Pilar elektrokimia modern: Jalinan kelahiran

Pilar elektrokimia modern dipandang berasal dari tumpukan kerja percobaan yang dilakukan oleh Alessandro Volta pada tahun 1800. Meskipun jauh sebelum masa itu, berdasarkan bukti arkeologi, telah dikenal baterai primitif (disebut baterai Baghdad) yang digunakan untuk electroplating di Mesopotamia pada tahun 200 SM. Volta terinspirasi oleh percobaan kaki katak yang dilakukan oleh Galvani, yang meyimpulkan fenomena tersebut hanyalah fenomena biologi. Perkembangan elektrokimia semakin cepat dengan kontribusi dari John Daniell dan Michael Faraday. Dari awal yang sederhana, elektrokimia sekarang telah matang menjadi sebuah cabang ilmu multi disiplin.

Keunikan elektrokimia terletak pada fakta bahwa aplikasi potensial atau medan listrik dapat membantu mengatasi batasan kinetika pada suhu rendah. Selain itu, proses elektrokimia dapat diatur untuk memperoleh produk tertentu secara kimia. Reaksi elektrokimia juga sensitif terhadap karakteristik permukaan elektroda dan komposisi elektrolit, yang membuka jalan beberapa bidang analitis dan karakterisasi. Seperti banyak pemikir maju yang mengabdikan hidupnya agar hidup manusia lebih nyaman, halaman sejarah dipenuhi dengan nama, beberapa telah lama terlupakan, yang telah membuat elektrokimia seperti sekarang. Disini dicoba untuk memberikan sekilas pilar elektrokimia ini melalui kontribusinya. Pada bagian pertama tulisan ini akan dibahas jalinan kelahiran elektrokimia yang muncul dari temuan berbagai cabang ilmu, terutama yang berkaitan dengan ditemukannya listrik.

Listrik baru mulai dipahami pada abad ke-16. Ilmuwan Inggris William Gilbert (1544-1603), yang dikenal sebagai “bapak magnet” untuk penelitiannya pada magnet, adalah salah satu diantara peneliti pertama yang melakukan percobaan dengan listrik. Ia menemukan metoda untuk menghasilkan maupun memperkuat magnet. Generator listrik pertama dibangun oleh ahli fisika Jerman Otto von Guericke (1602-1686) pada tahun 1663. Alat tersebut menghasilkan listrik statis dengan menggosok bola sulfur besar dengan kain. Sebelum pertengahan tahun 1700, ahli kimia Perancis Charles Francois de Cisternay du Fay (1698-1739) menemukan dua tipe listrik statis. Ia menemukan bahwa muatan listrik sejenis saling tolak sedangkan yang tidak sejenis saling tarik. Selain itu, ia menyarankan bahwa listrik terdiri dari dua fluida: listrik positif dan listrik negatif. Teori dua fluida ini dibantah oleh Benjamin Franklin (1706-1790) pada akhir abad ke-16. Franklin mengusulkan teori satu fluida. Pada tahun 1781, Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) menawarkan hukum tarikan elektrostatis. Coulomb, satuan muatan listrik, dinamai dengan namanya untuk menghormatinya.

Pada saat itulah, ketika pemahaman tentang fenomena baru listrik tumbuh, elektrokimia memiliki jalinan kelahiran dengan ahli fisika Italia dan ahli anatomi Luigi Galvani (1737-1798) yang mengusulkan apa yang ia sebut “listrik hewan”. Galvani, pada tahun 1791, mengusulkan bahwa jaringan hewan mengandung gaya vital tak dikenal, yang mengaktifkan syaraf dan otot ketika disentuh dengan logam. Menurut Galvani, listrik hewan adalah bentuk baru listrik selain listrik alam yang dihasilkan oleh kilat (atau oleh belut listrik dan sinar torpedo) dan listrik statis buatan yang dihasilkan oleh gesekan. Gagasan fluida listrik hewan ditolak oleh Alessandro Volta, yang beralasan bahwa kaki katak merespons berbeda ketika disentuh dengan logam yang jenis dan komposisinya berbeda. Namun, Galvani tetap pada pendiriannya dan bahkan mendemonstrasikan aksi otot dengan dua potong bahan yang sama.

Gilbert-Guericke-Coulomb

Yang menarik, percobaan Galvani di Universitas Bologna tentang aksi fisiologi listrik tidak hanya melibatkan katak hidup tetapi juga kaki katak yang telah dilepaskan dari tubuhnya. Ia menunjukkan bahwa kontraksi otot pada katak dan hewan lain dapat dipicu oleh aliran listrik. Kejut kaki kata menandai fenomena percobaan yang kemudian dikenal sebagai bioelektrogenesis. Pada kenyataannya, percobaan Galvani tidak hanya membantu memantapkan basis untuk studi neurofisiologi biologi, tetapi juga menuju kepada perubahan konsep dengan memperkenalkan syaraf sebagai konduktor listrik daripada hanya sekedar pipa air, seperti yang dianut oleh sekolah Descartes. Nama Galvani kemudian dikaitkan dengan galvanisasi (teknik memasukkan kejutan listrik, meskipun istilah lain, faradisme, juga digunakan untuk teknik tersebut). Kata galvanizing sekarang digunakan untuk perlakuan perlindungan baja dengan seng. Galvani juga diabadikan dalam kata bahasa Inggris “galvanize”, yang berarti mengaduk, aksi tiba-tiba.

Disadur dari:

Pillars of Modern Electrochemistry: A Brief History oleh A. K. Shukla & T. P. Kumar, 2008.

Sejarah baterai

Pada artikel sebelumnya (baterai mobil listrik, baterai ion lithium, mobil listrik baterai), telah diuraikan mengenai baterai ion lithium yang merupakan baterai yang kompak dan dapat diisi ulang, yang menjadikannya harapan sumber energi masa depan untuk mobil listrik. Baterai ini telah digunakan secara luas untuk alat elektronik portabel seperti komputer notebook, HP, dsb. Banyak jenis baterai telah dikembangkan dan sadar atau tidak kita telah terbiasa menggunakannya dalam kehidupan sehari-hari. Berikut ini akan diuraikan secara singkat sejarah penemuan baterai.

Listrik ditemukan kira-kira 400 tahun yang lalu atau mungkin lebih. Tetapi pemakaian pratktisnya mungkin baru pada pertengahan sampai akhir tahun 1800an, dan awalnya dalam cara yang terbatas. Sebagai contoh, pada pameran dunia di Paris tahun 1900, salah satu atraksi utama adalah penerangan jembatan dengan listrik diatas sungai Seine.

Metoda paling awal membangkitkan listrik adalah dengan menciptakan muatan listrik statis. Pada tahun 1660, Otto von Guericke membuat mesin listrik pertama yang terdiri atas bola sulfur besar yang, ketika digosok dan diputar, menarik bulu dan sobekan kertas kecil. Guericke mampu membuktikan bahwa bunga api yang dihasilkan benar-benar listrik.

Pemakaian listrik statis pertama ditemukan oleh Alessandro Volta (1745-1827) dengan alat yang disebut “pistol listrik”. Alat ini terdiri dari sebuah kawat yang dipasang pada bejana yang berisi gas metana. Dengan mengirim bunga api listrik melalui kawat, bejana akan meledak. Volta menggunakan penemuan ini untuk komunikasi jarak jauh, meskipun hanya dengan satu bit Boolean. Sebuah kawat besi yang disangga batang kayu dibentangkan dari Como ke Milan, Italia. Pada ujung penerima, kawat berakhir pada bejana yang diisi dengan gas metana. Dengan perintah, bunga api listrik dikirim dengan kawat yang akan memicu pistol listrik untuk memberi sinyal. Sambungan komunikasi ini tidak pernah dibangun.

Pada tahun 1791, ketika bekerja di Universitas Bologna, Luigi Galvani menemukan bahwa otot katak berkontraksi ketika disentuh dengan logam. Terinspirasi oleh percobaan ini, Volta melakukan serangkaian percobaan menggunakan seng, timbal, timah atau besi sebagai pelat positif dan tembaga, perak, emas atau grafit sebagai pelat negatif. Pada tahun 1800, Volta menemukan bahwa dengan menggunakan fluida tertentu sebagai penghantar untuk mendorong reaksi antara logam dan elektroda, dapat dihasilkan arus listrik kontinyu. Ini menuju pada temuan sel volta pertama, yang lebih dikenal sebagai baterai. Volta menemukan lebih lanjut bahwa tegangan akan semakin besar ketika sel volta dipasang bersusun satu diatas yang lain.

Empat variasi baterai listrik Volta.

Temuan baru dibuat ketika Sir Humphry Davy memasang baterai listrik terbesar dan paling berdaya pada kubah Institusi Royal London. Ia menghubungkan baterai dengan elektroda arang dan menghasilkan lampu listrik pertama yang paling terang yang pernah dilihat pada masa itu. Penelitian paling penting Davy dibaktikan untuk elektrokimia. Mengikuti percobaan Galvani dan penemuan sel volta, ketertarikan terhadap listrik galvani telah menjadi tersebar luas. Davy mulai menguji pengaruh kimia terhadap listrik pada tahun 1800. Ia segera menemukan bahwa dengan mengalirkan listrik melalui suatu senyawa, senyawa ini terurai, suatu proses yang kemudian disebut elektrolisa. Tegangan yang dihasilkan secara langsung berhubungan dengan reaktivitas elektrolit dengan logam. Dengan bukti tersebut Davy memahami bahwa kerja elektrolisa dan sel volta adalah sama.

Pada tahun 1802, Dr. William Cruickshank merancang baterai listrik pertama yang dapat diproduksi secara masal. Cruickshank menyusun lembaran tembaga persegi, yang disolder pada ujungnya, bersama-sama dengan lembaran seng yang berukuran sama. Lembaran ini ditempatkan pada  kayu persegi panjang yang direkatkan dengan semen. Lekukan dalam kotak menahan pelat logam pada posisinya. Kotak ini kemudian diisi dengan elektrolit garam jenuh atau asam.

Metoda ketiga membangkitkan listrik yang ditemukan adalah listrik melalui magnet yang ditemukan pada tahun 1820 oleh Andre-Marie-Ampere (1775-1836). Ia mengamati bahwa kawat yang membawa arus listrik pada suatu saat saling tarik satu sama lain dan pada saat yang lain saling tolak.

Pada tahun 1831, michael Faraday (1791-1867) mendemonstrasikan bagaimana piringan tembaga mampu menyediakan arus listrik konstan ketika diputar pada medan magnet yang kuat.  Faraday, yang membantu Davy dan tim risetnya, berhasil membangkitkan gaya listrik terus menerus selama gerakan antara koil dan magnet berlanjut. Generator listrik ditemukan. Proses ini kemudian dibalik dan motor listrik ditemukan. Tidak lama kemudian, transformer dikembangkan yang dapat merubah listrik ke tegangan yang diinginkan. Pada tahun 1833, Faraday memantapkan dasar elektrokimia dengan hukum Faraday, yang menggambarkan jumlah reduksi yang terjadi pada sel elektrolisa.

Pada tahun 1836, John F. Daniell, ahli kimia Inggris, melanjutkan penelitian tentang baterai elektrokimia dan mengembangkan sel yang semakin baik yang menghasilkan arus listrik lebih steady daripada sel volta. Sampai saat itu, semua baterai tersusun atas sel primer, yang berarti baterai tidak dapat diisi ulang. Pada tahun 1859, ahli fisika Perancis Gaston Plate menemukan baterai yang dapat diisi ulang pertama. Baterai sekunder ini berdasarkan pada kimia asam timbal, sistem yang sampai saat ini masih digunakan.

Pada tahun 1899, Waldmar Jungner dari Swedia menemukan baterai nikel-kadmium, yang menggunakan nikel untuk elektroda positif dan kadmium untuk negatif. Dua tahun kemudian, Edison memproduksi rancangan alternatif dengan mengganti kadmium dengan besi. Karena harga bahan yang mahal dibandingkan dengan sel kering dan baterai penyimpan asam timbal, aplikasi praktis baterai nikel-kadmium dan nikel-besi terbatas. Baterai nikel-kadmium yang tersegel rapat, yang dikenal saat ini, tidak akan ada tanpa keberhasilan Neumann yang secara sempurna membuat segel sel pada tahun 1947.

Terlihat bahwa dari dulu sampai sekarang, manusia tergantung pada listrik, suatu produk yang tidak akan mungkin tanpa penemu dan peneliti yang telaten, tekun, kreatif dan tidak kenal lelah. Dengan meningkatnya kebutuhan mobilitas, pengembangan baterai yang memiliki kapastas penyimpan yang lebih besar mungkin masih dibutuhkan. Meskipun teknologi baterai sudah cukup lama ada, namun sampai saat ini penelitian dan pengembangan baterai ini masih terus berjalan untuk memenuhi kebutuhan teknologi yang terus berkembang.

Sumber: I. buchman, 2001 (www.buchmann.ca).