Baterai timbal-asam: Kimia (Karakteristik umum)

Oleh: Heru Setyawan

• Baterai timbal-asam: Karakteristik umum
• Baterai timbal-asam: Sejarah
• Baterai timbal-asam: Data pembuatan dan pemakaian baterai
• Baterai timbal-asam: Kimia (Karakteristik tegangan sirkuit terbuka)
• Baterai timbal-asam: Kimia (Kehilangan polarisasi dan hambatan)
• Baterai timbal-asam: Kimia (Pemakaian sendiri)
• Baterai timbal-asam: Kimia (Karakteristik dan sifat asam sulfat)

Baterai timbal-asam menggunakan timbal dioksida (PbO₂) sebagai bahan aktif elektroda positif dan timbal logam, dalam struktur berpori dengan luas permukaan sangat besar, sebagai bahan aktif negatif. Sifat fisika dan kimia bahan ini disajikan pada Tabel 1. Umumnya, elektroda positif yang terisi mengandung alfa-PbO₂ (ortorombik) dan beta-PbO₂ (tetragonal). Potensial kesetimbangan alfa-PbO₂ lebih positif 0,01 V daripada beta-PbO₂. Bentuk alfa-PbO₂ juga mempunyai morfologi yang lebih besar dan lebih kompak sehingga secara elektrokimia lebih tidak aktif dan kapasitas per satuan beratnya sedikit lebih rendah. Akan tetapi, alfa-PbO₂ mempromosikan umur siklus lebih lama. Kedua bentuk tersebut tidak ada yang benar-benar stoichiometri. Komposisinya dapat diwakili oleh PbO_x dengan x bervariasi antara 1,85 dan 2,05. Penambahan antimoni, bahkan pada konsentrasi rendah, dalam penyiapan atau siklus spesies ini mengarah kepada peningkatan kinerja yang signifikan. Penyiapan prekursor bahan aktif terdiri dari serangkaian pencampuran dan operasi pemulihan menggunakan timbal oksida dengan timbal (PbO + Pb), asam sulfat dan air. Rasio reaktan dan kondisi pemulihan (suhu, kelembaban dan waktu) memengaruhi pengembangan kristalinitas dan struktur pori-pori. Pelat yang dipulihkan terdiri dari timbal sulfat, timbal oksida dan sebagian kecil timbal sisa (<5%). Bahan aktif, yang dibentuk secara elektrokimia dari pelat yang dipulihkan, adalah faktor utama yang memengaruhi kinerja dan umur baterai timbal-asam. Pada umumnya, elektroda negatif atau timbal mengendalikan kinerja suhu dingin (mis.: menyalakan mesin).

Sifat	Timbal	alfa-PbO2	beta-PbO2
Berat molekul, g/mol	207,2	239,19	239,19
Komposisi		PbO:1,94-2,03	PbO:1,87-2,03
Bentuk kristal	fcc	Rhombik (columbite)	Tetragonal (rutile)
Parameter kisi, nm	a = 0,4949	a = 0,4977 b = 0,5948 c = 0,5444	a = 0,491-0,497 c = 0,337-0,340
Densitas sinar X, g/cm3	11,34	9,80	~9,80
Densitas praktis pada 20 oC (tergantung pada kemurnian), g/cm3	11,34	9,1-9,4	9,1-9,4
Kapasitas panas, kal/deg.mol	6,80	14,87	14,87
Panas spesifik, kal/g	0,0306	0,062	0,062
Hambatan listrik, pada 20 oC, mikro ohm/cm	20	~100 x 10-3
Potensial elektrokimia pada 4,4 M H2SO4 pada 31,8 oC, V	0,356	~1,709	~1,692
Titik lebur, oC	327,4

Elektrolit adalah asam sulfat, biasanya dengan specific gravity (s.g.) 1,28 atau 37% berat asam dalam kondisi terisi penuh.

Ketika sel dipakai, kedua elektroda diubah menjadi timbal sulfat. Proses berbalik pada pengisian:

Sebagaimana ditunjukkan, proses elektroda dasar di elektroda positif dan negatif melibatkan mekanisme pelarutan dan pengendapan dan bukan perpindahan ion keadaan padat atau mekanisme pembentukan lapisan. Karena asam sulfat dalam elektrolit dikonsumsi selama pemakaian, menghasilkan air, elektrolit adalah bahan “aktif” dan pada rancangan baterai tertentu dapat menjadi bahan pembatas kapasitas. Pengaruh pembatas kapasitas dari elektrolit menjadi pertimbangan perancangan penting dalam baterai timbal-asam diatur katup (valve regulated lead-acid; VRLA).

Ketika sel mendekati terisi penuh dan sebagian besar PbSO₄ telah diubah menjadi Pb atau PbO₂, tegangan sel pada pengisian menjadi lebih besar daripada tegangan pelepasan gas (kira-kira 2,39 V per sel) dan reaksi kelebihan muatan mulai, yang mengakibatkan produksi hidrogen dan oksigen (pelepasan gas) dan kehilangan air.

Dalam sel timbal-asam tersegel, reaksi ini dikendalikan untuk meminimalkan pelepasan hidrogen dan kehilangan air dengan penggabungan kembali oksigen yang terlepas dengan pelat negatif.

Karakteristik kinerja umum sel timbal-asam, selama pengisian dan pemakaian, ditunjukkan pada Gambar 1. Ketika sel dipakai, tegangan turun karena penipisan bahan, kehilangan hambatan internal dan polarisasi. Jika arus pemakaian adalah konstan, tegangan pada beban turun dengan mulus sampai tegangan perhentian dan specific gravity (s.g.) turun berbanding lurus dengan pemakaian ampere-hour.

Tegangan nominal sel timbal-asam adalah 2 V sedangkan tegangan sirkuit terbuka merupakan fungsi langsung dari konsentrasi elektrolit, yang berkisar dari 2,125 V untuk sel dengan s.g. 1,28 sampai 2,05 V dengan s.g. 1,21. Tegangan akhir atau perhentian pada pemakaian laju sedang adalah 1,75 V per sel, tetapi bisa berkisar sampai serendah 1,0 V pada laju pemakaian yang sangat tinggi pada suhu rendah.

Pemilihan s.g. (densitas relatif) yang dipakai untuk elektrolit tergantung pada aplikasi dan syarat layanan (Tabel 2). Konsentrasi harus cukup tinggi agar konduktivitas ionnya bagus dan memenuhi syarat elektrokimia, tetapi tidak begitu tinggi yang menyebabkan kerusakan separator dan korosi bagian sel lain, yang akan memperpendek umur dan meningkatkan pemakaian sendiri. Konsentrasi elektrolit secara sengaja diturunkan pada iklim bersuhu tinggi. Selama pemakaian, s.g. turun berbanding lurus dengan Ah yang dipakai (Tabel 3). Jadi, s.g. merupakan salah satu cara untuk memeriksa keadaan muatan baterai. Pada pengisian, perubahan dalam s.g. harus secara serupa berbanding lurus dengan muatan Ah yang diterima sel. Akan tetapi, ada keterlambatan karena pencampuran sempurna elektrolit tidak terjadi sampai gas mulai mendekati akhir pengisian.

Jenis baterai	s.g. (Iklim suhu)	s.g. (Iklim tropis)
SLI	1,260–1,290	1,210–1,230
Beban berat	1,260–1,290	1,210–1,240
Mobil golf	1,260–1,290	1,240–1,260
Mobil golf (kendaraan listrik)	1,275–1,325	1,240–1,275
Tenaga penarik	1,275–1,325	1,240–1,275
Stasioner	1,210–1,225	1,200–1,220
Menyalakan diesel (kereta api)	1,250
Pesawat terbang	1,260–1,285	1,260–1,285

---

Keadaan muatan	s.g. A	s.g. B	s.g. C	s.g. D
100% (terisi penuh)	1,330	1,280	1,265	1,225
75%	1,300	1,250	1,225	1,185
50%	1,270	1,220	1,190	1,150
25%	1,240	1,190	1,155	1,115
Pemakaian	1,210	1,160	1,120	1,0

• Baterai timbal-asam: Karakteristik umum
• Baterai timbal-asam: Sejarah
• Baterai timbal-asam: Data pembuatan dan pemakaian baterai
• Baterai timbal-asam: Kimia (Karakteristik tegangan sirkuit terbuka)
• Baterai timbal-asam: Kimia (Kehilangan polarisasi dan hambatan)
• Baterai timbal-asam: Kimia (Pemakaian sendiri)
• Baterai timbal-asam: Kimia (Karakteristik dan sifat asam sulfat)

Pustaka

A. Salkind & G. Zguris, Lead-Acid Batteries, dalam T. B. Reddy (Editor), Linden’s Handbook of Batteries, Edisi 4, McGraw-Hill, 2011.