Bab 4 Hasil dan Pembahasan

Transkripsi

1 Bab 4 Hasil dan Pembahasan 4.1 Pemilihan Elektrolit Pada penelitian ini digunakan empat jenis elektrolit yang berbeda, yaitu KCl, KNO 3, NaCl dan KF. Pemilihan keempat elektrolit tersebut ini didasarkan pada mobilitas ioniknya Tabel 4.1 Mobilitas ionik dalam air pada suhu 298 K Ion Mobilitas ionik (1-8 m 2 s -1 V -1 ) K + 7,62 Na + 5,19 Cl- 7,91 NO 3 - F - 5,7 Keempat elektrolit dipilih atas kombinasi mobilitas ioniknya. KCl dan KNO 3 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. 7,4 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 KNO 3. 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

2 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 jembatan 1-KNO3.Z jembatan 1-NaCl.Z jembatan 1-KCl.Z -1 Z'' Z' Gambar 4.1 Kurva Nyquist sel dengan variasi elektrolit menggunakan jembatan garam 1-2 jembatan 2-KNO3.Z jembatan 2-NaCl.Z jembatan 2-KCl.Z Z'' Z' Gambar 4.2 Kurva Nyquist sel dengan variasi elektrolit menggunakan jembatan garam 2 33

3 Semi-lingkaran da lam 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 KNO 3 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 jembatan 1-2,5%.Z jembatan 1-,83%.Z jembatan 1-1,67%.Z -5 Z'' Z' Gambar 4.3 Kurva Nyquist sel dengan variasi konsentrasi agar menggunakan jembatan garam 1 34

4 -1 jembatan 2-2,5%.Z jembatan 2-,83%.Z jembatan 2-1,67%.Z Z'' 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,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. R lar merepresentasikan hambatan total ohmik dari larutan, elektrolit dalam jembatan garam dan elektroda. R tm adalah hambatan transfer muatan pada antarmuka elektroda. C lrl adalah kapasitansi lapis rangkap listrik yang terbentuk pada antar muka larutan dengan elektroda. R lar termasuk hambatan sepanjang jalur konduksi jembatan garam yang mengandung elektrolit. Pada sel yang diuji yang membedakannya hanyalah elektrolit dalam jembatan garam, oleh karena itu R lar berhubungan langsung dengan hambatan yang ditimbulkan elektrolit. Gambar 4.5 Sirkuit ekivalen untuk sel galvanik Cu/Zn yang diuji 35

5 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 Nilai komponen-komponen sirkuit ekivalen dari sel dengan variasi elektrolit Elektrolit KCl NaCl jembatan R lar C lrl R tm (Ω.cm 2 ) (F) (Ω.cm 2 ) 1 49,9 1,95x ,8 2 43,4 1,91x ,7 2,2x , ,7 1,99x KNO ,7 2,14x ,3 2 43,6 2,12x1-8 28,6 Tabel 4.3 Nilai komponen-komponen sirkuit ekivalen dari sel dengan variasi konsentrasi agar Konsentrasi agar jembatan R lar C lrl R tm (b/v) (Ω.cm 2 ) (F) (Ω.cm 2 ),83% 1,67% 2,5% 1 392,7 1,95x , ,8 1,97x ,6 1 49,9 1,95x ,8 2 43,4 1,91x1-8 21, 1 387,5 2,1x , ,9 1,94x1-8 2,6 Nilai hambatan total ohmik larutan (R lar ) dengan variasi elektrolit ditunjukkan pada gambar 4.6. Dapat dilihat, baik pada jembatan garam 1 maupun 2 terlihat bahwa KCl mempunyai nilai R lar yang paling rendah diikuti oleh KNO 3 dan NaCl. Nilai R lar 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. KNO 3 mempunyai perbandingan mobilitas ionik yang hampir sama dengan KCl, namun hasil analisis menunjukkan KNO 3 mempunyai nilai impedansi larutan yang lebih besar. Hal ini dikarenakan mobilitas ionik NO - 3 sedikit lebih kecil dibanding mobilitas ionik Cl -, sehingga mempengaruhi nilai impedansinya keseluruhan sel. Sel dengan elektrolit NaCl memiliki nilai R lar 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

6 5 48 hambatan (ohm.cm 2 ) 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 Rlar (ohm.cm 2 ) jembatan 1 jembatan % agar (b/v) Gambar 4.7 Nilai R lar sel galvanik Cu/Zn dengan variasi konsentrasi agar pada dua sampel jembatan garam Dapat dilihat pada Gambar 4.7 nilai R lar 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,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

7 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 1,6 volt. Arus yang diaplikasikan pada sel dimulai pada angka 1 µacm -2 secara bertahap dengan kenaikan logaritmik hingga mencapai arus maksimum 1 µacm -2, kemudian diturunkan kembali hingga mencapai nilai semula, 1 µacm -2. Respons yang diukur adalah potensial baterai pada setiap nilai arus yang diberikan potensial (V) log rapat arus (mikroacm -2 ) log rapat arus potensial NaCl potensial KCl potensial KNO 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 dan

8 1.1 potensial (V) log rapat arus (mikroacm -2 ) log rapat arus potensial NaCl potensial KCl potensial KNO w aktu (sekon) Gambar 4.9 Kurva potensial dan log rapat arus terhadap waktu pada sel dengan variasi elektrolit menggunakan jembatan garam potensial (V) log rapat arus (mikroacm -2 ) log rapat arus potensia NaCl potensial KCl potensial KNO w aktu (sekon) Gambar 4.1 Kurva potensial dan log rapat arus terhadap waktu pada sel dengan variasi elektrolit menggunakan jembatan garam 2 Dari gambar 4.9 dan 4.1 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

9 55 rapat arus maks (mikroa/cm 2 ) 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 1,6 V Nilai rapat arus maksimum yang dihasilkan baterai pada nilai potensial sel 1,6 volt ditunjukkan pada Gambar 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 KNO 3 dan NaCl. Data ini konsisten dengan nilai R lar sel. Sel dengan nilai R lar 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 (4.1) I 4

10 1.1 potensial (V) log rapat arus (mikroacm -2 ) log rapat arus potensial [agar],83% potensial [agar] 1,67% potensial [agar] 2,5% 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 potensial(v) log arus(mikroacm -2 ) log rapat arus potensial [agar],83% potensial [agar] 1,67% potensial [agar] 2,5% waktu (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

11 arus maksimum yang dihasilkan antara ketiga konsentrasi agar yang berbeda tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan. 7 6 rapat arus (mikroacm -2 ) jembatan 1 jembatan % [agar] Gambar 4.14 Rapat arus maksimum yang dapat dihasilkan sel dengan variasi konsentrasi agar pada nilai potensial 1,6 V Nilai rapat arus maksimum terhadap konsentrasi agar ditunjukkan pada Gambar 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 (,83%-2,5%) tidak memberikan perbedaan yang signifikan terhadap rapat arus yang dihasilkan sel. 42