REAKSI REDOKS BATERAI ASAM TIMBAL (LEAD - ACID BATTERY)

NAMA: MARINTAN SIMBOLON

NIM:1106223046

KELAS: TR-46-GAB

MATA KULIAH: BATERAI DAN SISTEM PENYIMPANAN ENERGI

Soal:

Gambar dan jelaskan reaksi redoks pada proses Disharge dan Charging pada Asam timbal, sebutkan jenis anion dan kation, tunjukan anode dan katode, serta arah pergerakannya, termasuk arah arus dan arah elektron.

REAKSI REDOKS BATERAI ASAM TIMBAL (LEAD - ACID BATTERY)

Baterai asam timbal (Lead-Acid Battery) adalah jenis baterai yang umum digunakan dalam kendaraan dan sistem penyimpanan energi. Baterai ini bekerja berdasarkan reaksi elektrokimia yang dapat dibalik, yaitu reaksi redoks yang terjadi selama proses discharge (pengosongan daya) dan charging (pengisian daya).

Baterai asam timbal terdiri dari:

• Anoda (Elektroda Negatif): Terbuat dari timbal (Pb)
• Katoda (Elektroda Positif): Terbuat dari timbal dioksida (PbO₂)
• Elektrolit: Larutan asam sulfat (H₂SO₄) yang mengandung ion-ion H⁺ dan SO₄²⁻

Saat baterai digunakan (discharge), reaksi kimia menghasilkan listrik dengan mengubah Pb dan PbO₂ menjadi timbal sulfat (PbSO₄). Saat baterai diisi ulang (charging), reaksi kimia dibalik untuk mengembalikan Pb dan PbO₂ ke bentuk awalnya, memungkinkan baterai digunakan kembali.

Reaksi Redoks pada Baterai Asam Timbal (Lead-Acid Battery)

Baterai asam timbal bekerja berdasarkan reaksi elektrokimia yang melibatkan reaksi redoks antara elektroda timbal (Pb) dan timbal dioksida (PbO₂) dalam larutan asam sulfat (H₂SO₄). Proses ini dapat dibagi menjadi dua tahap utama:

1. Proses Discharge (Pengosongan Daya)

Reaksi kimia pada saat pengosongan baterai asam-timbal

Saat baterai digunakan untuk menyalakan perangkat, terjadi reaksi spontan yang menghasilkan listrik.

1. Anoda (Elektroda Negatif) – Oksidasi:

          Timbal (Pb) mengalami oksidasi menjadi timbal sulfat (PbSO₄)

        Elektron yang dilepaskan bergerak melalui rangkaian eksternal ke katoda, menghasilkan arus         listrik. Reaksi yang terjadi pada pelat negatif adalah sebagai berikut:

• Elektroda yang digunakan berupa kisi-kisi yang dilapisi timbal berpori (Pb). Pada proses ini, timbal mengalami oksidasi dengan persamaan reaksi:

            Pb(s) → Pb²⁺(aq) + 2e⁻

• Ion Pb²⁺ yang terbentuk kemudian bereaksi dengan ion sulfat (SO₄²⁻) dari larutan asam sulfat, menghasilkan endapan timbal sulfat (PbSO₄(s)) yang menempel pada pelat negatif. Reaksi kimianya sebagai berikut:

            Pb²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → PbSO₄(s)

• Jika digabungkan, reaksi keseluruhan pada pelat negatif adalah:

            Pb(s) + SO₄²⁻(aq) → PbSO₄(s) + 2e⁻

         Elektron yang dihasilkan pada proses oksidasi ini akan mengalir dari pelat negatif menuju pelat              positif melalui kabel penghantar yang menghubungkan kedua terminal.

2. Katoda (Elektroda Positif) – Reduksi:

    Timbal dioksida (PbO₂) mengalami reduksi menjadi timbal sulfat (PbSO₄)

$${\text{<div class="separator" style="clear: both; text-align: center;"><a href="https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEhmWtmdOHEYzVnwY19UEY3RgcuRehX-m\_0KomiparwWO7IXxN9m8NQc5go6Nd8x09G6fRg1cTtLGkoCFGv7fYj3WfsOJqe6QMuGG1sfnYw0E3UDk2KVROj-hGKTd8ylI9-pgt-aDTLeKCr150iU4GAJVruhf4UN6g7YoV2rh7pYwgoRtJn829N5QvQ0Kwc/s844/Screenshot\%202025-03-01\%20210623.png" style="margin-left: 1em; margin-right: 1em;"><img border="0" data-original-height="63" data-original-width="844" height="40" src="https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEhmWtmdOHEYzVnwY19UEY3RgcuRehX-m\_0KomiparwWO7IXxN9m8NQc5go6Nd8x09G6fRg1cTtLGkoCFGv7fYj3WfsOJqe6QMuGG1sfnYw0E3UDk2KVROj-hGKTd8ylI9-pgt-aDTLeKCr150iU4GAJVruhf4UN6g7YoV2rh7pYwgoRtJn829N5QvQ0Kwc/w533-h40/Screenshot\%202025-03-01\%20210623.png" width="533"></a></div>}}_{}$$

    Ion H⁺ dari elektrolit membantu proses reduksi ini. Reaksi yang terjadi pada elektroda positif berlangsung sebagai berikut:

• Elektroda positif terdiri dari kisi-kisi plat yang dilapisi timbal peroksida (PbO₂). Timbal peroksida mengalami reduksi oleh ion hidrogen (H⁺) dari larutan asam sulfat dengan persamaan reaksi:

          PbO₂(s) + 4H⁺(aq) + 2e⁻ → Pb²⁺(aq) + 2H₂O(l)

• Ion Pb²⁺ yang terbentuk kemudian bereaksi dengan ion sulfat (SO₄²⁻) dalam asam sulfat, menghasilkan timbal sulfat (PbSO₄) sebagai endapan:

          Pb²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → PbSO₄(s)

• Secara keseluruhan, reaksi pada plat positif dapat dituliskan sebagai:

          PbO₂(s) + 4H⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) + 2e⁻ → PbSO₄(s) + 2H₂O(l)

        Endapan PbSO₄ akan menempel pada permukaan plat timbal peroksida selama reaksi berlangsung.

Reaksi Total:

  Pb(s)+PbO2(s)+4H+(aq)+2SO42−(aq)→2PbSO4(s)+2H2O(l) 

Arah Pergerakan pada Proses Discharging Baterai Asam Timbal

1. Elektron: Mengalir dari anoda ke katoda melalui rangkaian eksternal.
2. Arus Listrik: Mengalir dari katoda ke anoda (kebalikan dari arah elektron).
3. Anion (SO₄²⁻): Bergerak menuju kedua elektroda untuk membentuk PbSO₄.
4. Kation (H⁺): Bergerak menuju katoda untuk membantu reaksi reduksi.

	Proses Reaksi		Hasil Reaksi
Reaksi Oksidasi	Pb(s) + SO42-(aq)	→	PbSO4(s) + 2e-
Reaksi Reduksi	PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42-(aq) + 2e-	→	PbSO4(s) + 2H2O(l)
Reaksi Total	Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(aq) + 2SO42-(aq)	→	2PbSO4(s) + 2H2O(l)

Dari reaksi yang terjadi, setiap sel baterai asam-timbal mampu menghasilkan tegangan sekitar 2 Volt.

Selama proses pelepasan energi listrik (discharging), di dalam sel baterai asam-timbal terjadi beberapa perubahan, yaitu:

• Timbal sulfat (PbSO₄) akan terbentuk sebagai endapan dan menempel pada permukaan plat timbal serta plat timbal peroksida.
• Ion hidrogen (H⁺) dari larutan elektrolit H₂SO₄(aq) digunakan untuk membentuk air pada elektroda positif (plat timbal peroksida).
• Konsentrasi ion hidrogen (H⁺) dalam larutan elektrolit akan berkurang seiring waktu, yang menyebabkan penurunan konsentrasi H₂SO₄(aq).
• pH larutan elektrolit akan meningkat seiring dengan menurunnya konsentrasi asam sulfat.

Energi bersih yang dihasilkan dari setiap mol timbal (Pb) seberat 207 g yang berubah menjadi timbal sulfat (PbSO₄) adalah sekitar 400 kJ, dengan pembentukan 36 g air. Jumlah massa molekul total reaktan adalah 642,6 g/mol, sehingga secara teoritis sel mampu menghasilkan dua Faraday (192.971 coulomb) dari 642,6 g reaktan.

Daya spesifik teoritis yang dapat dihasilkan adalah 83,4 ampere-jam per kilogram reaktan, atau sekitar 13,9 ampere-jam per kilogram untuk baterai dengan tegangan 12 volt. Namun, pada kondisi nyata, baterai asam-timbal hanya mampu menghasilkan daya sebesar 30-40 watt-jam per kilogram karena adanya massa air dan komponen tambahan lainnya.

2. Proses Charging (Pengisian Baterai)

Reaksi kimia pada saat pengisian baterai asam-timbal

Saat baterai diisi ulang dengan sumber daya eksternal, reaksi dibalik sehingga baterai kembali ke kondisi awalnya.

1. Anoda (Positif) – Reduksi:
    Timbal sulfat (PbSO₄) direduksi kembali menjadi timbal (Pb)

    Elektron dari sumber daya eksternal digunakan untuk mengembalikan PbSO₄ menjadi Pb.

2. Katoda (Negatif) – Oksidasi:
Timbal sulfat (PbSO₄) mengalami oksidasi menjadi timbal dioksida (PbO₂)

$${\text{PbSO}}_4+2H_{2}O\to {\text{PbO}}_2+4H^{+}+{\text{SO}}_4^{2-}+2e^{-}$$

Ion SO₄²⁻ kembali ke larutan elektrolit, meningkatkan konsentrasi H₂SO₄.

Reaksi Total

$2PbS{O}_4(s)+2H_{2}O(l)\to Pb(s)+Pb{O}_2(s)+4H^{+}(aq)+2S{O}_4^{2-}(aq)$ 

Arah Pergerakan pada Proses Charging Baterai Asam Timbal

1. Elektron
   Elektron bergerak dari katoda (PbO₂) menuju anoda (Pb) melalui sirkuit luar, karena adanya energi listrik dari sumber eksternal.

2. Arus Listrik
   Arus listrik (arus konvensional) bergerak berlawanan arah dengan elektron, yaitu dari anoda (Pb) menuju katoda (PbO₂) melalui sirkuit luar.

3. Anion (SO₄²⁻)
   Ion sulfat (SO₄²⁻) bergerak di dalam larutan elektrolit dari katoda (PbO₂) menuju anoda (Pb) untuk membantu proses pembentukan timbal dan regenerasi asam sulfat.

4. Kation (H⁺)
   Ion hidrogen (H⁺) bergerak dari anoda (Pb) menuju katoda (PbO₂) untuk membantu proses pembentukan air dan regenerasi asam sulfat pada katoda.

Arah pergerakan ini terjadi saat baterai diisi ulang untuk mengembalikan bahan aktif ke bentuk semula dan menghasilkan larutan asam sulfat baru.

	Proses Reaksi		Hasil Reaksi
Reaksi Reduksi	PbSO4(s) + 2e-	→	Pb(s) + SO42-(aq)
Reaksi Oksidasi	PbSO4(s) + 2H2O(l)	→	PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42-(aq) + 2e-
Reaksi Total	2PbSO4(s) + 2H2O(l)	→	Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(aq) + 2SO42-(aq)

Setiap sel baterai asam timbal akan menyerap tegangan sekitar 2 Volt selama proses pengisian ulang (charging).

Ketika baterai diisi ulang, terjadi beberapa perubahan dalam sel, antara lain:

• PbSO₄(s) yang menempel pada permukaan setiap elektroda akan larut kembali ke dalam larutan elektrolit.
• Konsentrasi ion hidrogen (H⁺) dalam larutan elektrolit H₂SO₄(aq) akan meningkat.
• pH larutan elektrolit akan menurun seiring dengan meningkatnya konsentrasi asam sulfat.

Jika proses pengisian daya berlangsung berlebihan, air dalam larutan elektrolit akan mengalami elektrolisis, menghasilkan gas hidrogen (H₂) di katoda dan gas oksigen (O₂) di anoda. Gelembung gas yang terbentuk dapat menurunkan permukaan elektroda, sehingga jumlah timbal sulfat (PbSO₄) yang menempel pada elektroda berkurang dan tidak sepenuhnya menutupi permukaan elektroda. Akibatnya, kapasitas sel baterai akan berkurang dari waktu ke waktu.