Teknik Elektrokimia

TENTANG KULIAH INI

Kuliah yang disajikan dalam video-video berikut disusun berurutan agar permirsa mampu memahami fundamental dari teknik elektrokimia dengan pendekatan yang menarik. Kuliah ini ditujukan untuk mahasiswa tingkat akhir atau pascasarjana dalam teknik dan sains. Pemirsa dianggap belum punya pengetahuan tentang elektrokimia, tetapi telah belajar di tingkat sarjana tentang termodinamika, perpindahan, dan kimia. Pengetahuan dasar persamaan diferensial juga disarankan.

Anda akan belajar elektrokimia dari sudut pandang termodinamika, kinetika dan proses perpindahan. Setelah itu akan dipaparkan tentang struktur elektroda dan teknik elektroanalitika. Dasar-dasar baterai diberikan sebagai salah satu contoh aplikasi penting teknik elektrokimia.

Sejarahnya, teknik elektrokimia berkaitan erat dengan teknik kimia dan kimia. Namun, garis antar disiplin menjadi semakin pudar, dan hari ini insiyur mesin, insinyur dan ilmuwan bahan dan fisikawan berurusan dengan teknik elektrokimia.

RINGKASAN

Jumlah video: 10

Durasi per video: antara 1 – 2 jam

Harga: gratis

Institusi:
Departemen Teknik Kimia
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS Sukolilo
Surabaya

Bahasa: Indonesia


APA YANG AKAN ANDA PELAJARI

Dalam kuliah ini anda akan:

  • Memahami sel elektrokimia dan karakteristik reaksi elektrokimia
  • Memahami potensial sel elektrokimia dan mampu mengembangkan hubungan antara potensial sel dan lingkungan kimia pada kesetimbangan.
  • Memahami kecepatan reaksi elektrokimia dan mampu menggambarkannya secara kuantitatif.
  • Memahami pengaruh proses perpindahan terhadap kecepatan reaksi elektrokimia dan mampu menguraikan secara kuantitatif laju perpindahan reaktan dan produk ke dan dari permukaan elektroda.
  • Memahami prinsip dasar yang mengatur perilaku elektroda berpori.
  • Memahami metode untuk menyaring atau mengevaluasi kesesuaian elektroda dan elektrolit untuk aplikasi tertentu, dan mampu memahami teknik untuk mengukur parameter perpindahan dan kinetika.
  • Memahami karakteristik dasar baterai yang meliputi konfigurasi dan sistem kimianya.

PRASYARAT:

Anda harus terbiasa dengan jenjang sarjana, atau mempunyai latar belakang dalam thermodinamika, proses perpindahan dan kimia, dan disarankan mempunyai pengetahuan dasar persamaan diferensial.


SILABUS

  • Video 1: Pendahuluan dan prinsip dasar teknik elektrokimia
  • Video 2: Potensial dan termodinamika sel
  • Video 3: Kinetika elektrokimia (Bag. 1): Lapisan ganda dan persamaan Buttler-Volmer
  • Video 4: Kinetika elektrokimia (Bag. 2): Dasar-dasar reaksi dan pengaruh perpindahan massa terhadap kinetika
  • Video 5: Proses perpindahan (Bag. 1): Difusi, neraca bahan dan sifat elektrolit
  • Video 6: Proses perpindahan (Bag. 1): Konveksi, overpotensial konsentrasi, distribusi arus dan membran
  • Video 7: Struktur dan konfigurasi elektroda
  • Video 8: Teknik elektroanalitika dan analisa sistem elektrokimia (Bag. 1)
  • Video 9: Teknik elektroanalitika dan analisa sistem elektrokimia (Bag. 2)
  • Video 10: Dasar-dasar baterai

VIDEO KULIAH

Dalam kolom di samping anda bisa memilih materi yang ingin anda pelajari dengan melihat video. Topik singkat yang diuraikan dalam setiap video ditulis di samping nomor video, sedangkan penjelasan lebih rinci bisa anda baca di sebelah tautan video di bagian bawah halaman ini.


BERTEMU DENGAN INSTRUKTUR

Prof. Dr. Ir. Heru Setyawan, M.Eng.

Profesor di Departemen Teknik Kimia ITS. Saat ini menjabat sebagai Kepala Lab. Elektrokimia dan Korosi di Departemen Teknik Kimia. Kuliah yang diberikan di sini adalah kuliah yang diajarkan pada Program Studi Pascasarjana Teknik Kimia ITS. Klik Heru Setyawan untuk informasi lebih lebih lengkap mengenai instruktur.

VIDEO 1

Dalam video ini, sel elektrokimia dan sistem elektrokimia diperkenalkan. Terminologi umum untuk sistem elektrokimia dipaparkan. Salah satu konsep paling dasar, hukum Faraday, dibahas. Hukum ini menghubungkan muatan listrik dengan jumlah reaktan yang dikonsumsi atau produk yang dihasilkan, dan merupakan inti untuk analisa sistem elektrokimia.

Pengantar dan prinsip dasar sistem elektrokimia

Reaksi elektrokimia adalah reaksi dimana elektron ditransfer melalui penghantar listrik dari spesies yang dioksidasi ke spesies yang direduksi. Contoh aplikasi utama sistem elektrokimia: penyimpan energi elektrokimia, elektrolisa industri dan korosi. Hukum Faraday:

VIDEO 2

Fokus dalam video ini adalah potensial sel pada kesetimbangan. Secara khusus ditunjukkan bagaimana menghubungkan potensial ini dengan kondisi lingkungan pada kesetimbangan: suhu, tekanan dan komposisi. Prinsip termodinamika klasik telah menyediakan kerangka untuk perhitungan ini. Elektroda acuan akan diperkenalkan. Potensial yang diukur dengan elektroda acuan akan menjadi variabel kritis dalam sistem elektrokimia.

Potensial dan termodinamika sel

Persamaan Nernst:

Nilai potensial standar (vs. hydrogen standard electrode; SHE) telah ditentukan dan ditabelkan untuk sebagian besar reaksi elektrokimia. Potensial sel dapat ditentukan langsung dari data energi Gibbs:

Data potensial sel juga dapat dipakai untuk menghitung konstanta kesetimbangan reaksi, yang dalam studi korosi disajikan sebagai diagram Pourbaix.

VIDEO 3

Tujuan utama video ini adalah untuk memperkenalkan rapat arus dan potensial elektroda. Parameter kritis adalah overpotensial permukaan, beda potensial antara logam dan larutan tepat di luar lapisan ganda. Untuk menghilangkan ketidakjelasan, potensial ini diukur dengan elektroda acuan. Hubungan arus-tegangan digambarkan dengan persamaan Butler-Volmer, yang merupakan persamaan semi-empiris. Jadi, persamaan ini tidak bisa berlaku untuk semua keadaan.

Kinetika reaksi elektrokimia (1)

Lapisan ganda timbul akibat pelurusan sendiri spesies bermuatan dalam larutan elektrolit pada antarmuka untuk menyeimbangkan kelebihan muatan pada logam. Lapisan ganda ini memengaruhi kinetika reaksi transfer elektron, yang dinyatakan dalam persamaan Butler-Volmer:

Bentuk persamaan ini berguna untuk menggambarkan banyak reaksi elementer dan non-elementer dalam teknik elektrokimia.

VIDEO 4

Tujuan utama video ini adalah untuk memperkenalkan rapat arus dan potensial elektroda. Parameter kritis adalah overpotensial permukaan, beda potensial antara logam dan larutan tepat di luar lapisan ganda. Untuk menghilangkan ketidakjelasan, potensial ini diukur dengan elektroda acuan. Hubungan arus-tegangan digambarkan dengan persamaan Butler-Volmer, yang merupakan persamaan semi-empiris. Jadi, persamaan ini tidak bisa berlaku untuk semua keadaan.

Kinetika reaksi elektrokimia (2)

Persamaan Butler-Volmer dapat disederhanakan untuk berbagai kondisi. Untuk nilai overpotensial besar, persamaan bisa disederhanakan menjadi persamaan Tafel:

Untuk overpotensial sangat rendah, persamaan bisa didekati dengan linier:

VIDEO 5

Dalam video ini, perpindahan dalam sistem elektrokimia oleh difusi dan konveksi diperkenalkan. Pembeda untuk sistem elektrokimia, medan listrik memainkan peran dalam perpindahan ion. Persamaan Nernst-Planck dipaparkan dan beberapa penyederhanaan penting dibahas. Dua keadaan penting adalah elektrolit biner dan kasus elektrolit penyangga berleibih. Untuk elektrolit biner ada tiga sifat perpindahan: konduktivitas listrik, difusivitas garam dan bilangan perpindahan.

Perpindahan (1)

Fluks dalam sistem elektrokimia digambarkan oleh persamaan Nernst-Planck:

Jika digabungkan dengan neraca massa, menghasilkan himpunan persamaan diferensial parsial non-linier:

Beberapa penyederhanaan penting: (1) tidak ada gradien konsentrasi –> persamaan Laplace, (2) elektrolit biner, dan (3) elektrolit penyangga berlebih.

VIDEO 6

Video ini kelanjutan dari video 5 tentang perpindahan dalam sistem elektrokimia. Yang dibahas pertama adalah perpindahan konveksi. Kemudian dilanjutkan dengan pentingnya distribusi arus, yang dipengaruhi oleh geometri, kinetika dan perpindahan massa. Bilangan Wagner adalah nisbah tak berdimensi hambatan ohm dan kinetika, yang memberikan titik awal yang baik untuk menaksir keseragaman distribusi arus. Untuk perpindahan gas dalam cairan dan membran, kelarutan dan difusivitas dapat digabungkan untuk mendefinisikan permeabilitas; besaran ini memainkan peran penting dalam sel bahan bakar (fuel cell) dan perpindahan gas dalam membran.

Perpindahan (2)

Fluks konveksi pada antarmuka elektroda;

Koefisien perpindahan dinyatakan dalam persamaan empiris:

Sh – bil. Sherwood; Re – bil. Reynolds; Sc – bil. Schmidt

Arus dihubungkan dengan perpindahan menyeberangi lapisan batas perpindahan massa:

Bilangan Wagner:

VIDEO 7

Dalam video ini, konsep dasar elektroda berpori diperkenalkan dan metode dasar untuk mengkarakterisasinya dibahas. Parameter kunci tambahan adalah porositas, luas antarmuka spesifik, dan energi permukaan. Ciri terpenting adalah peningkatan luas permukaan per satuan volume. Elektroda berpori adalah andalan utama hampir semua sistem elektrokimia untuk penyimpan dan pengubah energi, mis.: baterai, sel bahan bakar, superkapasitor, sel aliran. Persamaan untuk menggambarkan elektroda berpori dijelaskan. Penyelesaian analitik mungkin untuk kinetika linier atau Tafel ketika gradien konsentrasi diabaikan. Distibusi arus melalui elektroda ditentukan melalui nisbah hambatan ohm dan kinetika. Sistem dengan fase gas juga dibahas.

Struktur dan konfigurasi elektroda

Terminologi elektroda berpori

  • Depan: ujung elektroda di dekat elektrolit.
  • Belakang: ujung elektroda di dekat pengumpul arus.
  • Porositas: bagian kosong atau rongga dari elektroda
  • Luas superfisial: luas bidang yang meotong elektroda tegak lurus terhadap arah arus superfisial.
  • Luas antarmuka spesifik: luas permukaan fisik sebenarnya dari elektroda yang bersentuhan dengan elektrolit dibagi dengan volume elektroda.

VIDEO 8

Dalam video ini, beberapa metode analisa yang berbeda yang dapat diterapkan untuk sistem elektrokimia dibahas. Pembahasan dimulai dengan uraian sel elektrokimia dan sistem tiga elektroda untuk pengukuran elektrokimia. Kemudian, beberapa teknik analisa yang berbeda pada tingkat pengenalan dijelaskan, yang meliputi: perubahan langkah dalam potensial atau arus dan cyclic voltammetri (CV). Tujuan dari video ini adalah untuk memberikan pondasi dimana pemahaman lebih detail teknik elektroanalitika didasarkan.

Teknik elektroanalitika dan analisa sistem elektrokimia (1)

Bebrapa istilah penting:

  • Penurunan iR merujuk kepada beda potensial yang diukur antara dua titik dalam elektrolit yang disebabkan oleh aliran arus. iR juga disebut penurunan ohm.
  • Koreksi iR adalah cara menyesuaikan potensial elektroda kerja (working electrode; WE) relatif terhadap elektroda acuan (reference electrode; RE) untuk memperhitungkan penurunan iR dalam elektrolit.
  • Kompensasi iR adalah teknik yang dipakai oleh potensiostat tipikal untuk mengoreksi secara otomatis penurunan iR dalam elektrolit. Serin, kompensasi penuh tidak dilakukan karena persoalan stabilitas dengan instrumen.

VIDEO 9

Dalam video ini merupakan kelanjutan dari Video 8. Dalam video ini, teknik analisa lain pada tingkat pengenalan dijelaskan, yang meliputi: analisa pelucutan, impedansi elektrokimia dan elektroda piringan berputar (rotating disk electrode; RDE). Kompensasi iR dan elektroda mikro juga dibahas. Tujuan dari video ini adalah untuk memberikan pondasi dimana pemahaman lebih detail teknik elektroanalitika didasarkan.

Teknik elektroanalitika dan analisa sistem elektrokimia (2)

Prinsip di belakang analisa pelucutan adalah bahwa jumlah kuantitif bahan dideposisikan atau diambil dari permukaan atau dari elektroda amalgam. Karena coulomb yang dilewatkan dapat diukur secara akurat, informasi tentang luas permukaan elektroda atau tentang konsentrasi spesies logam dapat ditentukan secara presisi. Sementara itu, teknik impedansi pada dasarnya adalah menginterpretasikan data impedansi terukur dengan fenomena fisik.

VIDEO 10

Dalam video ini, proses pemilihan dan perancangan baterai diperkenalkan. Faktor kunci adalah waktu pemakaian, energi dan tegangan. Waktu pemakaian sangat memengaruhi perancangan elektroda dan sel. Energi, atau kapasitas, menentukan ukuran baterai. Tegangan yang diinginkan dicapai dengan menghubungkan banyak sel bersama-sama dalam rangkaian. Kapasitas diubah dengan menambahkan bahan aktif, dan beberapa cara penambahan ini dibahas, khususnya yang berkaitan dengan kapabilitas laju. Pemanatauan dan pengendalian arus yang benar pada masing-masing sel dalam baterai adalah kritis selama operasi, khususnya selama pengisian. pentingnya aspek termal dan mekanik dalam perancangan baterai diperkenalkan.

Dasar-dasar baterai

Syarat baterai penting:

  • Waktu pemakaian (jam): waktu operasi nominal untuk pemakaian, yang berbanding terbalik dengan kapabilitas laju.
  • Tegangan nominal (V): tegangan luaran (maksimum dan minimum) rangkaian baterai, bukan satu sel.
  • Energi (W.h): kapasitas baterai. terhubung dengan daya rata-rata dan waktu pemakaian.
  • Berat atau massa (kg): berkaitan erat dengan energi yang disimpan dalam baterai.
  • Volume (m3): berkaitan erat dengan energi yang disimpan dalam baterai.
  • Daya puncak (W): Daya untuk denyut pendek waktu tetap, 30 detik, sebagai contoh.
  • Umur siklus: jumlah siklus pemakaian/pemgisian sebelum kapasitas atau kapabilitas daya turun 20%, misalnya.
  • Suhu operasi, min, maks (oC): suhu lingkungan, maks, min lingkungan yang diharapkan.