Ultrasonik untuk Daur Ulang Baterai Ion Litium

• Baterai ion litium yang digunakan pada mobil listrik kini baru mulai memasuki pasar massal, sehingga kapasitas daur ulang juga harus dikembangkan.
• Pelindian ultrasonik merupakan teknik yang efisien dan ramah lingkungan untuk memulihkan logam seperti Li, Mg, Co, Ni, dll. dari baterai ion litium bekas.
• Sistem ultrasonik industri Hielscher untuk aplikasi pelindian andal dan tangguh serta dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam fasilitas daur ulang yang sudah ada.

Daur Ulang Baterai Ion Litium

Baterai ion litium banyak digunakan pada kendaraan listrik (EV), laptop, dan ponsel. Artinya, baterai ion litium bekas merupakan tantangan saat ini dalam pengelolaan limbah dan daur ulang. Baterai merupakan komponen utama yang menentukan biaya kendaraan listrik, dan pembuangannya juga mahal. Aspek lingkungan dan ekonomi mendorong penerapan siklus daur ulang tertutup karena limbah baterai mengandung bahan berharga dan daur ulang membantu mengurangi jejak karbon pembuatan baterai ion litium.
Daur ulang baterai ion litium berkembang menjadi sektor industri yang pesat untuk memastikan ketersediaan logam tanah jarang dan komponen baterai lainnya pada masa mendatang serta mengurangi biaya lingkungan akibat pertambangan.

Daur Ulang Pirometalurgi dan Hidrometalurgi dibandingkan dengan Daur Ulang Baterai Ultrasonik

Di bawah ini, kami membandingkan metode konvensional berupa proses pirometalurgi dan hidrometalurgi dengan teknik pelindian ultrasonik dari segi kelebihan dan kekurangannya.

Kekurangan Daur Ulang Baterai Konvensional

Metode tradisional yang digunakan untuk daur ulang baterai ion litium mencakup proses pirometalurgi dan hidrometalurgi.
 
Metode pirometalurgi melibatkan proses bersuhu tinggi seperti peleburan atau insinerasi. Baterai dikenai panas ekstrem sehingga komponen organiknya terbakar habis, sedangkan komponen logam yang tersisa dilebur dan dipisahkan. Namun, metode ini memiliki beberapa kekurangan:

• Dampak Lingkungan: Proses pirometalurgi melepaskan emisi berbahaya dan polutan ke atmosfer, yang berkontribusi terhadap polusi udara dan berpotensi menimbulkan bahaya kesehatan.
• Kehilangan Bahan: Proses bersuhu tinggi dapat menyebabkan hilangnya bahan dan logam berharga akibat degradasi termal, sehingga menurunkan tingkat pemulihan keseluruhan.
• Kebutuhan Energi Tinggi: Metode ini biasanya memerlukan masukan energi yang besar, sehingga meningkatkan biaya operasional dan jejak lingkungan.

 
Metode hidrometalurgi melibatkan pelindian kimia untuk melarutkan komponen baterai dan mengekstraksi logam berharga. Meskipun lebih ramah lingkungan daripada metode pirometalurgi, hidrometalurgi memiliki kekurangannya sendiri:

• Penggunaan Bahan Kimia: Asam kuat atau bahan kimia korosif lainnya diperlukan untuk pelindian, sehingga menimbulkan kekhawatiran terkait penanganan bahan kimia, pengelolaan limbah, dan potensi pencemaran lingkungan.
• Tantangan Selektivitas: Pelindian selektif terhadap logam yang diinginkan dapat sulit dicapai, sehingga menyebabkan tingkat pemulihan yang lebih rendah dan potensi hilangnya sumber daya berharga.

 

Keunggulan Pelindian Baterai Ultrasonik dibandingkan dengan Teknik Konvensional

Dibandingkan dengan teknik daur ulang pirometalurgi maupun hidrometalurgi, teknik daur ulang baterai ultrasonik lebih unggul berkat berbagai kelebihan berikut:

1. Peningkatan Efisiensi: Sonikasi ultrasonik dapat mempercepat penguraian bahan baterai, sehingga menghasilkan waktu pemrosesan yang lebih singkat dan efisiensi keseluruhan yang lebih tinggi.
2. Peningkatan Tingkat Pemulihan: Penerapan kavitasi ultrasonik secara terkendali meningkatkan penguraian komponen baterai, sehingga meningkatkan tingkat pemulihan logam berharga.
3. Ramah Lingkungan: Daur ulang ultrasonik mengurangi ketergantungan pada suhu tinggi dan bahan kimia agresif, sehingga meminimalkan dampak lingkungan dan menurunkan emisi polutan.
4. Pelindian Selektif: Penerapan ultrasonik secara terkendali memungkinkan disrupsi terarah pada komponen tertentu di dalam baterai, sehingga memisahkannya secara efisien. Karena berbagai senyawa baterai yang dapat didaur ulang dilepaskan dan dilarutkan pada intensitas ultrasonik tertentu, parameter pemrosesan yang dioptimalkan memungkinkan pelindian selektif terhadap masing-masing bahan. Hal ini memudahkan pemisahan logam dan bahan berharga secara efisien.
5. Pengurangan Konsumsi Energi: Dibandingkan dengan metode hidrometalurgi dan terutama pirometalurgi, daur ulang ultrasonik umumnya lebih hemat energi, sehingga menurunkan biaya operasional dan mengurangi jejak karbon.
6. Skalabilitas dan Fleksibilitas: Skala sistem ultrasonik dapat dengan mudah diperbesar atau diperkecil untuk mengakomodasi berbagai ukuran baterai dan kapasitas produksi. Selain itu, sonikator untuk daur ulang baterai dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam fasilitas daur ulang baterai yang sudah ada. Tersedia dalam berbagai tingkat daya beserta aksesori yang sesuai, seperti probe ultrasonik dan reaktor sel alir, sonikator dapat menangani komponen baterai dengan berbagai ukuran dan kapasitas produksi, sehingga memberikan skalabilitas dan kemampuan adaptasi dalam proses daur ulang.
7. Integrasi Sinergis: Pelindian ultrasonik dapat diintegrasikan ke dalam lini daur ulang baterai hidrometalurgi yang sudah ada untuk mengintensifkan dan meningkatkan pelindian hidrometalurgi logam dan bahan berharga dari baterai ion litium bekas.

Secara keseluruhan, daur ulang baterai ultrasonik menunjukkan potensi sebagai metode yang lebih ramah lingkungan, efisien, dan selektif dibandingkan dengan pendekatan pirometalurgi dan hidrometalurgi tradisional.

 

Pelindian Ultrasonik Industri untuk Pemulihan Logam dari Baterai Bekas

Pelindian ultrasonik dan ekstraksi logam dapat diterapkan pada proses daur ulang baterai litium kobalt oksida (misalnya dari laptop, ponsel pintar, dll.) maupun baterai litium-nikel-mangan-kobalt yang kompleks (misalnya dari kendaraan listrik).
Ultrasonik berdaya tinggi dikenal luas karena kemampuannya memproses cairan kimia dan sluri untuk meningkatkan perpindahan massa dan memulai reaksi kimia.
Efek intens ultrasonikasi berdaya tinggi didasarkan pada fenomena kavitasi akustik. Dengan mengopel ultrasonik berdaya tinggi ke dalam cairan / sluri, gelombang tekanan rendah dan tekanan tinggi yang bergantian di dalam cairan menghasilkan gelembung vakum kecil. Rongga vakum kecil ini membesar selama beberapa siklus tekanan rendah / tekanan tinggi hingga mengalami implosi hebat. Gelembung vakum yang runtuh dapat dianggap sebagai mikroreaktor yang di dalamnya terjadi suhu hingga 5000K, tekanan hingga 1000atm, serta laju pemanasan dan pendinginan di atas 10^-10 . Selain itu, dihasilkan gaya geser hidrodinamik yang kuat dan semburan cairan dengan kecepatan hingga 280m/s. Kondisi ekstrem kavitasi akustik ini menciptakan kondisi fisik dan kimia yang luar biasa di dalam cairan yang selain itu tetap dingin, serta menciptakan lingkungan yang mendukung reaksi kimia (disebut sonokimia).

Kavitasi yang dihasilkan secara ultrasonik dapat menginduksi termolisis zat terlarut serta pembentukan radikal dan reagen yang sangat reaktif, seperti radikal bebas, ion hidroksida (•OH,) hidronium (H₃O+) dll., yang menghasilkan kondisi reaktif luar biasa di dalam cairan sehingga laju reaksi meningkat secara signifikan. Padatan seperti partikel dipercepat oleh semburan cairan dan digiling melalui tumbukan antarpartikel serta abrasi, sehingga meningkatkan luas permukaan aktif dan dengan demikian perpindahan massa.
Keunggulan utama pelindian ultrasonik dan pemulihan logam adalah kendali yang presisi atas parameter proses seperti amplitudo, tekanan, dan suhu. Parameter ini memungkinkan kondisi reaksi disesuaikan secara tepat dengan medium proses dan hasil yang ditargetkan. Selain itu, pelindian ultrasonik melepaskan bahkan partikel logam terkecil dari substrat sambil mempertahankan mikrostruktur. Peningkatan pemulihan logam disebabkan oleh pembentukan permukaan yang sangat reaktif secara ultrasonik, peningkatan laju reaksi, dan peningkatan perpindahan massa. Proses sonikasi dapat dioptimalkan dengan mengatur setiap parameter, sehingga tidak hanya sangat efektif tetapi juga sangat hemat energi.
Kendali parameter yang tepat dan efisiensi energinya menjadikan pelindian ultrasonik teknik yang menguntungkan dan unggul – terutama dibandingkan dengan teknik pelindian asam dan kelasi yang rumit.

Pemulihan Ultrasonik LiCoO₂ dari Baterai Ion Litium Bekas

Ultrasonikasi membantu pelindian reduktif dan pengendapan kimia, yang digunakan untuk memulihkan Li sebagai Li₂CO₃ dan Co sebagai Co(OH)₂ dari limbah baterai ion litium.
Zhang et al. (2014) melaporkan keberhasilan pemulihan LiCoO₂ menggunakan reaktor ultrasonik. Untuk menyiapkan larutan awal sebanyak 600mL, mereka memasukkan 10g serbuk LiCoO₂ yang tidak dapat digunakan ke dalam gelas beker dan menambahkan larutan LiOH 2,0mol/L, lalu mencampurnya.
Campuran dituangkan untuk menjalani iradiasi ultrasonik dan alat pengaduk dinyalakan; alat pengaduk ditempatkan di dalam wadah reaksi. Campuran dipanaskan hingga 120◦C, lalu perangkat ultrasonik diatur ke 800W dan mode kerja ultrasonik diatur ke siklus kerja berpulsa selama 5 detik AKTIF / 2detik NONAKTIF. Iradiasi ultrasonik diterapkan selama 6h, lalu campuran reaksi didinginkan hingga suhu ruang. Residu padat dicuci beberapa kali dengan air deionisasi dan dikeringkan pada 80◦C hingga bobot konstan. Sampel yang diperoleh dikumpulkan untuk pengujian selanjutnya dan produksi baterai. Kapasitas pengisian pada siklus pertama adalah 134,2mAh/g dan kapasitas pengosongan adalah 133,5mAh/g. Efisiensi pengisian dan pengosongan pertama adalah 99,5%. Setelah 40 siklus, kapasitas pengosongan masih 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Pelindian ultrasonik dengan asam organik seperti asam sitrat tidak hanya efektif, tetapi juga ramah lingkungan. Penelitian menemukan bahwa pelindian Co dan Li lebih efisien dengan asam sitrat dibandingkan dengan asam anorganik H2SO4 dan HCl. Lebih dari 96% Co dan hampir 100% Li berhasil dipulihkan dari baterai ion litium bekas. Fakta bahwa asam organik seperti asam sitrat dan asam asetat murah dan dapat terurai secara hayati memberikan keuntungan ekonomi dan lingkungan tambahan dari sonikasi.

Ultrasonik Industri Berdaya Tinggi untuk Pelindian Logam dari Baterai Bekas

Hielscher Ultrasonics adalah pemasok berpengalaman panjang untuk sistem ultrasonik yang sangat efisien dan andal, yang memberikan daya yang diperlukan untuk melindi logam dari bahan limbah. Untuk memproses ulang baterai ion litium dengan mengekstraksi logam seperti kobalt, litium, nikel, dan mangan, diperlukan sistem ultrasonik yang kuat dan tangguh. Unit industri Hielscher Ultrasonics seperti UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW), dan UIP16000 (16kW) merupakan sistem ultrasonik berkinerja tinggi yang paling kuat dan tangguh di pasaran. Semua unit industri kami dapat dijalankan terus-menerus dengan amplitudo sangat tinggi hingga 200µm dalam pengoperasian 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang disesuaikan dengan kebutuhan. Ketangguhan peralatan ultrasonik Hielscher memungkinkan pengoperasian 24/7 dengan beban kerja berat dan di lingkungan yang menuntut. Hielscher juga menyediakan sonotrode dan reaktor khusus untuk suhu tinggi, tekanan tinggi, serta cairan korosif. Hal ini menjadikan sonikator industri kami sangat sesuai untuk teknik metalurgi ekstraktif, misalnya perlakuan hidrometalurgi.

Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami:

---

---

Literatur/Referensi

• Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): Recovery of lithium and cobalt from spent lithium-ion batteries using organic acids: Process optimization and kinetic aspects. Waste Management 64, 2017. 244–254.
• Shin S.-M.; Lee D.-W.; Wang J.-P. (2018): Fabrication of Nickel Nanosized Powder from LiNiO₂ from Spent Lithium-Ion Battery. Metals 8, 2018.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO₂ from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Recovery of Lithium Cobalt Oxide Material from the Cathode of Spent Lithium-Ion Batteries. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.