Baterai Asam-Timbal¶

Baterai asam-timbal terdiri dari sejumlah sel galvanik asam-timbal (sel volta) yang dihubungkan secara seri antara satu sel dengan sel lainnya. Ketika sel asam-timbal menghasilkan listrik (pengosongan) itu mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Proses pengosongan muatan baterai asam-timbal adalah merupakan reaksi redoks spontan. Ketika satu sel baterai asam-timbal melakukan pengosongan itu akan menghasilkan listrik sekitar 2 volt. Sehingga untuk menghasilkan energi listrik sebesar 12 Volt maka dibutuhkan 6 sel asam-timbal yang dihubungkan secara seri.

Pengisian ulang baterai asam-timbal itu berarti mengubah energi listrik dari sumber listrik DC menjadi energi kimia yang disimpan dalam sel asam-timbal baterai. Karena itu, pengisian ulang sel asam-timbal merupakan proses elektrolitik non-spontan. Sel baterai asam-timbal yang dapat diisi ulang (recharge) dikenal juga dengan nama sel sekunder.

Sejarah Baterai Asam-Timbal¶

1. Ide Sel Sekunder dan Sel Planté¶

Baterai Asam-Timbal adalah jenis baterai isi ulang pertama yang diketahui. Ini mengacu pada seorang fisikawan Prancis bernama Gaston Planté pada tahun 1860 (Comptes, rendus, t. L, p. 640. Mars 1860) untuk sarana penyimpanan energi listrik.

Gaston Planté menuliskan penelitiannya dengan judul "Storage of Electrical Energy" yang berbunyi "Arus sekunder diamati pada awal abad ini (abad ke-19), tidak lama setelah penemuan Voltaic Battery (Baterai Volta). Nicolas Gautherot, seorang ilmuwan Prancis, orang pertama yang menemukannya pada tahun 1801, bahwa kabel platina atau perak yang telah digunakan untuk menguraikan air garam oleh baterai ini memiliki properti, setelah dilepas dari baterainya maka akan menghasilkan arus listrik dalam durasi pendek."

Jadi ide Planté ini sangat sederhana yaitu menggunakan "arus sekunder" yang sangat kecil untuk penyimpanan energi. Dengan kata lain, untuk membuat sel sekunder atau sel yang dapat diisi ulang.

Pada tahun 1859 sel asam-timbal pertama terdiri dari plat yang terbuat dari timah murni dan awalnya memiliki kapasitas nol. Beberapa kapasitas kemudian terbentuk setelah proses pengisian (charge) - mengalirkan arus listrik ke sel selama beberapa waktu untuk mengoksidasi permukaan plat positif. Kapasitas baterai setelah pengisian pertama sangat kecil, karena permukaan aktif yang masih kecil. Untuk meningkatkan kapasitas, sel dibongkar dan diisi beberapa kali. Setelah siklus seperti itu (disebut "pembentukan" atau "forming"), permukaan plat negatif ditutup dengan timbal berpori, sedangkan permukaan plat positif ditutup dengan timbal peroksidasi berpori. Jika baterai ingin mampu menampung kapasitas yang besar, maka luas permukaan struktur berpori tinggi juga harus besar pula.

Baterai Planté pertama kali digunakan untuk menyalakan lampu di gerbong kereta saat berhenti di stasiun.

Sejak Planté hingga sekarang, sel asam-timbal terdiri dari dua elektroda (plat) yang direndam didalam cairan elektrolit asam sulfat. Bahan aktif pelat negatif terbuat dari timbal (Pb), sedangkan bahan aktif plat positif terbuat dari timbal peroksidasi (PbO₂).

2. Sel Faure¶

Selanjutnya baterai asam-timbal lebih ditingkatkan oleh insinyur kimia dari Perancis bernama Camille Alphonse Faure pada akhir abad ke-19 (sekitar tahun 1881). Untuk membuat baterai menjadi lebih pendek, dia menutupi dua strip timbal dengan minium (timbal oksida atau PbO) dan meletakkannya secara terpisah ke dua kertas lipat seperti amplop. Kemudian kedua amplop dengan strip timbal yang identik di dalamnya ini dibenamkan ke dalam cairan elektrolit asam sulfat seperti pada sel Planté. Strip timah (plat baterai di masa depan) dihubungkan ke baterai primer. Setelah beberapa waktu, arus yang mengalir ke sel oksida timbal pada kedua pelat telah merubah struktur timahnya. Proses ini me-reduksi kedua sel (PbO) menjadi timbal spons (Pb) pada plat negatif dan meng-oksidasi menjadi timbal peroksida (PbO2) pada pelat positif.

Kelebihan dari sel Faure ini adalah permukaan aktif yang lebih besar dan waktu pembentukan yang lebih singkat. Ide penggunaan PbO sebagai produk utama untuk produksi baterai asam-timbal adalah inti dari pembuatan baterai asam-timbal modern. Semua baterai asam-timbal diproduksi menggunakan pasta yang mengandung PbO. Untuk membuat baterai lebih murah dan lebih ringan maka strip timbal dilubangi dalam pembuatan kisi-kisi plat. Kisi-kisi plat adalah elemen penampung pasta dari plat baterai asam timbal modern.

Dalam waktu singkat, karakteristik baterai Faure ditingkatkan. Kepadatan energi meningkat beberapa kali lipat, baterai menjadi lebih ringan dan lebih kompak.

Kelemahan dari baterai Faure adalah sangat sensitif terhadap deep discharge (pengosongan cepat). Jika pernah mengosongkan baterai di bawah tegangan yang diizinkan, baterai akan kehilangan bagian dari bahan aktif sehingga serpihan pasta jatuh ke bagian bawah tabung baterai dan menumpuk didasar kotak baterai. Kelemahan lainnya adalah hilangnya elektrolit dengan cepat ketika terjadi kelebihan pengisian (over-charge). Kedua kelemahan ini menyebabkan masa pakai baterai menjadi lebih pendek. Dan kedua kekurangan tersebut tetap terjadi hingga abad ke-20 bahkan hingga hari ini.

Konstruksi Baterai Asam-Timbal¶

Berbagai bagian baterai asam timbal ditunjukkan di bawah ini. Wadah dan plat adalah bagian utama dari baterai asam timbal. Wadah tersebut menyimpan energi kimia yang diubah menjadi energi listrik dengan bantuan plat.

1. Wadah¶

Wadah baterai asam timbal terbuat dari kaca, kayu berlapis timbal, ebonit, karet keras senyawa bitumin, bahan keramik atau plastik cetakan dan diletakkan di bagian atas untuk menghindari keluarnya elektrolit. Di bagian dasar wadah, ada empat tulang rusuk penopang (Supporting Ribs) plat, dua di antaranya menopang plat positif dan dua lainnya menopang plat negatif.

Prisma berfungsi sebagai penyangga plat sekaligus melindunginya dari korsleting. Bahan pembuat wadah baterai harus tahan terhadap asam sulfat, tidak boleh berubah bentuk atau keropos, atau mengandung kotoran yang dapat merusak elektrolit.

2. Plat¶

Plat dari sel asam-timbal memiliki desain yang beragam, dibuat dengan berbagai bentuk kisi-kisi yang terdiri dari timbal dan bahan aktif. Kisi-kisi sangat penting untuk menghantarkan arus listrik dan untuk mendistribusikan arus secara merata pada bahan aktif. Jika arus tidak merata, maka bahan aktif akan kendur dan rontok.

Grid atau kisi-kisi terbuat dari paduan timbal dan antimon. Biasanya dibuat dengan tulang rusuk melintang yang berujung pada sudut siku-siku atau secara diagonal. Kisi-kisi untuk plat positif dan negatif memiliki desain yang sama, tetapi kisi-kisi untuk plat negatif dibuat lebih ringan karena tidak begitu penting untuk konduktor arus yang seragam.

Secara umum plat baterai asam-timbal terdiri dari dua jenis, yaitu plat yang dibentuk (forming) atau dikenal plat planté (karena di buat oleh Gaston Planté) dan pelat tempel/pres atau dikenal plat faure (karena di buat oleh Camille Alphonse Faure).

Plat planté sebagian besar digunakan untuk baterai stasioner karena lebih berat dan lebih mahal jika dibandingkan plat faure. Namun plat planté lebih tahan lama dan material aktifnya tidak mudah rontok walaupun dengan pengisian dan pemakaian yang cepat. Plat plante berkapasitas rendah jika dilihat dari rasio beratnya.

Proses pembuatan plat faure lebih cocok untuk pembuatan plat negatif daripada untuk plat positif. Bahan aktif negatif cukup tangguh dengan perubahan yang relatif rendah selama proses pengisian dan pengosongan.

3. Bahan Aktif¶

Bahan di dalam sel baterai yang memiliki peran aktif dalam proses reaksi kimia (penyerapan energi listrik atau evolusi energi listrik) selama pengisian atau pengosongan disebut bahan aktif.

Bahan aktif baterai asam-timbal terdiri dari:

• Timbal peroksida (PbO₂) - Bahan aktif untuk plat positif dengan warna coklat tua.
• Timbal spons (Pb) - Bahan aktif untuk plat negatif dengan warna abu-abu.
• Cairan Asam Sulfat (H₂SO₄) - Digunakan sebagai elektrolit. Elektrolit mengandung 31% - 35% asam sulfat. Atau ada juga yang menggunakan perbandingan 3:1 (3 bagian air dan 1 bagian asam sulfat)

4. Separator¶

Separator atau pemisah adalah lembaran tipis bahan non-konduktor yang terbuat dari kayu-timbal yang diolah secara kimiawi, karet berpori, atau lapisan dari serat kaca (glass fibre) dan disisipkan di antara plat positif dan plat negatif untuk mengisolasi satu dengan yang lainnya. Separator dibuat beralur vertikal di satu sisi dan mulus rata di sisi lainnya.

5. Terminal Baterai¶

Baterai memiliki dua terminal yaitu termina positif dan dan terminal negatif. Terminal baterai adalah ujung dari hubungan seri sel-sel baterai. Satu sel baterai mampu menyimpan energi listrik sekitar 2 volt. Sehingga untuk menghasikan tegangan sebesar 12 volt maka dibutuhkan 6 sel baterai yang kemudian dihubungkan secara seri.

Reaksi Kimia Sel Baterai Asam-Timbal¶

Ketika asam sulfat terlarut, molekulnya terurai menjadi ion hidrogen positif (2H⁺) dan ion negatif sulfat (SO₄^- ) dan bergerak bebas. Jika kedua elektroda (plat positif dan negatif baterai) direndam dalam larutan dan dihubungkan ke sumber listrik arus DC maka ion hidrogen bermuatan positif akan bergerak ke elektroda dan dihubungkan ke terminal negatif sumber listrik. Ion SO₄^- yang bermuatan negatif bergerak menuju elektroda yang terhubung ke terminal positif dari sumber listrik (anoda).

Setiap ion hidrogen mengambil satu elektron dari plat negatif (Pb), dan setiap ion sulfat mengambil dua ion negatif dari plat positif (Pb0₂) dan bereaksi dengan air sehingga membentuk asam sulfat dan hidrogen.

Oksigen yang dihasilkan dari persamaan di atas bereaksi dengan timbal oksida dan membentuk timbal peroksida (PbO₂). Dengan demikian, selama pengisian katoda timbal tetap sebagai timbal, tetapi anoda timbal diubah menjadi timbal peroksida, berwarna coklat tua.

Jika sumber listrik DC diputus kemudian voltmeter dihubungkan di antara elektroda, itu akan menunjukkan beda potensial di antara kedua elektroda tersebut. Jika beban dihubungkan diantara elektroda, maka arus akan mengalir dari plat positif ke plat negatif (arus konvensional) melalui rangkaian eksternal (diluar reaksi kimia baterai), dalam kondisi ini sel mampu mensuplai energi listrik.

Reaksi Kimia Selama Pengosongan (Discharge)¶

Reaksi kimia pada baterai selama pengosongan atau discharge adalah proses ketika baterai menghasilkan listrik. Proses pengosongan atau pelepasan elektron merupakan proses dimana terjadi pergerakan elektron, sedangkan pergerakan elektron itulah yang disebut dengan listrik. Pada saat baterai menghasilkan listrik untuk digunakan pada rangkaian kelistrikan maka didalam sel baterai itu terjadi reaksi kimia baik itu reaksi reduksi maupun reaksi oksidasi, dan reaksi reduksi dan reaksi oksidasi ini lebih dikenal sebagai reaksi redoks.

Ketika sel terisi penuh, maka plat positif menjadi timbal peroksida (PbO₂) dan plat negatif menjadi timbal (Pb). Ketika elektroda dihubungkan ke suatu beban, sel akan melakukan pengosongan (discharge), elektron mengalir ke arah yang berlawanan dengan proses pengisian (charge).

Untuk memudahkan pemahaman tentang reaksi yang terjadi di dalam sel baterai, maka akan dibagi dua reaksi, yaitu reaksi yang terjadi pada plat positif dan plat negatif.

Reaksi yang terjadi selama pengosongan (discharge) sel asam-timbal adalah reaksi redoks spontan (E_(redoks)^positif). Reaksi redoks akan mengubah energi kimia yang disimpan didalam timbal, timbal peroksida, dan asam sulfat menjadi energi listrik.

1. Reaksi kimia pada plat negatif¶

Reaksi yang terjadi pada plat negatif adalah sebagai berikut:

• Elektroda: Kisi-kisi yang dilapis timbal berpori atau Pb_(s)
• Timbal akan ter-oksidasi dengan persamaan reaksi kimia: Pb_(s) → Pb²⁺_(aq) + 2e^-
• Pb²⁺ bereaksi dengan SO₄^2- di dalam asam sulfat dan menghasilkan PbSO_4(s) sebagai endapan. Dengan persamaan reaksi kimia: Pb²⁺_(aq) + SO₄^2-_(aq) → PbSO_4(s). Hal ini menyebabkan PbSO_4(s) menempel pada plat timbal.
• Persamaan reaksi kimia secara keseluruhan pada plat negatif adalah: Pb_(s) + SO₄^2-_(aq) → PbSO_4(s) + 2e^-
• Elektron bergerak dari plat negatif ke plat positif sepanjang kabel yang terhubung diantara kedua terminal

2. Reaksi kimia pada plat positif¶

Reaksi yang terjadi pada plat positif adalah sebagai berikut:

• Elektroda: Kisi-kisi plat yang dilapis timbal peroksida atau PbO_2(s)
• Timbal peroksida akan di-reduksi oleh proton dari asam sulfat dengan persamaan reaksi kimia: PbO_2(s) + 4H⁺_(aq) + 2e^- → Pb²⁺_(aq) + 2H₂O_(l)
• Pb²⁺ bereaksi dengan SO₄^2- di dalam asam sulfat dan menghasilkan PbSO_4(s) sebagai endapan. Dengan persamaan reaksi kimia: Pb²⁺_(aq) + SO₄^2-_(aq) → PbSO_4(s). Hal ini menyebabkan PbSO_4(s) menempel pada plat timbal peroksida.
• Persamaan reaksi kimia secara keseluruhan pada plat positif adalah: PbO_2(s) + 4H⁺_(aq) + 2e^- + SO₄^2-_(aq) → PbSO_4(s) + 2H₂O_(l)

Kita dapat menggunakan reaksi oksidasi yang terjadi pada plat negatif dan reaksi reduksi yang terjadi pada plat positif untuk menuliskan persamaan reaksi redoks keseluruhan yang terjadi didalam sel asam-timbal sebagai berikut:

Dari hasil reaksi diatas, maka setiap sel baterai akan menghasil tegangan sekitar 2 Volt.

Saat sel asam-timbal menghasilkan energi listrik maka di dalam sel tersebut akan terjadi:

• PbSO₄ (timbal sulfat) mengendap dan menempel pada plat timbal dan plat timbal peroksida.
• H⁺ dari elektrolit (H₂SO_4(aq)) digunakan untuk menghasilkan air pada plat timbal peroksida.
• Konsentrasi H⁺ akan menurun seiring waktu (konsentrasi H₂SO_4(aq) menurun).
• pH elektrolit (H₂SO_4(aq)) akan meningkat.

Energi bersih yang dihasilkan per mol (207 g) Pb_(s) yang diubah menjadi PbSO_4(s), adalah 400 kJ, sesuai dengan pembentukan 36 g air. Jumlah massa molekul reaktan adalah 642,6 g/mol, sehingga secara teoritis sel dapat menghasilkan dua Faraday (192.971 coulomb) dari 642,6 g reaktan, atau 83,4 ampere-jam per kilogram (atau 13,9 ampere-jam per kilogram untuk baterai 12 volt). Untuk sel 2 volt, ini menghasilkan 167 watt-jam per kilogram reaktan, tetapi dalam kenyataannya, sel asam-timbal hanya menghasilkan 30-40 watt-jam per kilogram baterai, karena massa air dan unsur-unsur lainnya.

Reaksi Kimia Selama Pengisian (Charge)¶

Reaksi yang terjadi selama pengisian (charge) sel asam-timbal adalah reaksi redoks non-spontan (E_(redoks)^negatif) yaitu proses elektrolitik. Reaksi yang terjadi membutuhkan input lebih dari 2 volt per sel untuk menggerakkan reaksi spontan ke arah sebaliknya. Reaksi redoks non-spontan akan mengubah energi listrik kembali menjadi energi kimia yang di simpan di dalam timbal, timbal peroksida, dan asam sulfat di dalam sel.

1. Reaksi kimia pada plat negatif¶

Reaksi yang terjadi pada plat negatif adalah sebagai berikut:

• Elektron akan didorong ke plat negatif dari sumber listrik DC (charger)
• Reaksi reduksi terjadi pada plat negatif
• Timbal di dalam timbal sulfat yang menempel pada elektroda di-reduksi kembali menjadi Pb_(s) dengan persamaan reaksi: PbSO_4(s) + 2e^- → Pb_(s) + SO₄^2-_(aq)

2. Reaksi kimia pada plat positif¶

Reaksi yang terjadi pada plat positif adalah sebagai berikut:

• Elektron akan ditarik keluar dari plat positif oleh sumber listrik DC (charger)
• Reaksi oksidasi terjadi pada plat positif
• Timbal di dalam timbal sulfat yang menempel pada elektroda dioksidasi oleh air untuk membentuk kembali timbal peroksida dengan persamaan reaksi: PbSO_4(s) + 2H₂O_(l) → PbO_2(s) + 4H⁺_(aq) + SO₄^2-_(aq) + 2e^-
• Elektron bergerak dari plat positif ke plat negatif melalui bantuan alat pengisi daya (charger).

Kita dapat menggunakan setengah persamaan untuk reaksi yang terjadi di plat positif dan plat negatif, dapat dituliskan reaksi redoks keseluruhan untuk sel asam-timbal selama proses pengisian ulang sebagai berikut:

Dari hasil reaksi diatas, maka setiap sel baterai akan menyerap tegangan sekitar 2 Volt.

Saat sel asam-timbal diisi ulang maka di dalam sel tersebut akan terjadi:

• PbSO_4(s) pada setiap plat elektroda akan terlepas
• Konsentrasi H⁺ akan meningkat
• pH elektrolit (H₂SO_4(aq)) akan menurun

Pengisian daya baterai yang berlebihan akan mengelektrolisis air sehingga menghasilkan gas hidrogen dan gas oksigen. Gelembung gas menurunkan permukaan elektroda yang menyebabkan PbSO_4(s) berkurang dan tidak akan menutupi permukaan elektroda. Hal inilah yang menyebabkan berkurangnya kapasitas sel baterai.

Video Penjelasan Reaksi Kimia Pada Sel Baterai¶

Mengukur Muatan Listrik Baterai¶

Karena elektrolit merupakan bagian dalam reaksi pengisian-pengosongan, baterai asam-timbal memiliki satu keunggulan utama dibandingkan baterai dengan proses kimia lainnya, yaitu untuk mengukur status muatan cukup hanya dengan mengukur berat jenis elektrolit. Berat jenis elektrolit akan turun saat muatan baterai habis. Alat ukur yang biasanya digunakan untuk mengukur berat jenis elektrolit adalah hidrometer. Beberapa desain baterai menanamkan hidrometer sederhana yang menggunakan bola apung berwarna dengan kepadatan berbeda. Hal ini akan memudahkan pemeriksaan muatan baterai tanpa harus menggunakan jenis hidrometer terpisah.

Daftar Pustaka¶

• Lead–acid battery
• Lead-Acid Batteries Tutorial
• Who Stole the Mysterious Baghdad Battery?
• Gaston Planté - Lead Acid Battery Inventor
• Lead-Acid Battery
• Lead Acid Battery
• Operation of Lead Acid Batteries
• Lead Acid Battery: Working, Construction and Charging/Discharging
• About Batteries
• Lead batteries for utility energy storage: A review
• Lead Acid Battery history
• 12 Volt Battery Desulfator
• O. A. Witte, August 17, 2009, The Automobile Storage Battery
• Working of Lead Acid Battery - Lead Acid Secondary Storage Battery