Bab 4 Hasil dan Pembahasan
4.1
Pemilihan Elektrolit
Pada penelitian ini digunakan empat jenis elektrolit yang berbeda, yaitu KCl, KNO3, NaCl dan KF. Pemilihan keempat elektrolit tersebut ini didasarkan pada mobilitas ioniknya Tabel 4.1 Mobilitas ionik dalam air pada suhu 298 K Ion K+
Mobilitas ionik (10-8 m2 s-1 V-1) 7,62
+
Na
5,19
Cl-
7,91
NO3-
7,40
F-
5,70
Keempat elektrolit dipilih atas kombinasi mobilitas ioniknya. KCl dan KNO3 mempunyai perbandingan mobilitas ionik yang hampir sama. NaCl , mobilitas ionik kationnya lebih kecil daripada mobilitas ionik anionnya. KF, mobilitas ionik anionnya lebih kecil daripada mobilitas ionik kationnya. Namun dalam penelitian, KF tidak dipergunakan lagi karena penggunaan elektrolit tersebut menimbulkan endapan pada sambungan jembatan garam dan larutan kedua kompartemen.
4.2
Spektroskopi Impedansi Elektrokimia (SIE)
Gambar 4.1., 4.2., menunjukkan kurva Nyquist dari sel dengan tiga elektrolit yang berbeda yaitu KCl, NaCl dan KNO3. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan dua jembatan garam yang mempunyai dimensi yang sama, jembatan 1 dan jembatan 2. Kurva Nyquist yang diperoleh dari pengukuran dianggap terjadi pada saat sel galvanik berada dalam kondisi terisi penuh (fully charged). Hal ini dikarenakan pada setiap pengukuran digunakan jembatan
32
garam yang baru dan setiap elektroda diampelas dan dibilas dengan aqua bidestilasi sehingga tercipta permukaan aktif baru yang bebas dari lapisan oksida ataupun pengotor lainnya. -200 jembatan 1-KNO3.Z jembatan 1-NaCl.Z jembatan 1-KCl.Z
-150
Z''
-100
-50
0
50 550
600
650
700
750
800
Z'
Gambar 4.1 Kurva Nyquist sel dengan variasi elektrolit menggunakan jembatan garam 1
-200 jembatan 2-KNO3.Z jembatan 2-NaCl.Z jembatan 2-KCl.Z
-150
Z''
-100
-50
0
50 550
600
650
700
750
800
Z'
Gambar 4.2 Kurva Nyquist sel dengan variasi elektrolit menggunakan jembatan garam 2
33
Semi-lingkaran dalam kurva Nyquist menggambarkan impedansi dari reaksi elektrokimia dalam baterai (Cheng, 1999). Dari kurva dapat terlihat, plot semi-lingkaran SEI sel dengan elektrolit KCl dan sel dengan elektrolit KNO3 berada pada daerah yang sama yang mengindikasikan nilai impedansi selnya tidak berbeda jauh. Plot semilingkaran SEI sel dengan elektrolit NaCl terletak lebih ke kanan yang mengindikasikan nilai impedansinya lebih besar daripada kedua elektrolit yang lainnya. -100 jembatan 1-2,5%.Z jembatan 1-0,83%.Z jembatan 1-1,67%.Z
-75
Z''
-50
-25
0
25 525
550
575
600
625
650
Z'
Gambar 4.3 Kurva Nyquist sel dengan variasi konsentrasi agar menggunakan jembatan garam 1
34
-100 jembatan 2-2,5%.Z jembatan 2-0,83%.Z jembatan 2-1,67%.Z
-75
Z''
-50
-25
0
25 525
550
575
600
625
650
Z'
Gambar 4.4 Kurva Nyquist sel dengan variasi konsentrasi agar menggunakan jembatan garam 2 Untuk menginvestigasi pengaruh variasi konsentrasi agar, dilakukan pengukuran dengan menggunakan elektrolit KCl pada konsentrasi agar 0,83%; 1,67%; dan 2,5% (b/v). Hasil pengukuran SIE ditunjukkan gambar 4.3 dan 4.4 Sirkuit ekivalen yang diusulkan untuk merepresentasikan keadaan sel ditunjukkan pada gambar 4.5. Rlar merepresentasikan hambatan total ohmik dari larutan, elektrolit dalam jembatan garam dan elektroda. Rtm adalah hambatan transfer muatan pada antarmuka elektroda. Clrl adalah kapasitansi lapis rangkap listrik yang terbentuk pada antar muka larutan dengan elektroda. Rlar termasuk hambatan sepanjang jalur konduksi jembatan garam yang mengandung elektrolit. Pada sel yang diuji yang membedakannya hanyalah elektrolit dalam jembatan garam, oleh karena itu Rlar berhubungan langsung dengan hambatan yang ditimbulkan elektrolit.
Gambar 4.5 Sirkuit ekivalen untuk sel galvanik Cu/Zn yang diuji
35
Analisis kuantitatif dilakukan dengan bantuan perangkat lunak Zview menggunakan pendekatan Complex non-linear least squares (CNLS). Nilai dari masing-masing komponen listrik pada variasi elektrolit dan variasi konsentrasi agar ditampilkan Tabel 4.2 dan Tabel 4.3. Tabel
4.2
Elektrolit
Nilai komponen-komponen sirkuit ekivalen dari sel dengan variasi elektrolit
jembatan
KCl NaCl KNO3
1
Rlar
Clrl 2
(Ω.cm )
Rtm 2
(F)
409,9
(Ω.cm )
1,95x10
-8
210 268,2
211,8
2
403,4
1,91x10
-8
1
495,7
2,02x10
-8
2
498,7
1,99x10
-8
274
1
417,7
2,14x10
-8
197,3
2
430,6
2,12x10
-8
208,6
Tabel 4.3 Nilai komponen-komponen sirkuit ekivalen dari sel dengan variasi konsentrasi agar Konsentrasi agar
jembatan
1,67% 2,5%
Clrl
Rtm
(Ω.cm )
(F)
(Ω.cm )
392,7
1,95x10
-8
196,6 193,6
2
(b/v) 0,83%
Rlar
1
2
2
386,8
1,97x10
-8
1
409,9
1,95x10
-8
211,8 210,0
2
403,4
1,91x10
-8
1
387,5
2,10x10
-8
183,6
1,94x10
-8
200,6
2
394,9
Nilai hambatan total ohmik larutan (Rlar) dengan variasi elektrolit ditunjukkan pada gambar 4.6. Dapat dilihat, baik pada jembatan garam 1 maupun 2 terlihat bahwa KCl mempunyai nilai Rlar yang paling rendah diikuti oleh KNO3 dan NaCl. Nilai Rlar KCl yang kecil diperkirakan disebabkan oleh mobilitas ioniknya yang relatif seimbang. Dengan mobilitas ionik yang seimbang, maka jumlah ion yang berpindah dalam waktu yang sama seimbang pula. KNO3 mempunyai perbandingan mobilitas ionik yang hampir sama dengan KCl, namun hasil analisis menunjukkan KNO3 mempunyai nilai impedansi larutan yang lebih besar. Hal ini dikarenakan mobilitas ionik NO3- sedikit lebih kecil dibanding mobilitas ionik Cl-, sehingga mempengaruhi nilai impedansinya keseluruhan sel. Sel dengan elektrolit NaCl memiliki nilai Rlar yang paling besar, hal ini dikarenakan nilai mobilitas ionik kation dan anionnya yang relatif tidak berimbang. Mobilitas ionik anionnya (Cl-) lebih besar daripada mobilitas ionik kationnya (Na+) (Tabel 4.1)
36
500
2
hambatan (ohm.cm )
480 460 440 420 400 380 KCl jemb1
KNO3 jemb1
NaCl jemb1
KCl jemb2
KNO3 jemb2
NaCl jemb2
Gambar 4.6 Nilai Rlar sel galvanik Cu/Zn dengan variasi elektrolit pada dua sampel jembatan garam 415
2
Rlar (ohm.cm )
410 405 jembatan 1
400
jembatan 2
395 390 385 0
1
2
3
4
% agar (b/v)
Gambar 4.7 Nilai Rlar sel galvanik Cu/Zn dengan variasi konsentrasi agar pada dua sampel jembatan garam Dapat dilihat pada Gambar 4.7 nilai Rlar seiring konsentrasi agar naik kemudian turun kembali. Hal ini tidak diketahui pasti penyebabnya. Deduksi yang diambil adalah semakin besar konsentrasi agar, semakin kecil mobilitas ion dalam larutan sehigga impedansinya semakin besar. Pada rentang konsentrasi 0,83%-1,67%, hasil yang diamati sesuai dengan deduksi. Namun pada konsentrasi di atas 1,67% diduga terdapat faktor lain yang mempunyai pengaruh lebih dominan selain pengaruh kenaikan konsentrasi agar.
37
4.3
Rapat arus Maksimum Pada Potensial Nominal
Metode Voltametrik Siklik Galvano dengan perubahan logaritmik digunakan untuk menentukan rapat arus maksimum yang dapat diberikan suatu baterai pada potensial nominalnya. Pada sebuah baterai, potensial nominal yang dimaksud adalah nilai potensial yang tertera dalam kemasan baterai. Dalam kasus ini, potensial nominal yang dijadikan acuan adalah nilai tengah antara potensial maksimum dan potensial minimum yang dicapai sel. Nilai potensial yang diperoleh adalah 1,06 volt. Arus yang diaplikasikan pada sel dimulai pada angka 1 µAcm-2 secara bertahap dengan kenaikan logaritmik hingga mencapai arus maksimum 100 µAcm-2, kemudian diturunkan kembali hingga mencapai nilai semula, 1 µAcm-2. Respons yang diukur adalah potensial baterai pada setiap nilai arus yang diberikan. 2.5
potensial (V) log rapat arus (mikroAcm-2)
2
1.5
lo g rapat arus po tensial NaCl po tensial KCl
1
po tensial KNO3
0.5
0 0
200
400
600
w aktu (sekon)
Gambar 4.8 Tipikal kurva voltametri siklik galvano Gambar 4.8 menunjukkan tipikal kurva yang diperoleh dari setiap pengukuran. Supaya terlihat lebih jelas sebagian kurva potensial diperbesar pada daerah puncak seperti yang terlihat pada Gambar 4.9-4.10 dan 4.12-4.13
38
1.1
potensial (V) log rapat arus (mikroAcm-2)
1.08
1.06
lo g rapat arus po tensial NaCl po tensial KCl
1.04
po tensial KNO3
1.02
1 0
200
400
600
w aktu (sekon)
Gambar 4.9 Kurva potensial dan log rapat arus terhadap waktu pada sel dengan variasi elektrolit menggunakan jembatan garam 1 1.1
potensial (V) log rapat arus (mikroAcm-2)
1.08
1.06
lo g rapat arus po tensia NaCl po tensial KCl
1.04
po tensial KNO3
1.02
1 0
200
400
600
w aktu (sekon)
Gambar 4.10 Kurva potensial dan log rapat arus terhadap waktu pada sel dengan variasi elektrolit menggunakan jembatan garam 2 Dari gambar 4.9 dan 4.10 dapat terlihat perbedaan yang tipis antara kurva potensial sel ketiga elektrolit. Hal ini menandakan sel dengan elektrolit jembatan garam yang berbeda tidak memberikan perbedaan signifikan terhadap arus yang dapat dihasilkan baterai.
39
rapat arus maks (mikroA/cm2)
55 50 45 40 35 30 KCl jemb1
KNO3 jemb1
NaCl jemb1
KCl jemb2
KNO3 jemb2
NaCl jemb2
Gambar 4.11 Rapat arus maksimum yang dapat dihasilkan sel dengan variasi elektrolit pada nilai potensial 1,06 V Nilai rapat arus maksimum yang dihasilkan baterai pada nilai potensial sel 1,06 volt ditunjukkan pada Gambar 4.11. Dari gambar dapat terlihat rapat arus maksimum kedua sampel jembatan garam mempunyai tren yang sama. Nilai rapat arus maksimum terbesar adalah sel dengan elektrolit KCl, diikuti KNO3 dan NaCl. Data ini konsisten dengan nilai Rlar sel. Sel dengan nilai Rlar terkecil mempunyai nilai rapat arus maksimum paling besar dan sebaliknya. Hal ini sesuai dengan hukum Ohm bahwa nilai hambatan (R) berbanding terbalik dengan nilai arus listrik (I)
R∞
1 I
(4.1)
40
1.1
potensial (V) log rapat arus (mikroAcm-2)
1.08
1.06 lo g rapat arus
1.04
po tensial [agar] 0,83% po tensial [agar] 1,67% po tensial [agar] 2,5%
1.02
1 0
200
400
600
w aktu (sekon)
Gambar 4.12 Kurva potensial dan log arus terhadap waktu pada sel dengan elektrolit KCl menggunakan jembatan garam 1 pada konsentrasi agar yang berbeda
1.1
potensial(V) log arus(mikroAcm-2)
1.08
1.06 lo g rapat arus
1.04
po tensial [agar] 0,83% po tensial [agar] 1,67% po tensial [agar] 2,5%
1.02
1 0
200
400
600
w aktu (sekon)
Gambar 4.13 Kurva potensial dan log arus terhadap waktu pada sel dengan elektrolit KCl menggunakan jembatan garam 2 pada konsentrasi agar yang berbeda Gambar 4.12 dan 4.13 menunjukkan kurva potensial sel dari konsentrasi agar yang berbeda. Hal yang sama pada variasi elektrolit diamati juga pada konsentrasi agar, bahwa perbedaan
41
arus maksimum yang dihasilkan antara ketiga konsentrasi agar yang berbeda tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan. 70
rapat arus (mikroAcm-2)
60
50
40
jembatan 1 jembatan 2
30
20
10
0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
% [agar]
Gambar 4.14 Rapat arus maksimum yang dapat dihasilkan sel dengan variasi konsentrasi agar pada nilai potensial 1,06 V Nilai rapat arus maksimum terhadap konsentrasi agar ditunjukkan pada Gambar 4. 14. Dari gambar dapat dilihat tidak terdapat tren yang sama yang dapat diamati dari kedua jembatan garam. Deduksi yang diambil adalah semakin besar konsentrasi agar maka semakin kecil mobilitas ion-ion dalam larutan. Bila mobilitas ion semakin sel, arus yang dapat dihasilkan sel semakin kecil. Jadi semakin besar konsentrasi agar semakin kecil rapat arus yang dihasilkan. Namun hal ini tidak terlihat dari kurva. Salah satu dugaannya adalah rentang konsentrasi variasi agar yang sempit (0,83%-2,5%) tidak memberikan perbedaan yang signifikan terhadap rapat arus yang dihasilkan sel.
42
