NiCd Battery

Baterai Nikel-Cadmium (NiCd Battery)

Mohamad Teguh Gumela

            Baterai merupakan salah satu media penyimpanan energi listrik yang telah digunakan secara luas. Menurut cara pemakaiannya, baterai terbagi menjadi dua yakni disposable (satu kali pakai) dan rechargeable (dapat digunakan berulang kali). Accumulator/Accu merupakan salah satu contoh dari sumber daya rechargeable, dan salah satu contoh rechargeable battery adalah Baterai NiCd atau NiCad Battery. Baterai NiCd menerapkan prinsip elektrokimia, di mana keberadaan zat elektrolit (zat yang mampu menghantarkan listrik, umumnya zat ionik) dan dua elektroda, yang salah satunya berperan sebagai kutub negatif sementara elektroda lain berperan sebagai kutub positif, menyebabkan terjadinya siklus ionik yang menghasilkan arus listrik. Baterai tersebut diberi nama NiCd karena menggunakan elektroda Nikel dalam bentuk Nikel hidrat (NiOOH) dan Cadmium (Cd).

            Nikel sendiri merupakan logam berwarna putih-abu, dapat ditempa, elastis, serta memiliki tingkat kekuatan dan resistansi terhadap korosi yang tinggi. Resistansi tersebut sekaligus mengimplikasikan bahwa Nikel memiliki kecenderungan yang relatif rendah untuk mengalami reduksi. Nikel juga merupakan penghantar panas dan listrik yang cukup baik, serta memiliki sifat kemagnetan pada suhu di bawah 345^oC. Pada bentuk logam, Nikel tidak reaktif, tidak larut dalam air panas maupun air dingin, ammonia, tidak terpengaruh oleh asam nitrit yang terkonsentrasi, dan basa yang terkonsentrasi. Walau demikian, Nikel larut dalam asam nitrit encer, sedikit larut dalam asam klorida encer, serta asam sulfat encer.

            Sementara itu, logam Cadmium memilki warna putih-abu, dapat ditempa, elastis, dan permukaannya memiliki rona kebiruan. Cadmium cukup lunak untuk dipotong dengan menggunakan pisau, dapat larut dalam zat asam, tapi tidak dalam zat basa. Cadmium memiliki banyak kesamaan dengan seng, tapi membentuk lebih banyak senyawa kompleks.

            Cadmium memiliki energi potensial reduksi standar (E^o_red) sebesar -0.40 V, sedangkan E^o_red Nikel  sebesar -0.25 V (Daftar E^o_red beberapa zat terlampir). Oleh karena E^o_red Nikel lebih besar (lebih mendekati positif, yang berarti kecenderungan mengalami reduksi lebih besar), maka dalam sistem baterai NiCd, yang menggunakan Nikel dan Cadmium sebagai elektroda, elektroda Nikel akan mengalami reduksi (di sebut sebagai katoda), sedangkan elektroda Cadmium mengalami oksidasi (disebut sebagai anoda), selama reaksi spontan yang menghasilkan listrik (discharge). Selanjutnya, elektroda Nikel akan disebut sebagai elektroda positif, sementara elektroda Cadmium disebut sebagai elektroda negatif. Reaksi kimia yang berlangsung di dalam baterai NiCd melibatkan air dan zat elektrolit KOH, serta bersifat dapat balik (reversible). Oleh karena itu, baterai dapat ‘diisi ulang’ atau rechargeable, dengan membalik reaksi yang semula mengubah energi kimia menjadi energi listrik, kepada reaksi balikan yakni, mengubah energi listrik menjadi energi kimia. Pada reaksi balikan, elektroda yang semula mengalami reduksi akan mengalami oksidasi, begitupun sebaliknya untuk elektroda yang semua mengalami oksidasi akan mengalami reduksi. Sehingga, katoda dan anoda berubah pada reaksi kebalikan. Oleh karena itu, penggunaan istilah elektroda positif dan negatif akan memudahkan pemahaman konsep, dari pada menggunakan istilah katoda dan anoda pada mekanisme kerja baterai NiCd.

z  Sebelum beranjak lebih lanjut pada mekanisme reaksi kimia dalam baterai NiCd, perlu dipahami terlebih dahulu struktur dan komponen pada baterai NiCd. Berikut ini adalah penampang membujur baterai NiCd.

 

 Gambar 1. Penampang Membujur Baterai NiCd (sumber : Nickel Cadmium Batteries: A Medium for the Study of Metal Whiskers and Dendrites, 2006)

            Seperti yang terlihat pada Gambar 1, Komponen penyusun baterai NiCd adalah elektroda positif (Nikel hidrat (NiOOH)), elektroda negatif (Cadmium), separator (berserat-serat/fibrous), case (sebagai pelindung baterai), sealing plate (menjaga sistem dari interferensi zat lain seperti CO₂, yang dapat bereaksi dengan 2KOH membentuk K₂CO_3, dan menyebabkan terbentuknya CdCO₃, yang keduanya dapat mengganggu siklus dalam baterai), insulation ring, dan insulation gasket.

            Masih sesuai dengan ilustrasi pada Gambar 1, kedua elektroda dalam baterai NiCd dipisahkan oleh separator yang berserat dan memungkinkan gas untuk melaluinya. Menurut pengamatan Anna Cyganowski pada baterai Sanyo Cadnica KR-1300 SC (1.2 V, 1300 mAh) berusia 10 tahun dengan menggunakan mikroskop optis Leitz perbesaran 3 hingga 25 kali, bahan penyusun separator adalah polypropylene/polyamine, seperti nylon. Berikut adalah gambar baterai NiCd yang telah dibongkar.

Gambar 2. Baterai NiCd yang dibongkar : 1.Case, 2.Separator, 3.Elektroda Positif (Nikel hidrat), 4.Elektroda Negatif (Cadmium) (sumber : en.wikipedia.org)

            Menurut literatur dari Handbook of Secondary Storage Batteries and Charge Regulators in Photovoltaic Systems, zat elektrolit yang digunakan pada baterai NiCd adalah aqueous KOH dengan konsentrasi 20-34% berat murni KOH. Tetapi, masih berdasarkan pengamatan Anna Cyganowski pada baterai yang sama dengan alat yang sama, zat elektrolit yang ada pada baterai teramati sebagai serbuk padat. Pada penjelasan selanjutnya, keterangan literatur akan digunakan.

            Selama penggunaan baterai sebagai sumber energi listrik bagi berbagai alat elektronik, baterai NiCd melakukan reaksi kimia. Adapun prinsip Elektrokimia yang bekerja adalah bahwa pada baterai terjadi reaksi oksidasi dan reduksi yang menyebabkan pergerakan elektron, sehingga dihasilkan arus listrik. Berikut ini adalah reaksi kimia yang terjadi selama penggunaan baterai (discharge) :

Positif (reduksi)          : 2NiOOH + 2H₂O + 2e^- --> 2Ni(OH)₂ + 2OH^-

Negatif (oksidasi)       : Cd + 2OH^- --> Cd(OH)₂ + 2e^-

reaksi net ion              : 2NiOOH + 2H₂O + Cd  --> 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂

            Salah satu karakteristik baterai NiCd adalah bahwa zat elektrolit tidak berperan secara langsung, tapi berperan dalam transportasi OH^-. Sementara itu, apabila seluruh NiOOH telah diubah menjadi Ni(OH)₂ dan atau seluruh Cd telah menjadi Cd(OH)₂ maka diperlukan 'pengisian ulang' baterai agar ia dapat digunakan kembali. Hal tersebut dilakukan dengan membalik reaksi melalui pemberian arus listrik (sesuai prinsip elektrolisis, mengubah energi listrik menjadi energi kimia). Ketika arus listrik diberikan, maka elektron akan bergerak menuju kutub baterai yang lebih positif dan menyebabkan reaksi kimia kebalikan sebagai berikut :

Negatif (reduksi)         : Cd(OH)₂ + 2e^-  --> Cd + 2OH^-

Positif (oksidasi)         : 2Ni(OH)₂ + 2OH^-  --> 2NiOOH + 2H₂O + 2e^-

reaksi net ion               : 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂ --> 2NiOOH + 2H₂O + Cd

            Pengaliran arus listrik memaksa terjadinya oksidasi-reduksi di dalam baterai, sehingga kondisi kembali seperti sebelum digunakan. Tetapi, apabila terjadi overcharge (seluruh Ni(OH)₂ dan atau Cd(OH)₂ telah diubah menjadi NiOOH dan Cd tetapi arus listrik masih tetap dialirkan), maka arus listrik akan tetap memaksa terjadinya oksidasi dan reduksi, dan reaksi tersebut dilakukan pada air sesuai persamaan berikut :

Positif                          : 4OH^-  --> O₂ + 2H₂O + 4e^-

Negatif                        : 2H₂O + 4e^-  --> 2OH^- + H₂

net ion reaction           : 2OH^-  --> H₂ + O₂

            Tetapi, reaksi antara oksigen dan hidrogen dapat menyebabkan ledakan dalam proses pembentukan air dengan ∆E = -285.8 kJ/mol (∆E = perubahan entalpi, tabel entalpi pembentukan beberapa zat terlampir). Oleh karena itu, gas harus dialirkan secara tepat, atau pembentukan salah satu gas harus dicegah. Hal kedualah yang dilakukan para pembuat baterai NiCd, yakni mencegah pembentukan gas Hidrogen. Untuk melakukan hal tersebut, kapasitas elektroda negatif dibuat lebih besar dibandingkan elektroda positif sehingga, elektroda positif akan 'terisi penuh' lebih dahlu dari elektroda negatif.     

Adapun reaksi kimia yang terjadi saat overcharging terjadi pada baterai NiCd sesuai dengan penjelasan sebelunya adalah sebagai berikut :

Positif              : 4OH^-  --> O₂ + 2H₂O + 4e^-

Negatif            : 2Cd + O₂ + 2H₂O  --> 2Cd(OH)₂ + 4e^-  --> 2Cd + 2OH^-

          

Gambar 3. Perbandingan kapasitas Elektroda Positif dan negatif (sumber : Harding Battery Handbook For Quest® Rechargeable Cells and Battery Packs  )

Seperti yang ditunjukkan persamaan sebelumnya, gas oksigen yang dihasilkan elektroda positif kemudian diserap melalui reaksi dengan bagian elektroda negatif yang belum terubah menjadi Cd(OH)₂. Sehingga, ledakan yang identik dengan api dan kerusakan dapat dihindari. Selama waktu tertentu, overcharging dapat diatasi melalui cara tersebut, tetapi produksi gas Oksigen di elektroda positif menghasilkan panas yang juga dapat merusak baterai. Jadi, salah satu ciri-ciri overcharging adalah baterai yang sudah memanas, apabila telah parah maka baterai bisa menggelembung. Baterai NiCd sendiri digunakan di berbagai alat elektronik seperti peralatan yang dikontrol remote, serta beberapa peralatan tanpa kabel yang lain. Kemampuan untuk 'diisi ulang' dan didaur ulang, menjadi salah satu kelebihan baterai NiCd. Apabila dibandingkan dengan baterai Lead-acid, NiCd menghasilkan arus lebih tinggi dan bertahan lebih lama. Tetapi, NiCd menghasilkan arus yang lebih rendah dan memiliki masa pakai yang lebih singkat dibandingkan dengan baterai Ni-Metal hydride dan Li-ion yang kini telah tersedia secara komersial dengan harga lebih rendah. Terlebih lagi, dua baterai tersebut lebih aman, karena diketahui Cadmium merupakan logam berat beracun. Meski demikian, NiCd masih menjadi pilihan untuk menyediakan arus stabil, sebab tidak seperti beberapa baterai lain, arus dari baterai NiCd relatif stabil.

            Perkembangan baterai NiCd terjadi secara bertahap. Sejak ditemukan pada tahun 1989 oleh Waldemar Jugner, baterai NiCd mengalami beberapa perkembangan, di antaranya adalah penyegelan baterai secara sempurna, dan pembentukan struktur ‘jelly-roll’ atau ‘sweden-roll’ pada baterai. Perkembangan tersebut menunjukkan bahwa peran baterai NiCd cukup diperhitungkan untuk memenuhi berbagai kebutuhan energi listrik manusia.

Tetapi, elektroda Cd telah diketahui menyebabkan memory effect, di mana baterai kehilangan daya lebih cepat dari yang diperkirakan. Pengamatan melalui scanning electron microscope (SEM) menunjukkan bahwa terdapat perbedaan struktur elektroda negatif pada baterai sebelum pemakaian dan setelah penggunaan dalam jangka panjang (gambar terlampir). Hal tersebut terjadi karena terbentuknya kristal Cd dengan ukuran yang lebih besar pada elektroda baterai setelah pengunaan, dibandingkan dengan elektroda pada baterai ketika belum digunakan. Oleh karena itu, luas kontak elektroda dan zat elektrolit menurun, sehingga total tegangan yang dihasilkan menurun pula.

Efek tersebut diakibatkan beberapa hal, tiga di antaranya adalah ‘presentasi pengisian ulang baterai’ yang rendah, elektroda negatif kekurangan zat pengembang (expander, sejenis massa besi) yang dapat membantu mempertahankan struktur elektroda, serta fase yang dialami elektroda negatif, yakni mengalami transisi sebagai logam Cd dan sebagai Cd(OH)₂. Transisi tersebut dapat memicu pembentukan kristal apabila tidak terdapat expander. Tetapi, hal utama yang menyebabkan pembentukan kristal adalah bahwa Cadmium ternyata dapat membentuk senyawa intermetallic dengan Ni yang banyak terdapat pada baterai NiCd jenis sintered plate (jenis baterai yang elektroda negatif maupun positifnya dibuat dengan menuangkan gabungan partikel serbuk Ni, bukan lelehan, ke atas lembaran material aktif yang kemudian secara kimiawi diresapi, sehingga dihasilkan matriks dengan porositas lebih dari 80%). Senyawa tersebut di antaranya adalah Ni₂Cd₅ dan Ni₅Cd₂₁. Baterai NiCd jenis lain tidak membentuk senyawa tersebut.

Daftar Pustaka

Cyganowski, Anna. 2006. Nickel Cadmium Batteries: A Medium for the Study of Metal Whiskers and Dendrites. NASA Goddard, http://nepp.nasa.gov/whisker/dendrite/2006-cyganowski-paper.pdf (diakses 23 Juni 2012).

Engineering Toolbox Team. Electrode Potential and Galvanic Corrosion. http://www.engineeringtoolbox.com/electrode-potential-d_482.html (diakses 20 Juni 2012).

Exide Management and Technology Company.1981. Handbook of Secondary Storage Batteries and Charge Regulators in Photovoltaic Systems. The U.S. Department of Energy Sandia National Laboratories : New Mexico. http://www.azsolarcenter.org/tech-science/technical-papers/battery-handbook-for-pv-systems.html (diunduh pada 22 Juni 2012).

Harding Energi Inc. 2004. Harding Battery Handbook. One Energy Centre : Norton Shores, http://www.hardingenergy.com/index.php/handbook (diunduh 22 Juni 2012).

Lancashire, Robert J. 2000.Nickel Chemistry. The Department of Chemistry, University of the West Indies, Mona Campus, Kingston 7, Jamaica. http://wwwchem.uwimona.edu.jm/courses/nickel.html (diakses 20 Juni 2012).

Lenntech Team. Cadmium Chemical Properties, Health and Environmental Effects. http://www.lenntech.com/periodic/elements/cd.htm (diakses 20 Juni 2012).

Matsushita Battery Industrial Co., Ltd. 1999. Nickel Cadmiun Batteries Technical Handbook : PDF File Technical Handbook. http://www.master-instruments.com.au/Data%20Sheets/NiCd%20Industrial/Panasonic%20NiCd%20catalogue.pdf (diunduh 22 Juni 2012).

McDowall, Jim. 2003. Memory Effect in Stationary NiCd Batteries? Forget About It!. Saft America Inc, http://www.battcon.com/PapersFinal2003/McDowallPaperFINAL2003.pdf (paper diunduh 20 Juni 2012).

SPARKS, <.C., 2010. The Batterys Role. Aircraft Maintenance Technology, 21(9), pp. 20-20,22,24. http://search.proquest.com/docview/756966558?accountid=17242 (diunduh 20 Juni 2012).

Lampiran

Element	Electrode Potential  (Volts)
Lithium	-3.04
Rubidium	-2.92
Potassium	-2.92
Calcium	-2.87
Barium	-2.80
Sodium	-2.71
Magnesium	-2.37
Beryllium	-1.85
Aluminum	-1.67
Manganese	-1.19
Zinc	-0.76
Chromium	-0.74
Tungsten	-0.58
Iron	-0.44
Cadmium	-0.40
Cobalt	-0.28
Nickel	-0.24
Tin	-0.14
Lead	-0.13
Hydrogen	+0.00
Antimony	+0.10
Copper	+0.34
Iodine	+0.54
Silver	+0.80
Gold	+0.80
Mercury	+0.80
Iodide	+0.54
Bromine	+1.07
Platinum	+1.20
Chlorine	+1.36
Fluorine	+2.87

Lampiran 1., tabel energi potensial reduksi standar beberapa zat (Sumber : http://www.engineeringtoolbox.com/electrode-potential-d_482.html)

Lampiran 2. Tabel Entalpi Pembentukan Standar Beberapa Zat (sumber : http://www.pvpusd.k12.ca.us/penhi/starodub/notes/unit4/5_notes.pdf)

Lampiran 3. Gambar hasil pengamatan menggunakan SEM terhadap kristal elektroda negatif Baterai NiCd sebelum dan setelah penggunaan dalam jangka panjang (sumber : Paper oleh Jim McDowall, 2003, Memory Effect in Stationary NiCd Batteries? Forget About It! )