BEBERAPA SEL VOLTA KOMERSIAL ~ MATERI DAN SOAL IPA UNTUK SMA

REAKSI REDOKS DAN ELEKTROKIMIA

3. Beberapa Sel Volta Komersial
a. Aki
Aki adalah jenis baterai yang benyak digunakan untuk kendaraan bermotor. Aki menjadi pilihan yang praktis karena dapat menghasilkan listrik yang cukup besar dan dapat diisi kembali..
Sel aki terdiri atas anode Pb (timbal = timah hitam) dan katode PbO2 (timbal dioksida), keduanya merupakan zat padat, yang dicelupkan dalam larutan asam sulfat, sehingga tidak perlu memisahkan anode dan katode dan demikian tidak diperlukan jembatan garam. Tang perlu dijaga, jangan sampai kedua elektrode tersebut bersentuhan.

Reaksi pengosongan aki :

Anode : Pb (s) + HSO₄^- (aq) ----> PbSO₄(s) + H⁺ + 2e

Katode : PbO₂ + HSO₄^- (aq) + 2H⁺ ------> 2PbSO₄ (s) + 2H₂SO₄(l) +

Pb(s) + PbO₂(s) + 2HSO₄^-(aq) + 2H⁺(aq) ------> 2PbSO₄ (s) + 2H₂O (l)

Tiap sel aki mempunyai beda potensial kurang lebih 2 C : aki 12 V terdiri atas 6 sel yang dihubungkan dengan seri. Dua hal yang perlu diperhatikan dari reaksi pengosongan aki :

1). Anode dan katode berubah menjadi zat yang sama, yaitu PbSO4. Apabila permukaan dua elektrodda sudah ditutupi zat yang sama yaitu PbSO4, berarti tidak lagi terdapat selisih potensial, aki diisi kembali.

2). Selama reaksi pengosongan aki berlangsung, H2SO4 berkurang dan rapatan larutan berkurang. Dalam praktek, rapatan larutan digunakan sebagai patokan untuk pengisian kembali aki. Aki yang baru diisi , mengandung larutan dengan rapatan sekitar 1,25 sampai 1,30 g/mL. Apabila rapatan larutan turun sampai 1,20 g/mL, aki sudah perlu diisi kembali. Rapatan larutan dapat ditentukan dengan suatu alat yang disebut hidrometer.

Aki dapat diisi kembali karena hasil-hasil reaksi pengosongan aki tetap melekat pada kedua elektrode. Pengisian aki dilakukan dengan membalik arah aliran elektron pada kedua elektroda. Pada pengosongan aki, elektrode dihubungkan dengan kutub negatif sumber arus, sehingga PbSO4 yang terdapat pada elektrode Pb itu direduksi. Sementara itu, PbSO4 yang terdapat pada elektrode PbO2 mengalami oksidasi membentuk PbO2.

Reaksi pengisian aki adalah sebagai berikut:

Elektrode Pb ( sebagai katode ) :

PbSO₄ (s) + H⁺ (aq) + 2e Pb (s) + HSO₄^- (aq)

Elektrode PbO₂ (sebagai anode ) :

PbSO₄ (s) + 2H₂O (l) PbO₂ (s) + HSO₄^-(aq) + 3H⁺ (aq) + 2e +

2PbSO₄ (s) + 2H₂O (l) Pb (s) + PbO₂ (s) + 2HSO₄^- (aq) + 2H⁺ (aq)

b. Baterai Kering ( sel Leclanche)

Baterai kering ditemukan oleh Leclanche yang mendapatkan hak paten atas penemuan itu pada tahun 1866. Sel Leclanche terdiri atas suatu silender seng yang berisi pasta dari campuran batu kawi ( MnO2), salmiak (NH4Cl), karbon (C) dan sedikit air. seng berfungsi sebagai anode sedangkan katode inert yaitu grafit, yang dicelupkan ditengah-tengah pasta. Pasta itu sendiri berfungsi sebagai oksidator. Reaksi-reaksi yang terjadi alam baterai kering sebenarnya lebih rumit -, tetapi pada garis besarnya adalah sebagai berikut :

Anode : Zn (s) ----> Zn²⁺ (aq) + 2e

Katode : 2MnO₂ (s) + 2NH₄⁺ (aq) + 2e ----> Mn₂O₃(s) + 2NH₃ (aq) + H₂O (l) +

Zn (s) + 2NH₄⁺ (aq) + 2e ----> Zn²⁺ + Mn₂O₃ (s) + 2NH₃ (aq) + H₂O (l)

Zn ²⁺ yang terbentuk mengikat NH₃ membentuk ion Zn(NH₃)₄ ²⁺

Zn²⁺ (aq) + 4NH₃ (aq) ----> Zn(NH₃)₄ ²⁺ (aq)

Potensial satu sel baterai adalah 1,5 volt. Sel leclanche tidak dapat diisi kembali. Baterei kering jemis alkaline pada dasarnya sama dengan sel Leclanche tetapi bersifat basa karena menggunakan KOH menggantikan NH3Cl dalam pasta. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

Anode : Zn (s) + 2OH^- (aq) ------> Zn(OH)₂ (s) + 2e

Katode : 2MnO₂ (s) + 2H₂O (l) + 2e ----> 2 MnO(OH) (s) + 2OH^- (aq)

Potensial baterai Alkaline adalah sama engan baterai lainnya yaitu 1,5 volt, tetapi dapat bertahan lebih lama.

c. Baterai Nikel- Kadmium

Baterai Nikel Kadmium (NiCd) pertama kali ditemukan di Swedia, oleh Waldmar Jungner pada tahun 1899. Namun baru diproduksi secara masal pada tahun 1960an. Baterai jenis ini memiliki tegangan sel sebesar 1,2 Volt dengan kerapatan energi dua kali lipat dari baterai asam timbal. Baterai NiCd termasuk golongan baterai yang dapat diisi ulang (rechargeable battery).

Baterai NiCd menggunakan nikel untuk elektroda positif dan kadmium untuk negative. Baterai nikel kadmium memiliki nilai hambatan intenal yang kecil dan memungkinkan untuk di charge dan discharge dengan rate yang tinggi. Umumnya baterai jenis ini memiliki waktu siklus hingga lebih dari 500 siklus. Salah satu kekurangan baterai jenis nikel kadmium adalah adanya efek ingatan (memory effect) yang berarti bahwa baterai dapat mengingat jumlah energi yang dilepaskan pada saat discharge sebelumnya. Efek ingatan disebabkan oleh perubahan yang terjadi pada struktur kristal elektrode ketika baterai nikel kadmium diisi muatan listrik kembali sebelum seluruh energi listrik yang terdapat pada baterai nikel kadmiun dikeluarkan/digunakan. Selain itu, baterai nikel kadmium juga sangat sensitif terhadap kelebihan pengisian, sehingga perlu perhatian khusus pada saat pengisian muatan listrik pada baterai. Dengan kata lain, pengisian ulang harus dilakukan pada saat daya baterai benar-benar habis. Karena baterai NiCD memiliki memory effect, semakin lama kapasitasnya akan menurun jika pengisian belum benar-benar kosong.

Cadmium memiliki energi potensial reduksi standar sebesar -0.40 V, sedangkan energi potensial standar Nikel sebesar -0.25 V. Oleh karena Nikel lebih besar (lebih mendekati positif, yang berarti kecenderungan mengalami reduksi lebih besar), maka dalam sistem baterai NiCd, yang menggunakan Nikel dan Cadmium sebagai elektroda, elektroda Nikel akan mengalami reduksi (di sebut sebagai katoda), sedangkan elektroda Cadmium mengalami oksidasi (disebut sebagai anoda), selama reaksi spontan yang menghasilkan listrik (discharge). Selanjutnya, elektroda Nikel akan disebut sebagai elektroda positif, sementara elektroda Cadmium disebut sebagai elektroda negatif. Reaksi kimia yang berlangsung di dalam baterai NiCd melibatkan air dan zat elektrolit KOH, serta bersifat dapat balik (reversible). Oleh karena itu, baterai dapat ‘diisi ulang’ ataurechargeable, dengan membalik reaksi yang semula mengubah energi kimia menjadi energi listrik, kepada reaksi balikan yakni, mengubah energi listrik menjadi energi kimia. Pada reaksi balikan, elektroda yang semula mengalami reduksi akan mengalami oksidasi, begitupun sebaliknya untuk elektroda yang semua mengalami oksidasi akan mengalami reduksi. Sehingga, katoda dan anoda berubah pada reaksi kebalikan.

Selama penggunaan baterai sebagai sumber energi listrik bagi berbagai alat elektronik, baterai NiCd melakukan reaksi kimia. Adapun prinsip Elektrokimia yang bekerja adalah bahwa pada baterai terjadi reaksi oksidasi dan reduksi yang menyebabkan pergerakan elektron, sehingga dihasilkan arus listrik. Berikut ini adalah reaksi kimia yang terjadi selama penggunaan baterai (discharge)

(sumber http://tugas12ipa1.blogspot.com/2013/10/baterai-nikel-kadmium.html)

Baterai nikel kadmium adalah beterai kering yang dapat diisi kembali. Reaksi selnya sebagai berikut :

Anode : Cd (s) + 2OH^- (aq) ----> Cd(OH)₂ (s) + 2e

Katode : NiO₂(s) + 2H₂O (l) + 2e ----> Cd(OH)₂ (s) + Ni(OH)₂ (s) +

Cd (s) + NiO (s) + 2H₂O (l) -----> Cd (OH)₂(s) + Ni(OH)₂ (s)

Perhatikan, sama seperti aki, hasil-hasil reaksi pada beterai nikel-kadmium merupakan zat padat yang melekat pada kedua elektrodenya. Dengan membalik arah aliran elektron, zat-zat tersebut dapat diubah menjadi zat-zat sumula.

d. Baterai perak oksida

Baterei perak oksida adalah beterai kecil yang banyak digunakan pada arloji, kalkulator, dan berbagai jenis alat elektronik lainnya. Baterai perak oksida terdiri atas Zn sebagai anode, Ag2O sebagai katode dan KOH bentuk pasta sebagai elektrolit. Potensial sel adalah 1,5 volt dan dapat bertahan untuk waktu yang cukup lama. Reaksi elektrodenya adalah sebagai berikut :

Anode : Zn(s) + 2OH^-(aq) Zn(OH)₂ (s) + 2e

Katode : Ag₂O (s) + H₂O (l) + 2e 2Ag(s) + 2OH^- (aq)

e. Baterai Lithium Ion:

Lithium ion merupakan jenis baterai yang dpat diisi ulang (rechargeable) yang paling bertenaga dan populer saat ini. Beberapa tahun silam beterai ini kerap menjadi bahan berita karena sewaktu-waktu bisa meledak dan terbakar. Berikut kelebihan dan kekurangan baterai ion Lihtium :

Kelebihan baterai ion lithium :

- Lebih ringan. Elektrode baterai lithium ion terbuat dari lithium ringan dan karbon. Lithium adalah elemen yang sangat reaktif, artinya benyak energi yang bisa disimpan dalam ikatan atomnya.

- Lebih bertenaga. Satu kilogram lithium ion bisa menampung 150 watt jam, sementara satu kilogram baterai NiMH (nikel-methal hydride) hanya bisa menampung 100 watt-jam

- Lebih awet. Baterai ini bisa menangani ratusan siklus isi

- Tidak ada efek memory, itu artinya tidak menunggu batrei benar-benar kosong untuk melakukan pengisian ulang.

- Lebih kuat, sebuah baterai ion lithium hanya kehilangan 5% isinya tiap bulan.

Kekurangan :

- Baterai ion lithium mulai terde gradasi sejak meninggalkan pabrik. Baterai ini hanya kuat bertahan sampai dua atau tiga tahun, sejak tanggal pengaktifan, tidak peduli apakah digunakan atau tidak.

- Baterai ini sangat sensitif terhadap suhu tinggi.
- Usia baterai akan tamat bila mengunakannya benar-benar kosong.

(sumber http://permadi-suryo-a.blog.ugm.ac.id/2012/12/18/lithium-ion-and-nickel-cadmium-battery/)

Cara Kerja :

Pada anode Litium menerima elektron dari katode, dan menghasilkan potensial reduksi sebesar -3,05 volt. Oleh karena kenegatifannya inilah, litium dimanfaatkan sebagai anode. Kemudian direaksikan dengan Mangan Oksida yang berpotensial reduksi +0,35 volt. Agar reaksi terjadi secara spontan, mangan oksida ditempatkan sebagai katode. Terjadilah proses antara anoda dan katoda akan mengalir arus, yaitu dari kutub positif (anoda) ke kutub negatif (katoda). Sedangkan elektron akan mengalir dari katoda menuju anoda. Proses ini adalah proses yang terjadi pada sel volta, dimana reaksi kimia dapat menghasilkan energi listrik.

Reaksi:

(Anode (–) : Li -----> Li+ + e E^o = 3,05 V

( Katode (+) : MnO₂ ⁺ + Li⁺ + e ---> Li MnO2 + E^o = 0,35 V

Reaksi Sel : Li + MnO₂ -----> Li MnO₂ E _sel = 3,40 V

(http://21rhapsody.blogspot.com/2013/05/prinsip-kerja-baterai-lithium-dalam.html)

f. Sel bahan bakar
Sel bahan bakar adalah sel yang menggunakan bahan bakar biasa, seperti campuran hidrogen dengan oksigen atau campuran gas alam dengan oksigen. Fuel Cell atau sel bahan bakar adalah sebuah device elektrokimia yang mengubah energi kimia ke energi listrik secara kontinu. Pada sebuah baterai biasa , energi kimia yang diubah oleh sebuah sel adalah tetap. Jika bahan bakar (fuel) dan oksidan di baterai telah habis , maka baterai tersebut harus di ganti atau di isi ulang (charge) . Perbedaan mendasar sebuah sel bahan bakar dengan baterai biasa ditentukan dengan supply bahan bakar (oksidan) ke dalam sel . Pada sel bahan bakar , energi dipasok terus menerus , hal ini tidak ubahnya dengan sebuah mesin yang memerlukan bahan bakar untuk mengubah dari energi kimia menjadi energi mekanik. Sedangkan pada sel bahan bakar , energi yang dihasilkan langsung menjadi energi listrik.
Sifat Sifat Sel Bahan Bakar Secara Umum. Sel bahan bakar ini di klasifikasikan sebagai pembangkit tenaga (power generator) sebab sel bahan bakar ini dapat beroperasi secara kontinu atau selama ada pasokan bahan bakar (fuel) dan oksidan. Karakteristik umum suatu sel bahan bakar adalah sebagai berikut : a. Sangat efisien (>85%)
b. Modular (dapat ditempatkan dimana di perlukan )
c. Ramah lingkungan (tidak berisik, emisinya rendah)
d. Panas yang terbuang dapat di recovey
e. Bahan bakarnya flexible
f. Cocok untuk keperluan unattended operation.

(sumber http://www.alpensteel.com/article/120-109-energi-fuel-cell--sel-bahan-bakar/2626-fuel-cell-sistem-matisnya-sel-bahan-bakar)

Sel bahan bakar sedikit berbeda dari sel volta atau aki karena pada sel bahan bakar ini pereaksi yng terus menerus. Gambar dibawah ini memperlihatkan susunan sel bahan bakar yang menggunakan campuran hidrogen dan oksigen. Pada katode dialirkan gas oksigen melalui suatu bahan berpori yang mengkatalis reaksi.
O₂ (g) + 2H₂O(l) + 4e -----> 4OH- (aq)

Pada anode dialirkan gas hidrogen yang bereaksi sebagai berikut :

2 H₂ (g) + 4OH- (aq) ----> 4H₂O (l) + 4e

Reaksi totalnya adalah:

2H₂ (g) + O₂ (g) ----> H₂O (l)

Sel bahan bakar ini digunakan untuk sumber listrik pada pesawat ruang angkasa.