CARA KERJA BATERAI

15 12 2008

Fathur Rochman/P.Sains/IPA

S830208008

BAB I

PENDAHULUAN

Ilmu bisa berarti proses memperoleh pengetahuan, atau pengetahuan terorganisasi yang diperoleh lewat proses tersebut. Proses keilmuan adalah cara memperoleh pengetahuan secara sistematis tentang suatu sistem Perolehan sistematis ini umumnya berupa metode ilmiah, dan sistem tersebut umumnya adalah alam semesta. Dalam pengertian ini, ilmu sering disebut sebagai sains.

Ion adalah atom atau sekumpulan atom yang bermuatan listrik. Ion bermuatan negatif, yang menangkap satu atau lebih elektron, disebut anion, karena dia tertarik menuju anoda. Ion bermuatan positif, yang kehilangan satu atau lebih elektron, disebut kation, karena tertarik ke katoda. Proses pembentukan ion disebut ionisasi. Atom atau kelompok atom yang terionisasi ditandai dengan tikatas n+ atau n-, di mana n adalah jumlah elektron yang hilang atau diperoleh.

Ion pertama kali diteorikan oleh Michael Faraday sekitar tahun 1830, untuk menggambarkan bagian melekul yang bergerak ke anoda atau katoda. Namun, mekanisme peristiwa ini baru dideskripsikan pada 1884 oleh Svante August Arrhenius dalam disertasi doktornya di University of Uppsala. Pada mulanya, teori ini tidak diterima (ia memperoleh gelarnya dengan nilai minimum), tetapi disertasinya memenangi Hadiah Nobel Kimia pada 1903.

Elektrokimia adalah ilmu yang mempelajari aspek elektronik dari reaksi kimia. Elemen yang digunakan dalam reaksi elektrokimia dikarakterisasikan dengan banyaknya elektron yang dimiliki. Elektrokimia secara umum terbagi dalam dua kelompok, yaitu sel galvanik dan sel elektrolisis. Sel Volta/Galvania: a. terjadi perubahan : energi kimia energi listrik, b. anode = elektroda negatif (-), dan c. katoda = elektroda positif (+). Sel Elektrolisis: a. terjadi perubahan : energi listrik energi kimia, b. anode = elektroda positif (+), dan c. katoda = elektroda neeatif (-).

Sel volta terdiri dari beberapa macam, antara lain: 1. Sel Kering atau Sel Leclance yang meliputi: a. Katoda : Karbon, b. Anoda :Zn, dan c. Elektrolit : Campuran berupa pasta : MnO2 + NH4Cl + sedikit Air; 2. Sel Aki yang meliputi: a. Katoda: PbO2, b. Anoda : Pb, c. Elektrolit: Larutan H2SO4, dan d. Sel sekunder; 3. Sel Bahan Bakar yang meliputi: a. Elektroda : Ni, b. Elektrolit : Larutan KOH, dan c. Bahan Bakar : H2 dan O2 ; 4. Baterai Ni – Cd yang meliputi: a. Katoda : NiO2 dengan sedikit air, dan b. Anoda : Cd

Konsep-konsep sel volta adalah: 1. Deret Volta/Nerst yang meliputi: a. Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au, dan b. Makin ke kanan, mudah direduksi sukar dioksidasi serta sebaliknya Makin ke kiri, mudah dioksidasi sukar direduksi; dan 2. Prinsip yang meliputi: a. Anoda terjadi reaksi oksidasi ; Katoda terjadi reaksi reduksi, b. Arus elektron : anoda katoda ; Arus listrik : katoda anoda, dan c. Jembatan garam: menyetimbangkan ion-ion dalam larutan.

BAB II

DASAR TEORI

A. Redoks

Redoks (singkatan dari reaksi reduksi/oksidasi) adalah istilah yang menjelaskan berubahnya bilangan oksidasi (keadaan oksidasi) atom-atom dalam sebuah reaksi kimia. Hal ini dapat berupa proses redoks yang sederhana seperti oksidasi karbon yang menghasilkan karbon dioksida, atau reduksi karbon oleh hidrogen menghasilkan metana(CH4), ataupun ia dapat berupa proses yang kompleks seperti oksidasi gula pada tubuh manusia melalui rentetan transfer elektron yang rumit. Istilah redoks berasal dari dua konsep, yaitu reduksi dan oksidasi. Ia dapat dijelaskan dengan mudah sebagai berikut:

* Oksidasi menjelaskan pelepasan elektron oleh sebuah molekul, atom, atau ion

* Reduksi menjelaskan penambahan elektron oleh sebuah molekul, atom, atau ion.

Gambar Ilustrasi sebuah reaksi redoks

Walaupun cukup tepat untuk digunakan dalam berbagai tujuan, penjelasan di atas tidaklah persis benar. Oksidasi dan reduksi tepatnya merujuk pada perubahan bilangan oksidasi karena transfer elektron yang sebenarnya tidak akan selalu terjadi. Sehingga oksidasi lebih baik didefinisikan sebagai peningkatan bilangan oksidasi, dan reduksi sebagai penurunan bilangan oksidasi. Dalam prakteknya, transfer elektron akan selalu mengubah bilangan oksidasi, namun terdapat banyak reaksi yang diklasifikasikan sebagai “redoks” walaupun tidak ada transfer elektron dalam reaksi tersebut (misalnya yang melibatkan ikatan kovalen).

Reaksi non-redoks yang tidak melibatkan perubahan muatan formal (formal charge) dikenal sebagai reaksi metatesis.

Gambar Besi berkarat Gambar Pembakaran terdiri dari reaksi

redoks yang melibatkan radikal bebas

B. Oksidator dan reduktor

Senyawa-senyawa yang memiliki kemampuan untuk mengoksidasi senyawa lain dikatakan sebagai oksidatif dan dikenal sebagai oksidator atau agen oksidasi. Oksidator melepaskan elektron dari senyawa lain, sehingga dirinya sendiri tereduksi. Oleh karena ia “menerima” elektron, ia juga disebut sebagai penerima elektron. Oksidator bisanya adalah senyawa-senyawa yang memiliki unsur-unsur dengan bilangan oksidasi yang tinggi (seperti H2O2, MnO4, CrO3, Cr2O72−, OsO4) atau senyawa-senyawa yang sangat elektronegatif, sehingga dapat mendapatkan satu atau dua elektron yang lebih dengan mengoksidasi sebuah senyawa (misalnya oksigen, fluorin, klorin, dan bromin). Senyawa-senyawa yang memiliki kemampuan untuk mereduksi senyawa lain dikatakan sebagai reduktif dan dikenal sebagai reduktor atau agen reduksi. Reduktor melepaskan elektronnya ke senyawa lain, sehingga ia sendiri teroksidasi. Oleh karena ia “mendonorkan” elektronnya, ia juga disebut sebagai penderma elektron. Senyawa-senyawa yang berupa reduktor sangat bervariasi. Unsur-unsur logam seperti Li, Na, Mg, Fe, Zn, dan Al dapat digunakan sebagai reduktor. Logam-logam ini akan memberikan elektronnya dengan mudah. Reduktor jenus lainnya adalah reagen transfer hidrida, misalnya NaBH4 dan LiAlH4), reagen-reagen ini digunakan dengan luas dalam kimia organik[1][2], terutama dalam reduksi senyawa-senyawa karbonil menjadi alkohol. Metode reduksi lainnya yang juga berguna melibatkan gas hidrogen (H2) dengan katalis paladium, platinum, atau nikel, Reduksi katalitik ini utamanya digunakan pada reduksi ikatan rangkap dua ata tiga karbon-karbon. Cara yang mudah untuk melihat proses redoks adalah, reduktor mentransfer elektronnya ke oksidator. Sehingga dalam reaksi, reduktor melepaskan elektron dan teroksidasi, dan oksidator mendapatkan elektron dan tereduksi. Pasangan oksidator dan reduktor yang terlibat dalam sebuah reaksi disebut sebagai pasangan redoks.

Contoh reaksi redoks

Salah satu contoh reaksi redoks adalah antara hidrogen dan fluorin:

 \mathrm{H}_{2} + \mathrm{F}_{2} \longrightarrow 2\mathrm {HF}

Kita dapat menulis keseluruhan reaksi ini sebagai dua reaksi setengah: reaksi oksidasi

 \mathrm{H}_{2} \longrightarrow 2\mathrm{H}^{+} + 2e^-

dan reaksi reduksi

 \mathrm{F}_{2} + 2e^- \longrightarrow 2\mathrm{F}^{-}

Penganalisaan masing-masing reaksi setengah akan menjadikan keseluruhan proses kimia lebih jelas. Karena tidak terdapat perbuahan total muatan selama reaksi redoks, jumlah elektron yang berlebihan pada reaksi oksidasi haruslah sama dengan jumlah yang dikonsumsi pada reaksi reduksi. Unsur-unsur, bahkan dalam bentuk molekul, sering kali memiliki bilangan oksidasi nol. Pada reaksi di atas, hidrogen teroksidasi dari bilangan oksidasi 0 menjadi +1, sedangkan fluorin tereduksi dari bilangan oksidasi 0 menjadi -1.

Ketika reaksi oksidasi dan reduksi digabungkan, elektron-elektron yang terlibat akan saling mengurangi:

Dan ion-ion akan bergabung membentuk hidrogen fluorida:

C. Reaksi penggantian

Redoks terjadi pada reaksi penggantian tunggal atau reaksi substitusi. Komponen redoks dalam tipe reaksi ini ada pada perubahan keadaan oksidasi (muatan) pada atom-atom tertentu, dan bukanlah pada pergantian atom dalam senyawa.

Sebagai contoh, reaksi antara larutan besi dan tembaga(II) sulfat:

 \mathrm{Fe} + \mathrm{CuSO}_{4} \longrightarrow \mathrm{FeSO}_{4} + \mathrm{Cu}

Persamaan ion dari reaksi ini adalah:

Terlihat bahwa besi teroksidasi:

dan tembaga tereduksi:

Contoh-contoh lainnya

* Besi(II) teroksidasi menjadi besi(III)

Fe2+ → Fe3+ + e

* hidrogen peroksida tereduksi menjadi hidroksida dengan keberadaan sebuah asam:

H2O2 + 2 e → 2 OH

Persamaan keseluruhan reaksi di atas adalah:

2Fe2+ + H2O2 + 2H+ → 2Fe3+ + 2H2O

* denitrifikasi, nitrat tereduksi menjadi nitrogen dengan keberadaan asam:

2NO3 + 10e + 12 H+ → N2 + 6H2O

* Besi akan teroksidasi menjadi besi(III) oksida dan oksigen akan tereduksi membentuk besi(III) oksida (umumnya dikenal sebagai perkaratan):

4Fe + 3O2 → 2 Fe2O3

* Pembakaran hidrokarbon, contohnya pada mesin pembakaran dalam, menghasilkan air, karbon dioksida, sebagian kecil karbon monoksida, dan energi panas. Oksidasi penuh bahan-bahan yang mengandung karbon akan menghasilkan karbon dioksida.

* Dalam kimia organik, oksidasi seselangkah (stepwise oxidation) hidrokarbon menghasilkan air, dan berturut-turut alkohol, aldehida atau keton, asam karboksilat, dan kemudian peroksida.

D. Reaksi Redoks dalam Industri

Proses utama pereduksi biji logam untuk menghasilkan logam akan dibahas dalam peleburan. Oksidasi digunakan dalam berbagai industri seperti pada produksi produk-produk pembersih. Reaksi redoks juga merupakan dasar dari sel elektrokimia.

E. Reaksi redoks dalam biologi

asam askorbat

Gambar asam askorbat (bentuk

tereduksi Vitamin C)

asam dehidroaskorbat

Gambar asam dehidroaskorbat (bentuk

teroksidasi Vitamin C)

Banyak proses biologi yang melibatkan reaksi redoks. Pernapasan sel, contohnya, adalah oksidasi glukosa (C6H12O6) menjadi CO2 dan reduksi oksigen menjadi air. Persamaan ringkas dari pernapasan sel adalah:

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

Proses pernapasan sel juga sangat bergantung pada reduksi NAD+ menjadi NADH dan reaksi baliknya (oksidasi NADH menjadu NAD+). Fotosintesis secara esensial merupakan kebalikan dari reaksi redoks pada pernapasan sel:

6 CO2 + 6 H2O + light energy → C6H12O6 + 6 O2

Energi biologi sering disimpan dan dilepaskan dengan menggunakan reaksi redoks. Fotosintesis melibatkan reduksi karbon dioksida menjadi gula dan oksidasi air menjadi oksigen. Reaksi baliknya, pernapasan, mengoksidasi gula, menghasilkan karbon dioksida dan air. Sebagai langkah antara, senyawa karbon yang direduksi digunakan untuk mereduksi nikotinamida adenina dinukleotida (NAD+), yang kemudian berkontribusi dalam pembentukan gradien proton, yang akan mendorong sintesis adenosina trifosfat (ATP) dan dijaga oleh reduksi oksigen. Pada sel-sel hewan, mitokondria menjalankan fungsi yang sama. Lihat pula Potensial membran. Istilah keadaan redoks juga sering digunakan untuk menjelaskan keseimbangan antara NAD+/NADH dengan NADP+/NADPH dalam sistem biologi seperti pada sel dan organ. Keadaan redoksi direfleksikan pada keseimbangan beberapa set metabolit (misalnya laktat dan piruvat, beta-hidroksibutirat dan asetoasetat) yang antarubahannya sangat bergantung pada rasio ini. Keadaan redoks yang tidak normal akan berakibat buruk, seperti hipoksia, guncangan (shock), dan sepsis.

F. Siklus Redoks

Berbagai macam senyawa aromatik direduksi oleh enzim untuk membentuk senyawa radikal bebas. Secara umum, penderma elektronnya adalah berbagai jenis flavoenzim dan koenzim-koenzimnya. Seketika terbentuk, radikal-radikal bebas anion ini akan mereduksi oskigen menjadi superoksida. Reaksi bersihnya adalah oksidasi koenzim flavoenzim dan reduksi oksigen menjadi superoksida. Tingkah laku katalitik ini dijelaskan sebagai siklus redoks. Contoh molekul-molekul yang menginduksi siklus redoks adalah herbisida parakuat, dan viologen dan kuinon lainnya seperti menadion. [3]PDF (2.76 MiB).

G. Penyetaraan Persamaan Reaksi Redoks

Tahapan:

  1. Tentukan perubahan bilangan oksidasi.
  2. Setarakan perubahan bilangan oksidasi.
  3. Setarakan jumlah listrik ruas kiri dan kanan dengan :
    H+
    Þ pada larutan bersifat asam
    OH-
    Þ pada larutan bersifat basa
  4. Tambahkan H2O untuk menyetarakan jumlah atom H.

Contoh:

MnO4- + Fe2+ ® Mn2+ + Fe3+ (suasana asam)

……………..-5

..B. .é ““““` ù

1. MnO4- + Fe2+ ® Mn2+ + Fe3+

. .+7…… +2……. +2…… +3

………….. . .ë û

……………………+1

2. Angka penyerta = 5
MnO4- + 5 Fe2+
® Mn2+ + 5 Fe3+

3. MnO4- + 5 Fe2+ + 8 H+ ® Mn2+ + 5 Fe3+

4. MnO4- + 5 Fe2+ + 8 H+ ® Mn2+ + 5 Fe3+ + 4 H2O

H. Menyeimbangkan reaksi redoks

Untuk menuliskan keseluruhan reaksi elektrokimia sebuah proses redoks, diperlukan penyeimbangan komponen-komponen dalam reaksi setengah. Untuk reaksi dalam larutan, hal ini umumnya melibatkan penambahan ion H+, ion OH-, H2O, dan elektron untuk menutupi perubahan oksidasi.

1. Media asam

Pada media asam, ion H+ dan air ditambahkan pada reaksi setengah untuk menyeimbangkan keseluruhan reaksi. Sebagai contoh, ketika mangan(II) bereaksi dengan natrium bismutat:

Reaksi ini diseimbangkan dengan mengatur reaksi sedemikian rupa sehingga dua setengah reaksi tersebut melibatkan jumlah elektron yang sama (yakni mengalikan reaksi oksidasi dengan jumlah elektron pada langkah reduksi, demikian juga sebaliknya).

Reaksi diseimbangkan:

Hal yang sama juga berlaku untuk sel bahan bakar propana di bawah kondisi asam:

Dengan menyeimbangkan jumlah elektron yang terlibat:

Persamaan diseimbangkan:

2. Media basa

Pada media basa, ion OH- dan air ditambahkan ke reaksi setengah untuk menyeimbangkan keseluruhan reaksi.Sebagai contoh, reaksi antara kalium permanganat dan natrium sulfit:

Dengan menyeimbangkan jumlah elektron pada kedua reaksi setengah di atas:

Persamaan diseimbangkan:

I. Anoda.

Anoda adalah elektroda, bisa berupa logam maupun penghantar listrik lain, pada sel elektrokimia yang terpolarisasi jika arus listrik mengalir ke dalamnya. Arus listrik mengalir berlawanan dengan arah pergerakan elektron. Pada proses elektrokimia, baik sel galvanik (baterai) maupun sel elektrolisis, anoda mengalami oksidasi. Perlu diperhatikan bahwa tidak selalu anion (ion yang bermuatan negatif) bergerak menuju anoda, ataupun tidak selalu kation (ion bermuatan positif) akan bergerak menjauhi anoda. Pergerakan anion maupun kation menuju atau menjauh dari anoda tergantung dari jenis sel elektrokimianya.

* Pada sel galvanik atau pembangkit listrik (baterai), anoda adalah kutub negatif. Elektroda akan melepaskan elektron menuju ke sirkuit dan karenanya arus listrik mengalir ke dalam elektroda ini dan menjadikannya anoda dan berkutub negatif. Dalam sel galvanik, reaksi oksidasi terjadi secara spontan. Karena terus menerus melepaskan elektron anoda cenderung menjadi bermuatan positif dan menarik anion dari larutan (elektrolit) serta menjauhkan kation. Dalam contoh gambar diagram anoda seng (Zn) di kanan, anion adalah SO4-2, kation adalah Zn2+ dan ZnSO4 elektrolit.

* Pada sel elektrolisis, anoda adalah elektroda positif. Arus listrik dari kutub positif sumber tegangan listrik luar (GGL) dialirkan ke elektroda sehingga memaksa elektroda teroksidasi dan melepaskan elektron.

Diagram dari anoda seng pada sel galvanik

J. Katoda

Kebalikan dari Anoda, katoda adalah elektroda dalam sel elaktrokimia yang terpolarisasi jika arus listrik mengalir keluar darinya. Pada baterai biasa (Baterai Karbon-Seng), yang menjadi katoda adalah seng, yang juga menjadi pembungkus baterai. Sedangkan, pada baterai alkalin, yang menjadi katoda adalah mangan dioksida (MnO2).

Diagran katoda tembaga dalam sel galvanik.

BAB III

PEMBAHASAN

A. Pengertian Baterai

Siapa yang tidak mengenal Baterai?. Benda yang ada di dalam mobil, MP3 player, remote, mainan, dan telepon selular. Baterai merupakan sebuah kaleng berisi penuh bahan-bahan kimia yang dapat memproduksi electron. Reaksi kimia yang dapat menghasilkan electron disebut dengan Reaksi Elektrokimia. Jika kita memperhatikan, kita bisa lihat
bahwa betrai memiliki dua terminal. Terminal pertama bertanda Positif (+) dan terminal Kedua bertanda negatif (-).

Elektron-elektron di kumpulkan 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.

Di dalam beterai sendiri, terjadi sebuah reaksi kimia yang menghasilkan elektron. Kecepatan dari proses ini (elektron, sebagai hasil dari elektrokimia) mengontrol seberapa banyak elektron dapat mengalir diantara kedua kutub. Elektron mengalir dari baterai ke kabel dan tentunya bergerak dari kutun negatif ke lutub positif tempat dimana reaksi kimia tersebutr sedang berlangsung. Dan inilah alsan mengapa baterai bisa bertahan selama satu tahun dan masih memiliki sedikit power, selama tidak terjadi reaksi kimia atau selama kita tidak menghubungkannya dengan kabel atau sejenis Load lain. Seketika kita menghubungkannya dengan kabel maka reaksi kimia pun dimulai.

Secara harfiah berarti baterai. Yang berfungsi sebagai media penyimpan dan penyedia energi listrik. Sumber listrik yang digunakan sebagai pembangkit power dalam bentuk arus searah (DC). Alat ini digunakan elektronika termasuk diantaranya komputer. Baterai merupakan sekumpulan sel-sel kimia yang masing-masing berisi dua electron logem yang dicelupkan dalam larutan penghntar yang disebut elektrolit.Akibat reaksi-reaksi kimia antara konduktor-konduktor dan elektrolit satu elektroda anoda bermuatan positif dan lainnya, katoda ,menjadi bermuatan negatif.
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).

B. Sejarah Baterai

Orang ( penemu ) yang berjasa terhadap perkembangan baterai: John Frederic Daniell, Thomas Edison, Luigi Galvani, Moritz von Jacobi, Georges Leclanché, Slavoljub Penkala, Nikola Tesla Alessandro Volta. Baterai pertama di buat oleh Alessandro Volta pada tahun 1800. Dia membuat sebuah penampung muatan. Seperti gambar di bawah ini:

Lalu pertanyaan selanjutnya ialah bagaimana electron itu dapat di hasilkan ? Sekitar tahun 1866, Leclanche membuat sebuah baterai kering.

Gambar: Sebuah Baterai Kering
Baterai tersebut terdiri atas suatu silinder seng yang berisi pasta dari campuran batu kawi MnO2, salmiak NH4Cl karbon C dan sedikit air. Seng berfungsi sebagai anode dan grafit yang dicelupkan ditengah-tengah pasta sebagai elektroda inert yang merupakan katode. Pasta itu sendiri berfungsi sebagai oksidator. Reaksi rumit tersebut di sederhanakan menjadi:
Anoda: Zn(s)—-> Zn2+ (aq) + 2e
Katoda : 2MnO2 (s) + 2NH4+ (aq) + 2e —->Mn2O3 (s) + 2NH3 (aq) + H2O (l)
Zn(s) + 2NH4+(aq) + 2MnO2 (s)—-> Zn2+ (aq) + Mn2O3 (s)+ 2NH3 (aq) + H2O (l)
Potensial satu sel Leclanche adalah 1,5 volt. Namun sel Leclanche tidak dapat di isi kembali. Baterai kering jenis “alkaline” pada dasarnya sama dengan sel Leclanche tapi bersifat basa karena menggunakan KOH menggantikan NH4Cl dalam pasta. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
Anode : Zn (s) + 2OH (aq)—-> Zn(OH)2 + 2e
Katoda : 2MnO2(s) + 2H2O (l) +2e—-> 2MnO(OH)(s) + 2OH- Potensial dari baterai “alkaline” juga 1,5 volt, tetapi baterai ini dapat bertahan lebih lama. AAA adalah baterai berukuran panjang 44,5 mm dan diameter 10,5 mm dan memiliki berat sekitar 11,5 gram. Baterai alkalin ukuran ini memiliki tegangan 1,5 volt dan kuat arus dari 900 sampai 1.155 Ampere. Baterai Nikel logam hidrida (NiMH) ukuran ini dapat menyimpan sampai 1000 mAh dengan tegangan 1,2 Volt. Baterai AAA juga memiliki kode lainnya seperti LR03 (IEC), 24A (ANSI/NEDA), R03, MN2400, AM4, UM4, HP16, atau mikro. Baterai berukuran AAA umum digunakan dalam alat elektronik kecil seperti remote control, pemutar MP3 d
an kamera digital.

Gambar: Dua buah baterai NiMH berukuran AAA

C. Bahan Kimia Yang Digunakan dalam Pembuatan

Belerang, Air raksa, Asam sulfat, Seng, Amonium klorida, Antimon, Kadmium, Perak, Nikel, Hidrida logam nickel, Litium, Hidrida, Kobalt, Mangan, Nitrogliserin, Rubidium
D.
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 elektro kima, Redoks (Reduksi – Oksidasi). Batere terdiri dari beberapa sel listrik, sel listrik tersebut menjadi penyimpan energi listrik dalam bentuk energi kimia.
Sel batere 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 electron akan mengalir dari ktoda menuju anoda.
Terdapat 2 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

E. Jenis Baterai
Baterai dikelompokan menjadi 2 jenis yaitu :
1. Baterai Primer yaitu batere yang hanya digunakan satu kali, dan setelah habis isi (Recharge).

a. Baterai Leclenche (Zn MnO2) baterai sel kering /Dry Cell. Merupakan jenis baterai yang banyak digunakan sejak beberapa puluh tahun yng lalu. Satu sel batere berkapasitas 1,5 volt. Kutub positif (Anoda) mengunakan Zn, Kutub negatip (Katoda) menggunakan MnO2 Pada suhu tingi kapasitas sel leclanche akan turun dengan drastic, oleh sebab itu penyimpanan batere ini harus ditempat yang bersuhu rendah.

b.Baterai sel kering Magnesium (MgMnO2). Merupakan jenis batere yang memiliki konstruksi serupa dengan batere seng. Memiliki kapasitas satu cell 1,5 volt. Kutub positip (Anoda) menggunakan Mg, Kutub negatif (Katoda) menggunakan MnO­2. Baterai ini memiliki kelebihan kapasitas umur 2x sel kering dan stabil pada temperature tinggi. Adapun kekurangannya yaitu, tidak bisa dibuat sekecil mungkin. Pada keadaan kerja akan timbul Reaksi Parasitik akibat dari pembuangan gas hydrogen.

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. Batere ini memiliki kelebihan yaitu :
· Pada proses pemakaian akan tetap pada rating yang dimiliki meskipun pemakaiannya tak menentu.
· Pada pembebanan tingi dan terus menerus, mampu memberikan umur pelayanan 2 – 10 kali pemakaian dari sel leclanche.
· Sangat baik dioperasikan pada temperature rendah sampai -25 derajat celcius.
Baterai yang sering digunakan adalah zinc-alcaline manganese oxide. zinc-alcaline manganese oxide memberikan daya olebih per penggunaannya dibandingkan batere sekunder. zinc-alcaline manganese oxide mempunyai umur (waktu hidup yang lama).
Rechargeable alcaline
Baterai alcaline mempunyai umur(waktu hidup) yang panjang ,namun daur hidupnya lebih pendek dari pada batere sekunder lainnya.

d.Sel Merkuri. Baterai ini pada Anoda menggunakan Zn dan pada katoda menggunakan Oksida Merkuri. Dan pada elektrolit menggunakan Alkaline. Kapasitas maksimal stabil yaitu 1,35 volt, yang biasa digunakan pada tegangan referensi. Kapasitas dari batere ini dapat sampai 1,4 volt bila katodanya Oxida Merkuri atau Oxida Mangan. Dari segi ukuran berdiameter dari 3/8- 1 inchi.

e.Sel oksida perak (AgO2). Baterai ini pada Katoda menggunakan serbuk elektroloit alkaline dan pada Anoda menggunakan oksida perak. Teganagan pada Open Circuit yaitu1,6 volt dan tegangan nominal pada beban sebesar 1,5 volt apabila katodanya oksida merkuri atau oksida mangan. Dari segi ukuran batere 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 mempunti tegangan out put yang tinggi,memiliki umur yangf 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 Sakunder yaitu batere yang bias digunakan berkali kali dengan mengisi kembali muatannya, apabila telah habis energinya setelah dipakai.

F. Cara Kerja Baterai

Baterai adalah suatu proses kimia listrik, dimana pada saat pengisian/cas/charge energi listrik diubah menjadi kimia dan saat pengeluaran/discharge energi kimia diubah menjadi energi listrik. Baterai (dalam hal ini adalah aki; aki mobil/motor/mainan) terdiri dari sel-sel dimana tiap sel memiliki tegangan sebesar 2 V, artinya aki mobil dan aki motor yang memiliki tegangan 12 V terdiri dari 6 sel yang dipasang secara seri (12 V = 6 x 2 V) sedangkan aki yang memiliki tegangan 6 V memiliki 3 sel yang dipasang secara seri (6 V = 3 x 2 V).



Gambar:Baterai 12 Volt


Gambar : Baterai 6 Volt
Antara satu sel dengan sel lainnya dipisahkan oleh dinding penyekat yang terdapat dalam bak baterai, artinya tiap ruang pada sel tidak berhubungan karena itu cairan elektrolit pada tiap sel juga tidak berhubungan (dinding pemisah antar sel tidak boleh ada yang bocor / merembes). Di dalam satu sel terdapat susunan pelat pelat yaitu beberapa pelat untuk kutub positif (antar pelat dipisahkan oleh kayu, ebonit atau plastik, tergantung teknologi yang digunakan) dan beberapa pelat untuk kutub negatif. Bahan aktif dari plat positif terbuat dari oksida timah coklat (PbO2) sedangkan bahan aktif dari plat negatif ialah timah (Pb) berpori (seperti bunga karang). Pelat-pelat tersebut terendam oleh cairan elektrolit yaitu asam sulfat (H2SO4).


1. Saat baterai mengeluarkan arus
a. 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 (H20).
b. 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 alias 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 hampir melulu hanya terdiri dari air (H2O), akibatnya berat jenis cairan menurun menjadi sekitar 1,1 kg/dm3 dan ini mendekati berat jenis air yang 1 kg/dm3. Sedangkan baterai yang masih berkapasitas penuh berat jenisnya sekitar 1,285 kg/dm3. Nah, dengan perbedaan berat jenis inilah kapasitas isi baterai bisa diketahui apakah masih penuh atau sudah berkurang yaitu dengan menggunakan alat hidrometer. Hidrometer ini merupakan salah satu alat yang wajib ada di bengkel aki (bengkel yang menyediakan jasa setrum/cas aki). Selain itu pada saat baterai dalam keadaan discharge maka 85% cairan elektrolit terdiri dari air (H2O) dimana air ini bisa membeku, bak baterai pecah dan pelat-pelat menjadi rusak.

Ilustrasi baterai dalam keadaan terisi penuh

Ilustrasi baterai saat mengeluarkan arus

Ilustrasi baterai dalam keadaan tak terisi (discharge)
Air memiliki berat jenis 1 kg/dm3 (1 kg per 1000 cm3 atau 1 liter) dan asam sulfat memiliki berat jenis 1,285 kg/dm3 pada suhu 20 derajat Celcius.

Catatan:
kg = kilogram
dm3 = decimeter kubik = liter
cm3 = centimeter kubik / cc (
centimeter cubic)
1 dm = 1 liter = 1000 cm3 = 1000 cc


2.
Saat baterai menerima arus
Baterai yang menerima arus adalah baterai yang
sedang disetrum/dicas alias sedang diisi dengan cara dialirkan listrik DC, dimana kutup 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-maing tegangan baterai : Voltase1 + Voltase2 = Voltasetotal). Hal ini bisa ditemukan di bengkel aki dimana ada beberapa baterai yang duhubungkan secara seri dan semuanya disetrum sekaligus. Berapa kuat arus (ampere) yang harus dialiri bergantung juga dari kapasitas yang dimiliki baterai tersebut (penjelasan tentang ini bisa ditemukan di bagian bawah).
Konsekuensinya, proses penerimaan arus ini berlawanan dengan proses pengeluaran arus, yaitu :
a. 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).
b. 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).

G. Cairan elektrolit
Pelat-pelat baterai harus selalu terendam cairan elektrolit, sebaiknya tinggi cairan elektrolit 4 – 10 mm diatas bagian tertinggi dari pelat. Bila sebagian pelat tidak terendam cairan elektrolit maka bagian pada pelat yang tidak terendam tersebut akan langsung berhubungan dengan udara akibatnya bagian tersebut akan rusak dan tak dapat dipergunakan dalam suatu reaksi kimia yang diharapkan, contoh, sulfat tidak bisa lagi menempel pada bagian dari pelat yang rusak, sebab itu bisa ditemukan konsentrasi sulfat yang sangat tinggi dari ruang sel yang sebagian pelatnya sudah rusak akibat sulfat yang sudah tidak bisa lagi bereaksi dengan bagian yang rusak dari pelat. Oleh karena itu kita harus memeriksa tinggi cairan elektrolit dalam baterai kendaraan bermotor setidaknya 1 bulan sekali (kalau perlu tiap 2 minggu sekali agar lebih aman ) karena senyawa dari cairan elektrolit bisa menguap terutama akibat panas yang terjadi pada proses pengisian (charging), misalnya pengisian yang diberikan oleh alternator.
Bagaimana jika cairan terlalu tinggi? Ini juga tidak baik karena cairan elektrolit bisa tumpah melalui lubang-lubang sel (misalnya pada saat terjadi pengisian) dan dapat merusak benda-benda yang ada disekitar baterai akibat korosi, misalnya sepatu kabel, penyangga / dudukan baterai, dan bodi kendaraan akan terkorosi, selain itu proses pendinginan dari panasnya cairan elektrolit baterai oleh udara yang ada dalam sel tidak efisien akibat kurangnya udara yang terdapat di dalam sel, dan juga asam sulfat akan berkurang karena tumpah keluar; bila asam sulfat berkurang dari volume yang seharusnya maka kapasitas baterai tidak akan maksimal karena proses kimia yang terjadi tidak dalam keadaan optimal
sehingga tenaga / kapasitas yang bisa diberikan akan berkurang, yang sebelumnya bisa menyuplai katakanlah 7 ampere dalam satu jam menjadi kurang dari 7 ampere dalam satu jam, yang sebelumnya bisa memberikan pasokan tenaga sampai katakanlah 1 jam kini kurang dari 1 jam isi/tenaga baterai sudah habis.
H. Penyulfatan
Baterai, 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 akan habis isinya dalam jangka waktu 3 bulan jika elektrolit memiliki suhu 40 derajat Celcius, sedangkan makin dingin suhunya maka makin lambat isi berkurang, contoh, elektrolit yang bersuhu 20 derajat Celcius isinya hanya akan hilang setengah bagian (50%) dalam 3 bulan, dan yang bersuhu 15 derajat Celcius isinya hanya akan berkurang sebesar 7-8% dalam 3 bulan.
Baterai yang sedang mengeluarkan isinya sendiri secara perlahan akan menyulfat. Maksud 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 atau tidak akan banyak membantu karena yang sudah rusak disin 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.
I. Mengatasi penyulfatan
1.
Baterai yang tak terpakai disimpan pada ruangan yang bersuhu rendah (suhu yang lebih dingin).
2. 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.
Pada nomor 2, 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. Terpaksa disini disebabkan karena baterai yang sudah terisi penuh tidak akan bertambah lagi isinya walaupun tetap terus diisi, selain itu baterai yang t erisi penuh akan kian bertambah panas bila terus diisi / disetrum (overcharging) sehingga beresiko merusaknya, ditambah lagi dengan terjadinya penguapan gas, dan terutama bahaya kemungkinan meledak yang pada akhirnya merusak baterai secara total (sama sekali tidak bisa dipergunakan) dan bahkan berbahaya bagi orang yang ada disekelilingnya jika cairan asam dari baterai muncrat dan mengenai orang tersebut! Ingat, cairan asam bisa mengorosi/merusak plat besi, apalagi daging manusia! Termasuk juga cairan accu zur (cairan yang disikan pada baterai baru yaitu saat pertama kali diisi) cukup korosif! Jadi berhati-hatilah jika berhubungan dengan cairan accu zur terlebih lagi cairan yang telah ada dalam baterai!
J. Kapasitas Baterai
Kapasitas baterai adalah jumlah ampere jam (
Ah = kuat arus/Ampere x waktu/hour), artinya baterai dapat memberikan / menyuplai sejumlah isinya secara rata-rata sebelum tiap selnya menyentuh tegangan / voltase turun (drop voltage) yaitu sebesar 1,75 V (ingat, tiap sel memiliki tegangan sebesar 2 V; jika dipakai maka tegangan akan terus turun dan kapasitas efektif dikatakan sudah terpakai semuanya bila tegangan sel telah menyentuh 1,75 V). Misal, baterai 12 V 75 Ah. Baterai ini bisa memberikan kuat arus sebesar 75 Ampere dalam satu jam artinya memberikan daya rata-rata sebesar 900 Watt (Watt = V x I = Voltase x Ampere = 12 V x 75 A). Secara hitungan kasar dapat menyuplai alat berdaya 900 Watt selama satu jam atau alat berdaya 90 Watt selama 10 jam, walaupun pada kenyataannya tidak seperti itu (dijelaskan di bawah ini). Kembali ke kapasitas baterai, pada kendaraan bermotor kapasitas ini bisa dianalogikan sebagai volume maksimal tangki bahan bakar namun yang membuat berbeda adalah kapasitas pada baterai bisa berubah-ubah dari nilai patokannya, jadi mirip tangki bahan bakar mobil yang bahannya terbuat dari karet. Sebagai ilustrasi saya beri contoh balon karet, isinya bisa besar jika terus dimasukkan udara atau bisa juga kecil jika udara yang ditiup sedikit saja. Nah, kapasitas baterai juga tidak tetap, mirip contoh balon karet tadi, dimana ada tiga faktor yang menentukan besar kecilnya kapasitas baterai yaitu :

  • Jumlah bahan aktif
    Makin besar ukuran pelat yang bersentuhan dengan cairan elektrolit maka makin besar kapasitasnya; makin banyak pelat yang bersentuhan dengan cairan elektrolit maka makin besar kapasitasnya. Jadi untuk mendapatkan kapasitas yang besar luas pelat dan banyaknya pelat haruslah ditingkatkan, dengan catatan bahwa pelat haruslah terendam oleh cairan elektrolit. Dari sini kita kembali bisa menyadari betapa pentingnya bagi pelat-pelat agar terendam oleh cairan elektrolit karena bagian dari pelat yang tidak terendam sama sekali tidak akan berfungsi bagi peningkatan kapasitas!
  • Temperatur
    Makin rendah temperatur (makin dingin) maka makin keci l kapasitas baterai saat digunakan karena reaksi kimia pada suhu yang rendah makin lambat tidak peduli apakah arus yang digunakan tinggi atapun rendah. Kapasitas baterai biasanya diukur pada suhu tertentu, biasanya 25 derajat Celcius.

· Waktu dan arus pengeluaran
Pengeluaran lambat (berupa pengeluaran arus yang rendah) mengakibatkan waktu pengeluaran juga diperpanjang alias kapasitas lebih tinggi. Kapasitas yang dinyatakan untuk baterai yang umum pemakaiannya pada pengeluaran tertentu, biasanya 20 jam. Contoh: Baterai 12 V 75 Ah bisa dipakai selama 20 jam jika kuat arus rata-rata yang digunakan dalam 1 jam adalah 3,75 Ampere (75 Ah / 20 h), sedangkan bila digunakan sebesar 5 Ampere maka waktu pemakaian bukannya 15 jam (75 Ah / 5 A) tapi lebih kecil yaitu 14 jam, sedangkan pada penggunaan Ampere yang jauh lebih besar, yaitu 7,5 Ampere maka waktu pemakaian bukan 10 jam (75 A / 7,5 A) tapi hanya 7 jam!
Hal ini bisa menjadi jawaban bagi mereka yang menggunakan UPS, misal 500 VA atau 500 Watt.hour, yang mana baterai UPS hanya bertahan lebih kurang 5 – 15 menit untuk komputer yang memerlukan daya 250 Watt, padahal kalau berdasarkan hitungan kasar seharusnya bisa bertahan selama 2 jam ( 500 Watt.hou r / 250 Watt ). Sebagai contoh nyata, sebuah aki kering 12 V dan 18 Ah mencantumkan nilai spesifikasi sebagai berikut :
20 hr @ 0,9 A = 18 A
5 hr @ 3,06 A = 15,3 A
1 hr @ 10,8 A = 10,8 A
1/2 hr @ 18 A = 9 A
Jika dilihat dari spesifikasi maka aki ini memiliki kapasitas efektif sebesar 18 Ah namun suplai dari aki sebenarnya hanya bisa dilakukan selama :
* 20 jam jika kuat arus yang dipakai hanya sebesar 0,9 A untuk tiap jam artinya hanya memakai daya sebesar 10,8 Watt/jam (12 V x  0,9 A) –> Kapasitas = 18 Ah (0,9 A x 20 hour)
* 5 jam jika kuat arus yang dipakai 3,06 A atau berdaya 36,72 Watt/jam (12 V x 3,06 A) –> Kapasitas = 15,3 Ah (3,06 A x 5 hour)
* 1 jam jika kuat arus yang dipakai 10,8 A atau berdaya 129,6 Watt/jam (12 V x 10,8 A) –> Kapasitas = 10,8 Ah (10,8 A x 1 hour)
* 1/2 jam jika kuat arus yang dipaka i sama dengan kapasitas efektifnya yang 18 Ah atau berdaya 216 Watt/jam (12 V x 18 A) –> Kapasitas = 9 Ah (18 A x 0,5 hour).
Dari sini Anda sudah bisa menyimpulkan bahwa makin rendah arus yang dikeluarkan/ dipergunakan maka baterai mampu menyuplai dalam waktu yang lebih panjang artinya kapasitas baterai bisa sama persis dengan kapasitas efektif sebesar 18 Ah bila menggunakan kuat arus seperduapuluh dari kapasitas efektifnya (1/20 x 18 A) dan sebaliknya semakin besar pemakaian arus makin kecil pula kapasitas baterai yang bahkan bisa cuma mencapai 9 Ah.
Saya pribadi tidak tahu persis apa rumus yang bisa menghitung hubungan flukutasi arus dengan kapasitas yang dihasilkannya tapi secara kasar -berdasarkan data diatas- pemakain arus sebesar 60% dari kapasitas efektifnya akan bertahan selama 1 jam. Jadi untuk mendapatkan kapasitas baterai yang bisa menyalakan peralatan berdaya 300 Watt selama satu jam digunakan perhitungan berikut :
- Dapatkan ukuran Ampere, yaitu 25 A (Ampere (I) = Daya / Voltase = P / V = 300 / 12 = 25)
- Kapasitas efektif dari baterai yang dicari adalah 41,67 Ah (Ampere / 60% = 25 x 100 / 60).

K. Pengisian baterai/Cas aki/Accu charging
Pengisian arus dialirkan berlawanan dengan waktu pengeluaran isi yang berarti juga bahwa beban aktif dan elektrolit diubah supaya energi kimia bateari mencapai maksimum.
Ada tiga metode pengisian bateari :
1. Pengisian perawatan (maintenance charging) digunakan untuk mengimbangi kehilangan isi (self discharge), dilakukan dengan arus rendah sebesar 1/1000 dari kapasitas baterai. Ini biasa dilakukan pada baterai tak terpakai untuk melawan proses penyulfatan. Bila baterai memiliki kapasitas 45 Ah maka besarnya arus pengisian perawatan adalah 45 mA (miliAmpere).
2. Pengisian lambat (slow charging) adalah suatu pengisian yang lebih normal. Arus pengisian harus sebesar 1/10 dari kapasitas baterai. Bila baterai memiliki kapasitas 45 Ah maka besarnya arus pengisian lambat adalah 4,5 A. Waktu pengisian ini bergantung pada kapasitas baterai, keadaan baterai pada permulaan pengisian, dan besarnya arus pengisian. Pengisian harus sampai gasnya mulai menguap dan berat jenis elektrolit tidak bertambah walaupun pengisian terus dilakukan sampai 2 – 3 jam kemudian.
3. Pengisian cepat (fast charging) dilakukan pada arus yang besar yaitu mencapai 60 – 100 A pada waktu yang singkat kira-kira 1 jam dimana baterai akan terisi sebesar tiga per empatnya. Fungsi pengisian cepat adalah memberikan baterai suatu pengisian yang memungkinkannya dapat menstarter motor yang selajutnya generator memberikan pengisian ke baterai.
L. Hal-hal Lain Bentang Baterai
Baterai yang terawat dengan baik dapat berfungsi sampai beberapa tahun, sebaliknya jika tak terawat, baterai bisa diganti kurang dari satu tahun! Pemegang baterai yang longgar bisa menyebabkan baterai tak tahan lama, kabel starter yang rusak dapat mengakibatkan hubungan singkat sehingga baterai cepat rusak, dan baterai yang kotor dapat menyebabkan arus hilang terutama pada kondisi cuaca yang lembab.
Gas-gas yang menguap pada waktu pengisian baterai dapat meledak sehingga menggunakan api pada ruangan dimana baterai diisi dilarang keras! Selain itu ruangan baterai harus dilengkapi dengan ventilasi yang baik untuk mencegah timbulnya karat karena adanya gas asam sulfur. Campuran timah pada baterai selalu beracun karena itu diperlukan kebersihan dan kehati-hatian ekstra. Memeriksa kondisi baterai tidak bisa hanya dengan mengukur tinggi tegangan /voltase yang dihasilkan tapi juga harus dengan memberikan beban pada baterai tersebut.
Bila mengunakan baterai lebih dari satu dimana kondisinya secara keseluruhan sudah lemah maka seluruh baterai harus diganti jadi tidak bisa hanya sekedar mengganti baterai yang sudah lemah saja! Karena jika sebagia diganti dan sebagian lain masih menggunakan baterai yang lama maka peralatan listrik akan menggunakan karakteristik dari baterai terlemah yaitu baterai lama yang masih dipakai dan berakibat penggantian baterai yang lebih cepat; dalam jangka panjang biayanya justru lebih tinggi daripada mengganti seluruh baterai sedari awal. Selain itu alat pengisi baterai (charger) akan melihat keseluruhan baterai sebagai satu kesatuan baterai sehingga batera lama ada kemungkinan bisa mengalami overcharging dan baterai baru mengalami underchargin g yang pada akhirnya mengakibatkan kerusakan baterai secara total terlebih lagi hasil dar baterai gabungan tersebut menyebabkan peralatan listrik tidak bekerja / berjalan secara memadai. Aki kering maupun basah memiliki prinsip kerja yang sama termasuk pengisian arusnya. Jadi substitusi dimungkinkan terjadi namun perlu diperhatikan karakteristik dari peralatan yang menggunakannya dan sistem yang ada.

BAB IV

KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan

Elektrokimia adalah ilmu yang mempelajari aspek elektronik dari reaksi kimia. Elemen yang digunakan dalam reaksi elektrokimia dikarakterisasikan dengan banyaknya elektron yang dimiliki.

Redoks (singkatan dari reaksi reduksi/oksidasi) adalah istilah yang menjelaskan berubahnya bilangan oksidasi (keadaan oksidasi) atom-atom dalam sebuah reaksi kimia.

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).

Bahan kimia yang digunakan untuk pembuatan bakterai: Belerang, Air raksa, Asam sulfat, Seng, Amonium klorida, Antimon, Kadmium, Perak, Nikel, Hidrida logam nickel, Litium, Hidrida, Kobalt, Mangan, Nitrogliserin, Rubidium

B. Saran

1. Baterai yang tak terpakai disimpan pada ruangan yang bersuhu rendah (suhu yang lebih dingin).
2. 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.
Pada nomor 2, 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. Terpaksa disini disebabkan karena baterai yang sudah terisi penuh tidak akan bertambah lagi isinya walaupun tetap terus diisi, selain itu baterai yang terisi penuh akan kian bertambah panas bila terus diisi/disetrum (overcharging) sehingga beresiko merusaknya, ditambah lagi dengan terjadinya penguapan gas, dan terutama bahaya kemungkinan meledak yang pada akhirnya merusak baterai secara total (sama sekali tidak bisa dipergunakan) dan bahkan berbahaya bagi orang yang ada disekelilingnya jika cairan asam dari baterai muncrat dan mengenai orang tersebut! Ingat, cairan asam bisa mengorosi/merusak plat besi, apalagi daging manusia! Termasuk juga cairan accu zur (cairan yang disikan pada baterai baru yaitu saat pertama kali diisi) cukup korosif! Jadi berhati-hatilah jika berhubungan dengan cairan accu zur terlebih lagi cairan yang telah ada dalam baterai!

DAFTAR PUSTAKA

Benny Karyadi, 1997, Kimia 2, P.T. Balai Pustaka, Jakarta

Hart Harold, 2007, Kimia Organik, Edisi II, Erlangga, Jakarta.

Oxtoby, D.W., Gillis, H.P., Nachtrieb, N.H. (2001) Prinsip-prinsip Kimia Modern. Edisi ke-4. Jilid 1. Diterjemahkan oleh S.S. Achmadi. Jakarta: Erlangga.

Petrucci H. Raplh. Suminar, 1987, Kimia Dasar Prinsip dan Terapan Modern, Jilid 2, Erlangga, Jakarta.

Shidiq Premono, Anis Wardani, Nur Hidayati, 2007, Kimia, P.T .Pustaka Insan Madani, Yogyakarta.





Elektrolisa Air

3 12 2008

By Aris Purwadi/P.Sains/IPA

S830208001

ENERGI ALTERNATIF

DARI ELEKTROLISA AIR

I. Pendahuluan

Melonjaknya harga minyak mentah dunia memincu naiknya harga bahan bakar minyak didalam negeri, harga bensin sekarang telah mencapai Rp 6000/liter. Hal ini menimbulkan gejolak yang tinggi dimasyarakat, gejolak yang baik adalah mencari solusi terhadap krisis energi yang diperkirakan akan muncul kemudian bila kita masih tergantung pada penggunaan bahan bakar fosil atau bahan bakar minyak (BBM). Sebagaian masyarakat telah mengembangkan energi alternatif Biogas atau menggunakan bahan limbah kotoran hewan atau manusia yang diproses secara anaerob sehingga dihasilkan gas metan, namun produk ini lebih banyak digunakan sebagai bahan bakar rumah tangga dan sampai saat ini belum dikembangkan untuk kendaraan bermotor. Salah satu alternatif yang sekarang banyak disorot ialah pengembangan sumber energi yang berasal dari hasil elektrolisis air yang dikenal dengan “Blue Energi” ada yang mengenal sebagai “Brown Gas”, berikut perkembangan tentang penelitian atau pengembangan bahan bakar air atau BBA:

1. “Watercar” oleh Issac de Rivas.

Pada tahun 1805 Isaac de Rivas berkebangsaan Swiss sebagai orang pertama yang menggunakan Hidrogen yang dihasilkan dari elektrilisa sebagai bahan bakar mesin dengan pembakaran internal, namun rancangannya belum memuaskan dan penemuan ini dikenal dengan “watercar”. Kemudian penelitian ini dikembangkan dan dilanjutkan oleh Luther Wattles dan Rudolf A Erren.

2. BBA oleh Nicola Tesla dan Stanley Meyer.

Pada tahun 1943 kedua orang tersebut telah mengembangkan penggunaan bahan bakar air namun karena alasan bisnis hasil temuannya dihilangkan, bahkan bukan hanya temuannya tetapi juga hasil penelitiannya, kemudian Nicola Tesla dipenjara dan dihukum mati tahun 1943 dan Stanley Meyer dari Amerika Serikat terbunuh tahun 1998.

3. “Brown Gas”

Yull Brown yang berasal dari Sydney Australia pada tahun 1974 berhasil mengembangkan BBA untuk menggerakkan mesin, bahan bakar air ini sebenarnya merupakan campuran gas hidrogen-hidrogen-oksigen yang dihasilkan dari elektrolisa air. Dalam tabung elektrolisa dipasang kumparan magnetik untuk memecahkan campuran air destilasi dan soda kue hingga menjadi campuran gas hidrogen-hidrogen-oksigen (HHO). Hidrogen bersifat eksplosif dan oksigen mendukung pembakaran, gas ini ditampung dalam tabung elektrolisa yang dialirkan kedalam ruang pembakaran mesin dan akan bercampur dengan gas hidrokarbon dari bahan bakar minyak, sehingga terjadi penghematan dalam tingkat yang signifikan.

4. Poempida Hidayatullah dan Futung Mustari.

Kedua orang Indonesia tersebut telah melakukan rekayasa sistem dan mengembangkan sejak empat tahun lalu, dengan melakukan elektrolisa larutan soda kue dengan alasan mudah didapat dan harganya lebih murah serta lebih ramah lingkungan. Uji coba dilakukan dengan 30 kendaraan bermotor roda empat dari berbagai jenis baik yang berbahan bakar bensin maupun solar, pada kendaraan tersebut dipasang alat elektrolisa dan hasilnya dimasukkan ke ruang pembakaran hasilnya BBM dapat mencapai rasio jarak tempuh rata-rata 1 : 25 atau 25 km untuk setiap 1 Liter bahan bakar, dengan cara ini bahan bakar minyak (BBM) dapat dihemat sampai 59 persen. Salah satu uji coba yang dilakukan dengan menggunakan Toyota Avanza pada bulan Mei lalu, menunjukkan hasil efisiensi bahan bakar samapai 40 persen atau 1 liter untuk 18 km. Pada Mitsubishi L300 penghematan sampai 94 persen atau 1liter dapat mencapai 23,3 km.

5. Djoko Sutrisno.

Rekayasa yang dilakukan Djoko Sutrisno di Yogyakarta pada tahun 2005 dapat mencapai efisiensi hingga 80 persen dengan menggunakan prinsip ledakan Hidrogen yang terpatik pada api busi untuk menambah hasil pembakaran BBM. Alat yang dipasang pada kendaraan bermotor, menggunakan tabung plastik sebagai tempat elektrolisa larutan KOH dalam air suling dengan dipasang elektroda yang dihubungkan dengan arus listrik dari aki dan dipasang diode penyearah arus, gas hasil elektrolisa dialirkan ke dalam ruang pembakaran melalui manipol bersama bahan bakar atau bensin masuk ke ruang pembakaran sehingga memperkuat pembakaran sehingga terjadi penghematan bahan bakar. Di Yogyakarta telah terpasang alat ini pada 25 mobil dan sekitar 50 sepeda motor.

6. Sistem Hibrid Bahan Bakar Air dan BBM.

Cara kerja sistem ini gas hasil elektrolisis dialirkan pada saluran masuk manifol, pada saat strat mesin menggunakan bahan bakar minyak, setelah mesin hidup maka gas hasil elektrolisis masuk, karena arus listrik yang digunakan untuk elektrolisis baru mengalir setelah mesin hidup. Pada putaran mesin tinggi gas yang dihasilkan dari elektrolisa selain disalurkan ke manifol masuk juga dialirkan melalui pipa saluran udara setelah kotak filter udara, sehingga gas yang masuk ke dalam ruang pembakaran akan diperkaya dengan gas hasil elektrolisa berupa gas hidrogen untuk meningkatkan energi dan gas oksigen untuk menyempurnakan pembakaran sehingga akan diperoleh efisiensi bahan bakar yang cukup tinggi.

Gambar 1: Sistem Hibrid Bahan Bakar Air dan BBM

(Mesin dengan Karburator)

Alat ini sangat tepat untuk  mobil keluaran tahun 1995 kebawah, atau masih menggunakan karburator dan dapat menekan emisi gas buang sampai 70 %. Untuk mobil keluaran terbaru yang menggunakan ECU (komputer) akan sangat bermanfaat jika ditambahkan MAP enhancer. Fungsi MAP enhancer adalah untuk memotong jalur komputer dalam membaca campuran bahan bakar dalam intake manifold.

Gambar 2 : Sistem Hibrid Bahan Bakar Air dan BBM

(Mesin dengan Fuel Injection)

Dari percobaan yang dilakukan diperoleh hasil sebagai berikut:

  • Mengurangi konsumsi bahan bakar, dan jarak tempuh per Liternya semakin besar.Minimal 25 % maksimal 70 %.
  • Mengurangi emisi gas buang yang berbahaya bagi lingkungan khususnya karbonmonoksida.
  • Meningkatkan performa dan kekuatan mesin, menurunkan suhu kerja mesin, dan panas yang terbuang ke udara serta suara mesin menjadi lebih halus.
  • Menghilangkan karbon deposit (flek hitam) pada mesin yang dapat ditemukan ketika membongkar mesin kendaraan diakibatkan oleh pembakaran yang tidak sempurna.
  • Meningkatkan usia pakai kendaraan, karena piston dan katup menjadi lebih bersih dan awet.

II. Kajian Teori

Pada elektrolisis larutan elektrolit akan dihasilkan zat zat hasil reaksi yang tergantung pada harga potensial reduksi ion-ion yang ada dalam larutan dan elektrode yang digunakan. Jumlah zat hasil elektrolisis bergantung besarnya jumlah listrik yang digunakan, untuk menghasilkan gas Hidrogen dan gas Oksigen dapat digunakan larutan elektolit dari Kalium Hidroksida (KOH) atau menggunakan garam sulfat atau karbonat dari unsur-unsur golongan IA seperti Natrium Sulfat (Na2SO4), Natrium Karbonat (Na2CO3) atau garam lain yang mudah didapat dan ekonomis.

Reaksi : Elektrolisis larutan KOH dalam air :

Katoda : [2H2O(l) + 2e → 2OH-(aq) + H2(g)] x 2

Anoda : 4OH-(aq) 2H2O(l) + O2(g) + 4e +

2H2O(l) 2 H2(g) + O2(g)

Reaksi : Elektrolisis larutan Na2CO3 dalam air :

Katoda : [2H2O(l) + 2e → 2OH-(aq) + H2(g)] x 2

Anoda : 2H2O(l) 4H+(aq) + O2(g) + 4e +

2H2O(l) 2 H2(g) + O2(g)

Pada elektrolisis larutan yang mengandung ion-ion golongan IA (Na+, K+), ion-ion tersebut tidak tereduksi pada katode tetapi air yang mengalami reduksi karena potensial reduksi air lebih besar dari potensial reduksi ion Natrium atau ion Kalium (Eo H2O/H2 = - 0,83 volt dan Eo Na+/Na = - 2,71 volt).

Dalam penerapannya elektrode yang digunakan adalah stainless still yang dapat dikategorikan sebagai elektrode inert, dari percobaan yang dilakukan Djoko Sutrisno pada beberapa kendaraan bermotor, untuk mobil 1000 CC dengan kecepatan 50-60 km/jam dengan konsumsi BBM (besin) 1 liter dapat menempuh jarak 12 km, sehingga waktu yang diperlukan 12/60 jam = 12 menit. Jika dihitung kalor yang dihasilkan pada pembakaran sempurna 1 liter bensin (oktana) dengan reaksi : Ramsden E.N (2000 : 499).

C8H18(g) + 25/2 O2(g) → 8 CO2(g) + 9H2O(g) rHo = – 5510 kJ/mol

Reaksi ini berlangsung pada ruang pembakaran, dimana bahan bakar minyak mempunyai titik didih 150oC dan akan berbentuk uap pada ruang pembakaran mesin.

Massa 1 mol C8H18 = (8.12 + 18. 1) gram (Ar C = 12 dan H = 1)

= 114 gram

Untuk membakar 1 mol C8H18 atau 114 gram C8H18 dibebaskan kalor = 5510 kJ.

Massa jenis bensin = 0,77 kg/L sehingga massa 1 L bensin = 770 gram, jadi kalor yang dihasilkan = 770/114 x 5510 kJ

= 37216,66 kJ

Jadi kalor yang dihasilkan pada pembakaran 1 gram bensin = 37216,66 kJ/770 gram

= 48,333 kJ

Pada pembakaran bensin oktana emisi gas buang masih mengandung gas CO sebanyak 5%.

Pada perakitan alat elektrolisis yang dipasang pada mobil digunakan diode dengan kuat arus 25 Ampere, digunakan dalam waktu yang sama 12 menit gas hidrogen yang dihasilkan sebagai berikut :

Massa H2 = ME H2. i . t /96500 gram

= 1. 25. 12. 60/96500 gram

= 0,186528 gram

Pembakaran sempurna gas H2 menurut reaksi :

H2(g) + ½ O2(g) → H2O(g) rHo = -241,82 kJ/mol

Pada pembakaran 1mol atau 2 gram gas hidrogen dihasilkan kalor = 241,82 kJ

Untuk pembakaran sempurna 1 gram gas hidrogen dihasilkan kalor = 120,91 kJ

Untuk pembakaran 0,186528 gram dibebaskan kalor = 0,186528/2 x 241,82 kJ

= 22,5531 kJ

Sedangkan gas oksigen yang dihasilkan dari proses elektrolisis yang sama :

Massa O2 = ME O2 . i . t /96500 gram

= 32/4 . 25. 12. 60/96500 gram

= 1,49223 gram

Volume gas O2 yang dihasilkan jika diukur pada suhu 25oC dan tekanan 1 atm adalah PV = nRT atau V = n RT/P

V gas O2 = 1,49223/32. 0,082056872. 298/1 Liter

= 1,14027 Liter

Gas oksigen yang dihasilkan ini akan sangat berperan didalam proses pembakaran, sehingga pembakaran akan berlangsung lebih sempurna dan bahan bakar akan semakin hemat.

III. Pembahasan.

1. Dari hasil perhitungan kalor yang dihasilkan pada pembakaran sempurna 1 mol gas H2 hasil elektrolisis, yang diukur pada suhu kamar besarnya entalpi sama dengan entalpi pembentukan 1 mol uap air. Dengan menggunakan arus listrik 25 ampere dan waktu yang sama dengan waktu yang digunakan untuk melakukan pembakaran bensin dengan kendaraan bermotor selama 12 menit ternyata diperoleh kalor 22,5531 kJ. Jika dibandingkan kalor yang dihasilkan pada pembakaran 1 gram besin (oktana) dengan 1 gram gas Hidrogen = 48,333 kJ : 120,91 kJ. Dari hasil ini terlihat bahwa penambahan gas hidrogen dari elektrolisis kedalam ruang pembakaran akan menghasilkan tambahan energi yang cukup besar sehingga performa mesin akan lebih bagus dan lebih hemat dalam pemakaian bahan bakar.

2. Pada pembakaran bensin dalam bentuk uap di ruang pembakaran mesin ternyata belum dapat terbakar sempurna, terlihat dari hasil pembakaran masih terdapat 5% gas karbonmonoksida atau CO, ini dapat dipandang sebagai pemborosan energi. Hadirnya gas oksigen murni yang diperoleh dari hasil elektrolisa sebanyak 1,49223 gram atau 1,14027 Liter pada suhu kamar, kontribusi gas oksigen ini akan sangat besar didalam membantu proses pembakaran, diharapkan pembakaran yang terjadi akan semakin sempurna dan performa mesin akan semakin tinggi serta pemakaian bahan bakar kendaraan bermotor akan semakin efisien.

3. Dengan penambahan gas hidrogen dan gas oksigen pada ruang pembakaran, proses oksidasi dan performa mesin meningkat, diikuti dengan penurunan residu karbon pada ruang pembakaran, penurunan emisi gas buang karbomonoksida (CO), dan hidrokarbon/ bensin yang tidak terbakar.

IV. Saran.

Pada sel elektrolisa antara ruang katoda dan anoda perlu diberikan pemisah, demikian pula saluran gas hasil elektrolisa dari anoda dan katoda juga diberi pipa saluran yang terpisah, hal ini disebabkan :

  1. Jika gas hidrogen dan gas oksigen bercampur akan bereaksi membentuk uap air, ini akan mengurangi jumlah gas oksigen dan gas hidrogen yang masuk ke ruang pembakaran.
  2. Resiko terjadi ledakan pada sel elektrolisa akan semakin tinggi bila tidak diberi sekat atau pemisah, apabila terjadi peningkatan arus listrik atau penyumbatan pada pipa saluran ke manipol masuk.

V. Kesimpulan

Gas hasil elektrolisa air dengan menggunakan larutan KOH atau larutan Na2CO3 berupa gas hidrogen dan gas oksigen dapat digunakan sebagai sumber energi tambahan pada kendaraan bermotor. Gas hidrogen untuk meningkatkan energi dan gas oksigen untuk menyempurnakan pembakaran sehingga akan diperoleh efisiensi bahan bakar yang cukup tinggi, yang pada akhirnya akan meningkatkan performa mesin serta meningkatkan efisiensi penggunaan bahan bakar.

=============================

Daftar Pustaka

Keenan. Kleinfelter. Wood. 2003. Kimia Untuk Universitas Jilid 2. Jakarta : Penerbit

Erlangga.

Kompas, 20 Juni 2008. Menghemat BBM Dengan “Brown Energy”

Oxtoby. Gillis. Nachtrieb. 2001. Prinsip-prinsip Kimia Modern Jilid 1. Jakarta :

Penerbit Erlangga.

Ramsden E.N. 2000. Chemistry A-Level fourth edition. Cheltenham : Nelson

Thormes Ltd. United Kingdom.

Wang Xiang Jun. 2008. Mengubah air menjadi besin. Yogyakarta : Penerbit Pustaka

Radja.

http://www.bahanbakar.com





Mari Bergabung !

1 12 2008

Selamat bergabung dengan blog kimia prodi sains pascasarjana uns

Pemikiran yang inovatif dan kreatif diperlukan untuk kemajuan ilmu dan teknologi bagi lingkungan

Blog ini dapat dipergunakan oleh komunitas semuanya yang berhubungan dengan ke-kimia-an

Yang ingin bagi-bagi ilmu, artikel, dan penemuan ilmiah silahkan kirimkan melalui komentar atau lewat email kepada administrator :

kuncoropr@yahoo.co.id








Ikuti

Get every new post delivered to your Inbox.