Dalam beberapa dekade terakhir ini, teknologi
elektronika berkembang sangat pesat. Salah
satu faktor pendukung kemajuan teknologi elektronika tersebut ialah adanya
kemajuan ilmu pengetahuan di bidang elektrokimia. Sel
volta adalah salah satu jenis dari sel elektrokimia. Sel volta ini dapat mengubah energi kimia dari
reaksi redoks spontan, sehingga menghasilkan energi listrik. Dalam kehidupan sehari-hari, sel volta dikenal
dengan sebutan baterai.
Kini, banyak alat elektronik yang menggunakan
baterai sebagai sumber energi listriknya. Baterai
yang merupakan alat listrik-kimiawi
yang menyimpan energi
dan mengeluarkan tenaganya dalam bentuk listrik
ini, saat ini telah mengalami perkembangan. Secara umum, baterai sendiri dibedakan menjadi 2
jenis, yaitu baterai primer dan baterai sekunder. Baterai
primer adalah baterai yang tak bisa diisi ulang dan hanya dapat sekali dipakai
(non rechargeable), seperti baterai kering (sel leclanche). Sedangkan, baterai sekunder adalah baterai yang
dapat diisi ulang, seperti aki dan baterai nikad.
1. Aki
Aki adalah jenis baterai yang sering digunakan dalam
kendaraan bermotor sebagai sumber energi listrik selama kendaraan digunakan. Aki dapat menghasilkan listrik yang cukup besar dan
dapat diisi ulang (baterai sekunder). Aki
terdiri atas beberapa sel yang dihubungkan seri, sehingga potensialnya menjadi
lebih besar. Setiap sel aki memiliki potensial sebesar 2 volt. Maka, kebanyakan aki mobil memiliki potensial 12
volt, karena terdiri atas 6 sel aki.
Sel aki terdiri atas anode timbal atau timah hitam
(Pb) dan katode timbal (IV) oksida (PbO2). Kedua elektrodenya tersebut berfase padat yang
dicelupkan ke dalam larutan asam sulfat yang bermassa jenis sekitar 1,25 g/cm3
sampai 1,3 g/cm3. Kedua elektrode ini maupun hasil reaksinya tidak
larut dalam larutan asam sulfat, sehingga keberadaan jembatan garam tidak
dibutuhkan. Namun demikian, kedua elektrode tidak boleh saling
bersentuhan, sebab hal ini dapat menyebabkan terjadinya hubungan pendek
sehingga pada kedua elektrode tidak terjadi perbedaan potensial. Oleh karenanya, diantara kedua elektrode,
diletakkan separator atau pemisah dari bahan asbes. Bahan asbes ini pun tak larut dalam asam sulfat
sehingga aman digunakan.
Reaksi yang
terjadi pada saat aki digunakan sebagai sumber arus listrik adalah reaksi
pengosongan aki, sebagai berikut :
Anode : Pb (s) + HSO4-(aq) → PbSO4(s) + H+
(aq) + 2e
Katode :
PbO2(s) + 3H+(aq) + HSO4-(aq) + 2e → PbSO4(s) + 2H2O (l)
Reaksi
Total : PbO2(s)
+ Pb (s) + 2H+(aq) + 2HSO4-(aq) → 2PbSO4(s) + 2H2O (l)
Dalam reaksi pengosongan aki, tampak bahwa anode (Pb) dan katode (PbO2) berubah menjadi PbSO4
yang berupa endapan. Jika PbSO4 telah
melapisi kedua permukaan elektrode, maka tak akan terjadi perbedaan potensial
diantara kedua elektrode tersebut, sehingga aki perlu dicas kembali. Selama aki digunakan, selain sebagian besar ion
sulfat mengalami pengendapan, reaksi akan menghasilkan air, sehingga kadar asam
sulfat dalam larutan akan berkurang. Hal ini
menyebabkan massa jenis asam sulfat akan berkurang juga, sehingga aki harus
ditambahkan asam sulfat kembali.
Aki
dapat pula diisi ulang. Hal inilah yang menjadi keunggulan utama aki. Pengisian aki dilakukan dengan membalik arah aliran
elektron pada kedua elektrode, sehingga elektrode berbalik. PbSO4 yang terdapat pada elektrode
Pb itu akan direduksi menjadi endapan Pb. Sementara, PbSO4 yang terdapat pada PbO2 akan teroksidasi membentuk PbO2.
Elektrode Pb (katode) :
PbSO4(s) + H+
(aq) + 2e → Pb (s) + HSO4-(aq)
Elektrode PbO2 (anode) : PbSO4(s) + 2H2O (l) → PbO2(s) + 3H+(aq) + HSO4-(aq) + 2e
Reaksi Total :
2PbSO4(s) + 2H2O(l)→ PbO2(s) + Pb(s) + 2H+(aq) + 2HSO4-(aq)
Namun demikian, aki
memiliki kelemahan yaitu bobotnya yang cukup berat dan asam sulfat yang
terkadung di dalamnya bersifat korosif, sehingga sangat berbahaya bila tumpah.
2. Baterai Kering (Sel
Leclanche)
Sel leclanche adalah baterai yang sering digunakan
sebagai sumber energi bagi radio, tape, dan sebagainya. Potensial satu sel
leclanche ialah 1,5 volt. Sel leclanche
terdiri dari suatu casing berbentuk
silinder berbahan seng (Zn) yang berperan sebagai anode. Sedangkan, sebagai katodenya, digunakan grafit
(karbon) yang ditanam di dalam pasta dari campuran batu kawi (MnO2),
serbuk karbon (C), dan sedikit air. Pasta
ini berfungsi sebagai oksidator. Selain itu, digunakan pula ZnCl2 sebagai
elektrolitnya. Batang graphit/karbon digunakan
sebagai kolektor arus elektron pada sisi katoda, tidak hanya menggunakan MnO2 saja karena MnO2
sangat kecil konduktivitasnya, sehingga graphit digunakan untuk
meningkatkan konduktivitasnya. Karena semakin besar konduktivitas suatu baterai, maka tegangannya juga akan semakin besar, sehingga arus
listrik dapat dialirkan akan semakin besar dan mutu baterai juga akan semakin bagus.
Reaksi yang terjadi di
dalam sel leclanche adalah :
Elektrolit : ZnCl2 (aq) → Zn2+
(aq) + 2Cl- (aq)
Katode : 2MnO2(s)+
2H2O (l) +2e → 2MnO(OH) (s) + 2OH- (aq)
Anode : Zn(s)+ 2OH- (aq)→
Zn2+ (aq) + 2OH- (aq)
+ 2e
Reaksi Total : Zn(s) + 2MnO2(s) + 2H2O(l)
+ ZnCl2(aq)→ 2MnO(OH)(s) + 2Zn(OH)Cl(aq)
Keuntungan sel leclanche ialah harganya yang murah, praktis,
dan tidak mudah bocor sehingga aman untuk digunakan.
Sedangkan, kelemahannya ialah tak dapat diisi ulang (baterai primer) dan
dayanya cepat menurun jika dipakai untuk arus yang besar.
Hal ini terjadi karena ion-ion yang terbentuk akibat reaksi yang terjadi
memerlukan waktu untuk dapat berdifusi menjauhi elektrode.
Namun, jika pemakaian dihentikan sementara, kemampuannya akan meningkat lagi
karena ion-ion telah berdifusi.
3. Baterai Nikel-Kadmium
(Ni-Cd)
Baterai
nikel-kadmium (baterai nikad) adalah baterai primer kering yang dapat diisi
ulang. Baterai ini
terdiri dari logam kadmium sebagai anodenya dan nikel (IV) oksida (NiO2)
sebagai katodenya.
Untuk elektrolitnya, digunakan larutan hidroksida (OH-) yang berupa
pasta. Baterai nikad
ini memiliki potensial 1,2 volt.
Baterai ini termasuk di dalam kategori baterai sekunder karena dapat diisi
ulang. Hal ini
disebabkan karena hasil reaksinya berupa zat padat yang menempel pada setiap
elektrodenya.
Reaksi
pada baterai nikad adalah :
Anode : Cd(s) + 2OH-(aq) →
Cd(OH)2(s) + 2e
Katode : NiO2(s) +
2H2O + 2e → Ni(OH)2(s) + 2OH-(aq)
Reaksi
Total : Cd(s) + NiO(aq) + 2H2O(l)
→ Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s)
Kelebihan
dari baterai nikad adalah memiliki densitas yang tinggi, sehingga baterai dapat
menghasilkan energi yang besar dengan ukuran yang relatif kecil. Baterai jenis ini juga paling
tahan banting, ringan, lebih murah dibandingkan dengan baterai jenis lainnya,
lebih awet, serta dapat di recharged (diisi ulang) secara cepat.
Namun,
pemakaian baterai nikad semakin berkurang di masa sekarang. Hal ini disebabkan karena kadmium
ialah logam berat yang sangat beracun dan dapat mencemari lingkungan. Kadmium yang terakumulasi dalam
tubuh manusia sangat berpotensi untuk merusak ginjal, paru-paru, menyebabkan
kerapuhan tulang, serta menyebabkan adanya gangguan pada organ reproduksi,
seperti uap logam kadmium yang dapat menyebabkan impotensi serta membunuh sel
sperma pada laki-laki.
Selain
itu, baterai nikad sangat rentan terhadap efek memori (memory effect).
Memory effect adalah efek dari
baterai nikad yang mampu mengingat jumlah kapasitas energi baterai ketika baterai diisi ulang. Misalnya, baterai diisi ulang sebelum
energi baterai benar-benar habis (misalnya tersisa 20% di dalam baterai), maka
baterai akan mengingat bahwa kondisi dimana baterai kosong adalah ketika sisa energi
baterai adalah 20%.
Hal ini menyebabkan, saat energi baterai tersisa 20%, baterai tak lagi dapat
digunakan.
Hal serupa juga terjadi saat kita melakukan isi ulang baterai tidak sampai
penuh. (misalnya
mengisi baterai hanya sampai 70% energinya saja), maka baterai akan mengingat bahwa
baterai dianggap penuh dan tak bisa diisi lebih lanjut jika energi baterai
telah mencapai 70%.
Hal ini menyebabkan kapasitas baterai akan berkurang dan terkesan baterai cepat
habis.
Baterai
jenis ini banyak digunakan untuk handphone, handycam, dan mainan anak-anak. Baterai Nikel - Kadmium juga digunakan
sebagai baterai dalam berbagai peralatan luar angkasa dan pesawat sejak tahun
1970-an.
Misalnya pada satelit dan beberapa peralatan luar angkasa. Pada pesawat Boeing 737, digunakan
2 sumber listrik, yaitu AC dan DC.
Sumber listrik AC dihasilkan dari 3 buah generator, 2 buah pada engine, dan 1
generator yg terdapat pada APU (Auxiliary Power Unit). Sedangkan, untuk sumber listrik DC
pada pesawat terdiri atas TRU (Transformer Rectifier Unit) dan baterai. Baterai yang dipakai adalah tipe
Nikel Cadmium (Ni-Cd) sehingga dapat diisi ulang (rechargeable). Saat baterai tidak digunakan,
baterai akan di-charge oleh baterai charger yang terpasang. Dalam pemakaiannya, baterai
pesawat dipakai dalam beberapa keadaan yaitu sebagai sumber energi awal untuk
starting APU dan saat kondisi darurat sebagai sumber listrik DC. Baterai ini akan dipakai sebagai
power supply cadangan untul black box pesawat terbang, ketika pesawat berada pada
kondisi darurat ketika sumber listrik AC tidak bekerja optimal (mati).
Namun,
di masa sekarang, pemakaiannya semakin berkurang karena adanya penggunaan
baterai ion litium yang lebih menguntungkan sebagai substitusi baterai nikad
bagi handphone.
4.
Baterai Ion Litium (Li-Ion)
Baterai ion litium
adalah baterai yang memiliki anode berupa ion litium. Karena menggunakan ion litium dan
bukan logam litium, maka reaksi yang terjadi bukanlah reaksi redoks, melainkan
hanya pergerakan ion litium melalui elektrolit dari satu elektrode ke elektrode
lain. Baterai ini
bekerja dengan prinsip interkalasi, yaitu pergerakan ion litium pada daerah
antar lapisan atom dalam kristal tertentu.
Pergerakan ion ini terjadi diantara dua elektrode, yaitu grafit dan LiCoO2. Larutan LiPF6 digunakan sebagai elektrolit
dalam baterai ini.
Baterai
diproduksi dalam keadaan kosong, dimana tak ada ion litium diantara atom karbon
dalam grafit.
Saat baterai dicharge, ion litium dari LiCoO2 akan bergerak melalui
elektrolit menuju grafit sebagai elektrodenya.
Elektron juga akan mengalir bersamaan dengan aliran ion, sehingga menghasilkan
arus listrik.
Proses saat pengisian awal baterai adalah :
LiCoO2 + C6 →
Li 1-xCoO2 + LixC6
Dimana C6
adalah grafit (berbentuk heksagonal), x adalah jumlah ion litium yang
berpindah dari LiCoO2 ke C6. Saat baterai digunakan, ion litium
agar berpindah dari grafit ke LiCoO2 kembali. Li 1-xCoO2 +
LixC6 → Li 1-x CoO2 + Li 1-x+y + Li x-y C6. Pada pengisian kembali, maka
reaksi ini akan berbalik.
Baterai
litium-ion adalah salah satu jenis baterai primer rechargeable yang memiliki keunggulan,
seperti : tidak ada efek memori (memory
effect), serta lambat dalam penurunan daya jika tidak digunakan. Di samping itu, ukuran dan
beratnya juga sangat minim dibandingkan baterai Ni-Cd, sehingga membuat handphone
menjadi lebih kecil dan ringan.