OH–
Ion Zn2+ bereaksi dengan OH– membentuk Zn(OH) .
Katode : Oksida mangan (MnO2 ).
Elektrolit : Kalium hidroksida (KOH).
Reaksi:
Anode : Zn(s)---> Zn2+(aq) + 2 e–
Katode : 2 MnO2+ H2O + 2 e–--->Mn2O3 + 2 OH–
Ion Zn2+ bereaksi dengan OH– membentuk Zn(OH) .
·
Baterai Nikel-Kadmium
Baterai Nikel - Kadmium
digunakan sebagai baterai dalam berbagai peralatan luar angkasa sejak tahun
1970-an. Misalnya pada satelit dan beberapa peralatan luar angkasa. Umumnya
peralatan tersebut didesain sedemikian rupa sehingga dapat menghemat pemakaian
ruangan dalam pesawat.
Baterai ini menggunakan
nikel oksida sebagai elektode positif (katode), senyawa cadmium sebagai
electrode negative (anode), dan larutan KOH sebagai elektrolit. Baterai nikel
cadmium ini dapat diisi ulang dan bertahan 10-20 tahun di luar angkasa. Saat
sedang digunakan, baterai tersebut mengubah energy kimia menjadi energy listrik
dan sebaliknya, mengubah energy listrik menjadi energy kimia saat sedang diisi.
Nickel Cadmium, alias
NiCad, merupakan batere isi ulang pertama dan yang paling murah sehingga banyak
dipakai di mainan anak-anak dan berbagai gadget. Pengisian ulang dayanya
relatif cepat, tetapi memiliki efek memori. Jika dayanya belum habis saat Anda
melakukan isi ulang akan terbentuk kristal-kristal besar yang membatasi daya
yang disediakan di kali berikutnya. Selain itu kendati tidak dipakai, batere
akan kehabisan seluruh dayanya setelah sekitar 90 hari.
Baterai nikel-kadmium
merupakan baterai kering yang dapat diisi ulang. Sel ini biasanya disebut nicad
atau bateray nickel-cadmium. Reaksi yang terjadi pada baterai nikel-kadmium
adalah:
Cd(s) + 2OH-(aq) →
Cd(OH)2(s) + 2e- (anoda)
NiO2(s) + 2H2O + 2e- →
Ni(OH)2(s) + 2OH-(aq) (katoda)
Reaksi keseluruhan adalah:
Cd(s) + NiO(aq) + 2H2O(l) →
Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s)
Baterai nikel-kadmium
merupakan zat padat yang melekat pada kedua elektrodenya. Baterai nikel-kadmium
memiliki tegangan sekitar 1,4V. Dengan membalik arah aliran elektron, zat-zat
tersebut dapat diubah kembali seperti zat semula.
NiCad / NiCd (Nickel
Cadium)
Baterai Nickel Cadmium
(NiCad) yang diproduksi pertama kali tahun 1946, merupakan baterai yang dibuat
dari campuran Nikel dan Cadmium. Keunggulannya adalah ringan, lebih awet,
charging efisien, dan hambatan internal yang kecil sehingga tegangannya stabil.
Tegangan baterai NiCad adalah 1,2 Volt, dengan kecepatan penurunan energi 10%
per bulan. Dalam penggunaan sehari-hari, baterai NiCad ini bisa diadu dengan
baterai alkalin. Kekurangan baterai NiCad adalah biaya pembuatannya mahal,
kapasitas berkurang jika tidak baterai dikosongkan (memory effect), dan tidak
ramah lingkungan (beracun).
·
Baterai Perak Oksida
Bentuk baterai ini kecil
seperti kancing baju biasa digunakan untuk baterai arloji,kalkulator, dan alat
elektronik lainnya. Anoda yang digunakan adalah seng,katodanya adalah perak
oksida dan elektrolitnya adalah KOH. Reaksi yang terjadi:
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)2
Potensial sel yang dihasilkan sebesar 1,5 volt.
Katoda NiO2 (+) : NiO2 + 2H2O + 2e– → Ni(OH)2 + 2OH–
Reaksi total : Cd + NiO2 + 2H2O → Cd(OH)2 + Ni(OH)2
Potensial sel yang dihasilkan sebesar 1,5 volt.
b)
Baterai Kinerja Tinggi
·
Baterai Nikel-Metal Hidrida
(Ni-MH)
Baterai nikel metal hidrida
sebenarnya memiliki karakteristik yang sama dengan baterai nikel kadmium.
Perbedaannya terletak pada penggunaan material untuk anodanya. Bila pada
baterai nikel kadmium, kadmium digunakan sebagai anoda, maka pada baterai jenis
ini metal hidrida yang digunakan. Metal hidrida terbuat dari campuran
lanthanium yang dapat menyerap dan menghasilkan hidrogen. Baterai jenis ini
memiliki kerapatan energi dua kali lebih besar dibandingkan dengan baterai
jenis asam timbal dan 40 % lebih tinggi dibandingkan dengan baterai nikel
kadmium.
Keuntungan penggunaan
baterai jenis nikel metal hidrida diantaranya adalah rendahnya impedansi internal,
memiliki siklus hidup sebesar 500 siklus, dan memiliki kedalaman pelepasan
energi listrik yang tinggi. Selain itu baterai ini juga cenderung lebih ramah
lingkungan karena tidak mengandung kadmium, raksa maupun timbal. Adapun
kekurangan baterai nikel metal hidrida yang paling menonjol yaitu tingginya
kecepatan pelepasan muatan sendiri (self-discharge), adanya efek ingatan dan
memiliki efisiensi energi yang cukup rendah (65 %). Selain itu baterai ini
tidak dapat disimpan karena jika tidak digunakan baterai ini akan kehilangan 5
% energi perhari.
Anoda :
Ni(OH)2 + OH-
NiOOH + H2O
+e-
katoda : M + H2O +e- MH +OH-
Sel : Ni(OH)2 + M NiOOH +MH
katoda : M + H2O +e- MH +OH-
Sel : Ni(OH)2 + M NiOOH +MH
·
Baterai Litium
Dewasa ini, hampir semua peralatan
elektronik portabel seperti telpon genggam, kamera, dan pemutar musik
menggunakan baterai lithium. Dibandingkan dengan baterai-baterai sebelumnya,
baterai lithium lebih ringan dan kapasitas penyimpanan listriknya yang lebih
tinggi.
Baterai lithium merupakan baterai yang menggunakan logam lithium atau paduan lithium sebagai elektroda negatif (anoda) dan material lain seperti mangan dioksida (MnO2), tionil klorida (SOCl2), sulfur dioksida (SO2), Li-I2, Li-Ag2CrO4, Li(CFx)n dsb sebagai elektroda positif. Lithium merupakan logam yang paling ringan, rasio elektron/massa paling besar dan potensial elektroda paling negatif sehingga baterai lithium mempunyai densitas energi yang tinggi dan tegangan yang tinggi. Selain itu proses dischargenya berlangsung stabil, suhu operasi yang luas, dan kinerja yang baik pada temperatur rendah serta waktu hidup yang panjang menjadikan baterai Lithium menjadi populer belakangan ini.
Baterai lithium merupakan baterai yang menggunakan logam lithium atau paduan lithium sebagai elektroda negatif (anoda) dan material lain seperti mangan dioksida (MnO2), tionil klorida (SOCl2), sulfur dioksida (SO2), Li-I2, Li-Ag2CrO4, Li(CFx)n dsb sebagai elektroda positif. Lithium merupakan logam yang paling ringan, rasio elektron/massa paling besar dan potensial elektroda paling negatif sehingga baterai lithium mempunyai densitas energi yang tinggi dan tegangan yang tinggi. Selain itu proses dischargenya berlangsung stabil, suhu operasi yang luas, dan kinerja yang baik pada temperatur rendah serta waktu hidup yang panjang menjadikan baterai Lithium menjadi populer belakangan ini.
·
Baterai Ion Litium
Kelemahan dari baterai
lithium adalah sifatnya yang reaktif terhadap air atau uap air. Akibatnya
perakitan baterai harus benar-benar bebas air. Elektrolit yang digunakan
biasanya adalah garam lithium yang dilarutkan dalam larutan organik polar.
Kelemahan ini diatasi dengan munculnya konsep baterai ion lithium dimana sebagai elektroda positif (katoda) tidak digunakan logam lithium akan tetapi menggunakan oksida logam lithium seperti LixCoO2, LiNiO2, dan LiMnO4. Sebagai elektroda negatif (anoda) digunakan material karbon (LixC6). Polimer ion lithium pada prinsipnya sama dengan baterai ion lithium. Perbedaannya adalah penggunaan polimer padat sebagai elektrolit, sedangkan pada baterai ion lithium menggunakan liquid atau gel elektrolit. Penggunaan elektrolit polimer mempunyai kelebihan dalam hal kemudahan dalam proses pabrikasi, fleksibel, ringan, elastik dan transparan.
Kelemahan ini diatasi dengan munculnya konsep baterai ion lithium dimana sebagai elektroda positif (katoda) tidak digunakan logam lithium akan tetapi menggunakan oksida logam lithium seperti LixCoO2, LiNiO2, dan LiMnO4. Sebagai elektroda negatif (anoda) digunakan material karbon (LixC6). Polimer ion lithium pada prinsipnya sama dengan baterai ion lithium. Perbedaannya adalah penggunaan polimer padat sebagai elektrolit, sedangkan pada baterai ion lithium menggunakan liquid atau gel elektrolit. Penggunaan elektrolit polimer mempunyai kelebihan dalam hal kemudahan dalam proses pabrikasi, fleksibel, ringan, elastik dan transparan.
Reaksi pada Baterai Ion
Litium :
Sel
: Li1-x Mn2O4 + CnLix
LiMn2O4
+ Cn
Untuk tipe kabolt anoda Li1-xCoO2
dan katoda grafit.
Sel : Li1-xCoO2
+ CnLix
LiCoO2 + Cn
c)
Sel bahan bakar
Tahun 1752 Benjamin Franklin menemukan
konsep arus listrik
Faraday mengembangkan motor elektrik
tahun 1821
Dan abad ini elektronlah yang akan
mengantar manusia keliling dunia…
Salah satu proyek masa depan dalam
dunia transportasi adalah penggunaan mobil listrik menggantikan kendaraan yang
berbahan bakar minyak bumi. Mobil listrik menjadi sangat fenomenal karena
sumber energi yang lebih terjamin dibanding minyak bumi serta isu lingkungan
yang menyebutkan bahwa pembakaran minyak bumi lebih banyak menghasilkan emisi.
Sebelum melaju ke konsep mobil listrik maka yang menjadi tantangan adalah
darimana sumber energi mobil ini? Ada beberapa konsep yang ditawarkan yaitu
melalui penggunaan baterai dan fuel cell. Penggunaan baterai yang dapat diisi
ulang adalah salah satu alternatif sumber energi untuk mobil listrik namun
kendalanya adalah modus pengisian baterai yaitu diperlukan catu daya dan waktu
pengisian ulang baterai. Untuk kebutuhan mobilitas yang cepat maka mengisi
ulang baterai harus dilakukan dalam waktu yang singkat sama seperti saat
manusia hendak mengisi bahan bakar minyak di SPBU sedangkan pengisian ulang
baterai untuk daya yang besar bisa membutuhkan waktu berjam-jam. Tantangan
inilah yang bisa dijawab oleh fuel cell.
Apa itu fuel cell? Fuel cell pada
dasarnya mirip dengan baterai yaitu sumber daya yang menggunakan reaksi kimia
untuk menghasilkan arus listrik. Perbedaannya terletak pada sumber energi yang
didapat, jika baterai memanfaatkan reaksi kimia dan membutuhkan pengisian daya
untuk mendapatkan arus listrik maka fuel cell tidak membutuhkan pengisian daya
melainkan pengisian bahan bakar. Jadi fuel cell memanfaatkan bahan bakar untuk
direaksikan secara elektrolisis untuk menghasilkan elektron dan mengalirkan
arus listrik. Salah satu bahan bakar yang sering digunakan untuk fuel cell
adalah hidrogen.
Bagaimana cara kerja fuel cell? Mari
kita lihat diagram berikut:
Cara Kerja Fuel Cell
Keterangan gambar:
1. Anoda
2.Membran Cell
3.Arus listrik
4.Katoda
5. Vent
Dari gambar diatas gas hidrogen masuk
dari sisi kiri atau bisa disebut anoda (tempat terjadinya reaksi
oksidasi/pelepasan elektron) dan oksigen masuk di sisi kanan atau bisa disebut
katoda (tempat terjadinya reaksi reduksi/penangkapan elektron) maka terjadilah
reaksi berikut:
Anoda: H2 —-> 2elektron + 2H+
Katoda: 1/2O2 + 2elektron + 2H+ —>
H2O
Masing-masing reaksi memiliki jumlah
elektron (kutub negatif) dan proton (kutub positif) yang sama, gas hidrogen
mengalami reaksi oksidasi atau melepaskan elektron sedangkan gas oksigen
mengalami reaksi reduksi atau menerima elektron namun melalui mekanisme yang
berbeda. Ion positif atau proton (2H+) masuk melalui membran dalam fuel cell
(dalam gambar berwarna biru di tengah atau daerah nomer 2) namun membran ini
bersifat selektif yaitu tidak bisa dilewati ion negatif atau elektron sehingga
elektron harus melalui jalur lain yang dihubungkan menuju katoda yaitu jalur
nomer 3. Pergerakan elektron inilah yang akhirnya menghasilkan arus listrik,
jika kita ingat pelajaran dasar fisika bahwa arus listrik adalah arus yang
mengandung muatan elektron. Maka gambar diatas menunjukkan arus elektron mampu
mengubah energi listrik menjadi energi cahaya dan menyalakan lampu. Sedangkan
di katoda elektron akan kembali bertemu proton untuk kemudian membentuk senyawa
uap air karena adanya oksigen. Bisa dikatakan emisi untuk fuel cell berbahan
bakar hidrogen ini hanyalah uap air bukan karbon dioksida seperti pembakaran
pada umumnya.
Tantangan saat ini untuk penggunaan
fuel cell adalah ketersediaan bahan bakar dan infrastruktur penyediaan gas
hidrogen. Gas hidrogen pada umumnya dihasilkan dari reaksi oksidasi parsial gas
alam atau methana, sedangkan methana sendiri banyak dibutuhkan untuk keperluan
bahan bakar PLTU,pabrik amonia,dan petrokimia jadi diperlukan sumber bahan baku
alternatif untuk menghasilkan gas hidrogen selain dari methana. Infrastruktur
pengisian bahan bakar hidrogen dan tangki penyimpanannya juga masih menjadi
masalah besar mengingat sifat gas hidrogen sangat mudah terbakar (flammable)
dan membutuhkan tekanan tinggi untuk disimpan dalam bentuk gas (minimal 5000
psi). Dalam hal ini isu safety masih terus dipelajari supaya tidak terulang kejadian
Hindenburg Disaster yaitu terbakarnya balon udara berbahan bakar hidrogen di
New Jersey, Amerika Serikat akibat kebocoran tabung penyimpan gas hidrogen.
D. Sel Elektrolisis
Sel
elektolisis merupakan jenis sel elektrokimia selain sel volta. Yang membedakan
antara sel elektrolisis dengan sel volta adalah jika pada sel volta reaksi
kimia menghasilkan listrik maka pada sel elektrolisis untuk terjadi suatu
reaksi redoks diperlukan listrik.
Sel
elektrolisis mempunyai susunan :
1. Elektrode
yang terdiri atas anode sebagai kutub positif dan tempat terjadinya reaksi
oksidasi dan katode sebagai kutub negative dan tempat terjadinya reaksi
reduksi.
2.
Catu daya untuk dialirkan pada elektrode sehingga terjadi reaksi kimia.
Perbedaan lain dari sel elektrode dan sel volta dilihat dari
susunannya adalah peranan anode dan katode berbeda.
Elektrolisis berarti peruraian yang disebabkan oleh arus
listrik. Jika elektrolit merupakan
lelehan senyawa ion, maka kation akan direduksi di katode, sedangkan anion
dioksidasi di anode. Reaksi pada larutan elektrolit berlangsung lebih kompleks.
Hal ini dipengaruhi beberapa faktor :
1.
Reaksi-reaksi yang berkompetisi
pada tiap-tiap elektrode.
-
Spesi yang mengalami reduksi di
katode adalah yang mempunyai potensial reduksi yang lebih positif
-
Spesi yang mengalami oksidasi
di anode adalah yang mempunyai potensial reduksi lebih lebih negatif.
2.
Jenis elektrode,ada 2 jenis
elektrode, yaitu elektrode inert dan elektrode non inert. Elektrode inert adalah elektrode yang tidak
terlibat dalam reaksi. Elektrode inert yang umum digunakan adalah platina dan
grafit.
3.
Potensial tambahan yang
diperlukan, sehingga suatu reaksi elektrolisis dapat berlangsung
(overpotensial).
Reaksi
pada sel elektrolisis terjadi di anode dan katode yang dijabarkan berikut :
Reaksi pada Katoda ( Reduksi Kation)
1.Bila kation dari golongan Alkali/ IA
(Li+, Na+, K+), Alkali tanah/ IIA (Mg2+,
Ca2+, Sr2+, Ba2+), Al3+ atau Mn2+
maka kation tersebut tidak direduksi namun air (H2O) yang direduksi. hal ini
karena E°red H2O lebih besar dari ion-ion teraebut. Reaksi yang terjadi :
2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq)
2. H+ dari suatu asam akan
direduksi menjadi gas hidrogen (H2). Reaksi yang terjadi :
2H+(aq) + 2e- → H2(g)
3. Ion-ion logam lainnya yang tidak
termasuk kelompok di atas direduksi lalu mengendap pada katoda.
Ni2+(aq) + 2e- → Ni(s)Cu2+(aq)
+ 2e- → Cu(aq)
Ag+(aq) + e- → Ag(s)
4. Ion-ion lelehan atau leburan dari
golongan alkali dan alkali tanah direduksi lalu mengendap pada katoda (karena lelehan/leburan
tidak mengandung air).
Li+(aq) + e- →
Li(s)
Ca2+(aq) + 2e- →
Ca(s)
Reaksi pada Anoda (Oksidasi Anion)
1. Bila elektrodanya non inert (
Ni, Cu, Ag dll) maka elektrodanya yang dioksidasi. contoh reaksinya :
Ni(s) → Ni2+(aq) + 2e-
Cu(aq) → Cu2+(aq) + 2e-
Ag(s) → Ag+(aq) + e-
2. Bila elektrodanya inert ( C, Pt atau
Au) maka elektrodanya tidak bereaksi dan bila anionnya :
a. Ion OH- dari basa maka
reaksi yang terjadi :
4OH-(aq) → 2H2O(aq) + O2(g)
+ 4e-
b. Ion sisa asam yang mengandung oksigen
(SO42-, NO3-, PO43-
dll) tidak dioksidasi namun air (H2O) yang dioksidasi. karena E°oks H2O lebih
besar dari sisa asam yang mengandung oksigen. Reaksi yang terjadi :
2H2O(aq) → 4H+(aq) + O2(g) +
4e-
c. ion sisa asam yang tidak mengandung
oksigen (Cl- , Br- , I- dll) akan dioksidasi.
2Cl-(s) → Cl2(g) + 2e-
2Br-(s) → Br2(g) + 2e-
Dalam proses penggunaan sel
elektrolisis digunakan arus listrik. Untuk itu maka digunakan Hukum Faraday I
dan Hukum Faraday II yang dirumuskan oleh Faraday sebagai berikut
Hukum I Faraday: massa
zat yang dibebaskan pada elektrolisis (G) berbanding lurus dengan jumlah
listrik yang digunakan (Q).
G=Q
Jumlah muatan listrik (Q) sama dengan hasil kali dari kuat
arus (i) dengan waktu (t)
Q = i . t (coulomb)
Jadi persamaan di atas dapat dituliskan sebagai berikut:
G = it
Hukum II Faraday : “massa
zat yang dibebaskan pada elektrolisis (G) berbanding lurus dengan massa
ekivalen zat itu (ME)”.
G = ME
Massa ekivalen dari unsur-unsur logam sama dengan massa atom
relatif (Ar) di bagi dengan perubahan bilangan oksidasinya (pbo)
ME= Ar/pbo
E. Penerapan Sel
Elektrolisis
Dalam keseharian sel elektrolisis digunakan pada hal-hal berikut :
1. Elektroplatting
Elektroplatting adalah
aplikasi elektrolisis pada pelapisan suatu logam atas logam yang lain. Teknik
ini bisa dipakai untuk memperbaiki penampakan dan daya tahan suatu logam.
Contohnya, suatu lapisan tipis logam chromium pada bemper baja mobil untuk membuatnya
menarik dan melindunginya dari karat. Pelapisan emas dan perak dilakukan pada
barang-barang perhiasan yang berasal dari bahan-bahan logam yang murah.
Berbagai lapisan-lapisan tipis logam tersebut ketebalannya berkisar antara 0,03
s/d 0,05 mm.
2. Pembuatan Aluminium
Bauksit adalah biji
aluminium yang mengandung Al2O3-. Untuk
mendapatkan aluminium, bijih tersebut dimurnikan dan Al2O3
nya dilarutkan dan didisosiasikan dalam larutan elektrolit ‚eryolite’. Pada
katoda, ion-ion aluminium direduksi menghasilkan logam yang terbentuk sebagai
lapisan tipis dibagian bawah wadah elektrolit. Pada anoda yang terbuat dari
karbon, ion oksida teroksidasi menghasilkan O2 bebas.
Reaksinya adalah :
Al3+
+ 3e- → Al(l) (katoda)
2O2-
→ O2(g) + 4 e- (anoda)
4Al3+
+ 6O2- → 4Al(l) + 3O2(g) (total)
3. Pembuatan Magnesium
Sumber utama magnesium
adalah air laut. Mg2+ mempunyai kelimpahan terbesar ketiga dalam
laut, kalahannya oleh ion natrium dan ion klorida. Untuk memperoleh magnesium,
Mg(OH)2 diendapkan dari air laut. Pemisahan itu dilakukan dengan
cara filtrasi dan lalu dilarutkan dalam asam hidroklorit.
Mg(OH)2 + 2HCl →
MgCl2 + 2H2O
Larutan MgCl2
diuapkan dan menghasilkan MgCl2 padat yang lalu dilelehkan dan
akhirnya dielektrolisa. Magnesium bebas akan diendapkan pada katoda dan gas klorin
dihasilkan pada anoda.
MgCl2(l) → Mg(l)
+ Cl2(g)
4. Penyulingan Tembaga
Salah satu elektrolisis
yang paling menarik adalah pemurnian atau penyulingan logam tembaga. Tembaga
dapat dimbil dari bijinya, dengan cara ini sampai ke tingkat kemurnian 99%. Pengotornya
sebagian besar adalah perak, emas, platina, besi dan seng menurunkan
konduktivitas listrik tembaga secara drastis sehingga harus disuling ulang
sebelum dipakai sebagai kawat atau kabel.
Tembaga tidak murni dipakai
sebagai elektroda sebagai anoda pada sel elektrolisis yang mengandung larutan
tembaga sulfat dan asam sulfat (sebagai elektrolit). Katoda pada sistem ini
adalah tembaga dengan kemurnian tinggi. Jika selnya dijalankan pada tegangan
yang diperlukan, hanya tembaga dan pengotornya yang lebih mudah teroksidasi
daripada tembaga, seng dan besi yang larut disekitar anoda. Logam-logam yang
kurang aktif akan runtuh dan mengendap dibagian dasar wadah. Pada katoda, ion
tembaga direduksi tetapi ion seng dan ion besi tertinggal dilarutan karena lebih
sukar tereduksi dari pada tembaga. Secara pelan-pelan tembaga anoda terlarut
dan tembaga katoda makin tumbuh. Suatu saat tembaga akan mempunyai kemurnian
99,95%!
Kotoran yang terkumpul
dibagian bawah biasanya disebut sebgai anoda, dapat dipindahkan secara periodik
dan nilai perak, emas dan platina dapat pula dihitung untuk memperoleh total
efisiensi pelaksanaan proses penyulingan.
5.
Elektrolisis Brine
Brine (=’air asin’) adalah
larutan natrium klorida jenuh. Pada katoda, air lebih mudah direduksi daripada
ion natrium dan gas H2 akan terbentuk. Reaksi :
2e- + 2H2O
→ H2(g) + 2OH-(aq)
Walaupun air lebih mudah
teroksidasi daripada ion klorida, namun seperti telah disebut bahwa ada
faktor-faktor yang kompleks yang mempengaruhi sehingga yang teroksidasi adalah
ion klorida.
6.
Produksi Zat
Elektrolisis berperan penting dalam industri manufaktur
danpemurnian zat kimia. Beberapa zat kimia yang dapat diperoleh dengan proses
elektrolisis adalah natrium, kalsium, magnesium, aluminium, tembaga, seng,
perak, hidrogen, klor, fluor, natrium hidroksida, kalium dikromat, dan kalium
permanganat.
Salah satu proses
elektrolisis yang penting untuk keperluan komersial adalah elektrolisis larutan
natrium klorida. Proses elektrolisis larutan natrium klorida disebut proses
klor-alkali. Elektrolisis larutan NaCl menghasilkan natrium hidroksida di
katode dan gas klor di anode. Reaksi secara keseluruhan sebagai berikut.
2 Na+(aq) + 2 Cl–(aq) à 2 Na+(aq)
+ 2OH–(aq) + H2(g) + Cl2(g)
Permasalahan yang muncul pada proses klor-alkali adalah
bagaimana menjaga agar gas klor yang terbentuk tidak kontak dengan larutan
NaOH. Dalam larutan alkali Cl2 akan terdispro-porsionasi
menghasilkan ClO– dan Cl–. Untuk mencegah hal tersebut,
maka ruang katode dan anode dipisahkan menggunakan sekat yang disebut sel
diafragma. Sel diafragma juga menjaga bercampurnya gas hydrogen dan gas klor,
karena kedua gas tersebut dapat menyebabkan terjadinya ledakan apabila
bercampur.
Sel diafragma terbuat dari suatu selaput berpori
yang dapat dilalui ion-ion, namun tetap dapat menahan percampuran larutan.
Anode pada sel diafragma dibuat khusus dari logam titanium. Diafragma dan
katode terdiri atas unit yang terbuat dari polimer asbes ditempatkan pada logam
berpori.
Ruang katode yang
dipisahkan oleh sel diafragma mengandung campuran NaOH (10-12%) dan NaCl
(14-16%). Larutan dari ruang katode tersebut dipekatkan dengan penguapan dan
pemurnian dengan pengkristalan natrium klorida. Hasil akhir dalam proses
klor-alkali ini adalah 50% NaOH(aq) dengan 1% NaCl sebagai pengotor. Klor yang
dihasilkan juga terdapat 1,5% O2(g) sebagai pengotor yang disebabkan proses
oksidasi.
Jika sebuah arus 1 A
dilewatkan melalui sel diafragma secara kontinu selam 24 jam, jumlah Cl2
yang diperoleh hanya 32 gram. Ini merupakan kecepatan produksi yang tidak
berarti untuk tujuan komersial. Jika sebuah sel menghasilkan 1 ton Cl2
per hari, maka diperlukan arus sekitar 31 A. Proses elektrolisis pada industry
klor-alkali memerlukan sekitar 0,5% dari seluruh daya listrik yang diproduksi
tiap tahun di Amerika Serikat.
Daftar
Pustaka
http://teknologi.kompasiana.com/terapan/2012/04/20/fuel-cell-sumber-energi-mobil-listrik-456766.html
Purba,
Michael.2007.Kimia 3A.Jakarta: Erlangga