BATERAI
MAKALAH Disusun untuk Memenuhi Tugas pada Mata Kuliah Elektrokimia Semester Empat yang Diampu oleh (NAMA (NAMA DOSEN) DOSEN) Disusun oleh : Kelompok 2 Sri Eny Suharini Daru Seto Bagus Anugrah
24030110120008 24030112130040
JURUSAN KIMIA FAKULTAS SAINS DAN MATEMATIKA UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2014
BAB I PENDAHULUAN
I.
Latar Belakang
Dari awal ditemukan tahun 1880, terjadi perubahan pada bentuk kemasan, bahan kemasan dan sistem produksi sehingga baterai lebih meningkat daya simpan listriknya, memperpanjang umurnya dan lebih bisa diandalkan tetapi prinsip kerja baterai sampai sekarang masih tetap sama dengan ketika pertama kali ditemukan. Baterai kering yang sekarang mulai populer sebenarnya tidak benar-benar kering karena listrik yang timbul pada baterai adalah karena terjadinya reaksi kimia. Ditemukan pada pertengahan tahun 1970, cairan electrolyte pada baterai biasa di baterai kering dibuat menjadi gel yang bersifat lembab sehingga walaupun dimiringkan tidak akan terjadi tumpahan cairan electrolyte, beda dengan baterai basah yang harus tetap tegak supaya cairan tidak tumpah. Baterai kering ukuran besar untuk mobil dengan nama teknisnya VRLA (Valve Regulating Lead Acid), kemasan baterai kering tidak sepenuhnya rapat tertutup, ada lubang kecil untuk jalan keluar gas yang timbul karena reaksi kimia. Tetapi reaksi kimia yang menimbulkan listrik prinsipnya sama dengan baterai basah biasa. Gel bisa menjadi kering (dehidrasi), dan penambahan electrolyte hampir tidak mungkin dilakukan karena lubang untuk memasukkan electrolyte tetutup rapat.
II.
III.
Rumusan Masalah
Apa yang dimaksud dengan baterai?
Bagaimana prinsip kerja dan cara kerja baterai?
Apa saja jenis – jenis baterai?
Bagaimana cara mengatasi penyulfatan pada baterai?
Tujuan
Makalah ini bertujuan untuk mengetahui definisi baterai serta bagian – bagian dalam baterai dan fungsinya. Mempelajari prinsip kerja baterai dan cara kerja baterai
saat mengeluarkan arus atau saat digunakan dan saat menerima arus. Serta menjelaskan jenis-jenis baterai dan cara mengatasi penyulfatan pada baterai.
BAB II ISI
I.
Pengertian Baterai
Baterai merupakan obyek kimia penyimpan arus listrik. Dalam sistem solar cell, energi listrik dalam baterai digunakan pada malam hari dan hari mendung dikarenakan intensitas sinar matahari bervariasi sepanjang hari. Baterai memberikan energi yang konstan. Alat listrik-kimiawi yang menyimpan energi dan mengeluarkannya dalam bentuk listrik. Baterai terdiri dari tiga komponen penting, yaitu: batang karbon sebagai anoda (kutub positif baterai), seng (Zn) sebagai katoda (kutub negatif baterai), pasta sebagai elektrolit (penghantar). Reaksi yang terjadi didalam baterai adalah reaksi elektrokimia dimana reaksi kimia yang dapat menghasilkan electron, pada baterai memiliki dua terminal. Terminal pertama bertanda positif (+) dan terminal kedua bertanda negatif (-). Elektron-elektron dikumpulkan pada kutub negatif. Jika kita menghubungkan kabel antara kutub negatif dan kutub positif maka elektron akan mengalir dari kutub negatif ke kutub positif dengan cepatnya. Selain kabel, sebuah penghubung atau Load dapat berupa light bulb, sebuah motor atau sirkuit elektronik seperti radio. Reaksi kimia pembentukan listrik:
Pada saat baterai dipakai maka pada permukaan plat timbul PbSO (Timah Sulfat) 4
dan plat akan berkarang, disebut sebagai terjadinya sulfonasi. Pori-pori pada plat akan tertutup sehingga electrolyte tidak bisa mengalir dengan lancar dan electrolyte menjadi tidak asam karena SO4 terikat pada timah. Pada recharging (baterai kembali di charge) ,
terjadi sebaliknya, PbSO4 akan terurai menjadi Pb dan SO4 dan SO4 akan terikat +
kembali dengan H sehingga terjadi lagi H2SO4, larutan electrolyte akan kembali
menjadi asam. Tetapi PbSO4 yang larut kembali ke dalam electrolyte menjadi Pb dan H2SO4 tidak terjadi seluruhnya, masih ada tersisa kristal PbSO4 yang melekat pada plat elemen, dan semakin lama akan semakin menebal. Hal inilah yang menyebabkan baterai lemah atau malah mati sama sekali. Kadar asam, pada kondisi fully charge jadi tidak bisa kembali pada angka 1.265, karena tidak semua PbSO larut. 4
II.
Prinsip Kerja Baterai
Baterai adalah perangkat yang mampu menghasilkan tegangan DC, yaitu dengan cara mengubah energi kimia yang terkandung didalamnya menjadi energi listrik melalui reaksi elektrokimia (redoks: reduksi – oksidasi). Baterai terdiri dari beberapa sel listrik, sel listrik tersebut menjadi penyimpan energi listrik dalam bentuk energi kimia. Sel baterai tersebut elektroda – elektroda. Elektroda negatif disebut katoda, yang berfungsi sebagai pemberi elektron. Elektroda positif disebut anoda, yang berfungsi sebagai penerima elektron. Antara anoda dan katoda akan mengalir arus,
yaitu dari kutub positif (anoda) ke kutub negatif (katoda). Sedangkan elektron akan mengalir dari katoda menuju anoda. Terdapat dua proses yang terjadi pada baterai: 1. Proses Pengisian : proses pengubahan energi listrik menjadi energi kimia. 2. Proses Pengosongan : proses pengubahan energi kimia menjadi energi listrik.
III.
Cara Kerja Baterai
Lapisan zink (Zn) yang berfungsi sebagai anoda atau kutub negatif, dimana lapisan ini dilapisi oleh selubung baja.
Karbon yang berfungsi sebagai katoda atau kutub positif. Karbon diletakkan di tengah sel dan terhubung pada tonjolan logam di bagian luar atas baterai.
Ruang antara batang karbon dan lapisan zink diisi pasta amonium klorida (NH4Cl) dan zink klorida (ZnCl2).
Proses pada saat penggunaan baterai dimana pada saat penggunaan baterai maka 2+
atom Zink (Zn) akan teroksidasi atau melepaskan elektron membentuk ion zink (Zn ). Elektron yang dibebaskan oleh atom zink (Zn) akan mengalir melalui sirkuit listrik bagian luar sehingga menghasilkan listrik. Elektron ini selanjutnya kembali ke batang karbon. Kemudian arus listrik akan terus mengalir sampai zink (Zn) habis terpakai. Keadaan ini berarti baterai sudah tidak dapat digunakan kembali atau dikatakan habis, karena baterai tidak dapat diisi kembali. Proses saat baterai mengeluarkan arus dimana oksigen (O) pada pelat positif terlepas karena bereaksi/bersenyawa/bergabung dengan hidrogen (H) pada cairan
elektrolit yang secara perlahan-lahan keduanya bergabung / berubah menjadi air (H2O). Sedangkan asam (SO4) pada cairan elektrolit bergabung dengan timah (Pb) di pelat positif maupun pelat negatif sehigga menempel dikedua pelat tersebut. Reaksi ini akan berlangsung terus sampai isi (tenaga baterai) habis atau dalam keadaan discharge. Pada saat baterai dalam keadaan discharge maka hampir semua asam melekat pada pelat-pelat dalam sel sehingga cairan eletrolit konsentrasinya sangat rendah dan hanya terdiri dari air 3
(H2O), akibatnya berat jenis cairan menurun menjadi sekitar 1,1 kg/dm dan ini 3
mendekati berat jenis air yang 1 kg/dm sedangkan baterai yang masih berkapasitas 3
penuh berat jenisnya sekitar 1,285 kg/dm . Pada perbedaan berat jenis inilah kapasitas isi baterai bisa diketahui apakah masih penuh atau sudah berkurang yaitu dengan menggunakan alat hidrometer. Selain itu pada saat baterai dalam keadaan discharge maka 85% cairan elektrolit terdiri dari air (H 2O) dimana air ini bisa membeku, bak baterai pecah dan pelat – pelat menjadi rusak. Proses saat baterai menerima arus dimana baterai yang menerima arus adalah baterai yang sedang diisi dengan cara dialirkan listrik DC, dimana kutub positif baterai dihubungkan dengan arus listrik positif dan kutub negatif dihubungkan dengan arus listrik negatif. Tegangan yang dialiri biasanya sama dengan tegangan total yang dimiliki baterai, artinya baterai 12 V dialiri tegangan 12 V DC, baterai 6 V dialiri tegangan 6 V DC, dan dua baterai 12 V yang dihubungkan secara seri dialiri tegangan 24 V DC (baterai yang duhubungkan seri total tegangannya adalah jumlah dari masing-masing tegangan baterai : Voltase1 + Voltase2 = Voltasetotal). Berapa kuat arus (ampere) yang harus dialiri bergantung juga dari kapasitas yang dimiliki baterai tersebut. Konsekuensinya, proses penerimaan arus ini berlawanan dengan proses pengeluaran arus, yaitu :
Oksigen (O) dalam air (H2O) terlepas karena bereaksi/bersenyawa/bergabung dengan timah (Pb) pada pelat positif dan secara perlahan-lahan kembali menjadi oksida timah colat (PbO2).
Asam (SO4) yang menempel pada kedua pelat (pelat positif maupun negatif) terlepas dan bergabung dengan hidrogen (H) pada air (H2O) di dalam cairan elektrolit dan kembali terbentuk menjadi asam sulfat (H2SO4) sebagai cairan elektrolit. Akibatnya berat jenis cairan elektrolit bertambah menjadi sekitar 1,285 (pada baterai yang terisi penuh).
IV.
Jenis-jenis Baterai
Baterai dikelompokkan menjadi 2 jenis, yaitu : 1. Baterai primer, yaitu baterai yang dapat digunakan sekali saja setelah energi yang ada didalamnya habis digunakan. a. Baterai Leclenche (Zn MnO2) baterai sel kering /Dry Cell. Merupakan jenis baterai yang banyak digunakan sejak beberapa puluh tahun yang lalu. Satu sel baterai berkapasitas 1,5 volt. Kutub positif (anoda) mengunakan Zn dan kutub negatif (Katoda) menggunakan MnO2 Pada suhu tinggi kapasitas sel leclanche akan turun dengan drastis, oleh sebab itu penyimpanan baterai ini harus ditempat yang bersuhu rendah. b. Baterai sel kering Magnesium (MgMnO2). Merupakan jenis baterai yang memiliki konstruksi serupa dengan baterai seng. Memiliki kapasitas satu sel 1,5 volt. Kutub positif (anoda) menggunakan Mg dan kutub negatif (katoda) menggunakan MnO2. Baterai ini memiliki kelebihan kapasitas umur 2kali sel kering dan stabil pada temperatur tinggi. Adapun kekurangannya yaitu tidak bisa dibuat sekecil mungkin. Pada keadaan kerja akan timbul reaksi parasitik akibat dari pembuangan gas hidrogen. c. Baterai MnO2 Alkaline. Sama seperti dua jenis baterai diatas dan memiliki kapasitas 1,5 volt, hanya memiliki perbedaan pada segi konstruksi, elektrolitnya, dan tahanan dalamnya lebih kecil. Baterai ini memiliki kelebihan, yaitu :
Pada proses pemakaian akan tetap pada rating yang dimiliki meskipun pemakaiannya tak menentu.
Pada pembebanan tinggi dan terus menerus, mampu memberikan umur pelayanan 2 – 10 kali pemakaian dari sel leclanche.
d. Sel Merkuri. Baterai ini pada anoda menggunakan Zn dan pada katoda menggunakan Oksida Merkuri. Sedangkan pada elektrolit menggunakan Alkaline. Kapasitas maksimal stabil yaitu 1,35 volt yang biasa digunakan pada tegangan referensi. Kapasitas dari baterai ini dapat sampai 1,4 volt bila katodanya Oxida Merkuri atau Oxida Mangan. Segi ukuran berdiameter dari 3/8 – 1 inchi.
e. Sel Oksida Perak (AgO2). Baterai ini pada katoda menggunakan serbuk elektrolit alkaline dan pada anoda menggunakan oksida perak. Teganagan pada Open Circuit yaitu 1,6 volt dan tegangan nominal pada beban sebesar 1,5 volt apabila katodanya oksida merkuri atau oksida mangan. Segi ukuran baterai ini sebesar 0.3 – 0.5 inchi. Biasa digunakan untuk kamera, alat bantu pendengaran, dan jam elektronik. f. Baterai Litium. Jenis baru dari sel primer, yang mempunyai tegangan out-put yang tinggi, memiliki umur yang panjang, ringan dan kecil. Sehingga baterai ini digunakan untuk pemakaian khusus. Tegangan out-put tanpa beban sebesar 2,9 volt atau 3,7 volt, tergantung dari elektrolit yang digunakan. Penggunaan litium sangat terbatas, biasa digunakan dalam bidang militer, karena apabila tidak hati-hati dalam penggunaan bisa meledak. 2. Baterai sekunder yaitu baterai yang biasa digunakan berkali kali dengan mengisi kembali muatannya apabila telah habis energinya setelah pakai. a. Baterai asam timbal
Baterai jenis asam timbal tersusun atas timbal dioksida sebagai katoda, sepon logam timbal sebagai anoda dan asam sulfat sebagai elektrolitnya. Setiap sel memiliki tegangan sebesar 2 volt. Keuntungan penggunaan baterai jenis asam timbal diantaranya adalah kuat, murah, handal, toleran terhadap kelebihan pengisian, impedansi internal yang rendah, dan banyaknya perusahaan pembuat baterai jenis ini di berbagai belahan dunia. Sedangkan kekurangan dari baterai jenis SLI ini diantaranya adalah sangat berat, memiliki efisiensi energi yang rendah (sekitar 70%), berbahaya jika kelebihan panas pada saat pengisian, memiliki waktu siklus yang rendah (300-500 siklus), dan materialnya berbahaya bagi lingkungan. Dengan memodifikasi elektroda dan susunan internal baterai, jenis-jenis baterai asam timbal dapat dibedakan menjadi baterai timbal-kalsium, baterai
timbal-antimoni dan baterai asam timbal yang elektrolitnya terpisah (sealed lead acid – SLA). b. Baterai Nikel Kadmium
Baterai jenis ini memiliki tegangan sel sebesar 1,2 volt dengan kerapatan energi dua kali lipat dari baterai asam timbal. Sebagai katoda, baterai ini menggunakan nikel hidroksida Ni(OH)2 dan kadmium (Cd) sebagai anodanya yang dipisahkan oleh alkalin potasium hidroksida sebagai elektrolitnya. 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. c. Baterai Nikel Metal Hidrida
Baterai jenis ini 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%).
V.
Penyulfatan
Baterai bila digunakan ataupun tidak, akan mengeluarkan isinya (maksudnya tenaga baterai keluar/berkurang bukan cairan elektrolit). Bila sedang tidak digunakan maka pengeluaran tersebut terjadi secara perlahan yang biasa disebut pengeluaran isi sendiri ( self discharge). Cepat atau lambatnya pengeluaran dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya adalah suhu elektrolit. Sebuah baterai tak terpakai yang berisi penuh 0
akan habis isinya dalam jangka waktu 3 bulan jika elektrolit memiliki suhu 40 C, sedangkan makin dingin suhunya maka makin lambat isi berkurang. Contoh : elektrolit 0
yang bersuhu 20 C isinya hanya akan hilang setengah bagian (50%) dalam 3 bulan, dan 0
yang bersuhu 15 C isinya hanya akan berkurang sebesar 7-8% dalam 3 bulan. Baterai yang sedang mengeluarkan isinya sendiri secara perlahan akan menyulfat. Pengertian penyulfatan adalah sulfat timah (PbSO4) yang terbentuk selama pengeluaran membuat bahan aktif menjadi keras dan mati. Penyulfatan kadang-kadang bisa dihilangkan dengan pengisian lambat ( slow charge) sehingga bagian-bagian dari timah sulfat (PbSO4) mencapai harga yang normal. Penyulfatan yang sudah terlalu banyak pada satu baterai tidak mungkin dihilangkan, baterai ini harus diganti. Penggantian cairan elektrolit (biasa dikenal dengan pengurasan) tidak akan membantu karena yang sudah rusak disini adalah
pelat-pelatnya, kalaupun berhasil memiliki kapasitas setelah dikuras, dalam waktu yang sangat singkat (tergantung pada tingkat kerusakan pelat-pelatnya) baterai akan lemah (drop) kembali.
VI.
Mengatasi Penyulfatan
Cara mengatasi penyulfatan adalah
Baterai yang tak terpakai disimpan pada ruangan yang bersuhu rendah (suhu yang lebih dingin).
Baterai yang tak terpakai diisi dengan arus pengisian yang sangat rendah yaitu dengan pengisian perawatan (maintenance charge) sampai penuh atau baterai diisi secara teratur tiap bulan. Metode yang paling baik adalah dengan pengisian perawatan (maintenance
charge), artinya kita harus memiliki alat pengisi (charger ) (lebih baik lagi kalau kuat arus dari alat tersebut bisa kita atur kuat lemahnya) yang secara otomatis menghentikan proses pengisian jika baterai sudah terisi penuh dan kembali menghidupkan proses pengisian jika isi baterai mulai berkurang (memiliki fitur deteksi). Jika tidak ada fitur otomatisasi maka terpaksa yang kita lakukan adalah mengisi baterai secara penuh menggunakan pengisian lambat ( slow charge) tiap bulan.
BAB III KESIMPULAN
Baterai adalah alat listrik-kimiawi yang menyimpan energi dan mengeluarkannya dalam bentuk listrik. Baterai terdiri dari tiga komponen penting, yaitu: batang karbon sebagai anoda (kutub positif baterai), seng (Zn) sebagai katoda (kutub negatif baterai), pasta sebagai elektrolit (penghantar). Jenis baterai dibagi 2, yaitu baterai p rimer dan baterai sekunder.
DAFTAR PUSTAKA
Hudaya, Chairul, 2011, Jenis – Jenis Baterai Sekunder , dalam http://hudaya.wordpress.com/ 2011/08/03/jenis-jens-baterai-sekunder
Rochman, Fatur, 2008, Cara Kerja Baterai, dalam http://kimiaunsps2.wordpress.com/2008 /12/15/terapan/ diakses tanggal 3 juni 2012
http://edukasi.net/index.php?mod=script&cmd=Bahan%20Belajar/Modul%20Online/view&id=1 9&uniq=all
