Baterai dan jenisnya

Baterai adalah salah satu alat penting untuk penyimpan dan konversi energi yang bekerja berdasarkan prinsip elektrokimia. Jadi, baterai sebenarnya merupakan sebuah sel elektrokimia. Berdasarkan cara kerjanya, sel elektrokimia dapat dibagi menjadi dua, yaitu: sel galvanis dan sel elektrolisa. Sel galvanis, yang juga disebut sel volta, merubah energi kimia menjadi kerja listrik sedangkan sel elektrolisa merubah kerja listrik untuk menggerakkan reaksi kimia tak spontan. Dalam baterai biasa, komponen kimia terkandung dalam alat itu sendiri. Jika reaktan dipasok dari sumber luar ketika dikonsumsi, alat ini disebut sel bahan bakar (fuel cell).

Komponen utama sebuah baterai terdiri dari dua bahan konduktor tak sejenis (elektroda) yang dicelupkan dalam larutan yang mampu menghantarkan listrik (elektrolit). Salah satu elektroda akan bermuatan listrik positif dan yang lain negatif. Ujung elektroda yang menonjol diatas elektrolit dikenal sebagai terminal positif dan terminal negatif. Ketika kedua terminal dihubungkan dengan kawat konduktor (mis.: tembaga), arus listrik akan mengalir melalui kawat dari terminal negatif ke positif. Beda potensial atau tekanan listrik antar terminal tergantung pada bahan elektroda dan elektrolit dan diukur dalam volt.

Dalam pemakaiannya, baterai ada yang tidak bisa diisi ulang dan ada yang bisa diisi ulang. Jenis baterai yang tidak bisa diisi ulang disebut baterai primer dan yang bisa diisi ulang disebut baterai sekunder.

Sel primer

Pada baterai kering yang biasa kita gunakan, elektroda terdiri dari dari batang karbon positif pada pusat sel dan bejana seng negatif dengan elektrolit jeli ammonium khlorida. Potensial sel kira-kira 1,5 volt. Selama pemakaian, seng secara perlahan-lahan larut ketika arus listrik dihasilkan. Ketika ammonium khlorida jenuh, aliran arus listrik berhenti dan sel harus dibuang. Sel seperti itu dikatakan primer atau tak dapat diisi ulang.

Contoh baterai yang diuraikan diatas adalah baterai tipe karbon-seng. Tipe baterai yang lebih maju adalah baterai alkaline-mangan dioksida. Baterai ini pertama kali diperkenalkan dipasar tahun 1959. Sejak itu, jenis baterai ini telah mendominasi pasar baterai portabel. Hal ini karena sistem alkaline dikenal memiliki beberapa keunggulan dibandingkan baterai tipe karbon-seng. Beberapa keunggulan kimia alkaline dibandingkan kimia karbon-seng dasar adalah:

• Densitas energi lebih tinggi
• Kinerja pelayanan lebih unggul pada semua laju pemakaian
• Kinerja suhu dingin lebih unggul
• Hambatan internal lebih rendah
• Umur lebih lama
• Hambatan lebih besar terhadap kebocoran

Baterai alkaline silinder dibuat dengan anoda seng dengan luas permukaan besar, katoda mangan dioksida dengan densitas tinggi dan elektrolit potasium hidroksida. Potongan melintang baterai silinder alkaline diilustrasikan pada diagram dibawah:

Baterai alkaline menghasilkan listrik ketika katoda mangan dioksida direduksi dan anoda seng dioksidasi. Persamaan untuk reaksi sel alkaline sederhana adalah:

Zn + 2MnO2 + H2O → ZnO + 2MnOOH

Selama reaksi ini, air (H2O) dikonsumsi dan ion hidroksil (OH-) dihasilkan oleh katoda MnO2 menurut reaksi:

2MnO2 +2H2O+2e→2MnOOH+2OH-

Pada saat yang sama, anoda mengonsumsi ion hidroksil dan menghasilkan air:

Zn + 2 OH- →ZnO +H2O + 2 e

Elektron (e) yang dihasilkan selama reaksi digunakan untuk memberi daya alat. Laju reaksi tergantung pada kualitas bahan baku dan ketersediaan air dan ion hidroksil selama reaksi. Sebuah baterai dirancang untuk menjaga katoda dan anoda terpisah untuk mencegah terjadinya reaksi. Elektron yang disimpan hanya akan mengalir ketika sirkuit tertutup. Ini terjadi ketika baterai dipasang pada alat dan alat dinyalakan. Prinsip ini sama seperti menyalakan dan mematikan saklar lampu dirumah.

Ketika sirkuit tertutup, tarikan yang lebih kuat pada elektron oleh mangan dioksida akan menarik elektron dari elektroda anoda seng melalui kawat dalam sirkuit ke elektroda katoda. Aliran elektron melalui kawat ini adalah listrik dan dapat digunakan untuk aplikasi daya.

Sel sekunder

Sel asam timbal, yang biasanya disebut aki, termasuk dalam kelompok yang disebut sel sekunder atau dapat diisi ulang. Disini, elektroda adalah timbal dioksida positif dan timbal spons negatif dengan elektrolit asam sulfat encer. Selama pemakaian, arus listrik mengalir dan elektroda positif dan negatif berubah menjadi timbal sulfat dan menyerap ion sulfat dari elektrolit dengan mereduksinya menjadi air. Tidak seperti sel kering, sel asam timbal adalah reversibel dan bisa dikembalikan ke keadaan asalnya dengan mengalirkan listrik melalui sel dalam arah yang berlawanan dari mana dilepaskan. Ini membalik reaksi dalam sel, merubah timbal sulfat dalam pelat kembali ke bahan aktif asal dan mengembalikan ion sulfat ke elektrolit.

Sel asam timbal memiliki potensial kira-kira 2 volt, berapapun ukurannya. Sel yang lebih besar akan memiliki kapasitas yang lebih tingi dan mengirimkan arus listrik yang sama untuk waktu yang lebih lama atau arus listrik lebih tinggi untuk periode yang sama daripada sel yang lebih kecil. Sel bisa dihubungkan seri (negatif dari salah satu sel ke positif dari sel berikutnya) agar memberikan tegangan yang lebih tinggi. Jadi tiga sel yang dihubungkan seri akan memberikan baterai sel yang memiliki tegangan nominal 6 volt. Enam sel sejenis yang dihubungkan seri akan menghasilkan baterai 12 volt.

Jenis baterai sekunder lain adalah baterai ion lithium, yang saat ini dipandang memiliki densitas energi dan densitas daya paling besar. Baterai ini diharapkan menjadi sumber energi masa depan untuk berbagai keperluan termasuk mobil listrik. Untuk lebih jelasnya lihat uraian disini.