Definisi Elektrokimia
Sumber daya elektrokimia atau baterai dipelajari di bawah subjek interdisipliner Elektrokimia berurusan dengan reaksi yang terjadi pada antarmuka konduktor elektronik (bahan aktif) dan konduktor ionik (elektrolit), produksi energi listrik dari sel kimia (atau konversi energi kimia menjadi energi listrik) dan reaksi kebalikannya di mana sel-sel elektrolit digunakan untuk transformasi kimia.
Sumber Daya Elektrokimia (Baterai)
Proses konversi energi dalam baterai didasarkan pada reaksi oksidasi-reduksi (reaksi redoks). Sel diklasifikasikan menjadi sel elektrolisis dan sel galvani. Contoh sel elektrolitik adalah sel yang digunakan untuk mengekstraksi logam seperti aluminium, magnesium, dll., dan baterai saat diisi daya. Sel atau baterai galvanik mampu memberikan arus kepada kita sebagai lawan dari sel elektrolitik, di mana kita harus melewatkan arus agar reaksi terjadi.
Oksidasi berarti pelepasan elektron/elektron (dari anoda selama reaksi pelepasan) dan reduksi adalah proses penambahan elektron ini ke elektroda lain (katoda) melalui sirkuit eksternal, elektrolit konduktor ionik menjadi media transfer ion di dalam sel. Selama pelepasan sel, elektron berpindah dari anoda (pelat negatif) ke katoda (pelat positif) melalui sirkuit eksternal dan ion mengalir di dalam sel untuk mengubah energi kimia menjadi energi listrik.
Contoh umum untuk anoda adalah:
Li → Li ++ e –
Pb → Pb 2+ + 2e –
Zn → Zn 2+ + 2e –
Contoh katoda adalah:
PbO 2 Pb 2+ +2e – (Baterai timbal-asam)
LiFePO 4 (baterai Li-besi sulfat)
NiOOH + 2e – Ni(OH) 2 (baterai Ni-kadmium)
Cl 2 + 2e 2Cl – (Baterai seng-klorin)
Br 2 + 2e 2Br – (Baterai Seng-Bromin)
Sel primer dan sekunder - elektrokimia
Sel adalah unit independen dari sistem galvanik. Ketika lebih dari satu sel dihubungkan secara seri atau paralel, pengaturan ini disebut baterai. Komponen penting dari sebuah sel adalah elektroda atau pelat positif (katoda), elektroda atau pelat negatif (anoda), elektrolit dan komponen tidak aktif lainnya seperti wadah, pemisah, bagian-bagian kecil seperti bus bar, tiang pilar, tiang terminal, dll.
Sel galvanik diklasifikasikan menjadi sel primer dan sekunder (atau dapat diisi ulang atau disimpan). Pada sel primer, reaksi tidak dapat dibalik setelah pelepasan berakhir karena kehabisan bahan aktif, sedangkan pada sel sekunder bahan aktif dapat dikembalikan ke status sebelumnya dengan melewatkan arus ke dalam sel di sel. arah berlawanan.
Contoh umum dari sel primer adalah sel yang digunakan dalam jam tangan, obor listrik, dan banyak kontrol seperti remote TV dan remote AC. Baterai timbal-asam di mana-mana yang digunakan untuk menyalakan mobil dan inverter rumah/UPS dan sel Ni-Cd, Ni-MH dan Li-ion adalah contoh untuk baterai sekunder. Sel bahan bakar berbeda dari baterai (primer) dalam arti bahwa konstituen reaktif diumpankan dari luar, dibandingkan dengan ketersediaan yang sama di dalam baterai.
Potensial elektroda (setengah sel) dan tegangan sel dan Entitas sel galvanik yang tidak bergantung massa:
Potensi (tegangan) elektroda adalah sifat elektrokimia yang mendasar dan nilainya tidak tergantung pada jumlah bahan elektroda. Secara termodinamika ini adalah sifat intensif dibandingkan dengan kapasitas (yang merupakan sifat ekstensif) elektroda yang bergantung pada massa bahan aktif yang dikandungnya.
Tegangan sel adalah kombinasi dari dua potensial elektroda atau nilai tegangan anoda (elektroda atau pelat negatif) dan katoda (elektroda atau pelat positif). Nilai potensial elektroda negatif selalu negatif (terletak di bawah nol volt dalam seri EMF, Lihat buku teks atau buku pegangan standar). Nol volt mengacu pada potensial elektroda standar dari elektroda hidrogen (SHE).
Bahan elektroda negatif selalu logam atau paduan, dengan beberapa pengecualian seperti karbon dan hidrogen, yang merupakan bahan aktif negatif dalam sel Ni-MH dan Ni-H2. Katoda memiliki potensial positif dan sebagian besar adalah oksida, halida, sulfida, dll., dengan pengecualian oksigen yang bertindak sebagai bahan aktif katoda dalam sel logam-udara. Harus ada elektrolit untuk menghantarkan ion di dalam sel.
Tegangan adalah kekuatan pendorong untuk arus. Ini adalah kombinasi (perbedaan aljabar) dari dua nilai potensial positif dan negatif. Tegangan dapat disamakan dengan ketinggian tangki air atau ketinggian air dalam tangki dan arus dengan diameter pipa yang keluar dari tangki. Semakin tinggi level air di tangki, semakin cepat air keluar. Demikian pula, semakin tinggi diameter pipa, semakin banyak volume air yang keluar.
Bagaimana cara menentukan tegangan sel?
Tegangan sel dapat ditentukan dari dua nilai potensial elektroda atau dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Gibbs dan energi bebas pembentukan standar Gibbs (Δ f G ). Energi bebas pembentukan standar Gibbs suatu senyawa adalah perubahan energi bebas Gibbs yang menyertai pembentukan 1 mol zat dalam keadaan standar dari unsur-unsur penyusunnya dalam keadaan standar (bentuk paling stabil dari unsur pada tekanan 1 bar dan suhu tertentu, biasanya 298,15 K atau 25 °C).
Energi bebas Gibbs (G)
Dalam termodinamika, energi bebas Gibbs adalah ukuran kerja yang dapat diekstraksi dari suatu sistem dan dalam kasus baterai, kerja dilakukan dengan membebaskan ion pada satu elektroda (anoda) diikuti dengan pergerakan ke elektroda lainnya (katoda). Perubahan energi terutama sama dengan pekerjaan yang dilakukan, dan dalam kasus sel galvanik, pekerjaan listrik dilakukan melalui gerakan ion karena interaksi kimia antara reaktan untuk menghasilkan produk. Oleh karena itu, energi diberikan dalam G , perubahan energi bebas Gibb , yang mewakili jumlah maksimum energi kimia yang dapat diperoleh selama proses konversi energi.
Setiap kali reaksi terjadi, ada perubahan energi bebas sistem:
G = – nFE °
di mana F = konstanta yang dikenal sebagai Faraday (96.485 C atau 26,8 Ah)
n = jumlah elektron yang terlibat dalam reaksi stoikiometri
E ° = potensial standar, V.
Nilai G dapat dihitung dari tiga nilai lainnya, n, F dan E.
Tegangan sel dari sel galvanik dapat dihitung dari ekspresi
G° = G° f produk – G° f reaktan
Energi bebas molar standar pembentukan dapat diperoleh dari buku teks standar [Hans Bode, Lead-Acid Batteries, John Wiley, New York, 1977, p.366].
PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O
G° = G° f produk – G° f reaktan
Gº = [2 ( 193 . 89) + 2 ( 56 . 69) ] [ ( 52 . 34) + 0 – 2( 177 . 34)]
= 94 . 14 kkal / mol
= 94 . 14 kkal / mol × 4 . 184 kJ / mol
= 393 . 88 kJ / mol
Eº = Gº / nF
= ( 393 . 88 × 1000) / 2 × 96485
= 2 . 04 V
Peningkatan energi bebas yang sesuai sama dengan kerja listrik yang dilakukan pada sistem. Karena itu,
G = nFE atau G = nFE dan Gº = nFEº.
Tegangan sel dari potensial elektroda
Kombinasi dari dua potensial elektroda akan memberikan tegangan sel:
Sel E = E katoda atau elektroda positif – E anoda atau elektroda negatif
Atau sel E = E PP – E NP
Menurut konvensi International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) tahun 1953 dan 1968, sel galvanik ditulis sedemikian rupa sehingga elektroda tangan kanan (RHE) adalah elektroda positif dimana pengurangan terjadi dan elektroda tangan kiri adalah elektroda negatif, di mana oksidasi terjadi dan elektron mengalir dari kiri ke kanan [ McNicol BD; Rand, DAJ di McNicol BD; Rand, DAJ (ed.) Sumber Daya untuk Kendaraan Listrik, Bab 4, Elsevier, Amsterdam, 1984 ] . RHE adalah katoda dan LHE adalah anoda
E sel = E RHE E LHE
Nilai potensial elektroda dapat diperoleh dari Buku Teks dan Buku Pegangan.
Tegangan sel dari potensial elektroda untuk sel timbal-asam
Sel E = E katoda atau elektroda positif – E anoda atau elektroda negatif
LHE Pb½H 2 SO 4 H 2 SO4½PbO 2 RHE
RHE adalah katoda E ° Rev = 1,69 V untuk Pb 4 + + 2e Pb 2+ dan
LHE anoda E ° Rev = 0,358 V untuk Pb 2e _ Pb 2+
Sel E = 1,69 – (-0,358) = 2,048 V.
Tegangan sel dari potensial elektroda untuk Sel Ni-Cd
RHE Cd|KOH|KOH|NiOOH LHE
LHE E ° Rev = 0,49 untuk NiOOH +2e Ni(OH)
RHE E ° Rev = – 0,828 V untuk Cd Cd 2+ +2e
Sel E =0 . 49 V ( 0 . 828 ) = 1 . 318 V
E ° Rev elektroda nikel dalam kondisi standar adalah 0,49 V. E ° Rev dari elektroda MH tergantung pada tekanan parsial bahan pembentuk hidrida, menurut
2MH 2M + H2
Tekanan hidrogen parsial yang disukai dari elektroda MH adalah orde 0,01 bar, E ° Rev umumnya berkisar antara -0,930 dan -0,860 V. Jadi
Sel E =0 . 49 V ( 0 . 89 ) = 1 . 3 V
Tegangan sel dari potensial elektroda untuk sel Li-ion Kimia LCO
RHE C | LiPF 6 di DMC +DEC +PC | LiCoO2 LHE
RHE E ° Rev = 0,1 V (vs logam Li) untuk LiC 6 xLi + + xe + C 6
LHE E ° Rev = 3,8 V (vs logam Li) untuk Li 1-x CoO 2 + xe Discharge → LiCoO 2
Reaksi totalnya adalah C 6 +LiCoO 2 Li x C 6 + Li 1-x CoO 2
Sel E = 3,8 – (0,1) = 3,7 V.
Tegangan sel dari potensial elektroda untuk sel Li-ion kimia LiFePO4
RHE C | LiPF 6 atau LiODFB dalam (EC+EMC+DEC) | LiFePO4 LHE
RHE E ° Rev = 0,1 V (vs logam Li) untuk LiC 6 xLi + + xe + C 6
LHE E ° Rev = 3,5 V (vs logam Li) untuk FePO 4 + xe + xLi + = Debit → xLiFePO 4 + (1-x) FePO 4
LIODFB = Litium difluoro(oksalat)borat
Reaksi total LiFePO 4 + 6C →LiC 6 + FePO 4
Sel E = 3,3 – (0,1) = 3,2 V
Jumlah sel galvanik yang bergantung pada massa: Arus, daya, dan energi
Daya diberikan dalam satuan watt dan faktor waktu tidak terlibat dalam daya.
P = W = V*A
Energi mengacu pada daya yang dihabiskan selama periode waktu dan unit melibatkan jam.
Energi 1 W.Sekon = 1 Joule
Energi = Wh = W*h = V*A*h = 3600 joule.
1 kWh = 1000 Wh.
Kapasitas adalah jumlah listrik (Ah) yang dapat disalurkan oleh baterai.
Jika ada dua suku dalam Wh atau kWh yang diberikan, suku lainnya dapat dihitung (Wh = VAh).
850 Wh dari baterai 12 V dapat menghasilkan 850 Wh/12 V = 71 Ah. Durasi di mana 71 Ah ini dapat ditarik tidak hanya bergantung pada arus, tetapi juga pada jenis kimianya. Misalnya, baterai Li-ion, dapat menghasilkan 70 A selama 1 jam. Tetapi baterai timbal-asam, di sisi lain, dapat bertahan hingga 1 jam jika arus pelepasan adalah 35 A. Tetapi, baterai VRLA dapat menghasilkan 70A hanya untuk waktu kurang dari 40 menit.
Watt yang diberikan oleh sel Li-ion pada 70 A = 70 A*3.6 V= 252 W.
Tetapi watt yang diberikan oleh sel timbal-asam pada 70 A = 70 A* 1,9 V= 133 W.
Orang dapat melihat bahwa sel Li-ion dapat menghasilkan watt yang lebih besar pada basis per sel untuk arus yang sama.
Demikian pula energi yang diberikan oleh sel Li-ion pada 70 A = 70 A*3.6 V *1h= 252 Wh.
Tetapi energi yang diberikan oleh sel timbal-asam VR pada 70 A = 70 A* 1,9 V * 0,66 h= 88 Wh.
Kita dapat melihat bahwa sel Li-ion dapat memberikan lebih banyak energi pada basis per sel untuk arus yang sama
Kapasitas spesifik adalah Ah per satuan berat (Ah/kg atau mAh/g).
Energi spesifik adalah Wh per satuan berat (Wh/kg).
Densitas energi adalah Wh per satuan volume (Wh/liter).
Catatan:
Istilah kerapatan energi gravimetri telah diganti dengan energi spesifik dan kerapatan energi volumetrik dengan kerapatan energi
Elektrokimia - Kapasitas Spesifik Teoretis dan Energi Spesifik Teoretis bahan aktif elektroda
Satuan listrik adalah coulomb, yaitu 1 ampere sekon (As). Konstanta Faraday (F) mengacu pada jumlah muatan yang dibawa oleh 1 mol elektron. Karena 1 elektron memiliki muatan 1,602 x 10 – 19 coulomb (C), satu mol elektron harus memiliki muatan 96485 C/mol.
1 F = 1(6.02214 *10 23 ) * (1.60218*10 -19 C) = 96485 C (yaitu 96485 C/mol).
6.02214 *10 23 adalah bilangan Avogadro (Konstanta Avogadro), yang didefinisikan sebagai jumlah atom, mol, atau ion dalam satu mol zat tersebut. Ini berguna dalam menghubungkan massa suatu zat dengan jumlah partikel dalam zat tersebut. Jadi, 0,2 mol zat apa pun akan mengandung 0,2 *jumlah partikel Avogadro. Muatan elektron berdasarkan eksperimen modern adalah 1,60217653 x 10 -19 coulomb per elektron. Jika Anda membagi muatan pada satu mol elektron dengan muatan pada satu elektron, Anda memperoleh nilai bilangan Avogadro 6,02214154 x 10 23 partikel per mol [ https://www.scientificamerican.com/article/how-was-avogadros -nomor/ ].
1 F 96485 C/mol = 96485 As/60*60 s = 26,8014 Ah/mol
Kapasitas spesifik dan energi spesifik untuk sel timbal-asam
Berat molekul atau berat atom dalam gram dibagi dengan jumlah elektron yang berpartisipasi dalam reaksi memberikan gram ekivalen dari masing-masing bahan. Satu gram setara akan menghasilkan 96.485 coulomb (sebagian besar penulis membulatkannya menjadi 96.500 C) yang sama dengan 26,8014 Ah.
207,2 g logam timbal dapat disamakan dengan listrik 2F = 2 × 26 . 8014 Ah = 53,603 Ah. (Reaksi: Pb →Pb 2+ + 2e – ).
Oleh karena itu jumlah bahan aktif negatif (NAM) dalam sel timbal-asam yang dibutuhkan untuk 1 Ah (yang dikenal sebagai kapasitas-densitas ) = 207,2 / 53 . 603 = 3,866 g /Ah [ Bode, Hans, Baterai Asam Timbal, John Wiley, New York, 1977, hlm.292 .].
Kebalikan dari densitas kapasitas disebut kapasitas spesifik
Kapasitas spesifik = nF / Berat molekul atau berat atom. (n= Jumlah elektron yang berpartisipasi dalam reaksi).
Kapasitas spesifik bahan aktif negatif
Kapasitas spesifik bahan aktif negatif (NAM), Pb = 56,3/207,2 = 0,259 mAh /g = 259 Ah/kg. Nilai ini dikalikan dengan potensial kesetimbangan sel adalah Energi Spesifik Teoritis . Teoretis Energi spesifik NAM timbal = 259*2,04 V = 528,36 Wh/kg
Kapasitas spesifik bahan aktif positif (PAM)
Demikian pula, jumlah bahan aktif positif dalam sel timbal-asam yang dibutuhkan untuk 1 Ah (yang dikenal sebagai densitas kapasitas ) = 239,2 / 53 . 603 = 4,46 g /Ah.
Kapasitas spesifik bahan aktif positif (PAM), PbO 2 = 56,3/239 = 0,224 mAh /g = 224 Ah/kg. Teoretis Energi spesifik PAM timbal dioksida = 224*2,04 V = 456,96 Wh/kg.
Sel Lithium Ion
Kapasitas spesifik dan energi spesifik untuk anoda karbon sel Li-ion
Kapasitas spesifik LiC 6 = xF/n* Berat Molekul
= 1 * 26,8/ 1*72 mAh/g (Secara stoikiometri 72 g C diperlukan untuk 1
mol penyimpanan Li untuk membentuk LiC 6. Karena Li tersedia dari katoda LCO, massanya tidak diperhitungkan sebagai massa anoda total. Hanya karbon yang dipertimbangkan. X = 1; 100% interkalasi Li + )
= 0,372 Ah/g
= 372 mAh/g = 372 Ah/kg
Energi spesifik LiC 6 = 372*3,7 V
= 1376 Wh/kg
Kapasitas spesifik dan energi spesifik untuk LiCoO2 (LCO)
Kapasitas spesifik LiCoO 2
= 0,5 Li + + 0,5 e + Li 0,5 CoO 2 (x= 0,5, 50% interkalasi Li + )
= xF/n*Mol Wt
=0,5*26,8/ 1 * 98 Li= 6,94 Co = 58,93 2 O= 32
= 13,4 / 98 Ah/g = 0,1368 Ah/kg
= 137 mAh/g = 137 Ah/kg.
Energi spesifik LiCoO 2 = 137*3,7 V = 507 Wh/kg (x= 0,5, 50% interkalasi Li + )
Jika nilai x diambil sebagai 1 , kapasitas spesifik akan menjadi dua kali lipat, 137*2= 274 mAh/g = 274 Ah/kg
Energi spesifik LiCoO 2 = 274 *3,7 V (x=1. Penuh (100%) interkalasi Li + )
= 1013 Wh/kg
Kapasitas spesifik dan energi spesifik untuk LiFePO4
Kapasitas spesifik LiFePO 4
= xF/n*Mol Wt
= 26,8/157,75 = 169,9 mAh/g = 170 mAh/g = 170 Ah/kg
Energi spesifik LiFePO 4 = 170*3,2 V = 544 Wh/kg
Elektrokimia - Energi Spesifik Teoretis sel
Energi spesifik maksimum yang dapat diturunkan dari sumber daya elektrokimia diberikan oleh:
Energi Spesifik Teoretis = 26 . 8015 × ( nE/ moles ) Wh/kg di mana n dan E memiliki notasi biasa; n , jumlah elektron yang berpartisipasi dalam reaksi dan E , tegangan sel.
Catatan
- S mol mengacu pada penjumlahan semua reaktan dan orang tidak perlu khawatir tentang produk
- Karena satuannya diberikan dalam Wh / kg (juga ditulis sebagai Wh kg -1 ), berat total diberikan dalam satuan kg.
Sel timbal-asam energi spesifik
Sebuah contoh akrab akan diambil untuk perhitungan energi spesifik teoritis.
Pertama kita harus menuliskan reaksi dan menghitung nilai molar reaktan. Kita tidak perlu khawatir tentang produk. Untuk baterai timbal-asam, reaksinya adalah:
PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O Eº = 2,04 V.
mol = 239 +207+ 2*98 dalam g
= 0,642 kg
Energi Spesifik Teoretis = 26 . 8 × ( nE/ mol) Wh/kg
= 26,8*(2*2,04/0,642) Wh/kg
= 26.8015*(6.3551) Wh/kg
= 170,3 Wh/kg.
Menurut Tobias Placke [ J Solid State Electrochem (2017) 21:1939 – 1964 ], energi spesifik juga dapat dihitung seperti yang diberikan di bawah ini untuk sel timbal-asam:
Energi spesifik sel =
=1[1/(224*2.04) + 1/(259*2.04) + 1/(273*2.04)]
= 1[(1/457) + (1/528) + (1/557)]
= 1/(0,002188 + 0,001893 + 0,001796)
= 1/0,005877
= 170 Wh/kg
Energi spesifik sel Ni-Cd
2NiOOH + Cd 2Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 Eº = 1,33 V
Energi Spesifik Teoretis = 26 . 8 × ( nE/ mol) Wh/kg
= 26,8*(2*1,33/0,296) Wh/kg
= 26,8015*(8,9865) Wh/kg
= 240,8 Wh/kg
Elektrolit KOH berair dalam sel basa ini tidak berpartisipasi dalam reaksi sel dan
karenanya tidak dipertimbangkan saat menghitung nilai energi spesifik. Tapi, beberapa penulis
ingin memasukkan berat air dalam perhitungan.
Kemudian angka untuk energi spesifik akan turun menjadi 214,8 Wh/kg jika mol diganti dengan
0.332. Hasilnya adalah 214 . 8 Wh/kg .
Energi spesifik sel LiFePO4
(x=1. 100% interkalasi)
= 26 . 8015 × ( nE/ mol) Wh/kg
= 26,8 [(1*3.2)/(72+157.75) LiFePO4 + 6C + nol Li
= 26.8[(1*3.2)/(229.75)] = 26,8*0.013928
= 0,37329 Wh/g
= 373 Wh/kg
Energi spesifik sel LCO
(x=1; 100% interkalasi)
= 26 . 8015 × Wh/kg 169,87
= 26,8 [(1*3.7)/(72+97.87)] LiCoO 2 + 6C + nol Li
= 26,8 *[(3,7)/(169,87)]
= 26,8 *0,02178
= 0,58377 Wh/g
= 584 Wh/kg
Jika x = 0,5 (interkalasi 50% ion Li), kita harus mengganti 26,8 dengan setengah dari nilai ini, yaitu 13,4. Hasilnya adalah 584/2 = 292 Wh/kg .
Praktis (Aktual) Energi Spesifik sel/baterai
https://pushevs.com/2015/11/04/gs-yuasa-improved-cells-lev50-vs-lev50n/
Waktu nyata Energi spesifik baterai = (Tegangan rata-rata * Ah) / (Massa baterai)
= (3,7 V*50 Ah 1 ) / 1,7 kg (Yuasa LEV50 sel tunggal)
= 185 /1,7
= 108,8 Wh/kg
= (14,8*50)/ 7,5 (Baterai Yuasa LEV50-4)
= 98,7 Wh/kg
Kerapatan energi waktu nyata baterai = Wh/Volume = 17,1*4,4*11.5 = 865 cc
= 185/0.865 = 214 Wh / liter
= Wh/Volume = 17,5*19,4*11,6 = 3938 cc = 3,94 liter
= 14,8*50 / 3,94 = 187 Wh / liter
Ada sekitar 10% pengurangan energi spesifik ketika konversi terjadi dari sel ke baterai (kWh Rendah) dan sekitar 13% pengurangan kepadatan energi ketika konversi terjadi dari sel ke baterai (KWh Rendah)
