Management Teknologi Daur Ulang Limbah Baterai Lithium

 

1.1  Latar Belakang

Saat ini perkembangan teknologi sangat pesat, seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan. Semua teknologi ini membutuhkan power yang bersifat kontinu. Untuk mendapat power yang kontinu maka dibutuhkan penyimpanan energy listrik, dalam hal ini battery sangat popular untuk penyimpanan energy ini [6]. Berdasarkan laporan Bloomber New Energy Finance, permintaan untuk produksi battery meningkat seiring dengan peningkatan permintaan energy. US, UK, France, Japan, South Korea, Austalia, China, Germany, dan India, merupakan Negara-negara yang memimpin dalam produksi battery di tahun 2040.  Pesatnya produksi battery ini juga diakibatkan dengan produksi kendaraan listrik, ini dikarenakan sumber energy dari kendaraan listrik besar dari battery.[7].  Hampir setengah dari battery habis dalam waktu tiga tahun, dan 30% lainnya menjadi limbah didalam 6 sampai 11 tahun [8]. Penggunaan peralatan elektronik dinegara maju lebih pesat dibandingkan Negara berkembang. Hal ini menyebabkan jumlah limbah elektronik yang dihasilkan Negara maju lebih banyak dibandingkan Negara berkembang . Limbah elektronik yang dihasilkan di ekspor ke Negara Cina dan India untuk didaur ulang. Di India limbah elektronik dari negara maju diolah untuk mendapatkan logam mulia yang terdapat di dalamnya, seperti emas, perak, platina, dan palladium[9]

 

1.2  LANDASAN TEORI

Baterai Ion Lithium

Baterai ion litium (biasa disebut Baterai Li-ion atau LIB) adalah salah satu anggota keluarga baterai isi ulang (rechargable battery). Di dalam baterai ini, ion litium bergerak dari elektrode negatif ke elektrode positif saat baterai sedang digunakan, dan kembali saat diisi ulang. Baterai Li-ion memakai senyawa litium interkalasi sebagai bahan elektrodanya, berbeda dengan litium metalik yang dipakai di baterai litium non-isi ulang.

Baterai ion litium umumnya dijumpai pada barang-barang elektronik konsumen. Baterai ini merupakan jenis baterai isi ulang yang paling populer untuk peralatan elektronik portabel, karena memiliki salah satu kepadatan energi terbaik, tanpa efek memori, dan mengalami kehilangan isi yang lambat saat tidak digunakan. Selain digunakan pada peralatan elektronik konsumen, LIB juga sering digunakan oleh industri militer, kendaraan listrik, dan dirgantara.^[6] Sejumlah penelitian berusaha memperbaiki teknologi LIB tradisional, berfokus pada kepadatan energi, daya tahan, biaya, dan keselamatan intrinsik.[5]

Karakteristik kimiawi, kinerja, biaya, dan keselamatan jenis-jenis LIB cenderung bervariasi. Barang elektronik genggam biasanya memakai LIB berbasis litium kobalt oksida (LCO) yang memiliki kepadatan energi tinggi, namun juga memiliki bahaya keselamatan yang cukup terkenal, terutama ketika rusak. Litium besi fosfat (LFP), litium mangan oksida (LMO), dan litium nikel mangan kobalt oksida (NMC) memiliki kepadatan energi yang lebih rendah, tetapi hidup lebih lama dan keselamatannya lebih kuat. Bahan kimia ini banyak dipakai oleh peralatan listrik, perlengkapan medis, dan lain-lain. NMC adalah pesaing utama di industri otomotif. Litium nikel kobalt alumunium oksida (NCA) dan litium titanat (LTO) adalah desain khusus yang ditujukan pada kegunaan-kegunaan tertentu.

 

Cara Kerja

Di bagian anoda dan katode, material utamanya yaitu litium adalah logam alkali yang bersifat sangat reaktif. Artinya, jika segel baterai terbuka dan air masuk, logam langsung tereduksi dan baterai akan terbakar hebat.

Kemudian, di sisi katode, material yang digunakan biasanya mengandung kobalt, yang merupakan material yang cukup langka di bumi.^[7] Pemasok utama kobalt untuk seluruh industri baterai litium ion di dunia adalah Republik Demokratik Kongo.^[8] Hal ini menjadi salah satu penyebab baterai litium ion memiliki harga yang relatif mahal jika dibandingkan misalnya dengan baterai lead acid (accu). Selain material pada gambar 2.1, katode-katode yang sering digunakan pada baterai litium ion adalah LFP (Lithium Iron Phosphate), LMO (Lithium Manganese Oxide), NCM (Nickel Cobalt Manganese), NCA (Nickel Cobalt Aluminum Oxide), LCO (Lithium Cobaltate).[1]

Intinya, pada saat proses discharge ion litium akan bergerak dari anoda grafit ke katode yang bisanya berupa senyawa litium dengan oksida logam transisi. Lalu, proses charge terjadi sebaliknya, ion litium bergerak dari katode ke dalam anoda yang berbentuk layer-layer grafit. Proses masuknya sesuatu (litium) ke dalam suatu layer senyawa kimia ini disebut dengan proses interkalasi. Pencarian material-material anoda dan katode salah satunya berfokus kepada material yang bisa melakukan proses interkalasi ini dengan konsisten, tidak berubah sepanjang umurnya sehingga bisa memperpanjang usia baterai.^[9]

Dalam sebuah baterai, besar energi yang tersimpan bisa dioptimasi dari beda tegangan elektrodanya, massa reaktan per elektron yang bersirkulasi seminimal mungkin, serta menghindari defisiensi elektrolit karena bereaksi dengan unsur lain dalam baterai.Syarat ketiga ini dipenuhi hanya oleh baterai NiMH terbaru dan baterai litium ion.

 BAB II PEMBAHASAN

 

2.1  Solusi Manajemen Sampah Baterai

 

Ada beberapa solusi untu untuk memanjemen sampah battery dapat dibagi seperti berikut :  pengurangan limbah, penimbunan, dilebur[6]. Metoda pre-treatment juga direkomendasikan seperti : Manual pre-treatment yang dilakukan dengan skala laboratorium, mechanical pre-treatment  dilakukan dengan skala industry, dan recycle method. Seperti gambar dibawah :

Untuk manajemen proses daur ulang pada limbah baterai lithium dapat dilihat pada alur kerja prose daur ulang pada gambar berikut :

a.           Waste Reduction

Pengurangan limbah (atau pencegahan) adalah yang paling ekonomis dan ramah lingkungan dari semua strategi pengelolaan limbah. Minimalkan sumber daya mentah dan jumlah limbah yang dapat diolah dapat dicapai melalui desain produk yang lebih baik dan manajemen proses yang lebih baik. Selain itu, pengurangan limbah dapat dicapai secara lebih efisien dengan mendaur ulang baterai bekas daripada membuat baterai baru. Sebagian besar baterai timbal-asam sudah diproduksi dengan mendaur ulang bahan dari baterai bekas dan sumber timbal lainnya.

b.           Landfilling

Penimbunan sampah melibatkan pembuangan limbah ke daratan yang aman yang memiliki tingkat air tanah rendah. Biasanya, dua pendekatan berbeda digunakan: (i) membatasi sampah pada area kecil, dan (ii) memadatkan sampah untuk mengurangi volume. Mekanisme penimbangan standar umumnya diterapkan untuk mengukur bahan limbah saat tiba di tempat pembuangan akhir. Penimbunan baterai rumah tangga (alkali dan Zn C) dilaporkan tidak menimbulkan risiko besar (SEMB; November 2001), dan kesimpulan serupa diambil oleh EPA AS dan Asosiasi Produsen Listrik Nasional (NEMA, Juni 2002). Akibatnya, ini baterai tidak dianggap sebagai limbah berbahaya untuk penimbunan. Namun, penimbunan tidak cocok untuk produk NiCad dan NiMH, karena pencucian logam berat dapat mencemari air tanah. Landfilling juga menderita kerugian besar dalam bentuk konsumsi energi untuk mengangkut dan mengumpulkan sampah.

c.           Thermal Treatment

Pemrosesan termal (insinerasi, gasifikasi, atau pirolisis) diterapkan dalam pengolahan limbah padat perkotaan dan industri, yang dapat mengandung limbah baterai. Suhu yang terlibat dalam insinerasi dan gasifikasi berkisar antara 980 °C dan 2000 °C. Selama pembakaran, volume asli sampah berkurang sekitar 80-90%. Insinerator dan gasifier saat ini menawarkan pembuangan limbah yang sangat terkontaminasi dan berbahaya secara aman dan ramah lingkungan dari operasi kimia dan pemrosesan. Karbon dioksida, karbon monoksida (CO), dioksin, partikulat padat, dan logam berat adalah produk sampingan dari pemrosesan termal. Tingkat pencemaran yang dihasilkan dari konversi termokimia limbah bervariasi sesuai dengan sifat limbah dan infrastruktur pengolahannya. Karena baterai alkaline sering dibakar, emisi dan abu yang dihasilkan dari pembakarannya, yang mengandung kalium hidroksida dan mangan, sangat berbahaya.

d.            Manual Treatment

Pra-pengolahan limbah baterai secara manual pada skala laboratorium biasanya melibatkan prosedur sederhana di mana sel-sel baterai bekas dikeluarkan dan dibongkar dengan tangan. Setelah pembongkaran, berbagai metode pemisahan dapat digunakan sesuai dengan sifat kolektor dan pengikat.[55,56] Pemisahan mekanis meliputi penghancuran dan penyaringan untuk memisahkan kolektor arus dan bahan aktif, pelarut dan kalsinasi dapat menghilangkan pengikat perekat, dan bahan aktif dapat dipisahkan melalui pembubaran kolektor saat ini. Langkah-langkah pra-perawatan ini digambarkan pada Gambar dibawah

Untuk manajemen proses daur ulang pada limbah baterai lithium dapat dilihat pada alur kerja prose daur ulang pada gambar berikut :

 

Gambar 1.tahapan proses daur ulang pada limbah baterai lithium

Pada gambar 1,dimana pada tahapam ketiga dimana baterai lithium setelah dilakukan perawatan dan perbaikan,baterai lithium tidak dapat digunakan,baterai lithium akan di pisahkan dari mobil listrik dan akan di test kembali.pada tahapan di test ini baterai lithium akan dipilah dalam tiga kategori yaitu baterai dapat langsung di daur ulang,baterai dapat diperbaiki kembali dengan remanufacture,dan dapat digunakan untuk ke dua kalinya.Jika baterai lithium dapat digunakan untuk kedua kalinya setelah pemakaian kedua kalinya baterai akan didaur ulang sedangkan untuk remanufacture ini jika baterai lithium dapat diperbaiki kembali dan dapat digunakan pada tahapan perawatan dan perbaikan mobil listrik.[2]

pada tahapan daur ulang ini terdapat beberapa tahapan yaitu akan ditampilkan pada gamabr berikut :

 

Gambar 2.Alur proses daur ulang baterai lithium

 

Baterai lithium yang akan didaur ulang,akan dipilah terlebih dahulu,dibongkar dan dipisahkan komponen-komponennya.Terdapat 4 komponen sebagai pertimbangan untuk teknologi pelarutan material yaitu pertama Thermal,pada bagian ini mempertimbangkan parameter temperature yang akan diambil untuk meleburkan komponen baterai lithium sesuai dengan teknilogi peleburan yang diambil.Mechanical & Physical,pada bagian ini bertjuan mengeluarkan outer case,memisahkan material yang penting,mengurangi jumlah sisa-sisa yang tidak dapat digunakan dan penghancutan material.Chemical & Mechani-chemical pada bagian ini memeprtimbangkan bahan-bahan kimia yang digunakan dalam proses peleburan material batersi lithium berdasarkan teknologi peleburan apa yang akan digunakan.[3] Selanjutnya masuk ke tahapan ekstrasi metal atau teknilogi peleburan material baterai lithium Yang terdiri atas 3 yaitu hydrometallurgy,pyrometallurgy,bio-hydrometallurgy.

a.      Hydrometallurgy

Bubuk katode aktif dilarutkan menggunakan teknik hydrometallurgy,untuk memisahkan dan memurnikan metal penting pada baterai lithium.Menggunakan asam inorganic seperti : HCL, H2SO4, HNO3, H3P04 untuk melarutkan metal.Operasi utama terdapat pada parameter suhu,asam dan pengurangan konsentrasi metal,waktu reaksi dan rasio kekentalannya.Keuntungan menggunakan teknik ini adalah penguranangan konsumsi energy dengan menggunakan suhu yang rendah,dapat memeperbaiki Li dalam bentuk karbonat,melarutkan metal hingga dapat digunakan kembali menjadi katode baterai lithium,dan efesien pada alkali baterai yang baik.

b.     Pyrometallurgy

Menggunakan suhu yang sanat tinggi.Memiliki 3 tahap proses kerja nya yaitu pyrolysis(penurunan komponen organic pada baterai lithium),lalu pengurangan kadar metal dan terakhir pengabuan gas yaitu mrnghindari pelepasan dioxin pada proses pyrolysis.

c.      bio-hydrometallurgy.

Menggunakan teknik bio-hydrometallurgy,memili kesamaan dengan teknik hydrometallurgy,yang membedakan adalah menggunakan asam organic yang diproduksi mikroorganime untuk melarutkan metal seperti acetic,ascornic,dan malic acids,yang memiliki keuntungan dalam penguragan masalah kesehatan dan eco-friendly feature.

Hasil dari alur proses dair ulang tersebut adalah endapan metal penting,yang mana akan mengalami tahapan dalam pembuatan katoda,cell,modul,dan akhirnya baterai lithium yang baru.Yang digunakan kembali ke mobil listrik.[4]

Pada penelitian lain proses management sampah battery dapat juga dilakukan dengan [10]:

a.      Mercury Distillation  Process

Jumlah merkuri yang digunakan dalam baterai telah sangat berkurang selama beberapa dekade terakhir dan banyak merek tidak menggunakannya sama sekali. Namun, beberapa baterai mengandung merkuri dalam jumlah yang sangat kecil, tetapi mengingat banyaknya limbah baterai yang dihasilkan setiap tahun, merkuri perlu didaur ulang . Proses distilasi merkuri adalah metode perlakuan termal berbasis vakum di mana merkuri menguap. Setelah itu, pada suhu yang dikurangi, merkuri mengembun untuk menghasilkan merkuri dalam bentuk logam

 

 

 

2.2 Manajemen Resiko dalam Daur Ulang Limbah Baterai Lithium

Dapat diketahui,dalam manajement daur ulang limbah baterai lithium terdapat beberapa resiko yang terjadi,berikut resiko-resiko yang utama dalam daur ulang limbah baterai lithium pada gambar berikut:

 

Gambar 3.Resiko daur ulang baterai lithium

Resiko yang pertama dilihat tentunya dari segi kesehatan,baik untuk karyawan atau penduduk di sekitar nantinya.Yang amana pada proses peleburan komposisi kimia pada baterai lithium menggunakan bahan-bahan kimia (organic dan inorganic) yang dalam proses tersebut dapat membuat polusi udara yang dapat menyebabkan gas dengan level berbahaya jika dihirup.Tentunya temapt industri harus mempertimabkan hal-hal tersebut.Resiko api/ledakan, pada proses peleburan metal seperti pemanasan,kerusakan mekanik,hubungan arus pendek yang mana hal-hal tersebut sering menyebakan penigkatan suhu panas,hydrogen dan gas-gas lainnya yang memicu ledakan pada proses peleburan.Untuk ini undustri harus mempertimbangkan design instalasi listrik,battery safety,dan maintenance peralatan.Natural environment,disini biasanya terjadi pada saat pertimbangangan lokasi pembangunan pabrik daur ulang yang tidak sesuai dengan standar yang telah ditentukan seperti pembanguan pada daerah yang tidak luas dan dekat dengan perumahan penduduk dan dokumen legal pembagunan pabrik.[2]