UJI KINERJA LARUTAN HCL PADA PROSES LEACHING LOGAM KOBALT
DARI LIMBAH BATERAI LITHIUM-ION
Yuliusman dan Muhammad Resya Hidayatullah
Departemen Teknik Kimia
Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia Email : [email protected], [email protected]
ABSTRAK
Baterai lithium-ion merupakan baterai yang banyak digunakan untuk berbagai aplikasi, terutama aplikasi yang bersifat protabel. Baterai lithium-ion akan lebih banyak digunakan dibandingkan jenis baterai lainnya. Permintaan baterai lithium-ion telah mencapai 1150 juta dollar pada tahun 2002, nilai ini lebih tinggi dari permintaan untuk baterai NiMH dan NiCd. Diperkirakan jumlah permintaan akan terus bertambah hingga mencapai 3700 juta dollar pada tahun. Banyaknya penggunaan akan menyebabkan munculnya limbah dalam jumlah besar. Baterai lithium-ion mengandung logam yang berharga, yaitu kobalt, sehingga perlu dicari proses pengambilan kembali logam kobalt dari baterai lithium-ion. Proses leaching adalah salah satu tahapan dalam proses mengambil kembali logam kobalt dari limbah baterai lithium-ion. Leaching agent yang digunakan adalah HCl. Parameter yang divariasikan dalam proses leaching adalah konsentras leaching agent, waktu kontak, rasio solid:liquid, dan temperatur leaching. Berdasarkan penelitian yang dilakukan diperoleh, prosentase leaching logam kobalt semakin meningkat dengan semakin tinggi konsentrasi leaching agent, semakin lama waktu kontak, semakin kecil rasio solid/liquid, dan semakin tinggi temperatur leaching. Hasil optimum untuk proses leaching diperoleh pada konsentrasi HCl 4M, waktu kontak 150 menit, rasio solid/liquid sebesar 1/100, dan temperatur leaching 80oC. Pada kondisi optimal ini didapat nilai persentase leaching kobalt sebesar 91.55%.
Kata Kunci: Leaching agent, Baterai Lithium-Ion
1. PENDAHULUAN
Dalam kehidupan sehari-hari seringkali kita menggunakan baterai untuk berbagai keperluan kita. Baterai bisa kita temukan terutama pada peralatan elektronik seperti radio, mainan, kamera, jam, laptop, telepon genggam, dan alat-alat elektronik lainnya. Salah satu baterai yang mulai banyak digunakan adalah baterai Lithium-ion yang dewasa ini seringkali kita temukan dalam telepon genggam dan kamera. Baterai lithium-ion adalah baterai yang rechargeable (dapat diisi ulang) sehingga dapat kita pergunakan berulang kali.
Berdasarkan data dan perkiraan permintaan baterai sekunder. Pada peralatan portable, baterai lithium-ion akan lebih banyak digunakan dibandingkan jenis baterai lainnya. Berdasarkan data, permintaan baterai lithium-ion telah mencapai 1150 juta dollar pada tahun 2002, nilai ini lebih tinggi dari permintaan untuk baterai NiMH dan NiCd. Diperkirakan jumlah permintaan akan terus bertambah hingga mencapai 3700 juta dollar pada tahun 2012 [1].
Walaupun baterai lithium-ion merupakan baterai yang bisa diisi ulang, lama-kelamaan performanya akan menurun sehingga harus diganti. Penggantian baterai akan menimbulkan limbah dalam jumlah besar. Di dalam baterai lithium-ion bekas masih terdapat logam-logam, diantaranya adalah tembaga, alumunium, lithium, dan kobalt. Pada anoda baterai lithium-ion yang berupa LiCoO2 terkandung logam kobalt dalam jumlah yang cukup besar. Logam kobalt merupakan logam yang berharga dan cukup sulit didapat. Hal ini menyebabkan kita perlu memikirkan suatu metode untuk mengambil logam kobalt yang ada didalamnya.
2. METODE PENELITIAN
Pertama-tam dilakukan karakterisasi limbah baterai dilakukan untuk mengetahui kondisi limbah dan mengkondisikan limbah untuk proses berikutnya. Karakteristik limbah dilakukan dengan analisa EDX dan AAS. Alat analisa EDX yang digunakan adalah Oxford seri 300. Hasil dari analisa EDX digunakan untuk mengetahui kandungan yang terdapat di dalam anoda baterai secara kualitatif sedangkan analisa AAS secara kuantitatif.
Kedua, proses leaching dilakukan untuk melarutkan anoda baterai lithium-ion dengan menggunakan leaching agent berupa HCl. HCl digunakan karena termasuk asam kuat. Persentase leaching akan meningkat seiring dengan peningkatan kekuatan asam, karena pada asam kuat pembentukan anion asam akan semakin mudah. Makin mudah pembentukan anion asam, maka reaksi antara ion logam dengan anion asam akan semakin banyak [2]. Selain itu, ekstraktan Cyanex 272 selektif terhadap kobalt dalam larutan sulfat atau klorida [3]. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Pingwei Zhang, HCl merupakan leaching agent yang sesuai untuk baterai lithium-ion [4]. Pada proses leaching variabel-variabel yang digunakan adalah konsentrasi HCl, waktu kontak, perbandingan solid/liquid , dan temperatur
leaching. Reaksi yang terjadi saat proses leaching dapat dilihat pada persamaan 1.
+ +
+
⇔
+
nH
MCl
nHCl
M
n n (1)Ketiga, proses ekstraksi dilakukan untuk memindahkan logam yang terdapat dalam fasa akuatik (larutan hasil leaching) kedalam fasa organik (ekstraktan dalam pelarut organik). Pada proses ini ekstraktan pada fasa organik akan berikatan dengan logam dari fasa akuatik dan membentuk logam kompleks yang terlarut dalam fasa organik. Larutan organik dan larutan akuatik berbeda fasa sehingga tidak saling menyatu. Pada proses ini ekstraktan yang digunakan adalah Cyanex 272 [Bis (2,4,4,-trimethylpentyl) phosphinic acid]. Ekstraktan ini dipilih karena merupakan ekstraktan yang sering digunakan untuk mengekstraksi kobalt dan memiliki selektifitas yang baik terhadap kobalt [3]. Variabel-variabel yang digunakan pada proses ekstraksi adalah pH fasa akuatik, konsentrasi ekstraktan, dan waktu ekstraksi.
Untuk menganalisa kandungan logam pada fasa akuatik dari setiap percobaan digunakan uji AAS. Alat analia AAS yang digunakan adalah Varian dengan tipe spektra A30 dan metode
Graphite Furnace GTA 90. Data hasil uji AAS diolah untuk mendapatkan nilai persentase
leaching dan ekstraksi. Nilai optimal dari masing-masing variabel ditentukan berdasarkan persentase leaching/ekstraksi optimal serta pertimbangan teknis dan ekonomis.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Karakterisasi Limbah Baterai Lithium-Ion
Sampel yang akan diuji dianalisa dengan menggunakan analisa EDX (Energy Dispersive
X-ray). Kandungan utama dari anoda baterai lithium-ion adalah LiCoO2. Dari hasil analisa EDX dapat diketahui kandungan logam selain lithium dan kobalt. Berdasarkan analisa EDX logam lain yang terdapat dalam anoda baterai lithium-ion adalah alumunium. Analisa yang dilakukan dengan menggunakan EDX masih berupa analisa kualitatif, dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Komposisi Kandungan Anoda Baterai Li-ion (EDX)
Elemen Zona Putih (wt %) Zona Abu-abu (wt %)
C 1.53 1.325 O 24.335 35.255 F 6.09 27.765 Al 0.485 12.575 P 0.395 3.57 Co 67.165 19.46 Cl 0 0.05
Untuk mendapatkan komposisi sebenarnya dari anoda baterai lithium-ion maka dilakukan analisa AAS. Logam-logam yang dianalisa menggunakan analisa AAS adalah Co, Al, dan Li. Hasil analisa AAS dapat dilihat pada Tabel 2. Hasil analisa AAS menunjukkan bahwa konsentrasi terbesar yang terkandung dalam anoda baterai lithium-ion adalah kobalt dan alumunium, sedangkan lithium yang terkandung sedikit sehingga pada percobaan, logam lithium tidak dianalisa.
Tabel 2. Hasil Analisa AAS (Atomic Absorption Spectroscopy)
Logam Massa (mg/gr sampel) Persentase (wt %) Co 611.26 61.13 Al 291.45 29.14 Li 27.62 2.76
3.2. Proses Leaching
3.2.1. Pengaruh konsentrasi leaching agent
Dari Gambar 1 dapat dilihat bahwa secara umum persentase leaching meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi leaching agent. Hal ini dikarenakan konsentrasi ion Cl- akan semakin besar bila konsentrasi leaching agent ditingkatkan, sehingga pengikatan ion logam akan semakin baik. Berdasarkan persamaan 1, kenaikan konsentrasi leaching agent akan menggeser kesetimbangan reaksi ke kanan, sehingga menambah reaksi leaching. Kenaikan persentase leaching antara konsentrasi leaching agent 4M dan 6M sangat kecil. Proses leaching dengan HCl 6M dinilai kurang ekonomis, sehingga konsentrasi leaching agent optimal yang dipilih adalah 4M, dengan persentase leaching kobalt sebesar 23.00% dan persentase leaching Al sebesar 22.04%. 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 0 2 4 6 8 Konsentrasi HCl (M) P e rs e nt a s e Le a c hing ( % ) Al Co
Gambar 1. Pengaruh konsentrasi leaching agent terhadap persentase leaching kobalt dan
alumunium pada waktu kontak 150 menit, rasio solid/liquid (g/mL) 1/25, dan temperatur 27oC.
3.2.2. Pengaruh waktu kontak
Dari Gambar 2 dapat dilihat bahwa secara umum persentase leaching akan meningkat seiring dengan meningkatnya waktu kontak. Waktu kontak mempengaruhi proses leaching karena HCl butuh waktu untuk dapat bereaksi dengan logam dan membentuk senyawa logam klorida. Persenatse leaching terbesar pada logam alumunium didapat pada waktu kontak 120 menit, dengan persentase leaching sebesar 23.56 %, sedangkan pada logam kobalt pada waktu kontak 150 menit, dengan persentase leaching kobalt sebesar 23.00%. Untuk mendapatkan persentase leaching kobalt yang lebih banyak, maka diputuskan waktu kontak yang digunakan sebesar 150 menit, dengan persentase leaching kobalt sebesar 23.00 % dan persentase leaching alumunium sebesar 22.04%.
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 0 50 100 150 200
Waktu Leaching (menit)
P er sen ta se L e ach in g (% ) Al Co
Gambar 2. Pengaruh waktu kontak terhadap persentase leaching kobalt dan alumunium dengan
konsentrasi HCl 4M, rasio solid/liquid (g/mL) 1/25, dan temperatur 27oC.
3.2.3. Pengaruh rasio solid/liquid
Dari Gambar 3 dapat dilihat bahwa persentase leaching akan meningkat seiring dengan penurunan rasio solid/liquid. Kenaikan persentase leaching terjadi karena dengan meningkatnya volume HCl, maka kemungkinan terjadinya kontak antara logam dengan ion Cl- akan semakin besar. Selain itu bila rasio solid/liquid terlalu besar maka larutan akan menjadi terlalu jenuh. Pada pengamatan terlihat bahwa pada rasio solid/liquid sebesar 1/25, masih banyak terdapat sisa-sisa sampel yang tidak terlarut.
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 0 1/100 1/50 3/100 1/25 1/20 Rasio Solid/Liquid (g/mL) P ersen tase L each in g ( % ) Al Co
Gambar 3. Pengaruh rasio solid/liquid (g/mL) terhadap persentase leaching kobalt dan
alumunium dengan konsentrasi HCl 4M, waktu kontak 150 menit, dan temperatur 27oC.
Dari peneletian diperoleh persentase leaching optimum pada alumunium didapat pada rasio soli/liquid 1/75, dengan persentase leaching sebesar 32.99%. pada logam kobalt persentase
leaching terus naik seiring dengan penurunan rasio solid/liquid. Persentase leaching maksimum
didapat pada rasio solid/liquid sebesar 1/100, dengan persentase leaching sebesar 29.63%. Untuk mendapatkan persentase leaching kobalt yang lebih besar, maka rasio solid/liquid yang
digunakan sebesar 150 menit, dengan persentase leaching kobalt sebesar 29.63 % dan persentase leaching alumunium sebesar 33.83%.
3.2.4. Pengaruh temperatur
Dari Gambar 4 dapat dilihat bahwa variabel temperatur memiliki pengaruh yang sangat besar pada proses leaching. Kenaikan temperatur akan meningkatkan kecepatan molekul. Kecepatan molekul yang tinggi akan meningkatkan frekuensi benturan dan meningkatkan energi yang dihasilkan dari benturan, sehingga banyak benturan yang memiliki energi diatas energi aktivasi reaksi [5]. Dengan banyaknya benturan yang menghasilkan energi tinggi, maka laju reaksi akan meningkat, dan persentase leaching akan meningkat. Pada temperatur tinggi, viskositas liquid lebih rendah, sedangkan difusivitasnya meningkat. Hal ini juga mempengaruhi peningkatan persentase leaching [6]. Kenaikan persentase leaching seiring dengan kenaikan temperatur menandakan bahwa pelarutan pada proses leaching bersifat endoterm, artinya ketika kobalt dan alumunium dilarutkan terjadi penyerapan kalor. Suatu zat yang menyerap kalor ketika melarut, cenderung lebih larut pada temperatur yang lebih tinggi [7].
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 0 20 40 60 80 100 Temperatur Leaching (C) P er s en tas e L e ach in g ( % ) Al Co
Gambar 4. Pengaruh temperatur terhadap persentase leaching kobalt dan alumunium dengan
konsentrasi HCl 4M, waktu kontak 150 menit, dan rasio solid/liquid (g/mL) 1/100. Kondisi optimum yang didapat pada temperatur 800C. Pada temperatur ini persentase
leaching kobalt sebesar 91.55% dan persentase leaching alumunium sebesar 99.99%.
Peningkatan temperatur lebih lanjut dinilai tidak akan menghasilkan kenaikan persentase
leaching yang terlalu tinggi, selain itu, pada temperatur tinggi dikhawatirkan leaching agent
akan menguap dan mengurangi efektifitas proses.
4. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan: 1. Kandungan logam dalam anoda limbah baterai lithium-ion dalam persen berat adalah
2. Proses pengambilan kembali logam kobalt dari limbah padat dari baterai lithium-ion dapat dilakukan dengan proses leaching. Proses leaching anoda baterai lithium-ion menggunakan HCl sebagai leaching agent mencapai kondisi optimal pada konsentrasi HCl 4M, waktu kontak 150 menit, rasio solid/liquid 1/100, dan temperatur 80oC. Kandungan kobalt dan alumunium pada larutan hasil leaching adalah sebesar 5596 ppm dan 2914.45. Persentase leaching yang diperoleh adalah sebesar 91.55% untuk kobalt dan 99.99% untuk alumunium.
DAFTAR PUSTAKA
www.BatteryUniversity.com, “Battery Statistic,” 2003.
Yang, Chun-Chen, et. al, “Recovery Metals from Spent Ni-Cd Batteries by a Potentiostatic Electrodeposition Technique,“ Journal of Power Sources 115, Elsevier., 2003.
Cytex, “Cyanex-272 extractant”. 1995.
Zhang, Pingwei., et al. “Hydrometallurgical Process for Recovery of Metal Values from Spent
Lithium-Ion Secondary Batteries”, Elsevier, 1997.
Brown, Theodore L., et al, Chemistry The Central Science, Prentice-Hall, New Jersey, 2000. Treybal, Robert E., Mass-Transfer Operations third edition, McGraw-Hill, Singapore, 1981. Charles W. Keenan, et al, General College Chemistry, Harper & Row Publishers Inc, 1980. Ritcey, G.M dan Ashbrook, A.W, Solvent Extraction, Principle and Application to Process
Metallurgy, Elvesier, New York, 1984. www.ecd.jrc.it
