Tentu saja limbah baterai lithium-ion akan semakin meningkat seiring dengan meningkatnya produksi kendaraan listrik di masa depan. Bagaimana rasio padat-cair, konsentrasi asam/zat pelindian, dan suhu mempengaruhi proses daur ulang baterai litium. Mendapatkan data karakteristik limbah baterai lithium seperti kandungan mineral, morfologi dan unsur dominan.
Vacuum pyrolysis and hydrometallurgical process for the recovery of valuable metals from used lithium-ion batteries. Recovery of cobalt sulfate from spent lithium-ion batteries by reductive leaching and solvent extraction with Cyanex 272. Recovery of metal values from a mixture of spent lithium-ion batteries and nickel-metal hydride batteries.
Recovery of Metal Values from Used Lithium-Ion Batteries with Chemical Deposition and Solvent Extraction.
TINJAUAN PUSTAKA
Emisi CO 2
Transportasi menyumbang sekitar 30% dari total emisi gas rumah kaca (GRK) dunia yang berperan penting terhadap kualitas udara dan lingkungan (Ahmadi, 2019). Atmosfer yang mengandung gas rumah kaca (GRK) yang tinggi akan semakin menjadi isolator, menahan lebih banyak panas matahari yang kemudian dilepaskan ke bumi dan menyebabkan pemanasan global. Ke depan, Indonesia akan mengalami masa transisi dengan penggantian kendaraan konvensional yang mengandalkan bahan bakar minyak (BBM) menjadi kendaraan listrik, yang tidak hanya ramah lingkungan, namun juga bermanfaat bagi perekonomian Indonesia.
Menurut (Boedoyo et al., 2008), penggunaan energi fosil terbesar ketiga adalah transportasi, sedangkan kebutuhan akan penggunaan energi fosil akan menimbulkan emisi gas rumah kaca. Salah satu tindakan yang dapat dilakukan adalah pertama dengan menggunakan bahan bakar alternatif seperti bahan bakar minyak (BBM) atau menggunakan bahan bakar minyak seefisien mungkin dan kedua dengan pembangunan berkelanjutan.
Kendaraan Listrik
Kendaraan listrik, termasuk kendaraan baterai penuh dan sistem PHEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicles), memiliki keunggulan dan manfaat bagi lingkungan, sosial, dan kesehatan, antara lain: (Agency, 2020). Kendaraan listrik rendah karbon secara signifikan mengurangi emisi gas rumah kaca dari transportasi jalan raya dibandingkan kendaraan konvensional. Selain itu, kendaraan listrik dapat berperan penting dalam integrasi energi terbarukan ke dalam sumber produksi energi.
Kendaraan listrik dapat meredam kebisingan karena lebih senyap dibandingkan kendaraan konvensional sehingga menyumbang lebih sedikit kebisingan, terutama pada kendaraan roda dua atau tiga. Kendaraan listrik merupakan salah satu moda transportasi yang dapat digunakan seperti mobil, taksi, sepeda, armada bus kota, kendaraan roda dua/tiga (khususnya di Asia).
Kebutuhan Baterai
Wajar saja, dengan semakin meningkatnya produksi kendaraan listrik, maka kebutuhan bahan baku baterai juga akan semakin meningkat. Seiring berkembangnya pasar kendaraan listrik, Indonesia dapat menjadi pionir produksi baterai kendaraan listrik karena melimpahnya sumber daya bijih nikel sebagai bahan baku utama baterai lithium-ion. Pada tahun 2019, diperkirakan 48% baterai kendaraan listrik baru membutuhkan katoda yang bahan utamanya adalah 50% nikel (Agency, 2020).
Baterai Lithium
- Komponen
- Manufakturing/ produksi
- Kinerja
Baterai lithium-ion dikembangkan oleh Armand pada tahun 1970, dan kemudian dikomersialkan pertama kali oleh Sony pada tahun 1991. Selain itu, baterai Lithium-ion yang digunakan pada kendaraan listrik ramah lingkungan dan memiliki kapasitas lebih tinggi dibandingkan baterai lainnya. Selain pada kendaraan listrik, baterai lithium juga banyak digunakan pada produk elektronik seperti telepon genggam, alat bantu dengar, kamera video, komputer dan sejenisnya.
Baterai litium-ion lebih ringan dibandingkan baterai isi ulang lainnya dengan berat yang sama, sehingga ukuran dan volumenya lebih kecil. Baterai litium memiliki kepadatan energi yang tinggi (100-265 Wh/Kg), sehingga banyak energi yang dapat disimpan di dalamnya. Bahan pembuat baterai lithium sangat beragam, begitu pula dengan jenis komponen katoda dan anoda pada baterai lithium-ion.
Dalam reaksi kimia baterai litium-ion, ion litium akan berpindah dari elektroda negatif ke elektroda positif selama proses pelepasan melalui elektrolit tidak berair dan pemisah membran, dan kemudian mengalami reaksi reversibel selama pengisian (Gambar 4). Energi produksi adalah jumlah energi yang dibutuhkan selama proses produksi, misalnya untuk menghasilkan satu kilogram baterai lithium-ion, jumlah energi yang dibutuhkan selama proses tersebut adalah 32 MJ, dan total konsumsi produksi adalah 125 MJ, artinya 25% dari total energi dikonsumsi dalam proses pembuatan baterai Li-ion (Sullivan & L. Gaines, 2010). Salah satu faktor dalam memilih jenis baterai yang akan digunakan adalah performa kendaraan listrik tertentu.
Faktor yang mempengaruhi kondisi ini antara lain suhu, kepadatan energi yang mempengaruhi masa pakai baterai, dan jarak tempuh kendaraan listrik. Baterai litium tidak rusak pada suhu tinggi, namun paparan suhu tinggi dalam jangka waktu lama akan memengaruhi masa pakai baterai litium ion. Semakin tinggi kepadatan energi, semakin banyak energi yang terkandung dalam suatu massa tertentu.
Seperti terlihat pada Tabel 10, terlihat bahwa baterai lithium ion memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi dibandingkan baterai lainnya. Baterai litium ion digunakan untuk menyimpan energi sehingga dapat diisi ulang tanpa harus menambahkan lebih banyak material ke sistem.
Limbah Baterai Lithium ion
Diperkirakan pada tahun 2020, jumlah lithium ion yang digunakan untuk baterai akan melebihi 25 miliar dan beratnya lebih dari 500,000 ton. Diperkirakan keluaran limbah baterai bekas akan meningkat sebesar 0,07 juta ton menjadi 464.000 ton pada tahun 2025 dengan tingkat pertumbuhan sebesar 59%. Meningkatnya penggunaan baterai lithium-ion akan menjadikan potensi risiko terhadap lingkungan menjadi tantangan yang serius (Gratz et al., 2014).
Masalah lingkungan yang disebabkan oleh baterai lithium-ion menimbulkan kekhawatiran luas di negara-negara di dunia. LiCoO2 banyak digunakan sebagai bahan elektroda positif untuk baterai lithium-ion karena kinerja elektrokimia yang sangat baik dan kinerja produk yang stabil. Nikel yang digunakan sebagai konektor penghantar listrik bersifat karsinogenik dan jika larut dalam darah dapat menyebabkan kanker paru-paru dan merusak sistem saraf pusat serta menyebabkan variabilitas pembuluh darah (Sun.
Elektrolit umumnya menggunakan LiPF6 dan LiClO4, yang sangat korosif dan mudah menguap. Bila terkena udara akan cepat bereaksi dengan oksigen, air dan zat lain membentuk HF, P2O5, Li2O dan zat beracun lainnya (Liu et al., 2014). Selain itu (Tabel 11), sebagian besar separator yang terbuat dari PP, PE dan bahan organik lainnya akan menghasilkan CO, aldehida, asam dan zat lain bila dibakar, yang akan mengakibatkan peningkatan pH lingkungan dan menyebabkan pencemaran udara. Jika baterai lithium ion dibuang tanpa pengolahan, maka dapat menyebabkan kerusakan besar terhadap lingkungan, seperti polusi logam berat, polusi fluor, polusi debu, dan polusi udara.
Di bawah ini Tabel 11, ringkasan komponen utama baterai lithium ion dan dampaknya terhadap lingkungan. Baterai litium bekas diketahui masih mengandung bahan dasar baterai seperti katoda, anoda, alumunium foil dan bahan lainnya. Di bawah ini Tabel 12 mengenai komposisi baterai lithium ion bekas menurut (Sambamurthy et al., 2021) dan.
Daur Ulang Limbah Baterai
Dalam sebuah laporan (Ordoñez et al., 2016b), dari 4000 ton baterai litium-ion bekas, ditemukan 1.100 ton logam berat dan 200 ton elektrolit beracun. Daur ulang ini dapat dilakukan dengan proses pemulihan ekstraksi logam menggunakan proses pirometalurgi, hidrometalurgi, biometalurgi dan sebagainya (Zheng et al., 2018). Proses pyromealurgical dilakukan dengan cara menghancurkan, memanggang, mereduksi oksida, memurnikan dan memisahkan logam (L. Li et al., 2018).
Perbandingan proses daur ulang LIB secara pirometalurgi dan hidrometalurgi (Mossali et al., 2020) dapat dilihat pada Tabel 15 di bawah ini. Pada dasarnya tahapan proses hidrometalurgi adalah pretreatment, leaching, pemisahan logam dan recovery, seperti terlihat pada Gambar 7 di bawah ini (Sambamurthy et al., 2021). Pada tampilan Gambar 7, tahapan penelitian menurut (Sambamurthy et al., 2021) dilakukan untuk daur ulang baterai.
Menurut (Tanong et al., 2016) asam sulfat merupakan jenis asam yang efisien dan murah untuk menguras baterai. Berdasarkan penelitian (Tanong et al., 2016) parameter utama yang mempengaruhi kelarutan Zn, Mn, Ni, Cd dan Co dari baterai bekas adalah perbandingan padat-cair (padat/cair) dan konsentrasi asam. H2O2 merupakan zat pereduksi H2SO4 untuk membuat “larutan Piranha” (H2SO5) untuk memisahkan litium dan logam Co (Rahman et al., 2017).
Sedangkan percobaan yang dilakukan oleh (Tanong et al., 2016) menggunakan asam sulfat 2M (H2SO4), dengan suhu 80 ºC dan proses pembilasan selama 30 menit menghasilkan perolehan kembali Ni dan Co sebesar 70%. Di bawah ini adalah Gambar 9 Diagram alir penyiapan sampel dari baterai litium (ponsel bekas) yang dilakukan pada penelitian (Jha et al., 2013) dan Gambar 10 Foto partikel kasar yang dihilangkan dari bubuk setelah tahap pengepresan. Foto partikel kasar yang dihilangkan dari debu setelah tahap penggilingan (a), debu halus baterai sebelum (b) dan setelah proses pembilasan dilakukan dalam kondisi optimal (c) (Tanong et al., 2016).
XRD (Xray Diffraction)
Dengan mengubah puncak difraksi menjadi jarak “de”, mineral dapat diidentifikasi karena setiap mineral memiliki rangkaian jarak “d” yang unik.
XRF (Xray Fluorescence)
Dengan demikian, analisis unsur kualitatif dan kuantitatif dicapai dengan menentukan energi puncak sinar-X dalam spektrum sampel dan mengukur laju penghitungan yang terkait (Rigaku, 2015).
SEM-EDX (Scanning Electron Microscope – Energy Dispersive X-Ray)
Prinsip SEM-EDX pada dasarnya menggunakan mikroskop pembesaran tinggi yang menggunakan berkas elektron pindaian terfokus untuk menghasilkan gambar sampel baik pada posisi atas maupun bawah. Elektron primer dapat mengalami hamburan balik, yang dapat menghasilkan gambar dengan kontras nomor atom yang tinggi. Atom yang terionisasi akan melakukan transisi elektron dari kulit ke kulit, yang kemudian menyebabkan emisi sinar-X.
Respon Surface Method (RSM)
- Box Behken
Elektron primer menghasilkan elektron sekunder dengan energi lebih rendah, yang cenderung menekan topografi sampel. Dimana Y adalah respon, Xi dan Xj adalah variabel bebas, βo adalah intersep dan βi adalah koefisien linier dan ε adalah error. Metode desain yang umum digunakan dalam Response Surface Method adalah Central Composite Design (CCD) dan Box Behnken.
Desain Benken Box memiliki keunggulan dibandingkan CCD yaitu lebih efisien dengan jumlah variabel yang sama namun untuk jumlah desain eksperimen yang lebih sedikit sehingga dapat mengurangi biaya pengujian. Setelah diperoleh fungsi permukaan respons, langkah selanjutnya adalah mencari kombinasi faktor-faktor yang menghasilkan respons tersebut guna mencari turunan parsial masing-masing faktor (Nursal et al., 2019). Perbedaan Box Behken dengan Central Composite Design adalah Box Behken tidak menggunakan jalur aksial/bintang dalam desainnya.
Tidak adanya proses aksial/bintang membuat kotak behken lebih efisien dalam desainnya karena jumlah proses yang dijalankan dalam percobaan lebih sedikit. Pada prinsipnya Box Behken dirancang berdasarkan kombinasi desain 2 dengan desain blok tidak lengkap dengan menambahkan bagian tengah pada desain (Purwanti et al., 2013). Kotak Behken berbentuk bola dianggap efisien untuk proses optimasi dimana semua titik terluar (titik tepi) mempunyai jarak yang sama terhadap titik pusat sebesar √2, sehingga BBD tidak mengenal titik faktor dan permukaan.
Oleh karena itu, untuk menghitung kekurangan fit perlu dilakukan pengulangan sebanyak tiga sampai empat kali pada titik pusat (Myers et al., 2009). Deret pusat (nc) yaitu percobaan pada titik pusat untuk jumlah deret pusat minimal 3 untuk bilangan faktor k yang berbeda.
