ELEKTROKIMIA : APLIKASI BATERAI DAN SEL BAHAN BAKAR

 APLIKASI BATERAI DAN SEL BAHAN BAKAR

Oleh : Bagus Julian Tri Kusuma (@Z20-BAGUS)

Abstrak

     Proses elektrokimia digunakan dalam banyak cara dan penggunaannya kemungkinan akan meningkat karena proses tersebut dapat menggantikan situasi kimia yang menimbulkan polusi dengan situasi elektrokimia yang tidak menimbulkan polusi. Inovasi lebih lanjut dalam desain baterai, termasuk baterai baru dan teknologi sel bahan bakar, telah menghasilkan banyak aplikasi baru.

Kata kunci : Elektrokimia, kimia, teknologi baterai, dan teknologi sel bahan bakar

Pendahuluan

     Baterai modern hadir dalam berbagai bentuk untuk mengakomodasi berbagai aplikasi, mulai dari baterai kancing kecil yang menyediakan kebutuhan daya sederhana seperti jam tangan hingga baterai sangat besar yang digunakan untuk memasok energi cadangan ke jaringan listrik kota. Beberapa baterai dirancang untuk aplikasi sekali pakai dan tidak dapat diisi ulang ( sel primer ), sementara baterai lainnya didasarkan pada reaksi sel yang dapat dibalik dan memungkinkan pengisian ulang oleh sumber daya eksternal ( sel sekunder ). Bagian ini akan memberikan ringkasan aspek elektrokimia dasar dari beberapa baterai yang familiar bagi sebagian besar konsumen, dan akan memperkenalkan perangkat elektrokimia terkait yang disebut sel bahan bakar yang dapat menawarkan peningkatan kinerja dalam aplikasi tertentu.

Rumusan Masalah

A. Jelaskan pengertian dan jenis – jenis teknologi baterai dan reaksinya !!

B. Jelaskan pengertian sel bahan bakar ?

Tujuan

A. Untuk mengetahui dan memahami jenis – jenis Baterai

B. Untuk mengetahui pengertian sel bahan bakar

Pembahasan

A. Pengertian dan jenis – jenis baterai

Teknologi Baterai

     Penyimpanan elektrokimia listrik dilakukan pada baterai. Perangkat tersebut adalah sel elektrokimia dan terdiri dari dua elektroda per unit. Saat listrik yang akan disimpan diterima di pelat sel, ia mengubah zat di pelat tersebut menjadi zat baru yang memiliki energi lebih tinggi daripada zat lama. Ketika listrik diinginkan tersedia kembali, terminal baterai dihubungkan ke beban dan zat pada pelat baterai mengubah dirinya menjadi seperti semula, mengeluarkan listrik sebagai produk reaksi elektrokimianya. 

Jenis – jenis teknologi baterai :

1. Baterai sekali pakai

     Baterai primer yang umum adalah sel kering , yang menggunakan kaleng seng sebagai wadah dan anoda (“–”) terminal dan batang grafit sebagai katoda (“+” terminal). Kaleng Zn diisi dengan pasta elektrolit yang mengandung mangan(IV) oksida, seng(II) klorida, amonium klorida, dan air. Batang grafit direndam dalam pasta elektrolit untuk melengkapi sel. Reaksi sel spontan melibatkan oksidasi seng:

Zn ( s ) ⟶ Zn2 + ( aq ) + 2e-         (anoda)

dan reduksi mangan (IV)

2MnO2 ( s ) + 2NH4Cl ( aq ) + 2e- ⟶ M N2HAI3 ( s ) + 2NH3 ( aq ) + H2HAI ( aku ) + 2Kl-(katoda)

yang bersama-sama menghasilkan reaksi sel:

2MnO2 ( s ) + 2NH4Cl ( aq ) + Zn ( s ) ⟶ Zn2 + ( aq ) + MN2HAI3 ( s ) + 2NH3( aq ) + H2HAI ( aku ) + 2Kl-              (sel)

Tegangan ( potensial sel ) sel kering kira-kira 1,5 V. Sel kering tersedia dalam berbagai ukuran (misalnya D, C, AA, AAA). Semua ukuran sel kering terdiri dari komponen yang sama, sehingga menunjukkan tegangan yang sama, namun sel yang lebih besar mengandung jumlah reaktan redoks yang lebih besar dan oleh karena itu mampu mentransfer muatan dalam jumlah yang lebih besar. Seperti sel galvanik lainnya, sel kering dapat dihubungkan secara seri untuk menghasilkan baterai dengan keluaran tegangan lebih besar, jika diperlukan.

2. Baterai Alkaline

     Baterai alkaline dikembangkan pada tahun 1950-an untuk meningkatkan kinerja sel kering, dan dirancang menggunakan pasangan redoks yang sama. Seperti namanya, baterai jenis ini menggunakan elektrolit alkali, seringkali kalium hidroksida. Reaksinya adalah

Baterai alkaline dapat menyalurkan energi sekitar tiga hingga lima kali lipat energi sel kering seng-karbon dengan ukuran serupa. Baterai alkaline rentan terhadap kebocoran kalium hidroksida, sehingga harus dikeluarkan dari perangkat untuk penyimpanan jangka panjang. Meskipun beberapa baterai alkaline dapat diisi ulang, sebagian besar tidak. Upaya untuk mengisi ulang baterai alkaline yang tidak dapat diisi ulang sering kali menyebabkan pecahnya baterai dan kebocoran elektrolit kalium hidroksida.

Baterai alkaline dirancang sebagai pengganti yang lebih baik untuk baterai seng-karbon (sel kering).

3. Baterai Sekunder ( Isi Ulang )

     Baterai nikel-kadmium , atau NiCd terdiri dari katoda berlapis nikel, anoda berlapis kadmium, dan elektroda kalium hidroksida. Pelat positif dan negatif, yang dicegah korslet oleh pemisah, digulung menjadi satu dan dimasukkan ke dalam wadah. Ini adalah desain “jelly-roll” dan memungkinkan sel NiCd mengalirkan lebih banyak arus dibandingkan baterai alkaline berukuran.

Jika dirawat dengan benar, baterai NiCd dapat diisi ulang sekitar 1000 kali. Kadmium adalah logam berat beracun sehingga baterai NiCd tidak boleh dipecah atau dibakar, dan baterai tersebut harus dibuang sesuai dengan pedoman limbah beracun yang relevan.

Baterai NiCd menggunakan desain “jelly-roll” yang secara signifikan meningkatkan jumlah arus yang dapat dihasilkan baterai dibandingkan dengan baterai alkaline berukuran serupa.

4. Baterai Litium ion ( Isi ulang )

     Baterai litium ion adalah salah satu baterai isi ulang yang paling populer dan digunakan di banyak perangkat elektronik portabel. Reaksinya adalah

Stoikiometri variabel reaksi sel menyebabkan variasi tegangan sel, tetapi untuk kondisi tertentu, x biasanya tidak lebih dari 0,5 dan tegangan sel kira-kira 3,7 V. Baterai litium populer karena dapat menghasilkan arus dalam jumlah besar, lebih ringan dibandingkan baterai sejenis lainnya, menghasilkan voltase yang hampir konstan saat habis dayanya, dan hanya kehilangan daya secara perlahan saat disimpan.

 Dalam baterai litium ion, muatan mengalir saat ion litium ditransfer antara anoda dan katoda.

5. Baterai Asam Timbal

     Baterai asam timbal adalah jenis baterai sekunder yang biasa digunakan pada mobil. Harganya murah dan mampu menghasilkan arus tinggi yang dibutuhkan oleh motor starter mobil. Reaksi yang terjadi pada baterai asam timbal adalah

Setiap sel menghasilkan 2 V, jadi enam sel dihubungkan secara seri untuk menghasilkan aki mobil 12 V. Baterai asam timbal berat dan mengandung elektrolit cair kaustik, H ₂ SO ₄ ( aq ), namun sering kali masih menjadi baterai pilihan karena kepadatan arusnya yang tinggi. Karena baterai ini mengandung timbal dalam jumlah besar, baterai harus selalu dibuang dengan benar.

Baterai asam timbal di mobil Anda terdiri dari enam sel yang dihubungkan secara seri untuk menghasilkan 12 V.

B. Pengertian Sel Bahan Bakar

     Sel bahan bakar adalah sel galvanik yang menggunakan bahan bakar tradisional yang mudah terbakar, paling sering hidrogen atau metana, yang secara terus menerus dimasukkan ke dalam sel bersama dengan oksidan. Di dalam sel, bahan bakar dan oksidan mengalami reaksi kimia redoks yang sama seperti saat dibakar, namun melalui elektrokimia yang dikatalisis yang secara signifikan lebih efisien. Misalnya, sel bahan bakar hidrogen pada umumnya menggunakan elektroda grafit yang tertanam dengan katalis berbasis platinum untuk mempercepat dua reaksi setengah sel :

Dalam sel bahan bakar hidrogen ini, oksigen dari udara bereaksi dengan hidrogen, menghasilkan air dan listrik.

Jenis sel bahan bakar ini umumnya menghasilkan tegangan sekitar 1,2 V. Dibandingkan dengan mesin pembakaran internal, efisiensi energi sel bahan bakar yang menggunakan reaksi redoks yang sama biasanya lebih dari dua kali lipat (~20%–25% untuk mesin dibandingkan ~50 %–75% untuk sel bahan bakar). Sel bahan bakar hidrogen umumnya digunakan pada misi luar angkasa, dan prototipe untuk kendaraan pribadi telah dikembangkan, meskipun teknologinya masih relatif belum matang.

Kesimpulan

     Dengan memahami prinsip elektrokimia dan menerapkannya dalam teknologi baterai dan sel bahan bakar, kita dapat mengembangkan solusi inovatif untuk menyediakan sumber energi yang lebih efisien dan ramah lingkungan.

Daftar Pustaka

Cacciola, G., Antonucci, V., Freni, S. (2001) Technology up date and new strategies on fuel cells. J. Power Source.

Carbone, A., Pedicini, R. Portale, G., Longo, A. D’Ilario, L.D., Passalacqua, E. (2006) Sulphonated poly (ether ether ketone) membranes for fuel cell application: Thermal and structural characterisation. J. Power Source.

Carrette, L., Friedrich, K.A., Stimming, U. 2001. Fuel Cells – Fundamentals and Applications. Fuel Cells.

haeruddin, dkk. (2021). Desain Penyeimbangan Sel Baterai Lithium Ion dengan Teknik Cell to Cell Charging Mode pada Battery Management System (BMS). Jurnal ECOTIPE.