Daur Ulang Baterai Lithium

Baterai litium mengandung elemen berharga seperti kobalt dan nikel yang ingin didaur ulang oleh produsen untuk digunakan kembali, karena hal tersebut dapat mengurangi kebutuhan penambangan dan pemrosesan, memangkas biaya dan emisi.

Beberapa perusahaan sudah terlibat dalam daur ulang baterai. Mereka biasanya menghancurkan baterai bekas menjadi massa hitam sebelum melelehkan atau melarutkannya untuk mengekstrak logam darinya.

Penghancuran Mekanis

Seiring dengan semakin banyaknya penggunaan baterai lithium dalam teknologi modern, daur ulang baterai lithium juga meningkat. Hal ini sangat penting mengingat komponennya sangat berharga dan terbatas. Mendaur ulang sel baterai lithium membantu mengurangi limbah sekaligus menghemat energi yang seharusnya digunakan untuk memproduksi sel baterai yang baru; selain itu, daur ulang memungkinkan kita untuk menggunakan kembali bahan mentah yang berharga sehingga mengurangi permintaan bahan mentah baru.

Salah satu metode daur ulang baterai melibatkan penghancuran mekanis. Proses ini menyerupai penambangan di mana bahan mentah dipecah menjadi potongan-potongan kecil untuk diproses lebih lanjut; hal ini dapat dilakukan secara manual atau dengan mesin khusus. Setelah dihancurkan, fragmen dari daur ulang baterai kemudian dapat mengalami pemisahan kimiawi, pemisahan mekanis, dan/atau proses peleburan sebelum digunakan kembali.

Penghancuran adalah langkah integral dari daur ulang baterai lithium-ion, dan dapat berupa metode penghancuran basah atau kering. Penghancuran basah mungkin terbukti lebih menantang karena pembasahannya memaksa berbagai komponen untuk mengikat lebih erat dari yang diinginkan, sedangkan penghancuran kering memungkinkan karakteristik penghancuran selektif dari baterai lithium bekas menjadi yang terdepan, membebaskan bahan katoda aktif dari aluminium foil pengumpul untuk proses pemulihan selanjutnya yang lebih mudah.

Pemilahan adalah elemen kunci lain dari daur ulang baterai. Pemilahan dapat membantu menghilangkan beberapa komponen plastik yang ditemukan di dalam baterai sekaligus mengisolasi komponen logamnya; kemudian komponen yang pertama dapat digunakan kembali, sementara komponen yang terakhir digunakan untuk membuat baterai lithium baru. Pemilahan sering kali dilakukan dengan menggunakan magnet yang membantu memisahkan masing-masing bagian dari baterai.

Sebagai bagian dari langkah akhir daur ulang baterai, terjadi pemisahan mekanis. Ini termasuk penyaringan udara, penghancuran dan pengayakan. Metode ini memiliki banyak keuntungan seperti menghindari suhu tinggi sambil memulihkan beberapa komponen yang paling mahal seperti nikel dan kobalt.

Pemrosesan Hidrometalurgi

Di sebagian besar fasilitas daur ulang baterai lithium, sel yang sudah tidak terpakai pertama-tama dipisahkan berdasarkan karakteristik kimia dan fisiknya sebelum dikirim ke pabrik pemrosesan hidrometalurgi untuk pemulihan logam dalam bentuk ionik dari massa hitam bahan katoda dan anoda grafit. Logam dipisahkan menggunakan asam kuat atau zat pengoksidasi menjadi oksida, sulfat, atau hidroksida yang kemudian dijual kembali ke produsen untuk digunakan kembali dalam baterai baru.

Beberapa pendaur ulang baterai juga menggunakan proses yang dikenal sebagai "pirometalurgi." Proses ini melibatkan pemanasan baterai bekas di dalam tungku pada suhu 1.500 derajat Celcius selama tiga sampai empat jam untuk membakar sebagian besar bahan berbasis karbon dan menghasilkan paduan logam campuran dan terak yang terdiri dari tembaga, nikel, aluminium, mangan, dan kobalt. Sayangnya, metode ini membutuhkan pengeluaran energi yang signifikan sementara hanya memulihkan sebagian kecil logam berharga yang ditemukan di dalam baterai.

Hidrometalurgi adalah pendekatan baru yang inovatif untuk daur ulang baterai yang menggunakan air dan bukan suhu tinggi untuk mengurangi ukuran ion logam dengan melarutkannya dalam asam, kemudian mengekstraknya dari larutan. Hidrometalurgi memiliki banyak keuntungan saat digunakan sebagai bagian dari daur ulang baterai - konsumsi energi yang lebih sedikit dibandingkan dengan metode pirometalurgi atau penghancuran mekanis, serta cocok untuk hampir semua desain sel atau komposisi kimia.

Northvolt dan Redwood Materials telah mengumpulkan miliaran dolar dari investor publik dan swasta untuk membangun pabrik daur ulang baterai besar di Nevada dan Eropa, tidak semata-mata untuk mencari keuntungan, tetapi untuk meminimalkan dampak lingkungan melalui pengurangan emisi karbon serta pemangkasan biaya selama proses pemulihan.

Bioleaching, yang menggunakan hasil metabolisme mikroorganisme untuk melarutkan bahan baterai bekas, merupakan pendekatan lain yang menjanjikan untuk memangkas biaya dan meningkatkan tingkat pemulihan. Para peneliti dari University of California menggunakan bakteri kemolitotrofik Acidithiobacillus ferrooxidans untuk melarutkan bahan katoda LiCoO2 bekas dari baterai litium; pengujian mereka menunjukkan bahwa bakteri ini menghasilkan asam sulfat dan ion besi yang kemudian dapat diekstraksi dari bahan limbah untuk tujuan pemulihan.

Reaksi Kimia

Lindi, proses di mana air hujan menyaring bahan limbah dan mengasamkan tanah, meracuni tanaman dan mencemari air tanah, harus dicegah ketika mendaur ulang baterai; untuk melakukan ini dengan sukses, pendaur ulang harus memastikan baterai telah benar-benar habis sebelum memasuki proses daur ulang atau bahan kimia dan logam yang terkandung di dalam selnya dapat keluar ke lingkungan dan mengancam kehidupan tanaman serta pasokan air. Untuk memerangi efek lindi, pendaur ulang harus memastikan baterai telah benar-benar habis sebelum didaur ulang; jika tidak, bahan kimia dan logam dapat keluar dari selnya dan mencemari ekosistem dan sumber air tanah. Untuk menghentikan terjadinya lindi, pendaur ulang harus memastikan baterai telah benar-benar habis sebelum memasuki proses daur ulang untuk meminimalkan dampak negatif terhadap lingkungan dan memastikan tidak ada bahaya lingkungan yang muncul selama proses daur ulang - jika tidak, bahan bahan kimia yang terkandung di dalam sel dapat merembes keluar ke lingkungan melalui kebocoran ke saluran air yang menyebabkan efek lindi yang menyebabkan keracunan pada kehidupan tanaman sekaligus mencemari pencemaran air tanah melalui kebocoran ke sumber air tanah atau dengan menyaring penyaringan air hujan yang disaring melalui bahan limbah dan mengasamkan tanah yang mengasamkan tanah yang mengasamkan pencemaran air tanah sehingga meracuni kehidupan tanaman sekaligus mencemari pencemaran air tanah yang mencemari air tanah yang dicemari bahan limbah yang disaring melalui penyaring air hujan melalui penyaring limbah ke dalam air tanah yang tercemar mengasamkan tanah yang tercemar untuk mengendalikan masalah ini benar-benar habis sebelum memasuki proses daur ulangnya, kemungkinan logam beracun di dalamnya dapat bocor keluar ke lingkungan melalui sel melalui kebocoran sel ke sumber air tanah atau lebih buruk lagi! Untuk mengatasi hal ini, daur ulang harus memastikan baterai benar-benar habis sebelum memasuki proses daur ulang untuk meminimalkan kebocoran ke sumber air tanah, sumber air tanah yang beracun sehingga mencemari sebelum mengasamkan sumber air tanah, meracuni sumber pasokan air tanah; jadi baterai daur ulang harus mengasamkan kontaminasi air tanah tentu saja pengangkutan ke sumber air tanah yang bocor ke proses degradasi sebelum sumber air tanah yang diasamkan sebelum memasuki daur ulang di proses daur ulang lain sehingga kerusakan lingkungan dengan cara ini dari dalam sel sebelum memasuki proses daur ulang meninggalkan beberapa bentuk bocor ke sumber air tanah sebagai kebocoran kebocoran melalui kebocoran ke sumber air tanah sebelum memasuki proses daur ulang untuk memastikan baterai benar-benar habis sebelum memasuki proses daur ulang jika tidak, kebocoran dengan cara lain akan terjadi karena jika tidak, bahan kimia dan logam bocor ke lingkungan karena kebocoran sebelum memasuki pendaur ulang harus memastikan lingkungan setelah memasuki pendaur ulang harus memastikan mencegah kebocoran di luar sana karena jika tidak, kebocoran dari sel ke kebocoran kebocoran dapat bocor untuk memungkinkan kebocoran melalui cara ini atau yang lain dapat bocor.

Hidrometalurgi, metode utama untuk daur ulang baterai, melibatkan pembongkaran, penghancuran dan peleburan atau pelarutan bahan pada panas tinggi untuk menghasilkan massa hitam berbentuk bubuk yang terdiri dari logam katoda (nikel, mangan, dan kobalt) yang dicampur dengan litium hidroksida atau karbonat yang kemudian dapat digunakan untuk menghasilkan baterai lithium-ion baru atau dijual sebagai bahan mentah kepada produsen baterai lainnya.

Pendaur ulang menyadari bahwa mendaur ulang baterai itu mahal dan boros energi, sehingga untuk mengurangi dampak lingkungan, mereka telah mengembangkan teknik inovatif agar prosesnya lebih hemat biaya. Beberapa telah mengembangkan pendekatan yang lebih canggih dengan menggunakan reaksi kimia daripada suhu tinggi untuk memulihkan logam katoda; hal ini memungkinkan pendaur ulang untuk menggunakan berbagai bahan kimia baterai sambil menghindari biaya yang terkait dengan peleburan atau pelarutan bahan dalam cairan.

Northvolt, operator pabrik daur ulang baterai asal Swedia, telah berhasil mendirikan satu fasilitas daur ulang di Skelleftea dan akan membuka fasilitas daur ulang lainnya di dekat pabrik produksi mereka di Quebec pada tahun 2024 dengan menggunakan teknologi Revolt Ett - yang mengubah nikel, mangan, dan kobalt sulfat menjadi hidroksida dengan menggunakan proses hidrometalurgi; kemudian bahan daur ulang ini dapat digunakan untuk membuat baterai baru Northvolt atau dijual ke produsen baterai lain untuk tujuan daur ulang.

Fasilitas Revolt Ett milik Northvolt dapat menangani sebagian besar bahan kimia baterai, dengan fokus utama pada bahan yang mengandung nikel dan kobalt karena bahan-bahan ini lebih sulit didapat daripada ion lithium yang digunakan oleh baterai. Northvolt sedang mengerjakan metode lain yang memungkinkannya mendaur ulang lebih banyak komponen baterai - seperti rumah polimer dan anoda - secara efektif.

Para peneliti juga telah membuat kemajuan dalam memperbaiki katoda, kristal halus yang memasok baterai dengan voltase yang tepat. Sebuah studi yang diterbitkan di Joule menemukan bahwa baterai yang menggunakan katoda daur ulang bekerja sama efektifnya dengan baterai yang dibuat dari katoda yang baru ditambang.

Daur Ulang Langsung

Daur ulang langsung adalah metode yang secara langsung memulihkan, meregenerasi, dan menggunakan kembali komponen baterai tanpa terlebih dahulu membongkar struktur kimianya. Sebagai pendekatan baru untuk daur ulang baterai lithium-ion (LIB), daur ulang langsung dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi daur ulang sekaligus meminimalkan jejak ekonomi dan lingkungan. Daur ulang langsung telah membuktikan nilainya dibandingkan dengan pirometalurgi atau hidrometalurgi ketika mempertimbangkan efektivitas biaya, efisiensi energi, keberlanjutan, serta pelestarian struktur material yang memperpendek jalur daur ulang secara keseluruhan sekaligus meningkatkan kualitas material yang diregenerasi.

Namun, strategi ini menghadapi banyak hambatan yang menghalangi implementasi praktisnya, mulai dari proses pembongkaran, pemilahan, dan pemisahan hingga keterbatasan teknologi dan kekhawatiran masyarakat.

Para peneliti dan pendaur ulang bekerja keras untuk mengembangkan teknik daur ulang langsung yang lebih baik yang memastikan kelangsungan komersial, seperti proses Kyburz Swiss untuk menggergaji baterai yang sudah habis masa pakainya dengan teknik pengupasan yang inovatif dan kemudian mengubah elektrodanya kembali menjadi sel baru, sehingga metode ini lebih efisien daripada metode penghancuran dan pemisahan tradisional.

Proses ini telah disesuaikan untuk berbagai kimia sel LIB, serta bahan katoda dan anoda. Teknologi ini akan meningkatkan efisiensi produksi baterai sekaligus mengurangi aktivitas penambangan dan pemrosesan yang biasanya mahal, boros sumber daya, dan merusak lingkungan.

Pertimbangan juga harus diberikan pada bagaimana teknologi ini dapat mempengaruhi ekonomi sirkular. Produsen baterai harus memprioritaskan upaya daur ulang, mempromosikan upaya standarisasi, dan menerapkan protokol untuk berbagi informasi. Dengan melakukan hal ini, limbah dapat dikurangi sekaligus menciptakan rantai pasokan yang efisien yang memasok bahan baku utama ke industri manufaktur baterai global. Perusahaan yang tertarik untuk bekerja sama dengan Argonne dalam upaya ini dapat menghubungi Jeff Spangenberger, Pemimpin Kelompok Riset untuk Kelompok Daur Ulang dan Reaksi Material di Argonne National Laboratory. Argonne National Laboratory memberikan solusi untuk masalah-masalah nasional yang mendesak di bidang sains dan teknologi melalui penelitian fundamental dan terapan di hampir semua disiplin ilmu. Dioperasikan oleh UChicago Argonne LLC atas nama Kantor Sains Departemen Energi.