Jenis Sel Volta

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 + Li_xC₆

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 + Li_xC₆ → 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.