BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 PENDAHULUAN Secara umum

5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
PENDAHULUAN
Secara umum, baterai logam udara mempunyai tiga komponen utama, pertama yaitu
anoda yang berupa bahan logam. Kedua adalah elektrolit, dimana elektrolit yang
paling umum adalah KOH. Sementara yang ketiga adalah katoda yang berupa karbon
berpori (Vincenzo dkk, 2014)
2.2
BATERAI
Baterai adalah perangkat yang mengubah energi kimia yang terkandung dalam bahan
aktif menjadi energi listrik dengan cara reaksi reduksi-oksidasi secara elektrokimia
(redoks). Dalam kasus sistem isi ulang, baterai diisi kembali oleh proses kebalikannya.
Jenis reaksi melibatkan transfer elektron dari satu material ke yang lain melalui
sebuah sirkuit listrik. Dalam reaksi redoks non elektrokimia, seperti berkarat atau
terbakar, transfer elektron terjadi secara langsung dan hanya menghasilkan panas.
Sebagai baterai elektrokimia mengubah energi kimia menjadi energi listrik, tidak
seperti mesin pembakaran ataupun mesin panas yang mempunyai dalam batasan siklus
Carnot yang ditentukan oleh hukum kedua termodinamika. Baterai mampu memiliki
efisiensi konversi energi yang lebih tinggi.
Sedangkan istilah baterai sering digunakan untuk unit elektrokimia dasar yang
disebut sel. Sebuah baterai terdiri dari satu atau lebih sel-sel ini, dihubungkan secara
seri atau parallel atau keduanya, tergantung pada tegangan output dan kapasitas yang
diinginkan. Sel terdiri dari tiga komponen utama:
http://digilib.mercubuana.ac.id/
5
1. Anoda atau elektroda negatif yang memberikan elektron ke sirkuit eksternal
dan teroksidasi selama reaksi elektrokimia.
2. Katoda atau elektroda positif yang menerima elektron dari sirkuit eksternal
dan berkurang selama reaksi elektrokimia
3. Elektrolit merupakan ionik konduktor yang berfungsi sebagai media untuk
transfer energi sebagai ion di dalam sel antara anoda dan katoda. Elektrolit
biasanya berbentuk cair seperti air atau pelarut lainnya. seperti garam terlarut,
asam, atau basa untuk meberikan konduktivitas ionik. Walaupun ada beberapa
baterai yang menggunakan elektrolit padat.
Kombinasi yang paling tepat dari material anoda dan katoda akan
menghasilkan bobot paling ringan dan memberikan tegangan dan kapasitansi listrik
yang tinggi. Kombinasi ini tidak selalu praktis, Didasarkan pada
komponen dengan sel lainnya, polarisasi, kesulitan dalam
reaktivitas
penanganan, biaya
pembuatan yang tinggi, dan kekurangan lainnya (Linden & Reddy,2011)
Kinerja baterai melibatkan transfer elektron melalui suatu media yang bersifat
konduktif dari elektroda negatif (anoda) ke elektroda positif (katoda) sehingga
menghasilkan arus listrik dan beda potensial. Bahan dan luas permukaan elektroda
mampu mempengaruhi jumlah beda potensial yang dihasilkan. Setiap bahan elektroda
memiliki tingkat potensial elektroda yang berbeda-beda. Jika luas permukaan
elektroda diperbesar maka akan semakin banyak elektron yang dapat dioksidasi
dibandingkan dengan elektroda dengan luas permukaan yang kecil (Kartawidjaja dan
Abdurrochman, 2008).
Sebuah gambar sederhana dari proses elektroda ditunjukkan pada Gambar
2.1. dimulai dengan rangkaian terbuka, logam A dicelupkan dalam larutan,hingga
sebagian logam berada didalam larutan . Elektron tetap pada elektroda sampai
karakteristik kerapatan elektron dibangun. Untuk logam B, yang lebih mulia dari A
proses yang berlangsung sama, tetapi jumlah kerapatan elektron yang dihasilkan lebih
rendah.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
6
Gambar 2.1 Skematik sistem sel baterai.
(Sumber: pinkwart & tubke 2011)
Jika dua elektroda yang terhubung dengan konduktor listrik, elektron mulai
mengalir
dari elektroda negatif dengan kerapatan elektron yang lebih tinggi ke
elektroda positif. Sistem elektroda / elektrolit mencoba untuk menjaga kerapatan
elektron agar tetap konstan. Sebagai konsekuensi tambahan elektroda negatif pada
logam A
membentuk ion A+ dalam larutan dan elektron e-, yang terletak di
permukaan logam A (pinkwart dkk,2011).
Reaksi pada anoda
: A →A+ + e-
Pada elektroda positif arus listrik yang dihasilkan meningkatkan kerapatan
elektron . Sistem elektroda B / elektrolit mengkompensasi proses ini dengan
mengkonsumsi elektron B + ions untuk pengendapan (pinkwart dkk,2011).
Reaksi pada katoda
: B++ e-→ B
Keseluruhan reaksi
: A(s) + B(s)  A+ + B- + energi
Secara umum, baterai dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis yaitu baterai
primer dan dan baterai sekunder. Baterai primer merupakan baterai yang pemakaian
hanya satu kali saja, karena baterai jenis ini tidak dapat diisi daya kembali. Sementara
baterai sekunder adalah baterai yang dapat dipergunakan beberapa kali, karena baterai
jenis ini dapat diisi daya kembali jika daya dari baterai sudah menurun atau habis
(Berndt dkk, 2003).
http://digilib.mercubuana.ac.id/
7
2.3
BATERAI PRIMER
Baterai jenis ini adalah sulit dan tidak efektif dipergunakan kembali walaupun telah
diisi daya kembali. Hal ini dikarenakan elektrolit yang digunakan terkandung pada
suatu bahan penyerap ataupun matriks pemisah dan tidak menggunakan elektrolit cair.
Sehingga pergerakan ion tidak akan bebas dan cenderung menjadi searah. Baterai
jenis ini sering juga disebut sebagai baterai kering. Baterai primer mempunyai
kelebihan diantaranya tidak mahal dan ringan sehingga sesuai dipaketkan dengan
berbagai jenis peralatan elektronik bergerak seperti kamera digital, tablet, laptop,
telepon selular, lampu penerangan meja dan banyak aplikasi lainnya. Kelebihan lain
dari baterai primer adalah mempunyai waktu hayat yang panjang, energi densitas yang
besar, sedikit perawatan dan mudah dipergunakan. Baterai primer dengan kapasitas
energi yang besar biasanya dipergunakan untuk aplikasi militer, radar, dan UPS.
Baterai primer sering dijumpai dalam bentuk sel tunggal seperti baterai silinder,
baterai berbentuk kancing, ataupun dalam bentuk multisel yaitu baterai tunggal yang
disusun dalam satu paket baterai. Baterai logam udara termasuk dalam baterai primer
(Linden & Reddy, 2011).
Macam – Macam Baterai Primer:
1. Baterai zinc-Carbon.The Leclanche' atau baterai karbon seng (dry cell) telah
ada selama lebih dari 100 tahun dan telah menjadi yang paling banyak
digunakan dari semua baterai sel kering karena biayanya yang rendah, kinerja
yang relatif baik, dan ketersediaannya. Sel dan baterai dari berbagai ukuran
dan karakteristik telah diproduksi untuk memenuhi persyaratan dari berbagai
macam aplikasi. perbaikan yang signifikan dalam kapasitas dan umur simpan
untuk system baterai ini dibuat pada periode antara tahun 1945 dan 1965
melalui penggunaan material baru (seperti beneficiated mangan dioksida dan
seng klorida elektrolit) dan desain sel (seperti sel kertas berlapis). Biaya yang
rendah pada baterai Leclanche' menjadi daya tarik utama, walaupun saat ini
telah kehilangan pangsa pasar yang cukup besar, kecuali di negara-negara
berkembang, karena baterai primer yang lebih baru dengan karakteristik
kinerja yang unggul.
2. Zinc / Merkuri Oxide Battery.Baterai oksida seng / merkuri ini dikembangkan
selama Perang Dunia II untuk aplikasi komunikasi militer karena masa pakai
http://digilib.mercubuana.ac.id/
8
yang baik dan kepadatan energi volumetrik yang tinggi. Pada periode pasca
perang, desain baterai yagn digunakan berbentuk tombol kecil / kancing,
datar, atau silinder yang dikonfigurasikan sebagai sumber listrik di jam tangan
elektronik, kalkulator, alat bantu dengar, peralatan fotografi, dan aplikasi
serupa yang membutuhkan masa pakai
panjang dengan sumber daya yang
rendah. Dalam dekade terakhir, penggunaan baterai oksida merkuri telah
berakhir terutama karena masalah lingkungan yang terkait dengan merkuri dan
dengan penggantian dengan sistem baterai lainnya, seperti baterai zinc / udara
dan lithium, yang memiliki kinerja yang lebih unggul untuk banyak aplikasi.
3. Kadmium / Merkuri Oksida Baterai. Substitusi kadmium untuk anoda seng
(sel oksida merkuri kadmium) menghasilkan tegangan yang lebih rendah tetapi
sistem sangat stabil, dengan masa pakai hingga 10 tahun serta kinerja pada
suhu tinggi dan rendah. Karena tegangan rendah, kapasitas watthour baterai ini
adalah sekitar 60% dari kapasitas baterai seng / merkuri oksida. Sekali lagi,
karena karakteristik berbahaya merkuri dan cadmium, penggunaan baterai ini
dibatasi.
4. Zinc / Perak Oksida Baterai. Baterai seng / perak oksida memiliki desain
yang serupa dengan baterai tombol seng / merkuri oksida , tetapi memiliki
kepadatan energi yang lebih tinggi (berdasarkan berat) dan performa yang
lebih baik pada suhu rendah. Karakteristik ini membuat sistem baterai ini
cocok untuk digunakan dalam alat bantu dengar, aplikasi fotografi, dan jam
tangan elektronik. Namun, karena biaya tinggi dan banyaknya pengembangan
pada sistem baterai lainnya, penggunaan sistem baterai ini, sebagai baterai
primer, telah terbatas terutama untuk aplikasi baterai.
5. Zinc / Air battery. Sistem baterai seng/udara terkenal karena kepadatan energi
yang tinggi, tetapi hanya baterai berdaya rendah yang sebagian besar telah
digunakan untuk sinyal dan aplikasi bantuan navigasi. Dengan perkembangan
elektroda udara yang membaik, baterai ini sekarang digunakan secara luas
dalam alat bantu dengar elektronik, dan aplikasi yang serupa. karena kepadatan
energi yang tinggi, baterai seng / udara dan baterai logam / udara lainnya kini
http://digilib.mercubuana.ac.id/
9
sedang dikebangkan dengan serius untuk sejumlah aplikasi dari konsumen
elektronik portabel dan akhirnya untuk perangkat yang lebih besar seperti
kendaraan listrik, mungkin dalam cadangan atau konfigurasi isi ulang secara
mekanis.
6.
Baterai magnesium. Ketertarikan untuk komersialisasi baterai magnesium
relative sedikit karena adanya generasi gas hydrogen selama proses discharge
dan kemampuan penyimpanannya yang relative buruk. Sel kering magnesium
telah suskses digunakan pada peralatan komunikasi militer. Mengambil
keuntungan dari masa pakai yang lama pada kondisi undischarge, bahkan pada
temperature yang tinggi. Magnesium masih digunakan sebagai material anoda
untuk beberapa tipe batrai logam udara.
7. Baterai lithium. Perkembangan baterai litium relatif baru (sejak tahun 1970).
Mereka memiliki keuntungan dari kepadatan energi tertinggi, serta operasi
pada rentang suhu yang sangat luas dan masa pakai yang panjang, dan secara
bertahap menggantikan sistem baterai konvensional. Namun, kecuali untuk
kamera, jam tangan, cadangan memori, militer dan aplikasi niche lainnya,
mereka belum mendapatkan pangsa pasar utama karena biaya yang tinggi dan
kekhawatiran dengan keselamatan. Seperti dengan sistem seng, ada sejumlah
baterai lithium yang masih dalam pengembangan, mulai kapasitas kurang dari
5 mAh sampai 10.000 Ah, menggunakan berbagai desain dan bahan kimia
tetapi memiliki kesamaan penggunaan logam lithium sebagai anoda.
8. Baterai Elektrolit padat. Baterai elektrolit padat berbeda dari sistem baterai
lain karena
ketergantungannya
pada konduktivitas ionik. Baterai yang
menggunakan elektrolit padat mempunyai daya perangkat yang lemah
(mikrowat), tetapi memiliki masa pakai yang sangat panjang dan kemampuan
operasi pada rentang temperatur yang luas, terutama pada suhu tinggi. Baterai
ini digunakan dalam peralatan elektronik medis, untuk sirkuit memori, dan
untuk aplikasi lain yang membutuhkan masa pakai lama dan daya baterai yang
rendah. Baterai solid-elektrolit pertama menggunakan anoda perak dan perak
iodida untuk elektrolit, tapi lithium sekarang digunakan sebagai anoda untuk
http://digilib.mercubuana.ac.id/
10
sebagian besar baterai ini, karena menawarkan tegangan
dan kepadatan
energy yang lebih tinggi.
Baterai karbon seng sampai saat ini menjadi baterai primer yang paling mudah
untuk ditemui dan paling banyak digunakan karena harganya yang relatif murah.
Banyaknya perangkat elektronik seperti senter, mainan anak-anak serta beberapa
perangkat portable lainnya membuat penggunaan baterai karbon seng tidak dapat
dipisahkan dalam kehidupan sehari – hari. Baterai karbon seng yang merupakan
baterai primer dimana pada saat daya listrik yang dihasilkan sudah habis tidak dapat di
isi ulang membuat baterai ini berakhir ditempat sampah setelah daya yang dihasilkan
sudah habis yang justru menimbulkan masalah baru pada lingkungan.
Secara umum baterai karbon seng menggunakan logam seng sebagai anoda,
ammonium klorida, seng klorida ataupun campuran keduanya sebagai elektrolit dan
mangan dioksida sebagai katoda. Dimana mangan dioksida dan elektrolit dilarutkan
bersama sama dan ditambahkan karbon (acetylene black) untuk meningkatkan
konduktivitas dan mempertahankan kelembabannya. Pada logam seng terjadi oksidasi
dan pada mangan dioksida terjadi reduksi.
Gambar 2.2 Skematik baterai karbon seng
(Sumber: Schumm,2011)
2.4
BATERAI SEKUNDER
Baterai ini dapat diisi daya kembali setelah daya dari baterai habis ataupun menurun
kembali pada kapasitas awal dari baterai. Pergerakan ion dan elektron ketika diisi
daya kembali adalah berwalanan dengan pergerakan ion dan elektron ketika dalam
waktu penggunaan. Pergerakan ion dan elektron ketika penggunaan biasanya disebut
http://digilib.mercubuana.ac.id/
11
discas. Dengan demikian, baterai sekunder dapat berfungsi sebagai peralatan
elektronik penyimpan energi. Aplikasi dari baterai sekunder ini secara garis besar
dapat dibagi menjadi dua, yaitu:
1.
Sebagai energi cadangan utama untuk peralatan elektronik, sistem
otomotif, serta pesawat terbang. Sehingga ketika sistem energi utama tidak
bekerja, maka baterai sekunder akan memainkan peranannya. Contohnya
adalah pada mobil hibrid. Dimana sebelum digunakan, baterai sekunder
akan diisi daya oleh sistem energi utama.
2. Sebagai energi utama untuk peralatan elektronik, seperti laptop, telepon
selular sampai dayanya menurun. Biasanya dayanya cepat turun, namun
dapat diisi daya kembali, sehingga dapat digunakan kembali. Hal ini
menjadikan baterai sekunder memiliki kelebihan dibandingkan baterai
primer.
Baterai sekunder mempunyai ciri seperti densitas yang tinggi, laju discas yang
cepat, mempunyai kurva discas yang flat dan kebanyakan kasus adalah mempunyai
kinerja yang baik pada temperatur yang rendah. Secara umum, densitas energi dari
baterai sekunder lebih rendah dari baterai primer (Linden & Reddy, 2011). Walaupun
begitu, baterai logam udara ini ada peneliti yang mengklasifikasikan baterai logam
udara sebagai baterai sekunder, karena beberapa baterai logam udara dapat diisi daya
kembali (Vincenzo dkk, 2014)
2.5
BATERAI LOGAM UDARA
Adanya keterbatasan densitas energi dari baterai lithium saat ini diakibatkan oleh
terjadinya interkalasi kimia pada bahan elektroda baterai, yang menyebabkan baterai
terlihat menjadi kurang praktikal untuk aplikasi kendaraan listrik. Keadaan ini
menjadikan baterai logam udara menjadi menarik perhatian untuk diteliti lebih lanjut
sebagai alternatif. Hal ini dikarenakan baterai logam udara secara ekstrim mempunyai
densitas energi yang lebih tinggi berbanding baterai lainnya. Yang menjadi catatan
dari ciri utama yang membedakan antara baterai logam udara dengan baterai
konvensional lainnya adalah struktur selnya yang berbeda. Baterai logam udara
mempunyai struktur yang terbuka dan baterai ini menggunakan gas oksigen dari udara
untuk masuk ke dalam sistem baterai melalui katoda.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
12
Sementara
itu,
struktur
sel
pada
baterai
konvensional
adalah
tertutup.
Pengklasifikasian dari baterai logam udara ini biasanya didasarkan pada jenis-jenis
logam yang digunakan sebagai anoda. Sementara itu mekanisme yang terjadi di dalam
sistem baterai logam udara juga bervariasi, bergantung kepada jenis komponen dari
sel baterai tersebut. Berdasarkan pedekatan sistem elektrolitnya, baterai logam udara
dapat dikelompokan menjadi dua, yaitu elektrolit akues dan elektrolit dengan pelarut
aprotik. Sistem sel yang berbasiskan elektrolit akues merupakan sistem yang tidak
sensitif dengan kelembaban. Ini berbeda dengan sistem berbasiskan elektrolit dengan
pelarut aprotik yang dapat terdegradasi oleh kelembaban (Jang dkk, 2011).
Diantara baterai logam udara, bahan logam yang biasa dipergunakan sebagai
anoda pada sistem akues diantaranya adalah logam Ca, Al, Fe, Cd dan Zn. Baterai
aluminium udara mempunyai densitas energi yang lebih besar dibandingkan dengan
baterai seng udara (Vincenzo dkk, 2014). Walaupun begitu, logam aluminium lebih
mudah mengalami korosi berbanding logam seng di dalam larutan alkali. Sehingga
diperlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mengatasi permasalahan korosi pada
logam aluminium yang terjadi di dalam sistem baterai logam udara (Gelman dkk
2014).
2.5.1
Komponen Baterai Logam Udara
Secara umum, baterai logam udara mempunyai tiga komponen utama, pertama yaitu
anoda yang berupa bahan logam. Kedua adalah elektrolit, dimana elektrolit yang
paling umum adalah KOH. Sementara yang ketiga adalah katoda yang berupa karbon
berpori (Vincenzo dkk, 2014), Walaupun begitu, pada beberapa jenis baterai logam
udara ada yang menambahkan suatu komponen tambahan yaitu bahan pemisah di
dalam sistem baterai logam udara tersebut (Jang dkk, 2011).
A. Anoda
Anoda merupakan salah satu komponen yang penting di dalam baterai logam udara.
Baterai
logam
udara
sebagaimana
yang
telah
dijelaskan
sebelumnya,
pengklasifikasiannya didasarkan pada jenis logam yang digunakan (Jang dkk, 2011).
Secara teoritis, nilai tegangan (voltage) yang dihasilkan oleh masing-masing jenis
baterai logam udara ini akan berbeda mengikut jenis logam yang digunakan sebagai
http://digilib.mercubuana.ac.id/
13
anoda. Perbedaan ini di dasarkan kepada nilai energi potensial standar masing-masing
logam. Tabel 2.2 berikut memperlihatkan densitas energi untuk beberapa jenis logam
baterai udara (Vincenzo dkk, 2014).
Tabel 2.1 Karakteristik baterai logam udara.
Ekivalen
Anoda
Elektrokimia
Logam (Ah/g)
Energi
Voltase
Muatan
spesifik Teori
Teoritikal (V)
Valensi
(Logam)
kWh/kg
Voltase
Operasi
Praktikal (V)
Li
3,86
3,4
1
13,0
2,4
Ca
1,34
3,4
2
4,6
2,0
Mg
2,20
3,1
2
6,8
1,2 - 1,4
Al
2,98
2,7
3
8,1
1,1 - 1,4
Zn
0,82
1,6
2
1,3
1,0 - 1,2
Fe
0,96
1,3
2
1,2
1,0
Logam alumunium bertindak sebagai anoda pada baterai ini, sehingga baterai ini
dinamakan sebagai baterai alumunium udara. Logam aluminium pada sistem baterai
ini akan mengalami reaksi pengoksidaan dengan menghasilkan ion Al3+ dan elektron.
Ion Al3+ ini akan bermigrasi ke dalam elektrolit dengan tujuan untuk melengkapi
reaksi elektrokimia yang berlangsung di dalam sistem baterai alumunium udara.
Sementara itu, elektron akan bergerak menuju katoda melalui rangkaian sirkuit
eksternal dan selanjutnya bereaksi dengan oksigen dari udara. Pergerakan elektron
menuju katoda akan menghasilkan energi listrik. Reaksi keselurahan dari baterai
alumunium udara ini adalah (Modesto dkk, 2007 dan Mohamad, 2008):
Anoda: Al(s) + 3OH−(aq) → Al(OH)3(s) + 3e−
Eo = -2,35 V
Katoda: O2(g) + 2H2O(l) + 4e− → 4OH−(aq)
Eo = +0,40 V
Keseluruhan: 4Al(s) + 3O2(g) + 6H2O(l) → 4Al(OH)3(s)
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Eo = 2,75 V
14
B. Elektrolit
Elektrolit merupakan komponen yang berfungsi sebagai jembatan garam dalam sistem
sel galvanis atau baterai. Tujuan dari elektrolit ini adalah sebagai mediator untuk
terjadinya perpindahan ion di dalam sistem baterai, sehingga reaksi elektrokimia dapat
berlangsung. Jenis elektrolit yang digunakan akan mempengaruhi densitas energi,
konduktivitas, waktu hayat, kapasitas energi. Dengan demikian, pemilihan elektrolit
yang sesuai menjadi sangat penting (Joseph Wang, 2006). Elektrolit adalah zat yang
jika dilarutkan dalam air menghasilkan larutan yang dapat menghantarkan arus listrik
(Chang, 1998). Elektrolit yang digunakan dalam sel mempunyai persyaratan yaitu,
mempunyai konduktivitas yang baik dan tidak bereaksi dengan komponen lain dalam
baterai.
Elektrolit merupakan bagian penting dalam sel elektrokimia baik dalam
pengoperasiannya maupun dalam sistem kelengkapannya. Selain itu elektrolit harus
dapat menghantarkan elektron dan menghasilkan elektron untuk menjalankan sel
elektrokimia (Jouannea, 2002).
Elektrolit terbagi menjadi dua yaitu elektrolit padat dan elektrolit cair.
Elektrolit padat menunjukkan kestabilan pada suhu tinggi dan memiliki resistansi
listrik yang baik. Namun elektrolit padat memiliki beberapa kelemahan diantaranya
aliran arus rendah, kemampuannya menurun pada temperatur rendah dan sangat
rentan terhadap hubungan singkat yang dapat menyebabkan hilangnya energi.
Sedangkan elektrolit cair dapat menembus celah-celah atau pori-pori dari bahan
elektroda, baik anoda maupun katoda. Karena elektrolit berupa larutan, maka
elektrolit sangat mudah mencapai permukaan serbuk elektroda. Untuk penerapan
elektrolit padat persyaratan yang harus dipenuhi adalah adanya pertemuan permukaan
serbuk elektroda dengan elektrolit. Oleh karena itu komponen elektroda dibuat dengan
komposisi yang mengandung bahan elektrolit atau garam lithium, sehingga reaksi
redoks dapat berlangsung tepat di permukaan serbuk elektroda (Prihandoko, 2008).
Di dalam sistem baterai aluminium udara, ada dua isu utama yang sangat
menonjol dan dapat mempengaruhi performa dari baterai aluminium udara. Isu yang
pertama adalah bahwa logam aluminium sangat mudah mengalami korosi pada
kondisi potensial sirkuit terbuka (open-circuit potential) dan ketika mengalami discas
yang disebabkan oleh reaksi yang terjadi diantara air dan anoda. Isu kedua adalah
http://digilib.mercubuana.ac.id/
15
terbentuknya lapisan hidroksida yang pasif pada permukaan aluminium, sehingga
menghambat pelarutan logam aluminium dan menyebabkan berubahnya energi
potensial dari logam aluminium (Egan dkk, 2013), disamping itu masalah lain yang
timbul adalah dihasilkannya gas H2 yang dihasilkan melalui reaksi antara logam
dengan elektrolit, sehingga akan membuat sistem dari baterai pecah (Vincenzo dkk,
2014).
Secara garis umum, sistem elektrolit di dalam baterai logam udara ini terbagi
dalam dua, yaitu, sistem akues dan non akues. Sistem akues merupakan sistem
elektrolit yang berbasiskan kepada air sebagai pelarut dari elektrolit dalam baterai
logam udara (Richard dkk, 2002), Sementara sistem non-akues menggunakan pelarut
organik/aprotik ataupun cairan ionik sebagai elektrolit (Lorenzo dkk, 2014).
Penggunaan cairan ionik ini didasarkan kepada sifat logam yang mudah teroksidasi
oleh air ataupun larutan alkali (Gelman dkk, 2014).
Namun, menurut laporan yang dinyatakan oleh Jang dkk pada tahun 2011,
selain sistem akues dan non-akues, sistem elektrolit baterai logam udara dapat
ditambah lagi sistem hibrid dan elektrolit padatan. Tujuan penggunaan dari sistem
elektrolit hibrid dan elektrolit padatan adalah pada dasarnya adalah sama dengan
sisten non-akues, yaitu mengurangi kontak langsung antara logam anoda baterai
dengan air. Pada sistem hibrid, larutan elektrolit yang digunakan terdiri kombinasi dua
jenis elektrolit, yaitu non-akues dan akues. Cairan ionik atau juga pelarut aprotik
diletakkan di atas permukaan anoda. Ini dilakukan untuk mencegah terjadinya kontak
langsung antara air dengan logam anoda. Sementara larutan elektrolit akues diletakkan
pada posisi bersentuhan dengan katoda dan diantara cairan ionik dan larutan akues
diletakan suatu matriks pembatas yang berupa membran semi permeabel ataupun
keramik berpori.
Pada sistem elektrolit secara umum, struktur sel baterai logam udara mirip
dengan akues ataupun non akues, dimana elektrolitnya diganti dengan padatan.
Biasanya merupakan keramik atau membran gelas yang terdop dengan suatu doping.
Biasanya doping yang digunakan mengandung ion yang sejenis dengan jenis logam
anoda yang digunakan. Bentuk struktur dari baterai logam udara dengan elektrolit
padatan.
Seperti yang dijelaskan sebelumnya, bahwa tantangan dalam pembangunan
baterai logam udara adalah munculnya masalah korosi dari logam anoda, terbentuknya
http://digilib.mercubuana.ac.id/
16
lapisan oksida dari penghasilan gas H2. Ketiga masalah ini terkait penggunaan
elektrolit berbasiskan kepada akues dan sifat alamiah dari kebanyakan logam yang
bereaksi dengan air, asam ataupun alkali (Vincenzo dkk, 2014). Salah satu cara yang
dikembangkan untuk mengatasi hal tersebut adalah dengan mengunakan membran
polimer hidrogel (Marliyana dkk, 2015). Membran polimer hidrogel mempunyai
kemampuan untuk mengikat air dengan cukup baik serta mempunyai permebialitas
yang tinggi, sehingga proses migrasi ion tetap terjaga. Hal ini akan membuat
konduktivitas dari baterai tetap tinggi. Ini menjadikan membran polimer hidrogel
menjadi salah satu cara yang pontensial untuk menghambat proses pengkorosian pada
permukaan anoda baterai logam udara (Othman dkk, 2001 dan Mohamad, 2008).
C. Katoda Udara
Katoda udara sangat penting untuk baterai aluminium-udara,katoda udara terdiri dari
lapisan difusi gas,kolektor arus dan katalis reaksi reduksi oksigen oxygen reduction
reaction catalysts (ORRC). Di antara mereka, ORRC adalah salah satu faktor yang
paling penting yang menentukan ORR kinetika. Sejauh ini, berbagai variasi ORR
termasuk logam mulia dan paduan mereka, bahan karbon, oksida logam transisi dan
komposit anorganik-organik telah dikembangkan untuk baterai aluminium-air. Oksida
mangan (MnOx) dianggap sebagai salah satu kandidat yang paling mungkin karena
mereka biaya rendah serta jenis aktivitas katalitik yang tinggi. (Sun dkk, 2016)
Arsitektur performa elektrokimia dari katoda pada baterai logam udara adalah
mirip dengan sel bahan bakar, karena mekanisme reaksi yang terjadi pada sel bahan
bakar mirip dengan mekanisme yang terjadi dengan baterai logam udara. Pada kasus
sel bahan bakar hidrogen, proton H+ bergerak melalui elektrolit untuk bereaksi dengan
ion oksida pada katalis untuk membentuk air (Jang dkk 2011). Sementara pada kasus
baterai logam udara, ion logam dari anoda bergerak melalui elektrolit dan bereaksi
dengan ion O22- atau O2- yang diperoleh dari reaksi reduksi O2 oleh katalis pada
permukaan katoda udara untuk membentuk suatu endapan oksida dari ion logam
anoda. O2 yang terlibat dalam sistem baterai logam udara berasal dari udara yang
masuk melalui pori-pori karbon pada yang terdapat pada katoda (Yugang, 2013).
Keberadaan endapan oksida logam dari ion logam anoda yang berlebihan akan
membawa masalah baru kepada sistem baterai logam udara. Endapan oksida ini dapat
http://digilib.mercubuana.ac.id/
17
menutupi pori-pori dari karbon pada katoda, sehingga oksigen dari udara tidak dapat
masuk kedalam sistem baterai logam udara. Kondisi ini akan menyebabkan turunnya
densitas energi baterai logam udara, karena reaksi elektrokimia dalam sistem baterai
terhambat. Ini menunjukkan bahwa mikrostruktur dari karbon akan memberikan efek
pada performa dari baterai logam udara. Ukuran partikel karbon yang terlalu kecil
kurang sesuai digunakan sebagai matriks pembuatan katoda udara. Hal ini karena,
dengan ukuran partikel karbon yang kecil, maka ketika terjadi penyusunan partikelpartikel karbonya akan membentuk pori-pori yang lebih kecil dan rapat. Kondisi ini
menyebabkan kemampuan oksigen untuk masuk ke dalam sistem baterai logam udara
melalui katoda akan turun. Idealnya ukuran partikel karbon adalah sekitar 30 nm (Jang
dkk, 2011). Sementara jika partikel karbon terlalu besar, memang akan membentuk
pori-pori yang lebih besar, yang secara teoritis akan memudahkan masuknya oksigen
kedalam sistem baterai logam udara. Namun pada aplikasinya, terutama untuk baterai
logam udara dengan sistem akues, justru akan menyebabkan densitas energi baterai
menurun. Fenomena ini terjadi karena, dengan semakin banyaknya oksigen yang
masuk ke dalam sistem baterai logam udara, maka kecepatan reaksi elektrokimia yang
terjadi juga semakin cepat, sehingga proses pembentukan endapan dan korosi pada
permukan anoda akan berlangsung cepat (Zheng dkk, 2008).
Katoda dalam sistem baterai logam udara termasuk baterai alumunium udara
terdiri dari tiga komponen utama, yaitu karbon berpori, katalis serta polimer pengikat.
1) Karbon Aktif
Karbon aktif atau sering disebut juga arang aktif, adalah arang yang dimurnikan yaitu
konfigurasi atom karbonnya dibebaskan dari ikatan dengan unsur lain serta poriporinya dibersihkan dari unsur lain atau kotoran, sehingga permukaan karbon atau
pusat aktif menjadi bersih dan lebih luas. Keluasan pusat aktif ini menentukan
efektifitas kegunaannya sebagai adsorben (penyerap) cairan maupun gas. Sesuai
kegunaannya sebagai adsorben, maka arang aktif didalam perdagangannya
diklasifikasikan sebagai bahan kimia.
Proses aktivasi merupakan suatu perlakuan terhadap arang yang bertujuan
untuk memperbesar pori yaitu dengan cara memecahkan ikatan hidrokarbon atau
mengoksidasi molekul-molekul permukaan sehingga arang mengalami perubahan
http://digilib.mercubuana.ac.id/
18
sifat, baik fisika maupun kimia, yaitu luas permukaannya bertambah besar dan
berpengaruh terhadap daya adsorbsi. Pada umumnya karbon aktif dapat di aktivasi
dengan dua cara, yaitu dengan cara aktivasi kimia dengan hidroksida logam alkali,
garam-garam karbonat, klorida, sulfat, fosfat dari logam alkali tanah dan khususnya
ZnCl2, CaCl2, asam-asam anorganik seperti H2SO4 dan H3PO4 dan aktifasi fisika yang
merupakan proses pemutusan rantai karbon dari senyawa organik dengan bantuan
panas pada suhu 800 °C hingga 900 °C (S.C. KIM, I.K. 1996).
Proses aktivasi merupakan hal yang penting diperhatikan disamping bahan
baku yang digunakan. Yang dimaksud dengan aktivasi adalah suatu perlakuan
terhadap arang yang bertujuan untuk memperbesar pori yaitu dengan cara
memecahkan ikatan hidrokarbon atau mengoksidasi molekul- molekul permukaan
sehingga arang mengalami perubahan sifat, baik fisika maupun kimia, yaitu luas
permukaannya bertambah besar dan berpengaruh terhadap daya adsorbsi (Ajayi dan
Olawale, 2009).
Berdasarkan pori-porinya, karbon aktif dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu
(Sukir, 2008):
1. Makropori
Merupakan bagian paling luar dari karbon aktif, dengan jari-jari lebih besar
dari 50 nm dengan volume pori-pori 0,2-0,5 cm3/gram dan luas permukaan
0,2-2 m2/gram. Makropori dan mesopori memberikan kapasitas adsorbsi
karbon aktif dan kegunaanya terbentuk selama aktivasi.
2. Mesopori
Memiliki jari-jari 2-50 nm dengan volume pori-pori mencapai 0,02-0,01
cm3/gram dengan luas permukaan 1-100 m2/gram. Mesopori merupakan
cabang setelah makropori dan berfungsi sebagai sarana transportasi.
3. Mikropori
Merupakan pori-pori terkecil dengan jari-jari kurang dari 2 nm dengan volume
pori 0,15-0,5 cm3/gram dan luas permukaan mencapai 100-1000 m2/gram.
Keunggulan arang aktif adalah kapasitas dan daya serapnya yang besar, karena
struktur pori dan keberadaan gugus fungsional kimiawi di permukaan arang aktif
seperti C=O, C2-, dan C2H-. Kualitas arang aktif ditunjukkan dengan nilai daya serap
Iod di mana berdasarkan ketetapan dari SNI 06-3730-1995 arang aktif dinilai
http://digilib.mercubuana.ac.id/
19
berkualitas bilamana nilai daya serap Iodnya mendekati 750 mg/g, Misalnya arang
dari tempurung kelapa dan tongkol jagung sebelum diaktifasi daya serap iodinnya
masing-masing adalah 276 dan 452 mg/g, namun setelah diaktivasi meningkat
menjadi 672 dan 647 mg/g mendekati nilai persyaratan kualitas arang aktif (Harsanti
dkk, 2010).
2) Katalis
Komponen lain yang terdapat di dalam katoda baterai logam udara adalah katalis yang
dicampur bersama dengan partikel karbon. Fungsi dari katalis ini adalah mereduksi
gas O2 dari udara menjadi O22- atau O2- (Yugang, 2013). Beberapa jenis katalis yang
digunakan diantaranya adalah Pt, La0.8Sr 0.2, MnO3, Fe2O3, NiO, Fe3O4, Co3O4, CuO
dan CoFe2O4 dengan ukuran partikel 1-5 μm. Sementara itu katalis dengan ukuran
nanostruktur yang telah dilaporkan oleh peneliti sebelum ini diantaranya adalah dari
kelompok mangan oksida seperti α-MnO2, β-MnO2, λ-MnO2, Mn2O3 and Mn3O4.
Reaksi katalitik yang terjadi pada oksigen adalah reaksi reduksi oksigen (oxygen
reduction reaction, ORR) dan reaksi evolusi oksigen (oxygen evolution reaction,OER)
(Jang dkk, 2011).
Logam mulia seperti platinum telah menjadi katalis yang paling sering
digunakan untuk elektroda udara tetapi biaya yang mahal dan kelangkaan membatasi
pengaplikasian yang luas dalam teknologi energi bersih. Pencarian biaya yang rendah
dalam penggunaan katalis dengan aktivitas katalitik yang cukup mendorong minat
peneliti pada oksida logam transisi sebagai alternatif pengganti logam mulia. Di antara
mereka, oksida mangan menunjukkan performa elektrokatalitik yang menjanjikan
untuk OER dan ORR pada kondisi basa dan memiliki banyak keunggulan seperti
kelimpahan dalam bijih alami,toksisitas rendah, biaya rendah dan ramah lingkungan.
(Mainar dkk 2016).
Saat ini diketahui perak menunjukkan aktivitas katalitik yang jauh lebih
tinggi untuk ORR dalam larutan alkali dari pada oksida mangan. Katalis komposit AgMnOx secara ekstensif telah diselidiki dan menunjukkan aktivitas katalitik ORR yang
sangat baik karena "efek sinergis". (Sun, dkk 2016)
http://digilib.mercubuana.ac.id/
20
3) Matriks Pengikat ( Binder )
Binder atau pengikat adalah materi atau substansi yang memegang atau menarik
bahan lain bersama-sama untuk membentuk suatu kesatuan yang utuh secara mekanis
dan kimia, dengan adhesi atau kohesi. Dalam arti yang lebih sempit, pengikat adalah
zat cair atau adonan yang mengeras oleh proses kimia atau fisika. Contohnya
termasuk lem, perekat dan penebalan. Peran utama pengikat adalah untuk mendukung
daya kohesif dari ikatan partikel-partikel padat. Salah satu jenis pengikat yang dapat
dipergunakan adalah Arabic gum. Arabic Gum / gum arab juga dikenal sebagai gum
akasia, Chaar gund, char goond, atau meska, adalah karet alami yang terbuat dari
getah mengeras dari berbagai jenis pohon akasia.
Gum arab dapat diaplikasikan
sebagai pengikat bahan pangan maupun bahan obat. Selain itu gum arab bersifat
sebagai emulsifier sehingga bahan yang telah diproses dengan penambahan Arabic
Gum akan mudah dilarutkan dalam air maupun minyak. (Arif Rahman & Anies
Chamidah, 2013).
Gum arab merupakan yang paling kuno dan paling terkenal dari semua jenis
gum/karet. Istilah 'Arabic Gum' diciptakan oleh pedagang Eropa yang mengimpor
gum ini dari Arab seperti Jeddah dan Alexandria. Di Mesir gum arab disebut sebagai
'Kami' dan diduga digunakan dari dinasti ketiga dan seterusnya (sekitar 2650 SM)
untuk mengamankan perban di sekitar mumi. gum ini juga digunakan untuk
memperbaiki pigmen ke dalam lukisan hieroglif. Menurut sebuah Peneliti Sudan, kata
'mana' (manna) disebutkan dalam Alquran (QS Al baqarah) sebagai makanan terbaik
yang tersedia manusia, yang pada kenyataannya direferensikan langsung ke gum
arab. Kata 'mana' tampaknya juga merujuk pada gum arab di Taurat di mana ia
digambarkan sebagai makanan penting dan ditunjuk oleh Musa kepada Israel sebagai
roti yang diberikan Tuhan. Ada sekitar dengan 900 spesies akasiayang
mampu
menghasilkan gum. Biasanya terletak di iklim tropis, dengan sekitar 130 dari mereka
terletak khusus pada benua Afrika (Eqbal & Aminah, 2013)
Gum arab yang terdiri dari polisakarida dan glikoprotein, diterapkan sebagai
dual-fungsi pengikat. Pertama, kelompok hidroksil hepolysaccharide pada gum arab
sangat penting dalam memastikan binding kuat. Kedua, sama halnya dengan fungsi
serat dalam beton, rantai glikoprotein memberikan toleransi mekanik lanjut untuk
ekspansi (Min Ling, 2015).
http://digilib.mercubuana.ac.id/
21
Gambar 2.3 Skematik gum arab mengikat partikel karbon
Pada gambar diatas menjelaskan skematik dari gum arab untuk mengatasi volume
yang bermasalah pada perubahan material baterai. gum arab baterai dengan fungsi ganda bisa
menjaga kedua ikatan kimia yang kuat dan properti ulet untuk mentolerir ekspansi selama
lithiation proses / delithiatio. (Min Ling, 2015).
Gum Acacia (GA) adalah particular yang menarik karena aman digunakan, kelarutan
tinggi dalam air dan ukuran molekul yang tinggi. Ini adalah bahan multifraction yang terdiri
dari polisakarida bercabang (Gambar 2.4). Pada umumnya mengandung 42% galactosyl, 27%
arabinosyl, 15% rhamnosyl, 14,5% glucuronosyl, dan 1,5% 4-O-methyl-glucuronosyl) dan
protein-polisakarida yang kompleks sebagai komponen minor. GA terdiri dari tiga fraksi
utama; (1) Yang utama adalah polisakarida bercabang (MW = 3 × 105) yang terdiri dari β(1→3) galaktosa backbone dengan cabang terkait dari arabinose dan rhamnose, yang berakhir
pada asam glukuronat (ditemukan di alam sebagai magnesium, kalium, dan garam kalsium).
(2) Sebuah fraksi yang lebih kecil ( 10 wt% dari total) adalah berat molekul tinggi ( 1 ×
106 g/mol) arabinogalactan-protein kompleks (GAGP -Ga glikoprotein) di mana rantai
arabinogalactan adalah kovalen terkait dengan rantai protein melalui serin dan kelompok
hidroksiprolin. arabinogalactan mengandung
13% (dengan mol) asam glucoronic. (3)
Fraksi terkecil ( 1% dari total) memiliki kandungan protein tertinggi (50 wt%) adalah
glikoprotein yang berbeda dalam komposisi asam amino dari GAGP kompleks. Bahan
ini diperoleh dari pohon Acacia yang tumbuh di daerah yang membentang dari Senegal ke
Sudan di Afrika. Namun, komposisinya dapat bervariasi dengan sumbernya, usia pohon,
lingkungan tanah dan kondisi iklim. Idris et al melaporkan GA terdiri dari 39-42%
galaktosa, 24-27% arabinosa, 12-16% rhamnose, 15-16% asam glukuronat, 1,5-2,6%
protein, 0,22-0,39% nitrogen, dan 12,5-16,0% kelembaban. (M. A. Abu-Dalo, 2012).
http://digilib.mercubuana.ac.id/
22
Gambar 2.4 Struktur monosakarida dan molekul GA
(Sumber: Dalo,2012)
Pada gambar diatas menunjukan Struktur monosakarida (A), Segmen gum arab
molekul (B). Polisakarida backbone terdiri dari D-galactopyranose (GALP), dengan
cabang-cabang terkait L-Arabofuranose (Araf), L-Rhamnopyranose (RHAP), dan
Asam D-Glucuronic (GA).
D. Matriks Pemisah
Salah satu keuntungan menggunakan sistem akues pada baterai logam udara adalah
densitas energi yang diperoleh adalah cukup tinggi. Ini karena proses migrasi ion
logam dari anoda menuju katoda melalui media elektrolit akan berlangsung secara
lebih baik (Jake dkk, 2012). Namun begitu, penggunaan sistem akues juga mempunyai
kerugian seperti logam anoda yang terkorosi akibat reaksi antara elektrolit dengan
permukaan anoda baterai logam udara, selain itu juga akan membentuk lapisan logam
hidroksida. Hal ini menyebabkan proses migrasi ion logam menuju katoda akan
terhambat dan ini menyebabkan densitas energi yang menurun dan masa hidup baterai
menjadi singkat (Mohamad, 2008, Gelman dkk, 2014-2015, Vincenzo dkk, 2014).
Salah satu cara mengatasi permasalahan tersebut diantaranya dengan
meletakkan matriks pemisah. Tujuan dari matriks pemisah adalah untuk menghindari
kontak langsung antara anoda dengan elektrolit. Syarat dasar dari matriks pemisah
diantaranya adalah mempunyai kestabilan dengan larutan elektrolit, terutama alkali.
Selain itu juga bersifat penghantar ion yang tinggi, mempunyai pori-pori yang sesuai
dengan ion logam, bersifat inert terhadap reaksi pengoksidaan, stabil sewaktu proses
discas dan cas berlangsung (Jang dkk, 2011). Selain itu, matriks pemisah juga
haruslah mempunyai koefisien difusi yang rendah terhadap OH- dan spesis gas H2O,
http://digilib.mercubuana.ac.id/
23
O2, CO2, N2 serta gas lainnya yang mungkin eksis berada di udara, mempunyai
kestabilan terhadap pelarut organik (Yugang, 2013) serta stabil secara mekanikal
ketika proses asembli berjalan (Sheng, 2007).
Bahan matriks pemisah yang biasa digunakan diantaranya adalah keramik,
polimer, membran gelas, serta komposit polimer keramik. Penambahan matriks
pemisah dapat menyebabkan terjadinya peningkatan resistansi dari baterai logam
udara, sehingga biasanya ketebalan dari matrik pemisah juga harus cukup tipis (Jake
dkk, 2012). Selain itu, bahan pemisah yang digunakan biasanya didoping atau
disisipkan suatu garam atau oksida sesuai dengan jenis logam anodanya seperti
Al2(WO4)3 yang digunakan oleh Mori pada tahun 2015. Tujuan penambahan doping
ini adalah untuk meningkatkan konduktivitas ionik dari matriks separator. Salah satu
jenis matriks membran gelas yang berpotensi digunakan sebagai matriks bahan
pemisah adalah sol-gel (Jo dkk, 2012).
E. Pemisah (Separator)
Separator adalah suatu material berpori yang terletak di antara anoda dan katoda
berfungsi untuk mencegah agar tidak terjadi hubungan singkat dan kontak antara
katoda dan anoda. Separator dapat berupa elektrolit yang berbentuk gel, atau plastik
film nano pori (microporous), atau material inert berpori yang diisi dengan elektrolit
cair. Sifat listrik separator ini mampu dilewati oleh ion tetapi juga mampu memblokir
elektron, jadi bersifat konduktif ionik sekaligus tidak konduktif elektron (Prihandoko
dkk, 2011).
Beberapa hal yang penting untuk memilih material agar dipilih sebagai
separator antara lain material tersebut bersifat insulator, memiliki hambatan listrik
yang kecil, kestabilan mekanik (tidak mudah rusak), tidak mudah terdegradasi dengan
elektrolit serta memiliki ketebalan lapisan yang seragam atau sama di seluruh
permukaan.
Struktur
pori
dan
penyerapan
elektrolit
berpengaruh
terhadap
konduktivitas ion. Separator dengan porositas yang tinggi dapat menyerap lebih
banyak elektrolit liquid. Sehingga besarnya penyerapan elektrolit pembawa muatan
ion sangat dibutuhkan (H. Li, 2011). Beberapa material yang dapat digunakan sebagai
separator
antara
lain
polyolefins
(polyethylene
dan
polypropylen),
PVdF
(polyvinylidene fluodire), PTFE, PVC dan poly ethylene oxide (Manjunatha, 2011).
http://digilib.mercubuana.ac.id/
24
2.6
BATERAI ALUMINIUM UDARA
Baterai aluminium udara merupakan baterai logam udara yang menggunakan
aluminium sebagai anodanya. Seperti baterai logam udara lainnya, baterai aluminium
mempunyai 3 komponen utama, yaitu katoda udara sebagai elektroda positif, elektrolit
sebagai jembatan garam dan aluminium sebagai anoda.
Baterai alumunium adalah suatu alat konversi energi elektrokimia yang
mengubah reaksi kimia pada aluminium sebagai anoda dan udara sebagai katoda dan
menghasilkan energi listrik dari aliran elektron anoda ke katoda. Baterai alumunium
udara merupakan energi ramah lingkungan karena tidak menggunakan bahan bakar
fosil dalam penghasilan energi listrik. Pengembangan teknologi baterai alumunium
udara dengan menggunakan alumunium berongga diharapkan mampu memperbaiki
kinerja dari baterai tersebut sehingga dapat digunakan secara optimal pada kehidupan
sehari-hari. Elektroda aluminium berongga ini nantinya diproduksi dengan metode stir
casting yang ditambahkan zat blowing agent. Dalam perkembangan teknologi baterai
alumunium udara terdapat berbagai macam kendala dalam mengoptimalkan kinerja
baterai terutama dalam meningkatkan kapasitas baterai dengan menyempurnakan
desain dari baterai alumunium, penyempurnaan desain baterai Lithium ion dengan
membuat elektroda lithium yang berongga sehingga dapat menurunkan resistansi
ohmik. Diperoleh hasil resistansi minimum untuk setiap kombinasi elektrodaelektrolit jika persentase massa porositas berada pada nilai 0.18 hingga 0.2 (Suwandi,
2013).
Alumunium dapat juga diaplikasikan dalam bentuk logam saat dipergunakan
menjadi anoda baterai dan dapat menghasilkan reaksi kimia sebesar 2980 Ah kg-1.
Konsep baterai tradisional yang umumnya tipe single-use (primary). Reaksi
elektrokimia berasal dari reaksi redoks, reaksi redoks singkatan dari reaksi reduksi
oksidasi, reaksi ini menjelaskan perubahan bilangan oksidasi dari sebuah reaksi kimia
(elektrokimia), dalam reaksi redoks, elektron berpindah dari satu substansi ke
substansi lainnya. Bahan dari baterai adalah elektroda, elektroda adalah bahan baku
sebuah sel pada baterai yang menjadi sumber utama terjadinya energi listrik
dikarenakan adanya potensial tegangan dari kedua bahan sehingga terjadi perpindahan
elektron.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
25
Elektroda harus terbuat dari bahan konduktor agar dapat dialiri listrik. Berbeda
dengan arus listrik dalam sistem eksternal, transportasi muatan antara elektroda positif
dan elektroda negatif dalam elektrolit dilakukan oleh ion. Umumnya arus dalam
elektrolit terdiri dari perpindahan ion positif dan negatif. Elektroda adalah bahan baku
sebuah sel pada baterai yang menjadi sumber utama terjadinya energi listrik
dikarenakan adanya potensial tegangan dari kedua bahan sehingga terjadi perpindahan
elektron. Elektroda harus terbuat dari bahan konduktor agar dapat dialiri listrik.
Berbeda dengan arus listrik dalam sistem eksternal, transportasi muatan antara positif
dan elektrode negatif dalam elektrolit dilakukan oleh ion. Umumnya arus dalam
elektrolit terdiri dari perpindahan ion positif dan negatif. Di sel baterai alumunium
udara terdapat dua jenis elektroda, yaitu: katoda dan anoda. Pada sebuah sel baterai
alumunium udara terjadi reaksi elektrokimia, pada katoda terjadi reaksi 3O 2 + 6H2O +
12e-  12OH-.
Katoda sel ini adalah udara, lebih spesifik oksigen (O2), udara diambil dari
lingkungan diluar sistem, katoda udara adalah salah satu komponen yang sangat
penting dalam reaksi elektrokimia baterai alumunium udara. Katoda udara
memfasilitasi adanya reaksi reduksi oksigen pada elektroda.
Gambar 2.5 Struktur elektroda udara di laminasi. (a) Komposisi air-katoda
menunjukkan struktur fungsi masing-masing komponen . (b) Diagram tigas-fase untuk
proses oksigen pengurangan elektrolit
(Sumber: Linden & Reddy, 2011).
Semakin banyak pori yang terdapat pada elektroda akan mempercepat reaksi
elektrokima yang terjadi tetapi mengurangi hasil reaksi elektrokima pada sel baterai
alumunium udara. Semakin rendah porositas akan memperbanyak reaksi elektrokimia
yang terjadi dikarenakan jumlah aluminium sebagai sumber energi semakin banyak,
tetapi mengurangi kecepatan reaksi. Jumlah persentase porositas yang terlalu rendah
http://digilib.mercubuana.ac.id/
26
akan mengurangi jumlah reaksi pula, hal ini dikarenakan bidang kontak reaksi pada
sel ini akan semakin berkurang sehingga dapat mengurangi tegangan listrik sebagai
hasil dari reaksi elektrokima pada sel baterai alumunium udara (Rio dkk, 2014).
Pada baterai alumunium udara, anodanya adalah aluminium, anoda adalah
elektroda negatif yang mengalami proses oksidasi pada saat discharging baterai.
Reaksi yang terjadi adalah 4Al  4Al3+ + 12e-. Aluminium mengalami oksidasi atau
melepaskan elektron sebanyak 12 atom dan ion Al3+. Tegangan listrik dari suatu sel
elektrokimia adalah, beda potensial yang dimiliki oleh dua material yang dijadikan
elektroda pada sebuah sel baterai, sehingga tiap baterai yang memiliki penyusun
elektroda berbeda maka tegangan listrik yang dihasilkan akan berbeda, standar
potensial dari setiap sel dapat dihitung dengan:
Anoda + Katoda = Potensial sel standar.
Pada baterai alumunium udara hitungan potensial sel standarnya adalah sebagai
berikut:
Reaksi oksidasi pada anoda:
Al + 3OH-  Al(OH)3 + 3e-; -2.31 V
Reaksi reduksi pada katoda:
O2 + 2H2O + 4e-  4OH-; +0,40 V
Total reaksi:
4Al + 3O2 + 6H2O  4Al (OH)3; 2,71 V
2.7
TEORI DASAR LISTRIK
2.7.1 Arus Listrik
Arus Listrik merupakan aliran elektron-elektron dari atom ke atom yang terjadi pada
sebuah penghantar dengan kecepatan dalam waktu tertentu. Penyebab timbulnya arus
listrik tersebut dikarenakan adanya beda potensial pada kedua ujung penghantar yang
terjadi karena mendapatkan suatu tenaga untuk mendorong elektron-elektron tersebut
berpindah-pindah tempat. Umumnya gerakan aliran elektron ini akan menuju tempat
yang lebih lemah tekanannya.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
27
Arus listrik tersebut juga haruslah dapat dialirkan atau diputuskan agar aliran
listrik aman dengan kecepatan yang stabil. Kecepatan perpindahan arus listrik ini
dapat disebut laju arus yang dapat ditulis dengan I dengan satuan ampere. Dan arus
listrik tersebut terjadi jika muatan listrik tersebut mengalir setiap detik. Sehingga
dapat kita tuliskan hubungan muatan listrik, arus listrik, dan waktu, dengan rumus :
I = Q/t
atau
(2.1)
Q=Ixt
Keterangan :
I = Kuat arus listrik (A)
Q = Banyaknya muatan Listrik (Coulomb)
t = waktu (s)
Arus listrik yang mengalir tersebut dari sumber arus listrik tersebut dapat kita bedakan
menjadi 2 macam yaitu :
a. Arus bolak-balik (Alternating Current) Arus bolak-balik (AC) adalah arus
yang mengalir dengan polaritas yang berubah dan dimana masing-masing
terminal polaritasnya bergantian. Pada umumnya arus AC ini adalah arus yang
digunakan dalam kehidupan seharihari seperti alat-alat elektronika yang
dipakai didalam rumah kita. Arus listrik ini dihasilkan oleh pembangkit tenaga
listrik yang bernama generator yang ada pada pembangkit listrik.
b. Arus searah (Direct Current) Arus searah (DC) merupakan arus yang
mengalir dengan arah yang tetap (konstan) dengan masing-masing terminal
selalu tetap pada polaritasnya. Arus ini bisa terjadi karena berasal dari
akumulator (Accu). Arus listrik searah ini dapat dihasilkan dengan cara
merubah arus AC menjadi DC menggunakan power supply dengan dioda
sebagai penyearah arus yang dapat menyearahkan arus bolak-balik menjadi
arus searah.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
28
2.7.2 Tegangan Listrik
Sebuah benda bermuatan positif kalau benda tersebut kehilangan elektron dan
bermuatan negatif kalau benda tersebut kelebihan elektron. Dalam keadaan berbeda
muatan inilah munculnya tenaga potensial yang berada di antara benda – benda itu.
Karena itu bila sepotong kawat penghantar dihubungkan diantara kedua benda yang
berbeda muatan menyebabkan terjadinya perpindahan energi diantara benda – benda
itu. Peralihan energi ini berlangsung terus selama ada beda tegangan. Terjadinya
tegangan disebabkan adanya beda tiap muatan mempunyai tenaga potensial untuk
menggerakkan suatu muatan lain dengan cara menarik atau menolak. Beda tegangan
dapat dihasilkan dengan memberikan tekanan listrik dari suatu pembangkit listrik pada
salah satu tempat penghantar. Satuan untuk mengukur tegangan listrik adalah volt.
2.7.3 Daya Listrik
Daya Daya listrik adalah energi yang dibawa oleh elektron yang bergerak tiap satuan
ewaktu. Karena ada arus yang mengalir dalam rangkaian maka akan ada konversi
energi listrik menjadi energi bentuk lain. Contoh, arus mengalir melalui filamen
merubah energi listrik menjadi terang dan energi panas. Daya listrik dapat
didefenisikan sebagai ukuran (rate) pada saat energi listrik dikonversi dan merupakan
kuantitas yang penting dalam rangkaian-rangkaian praktis. Daya merupakan ukuran
disipasi energi dalam sebuah alat. Karena tegangan dan arus dapat berubah sesuai
fungsi dari waktu, kita segera memperkirakan bahwa nilai sesaat dan nilai rata-rata
dapat digunakan untuk menggambarkan disipasi.Watt (W) adalah ukuran dasar dari
daya listrik. Secara matematis rumus daya listrik dapat ditulis sebagai berikut:
P=VxI
(2.2)
Dimana :
P = Daya/energi listrik (watt)
V = Tegangan/beda potensial (Volt)
I = Arus (Ampere)
http://digilib.mercubuana.ac.id/