[Analisis SMM] Tim Indonesia, Daur Ulang Baterai Campuran Lithium, Optimalisasi Proses dan Peningkatan Efisiensi

Berita SMM 21 Februari:

Sebuah tim peneliti dari Universitas Gadjah Mada di Indonesia dan institusi lainnya berkomitmen untuk mengeksplorasi metode inovatif dalam memulihkan lithium dari limbah baterai lithium-ion. Para peneliti berhasil mencapai tingkat pemulihan lithium hingga 95,7% dengan selektivitas 100% dari baterai ternary melalui kombinasi reduksi karbotermal dengan pelindian air dalam kondisi atmosfer.

Saat ini, pasar kendaraan listrik global terus berkembang, dan dua jenis baterai lithium-ion mendominasi bidang ini. Di antaranya, baterai ternary terkenal karena kepadatan energinya yang tinggi dan cocok untuk kendaraan listrik jarak jauh, sementara baterai LFP disukai karena keamanannya yang tinggi, stabilitas yang baik, dan efisiensi biaya. Namun, komposisi limbah baterai lithium-ion yang kompleks dan beragam menimbulkan tantangan signifikan dalam proses daur ulang. Secara khusus, perbedaan komposisi antara baterai ternary dan baterai LFP semakin meningkatkan kompleksitas proses daur ulang. Studi ini berfokus pada penggunaan pelindian air atmosfer untuk secara selektif mengekstraksi lithium dari massa hitam baterai ternary, mengatasi tantangan utama dalam proses daur ulang.

Para peneliti mengumpulkan katoda baterai ternary dan LFP bekas dari sumber daur ulang lokal dan mengekstraksi massa hitam sebagai bahan utama untuk diproses. Selanjutnya, perlakuan karbotermal dilakukan pada berbagai campuran massa hitam (mulai dari ternary murni hingga rasio 50:50 antara ternary dan LFP, dengan suhu perlakuan diatur antara 750-950°C) dan diuji pada laju pemanasan 5°C, 10°C, dan 15°C per menit. Setelah perlakuan karbotermal, pelindian air dilakukan pada massa hitam untuk mengevaluasi efisiensi pemulihan lithium.

Untuk menganalisis proses secara mendalam, para peneliti menggunakan berbagai metode analisis. Komposisi unsur dideteksi menggunakan spektroskopi emisi plasma terinduksi; fase dan komposisi ditentukan melalui difraksi sinar-X; morfologi permukaan dan distribusi unsur dipelajari menggunakan mikroskop elektron pemindaian dan spektroskopi sinar-X dispersif energi; gugus fungsi dalam senyawa dieksplorasi melalui spektroskopi Raman; dan analisis termogravimetri dilakukan dalam rentang suhu 30-1.200°C untuk memantau perubahan panas dan massa selama proses reduksi karbotermal secara real-time.

Studi menemukan bahwa laju pemanasan selama proses karbotermal secara signifikan memengaruhi tingkat pemulihan lithium selama pelindian air. Secara khusus, tingkat pemulihan lithium menurun seiring meningkatnya laju pemanasan, dengan tingkat pemulihan tertinggi sebesar 92,06±0,42% dicapai pada laju pemanasan 5°C/menit. Hal ini karena laju pemanasan yang lebih tinggi mengganggu keseragaman reaksi reduksi, menyebabkan distribusi suhu yang tidak merata dalam partikel dan pembentukan senyawa lithium residu yang tidak larut.

Suhu target juga memengaruhi efisiensi reduksi karbotermal. Seiring meningkatnya suhu, tingkat pemulihan lithium menunjukkan tren penurunan. Meskipun analisis termogravimetri menunjukkan peningkatan reduksi logam pada suhu yang lebih tinggi, lithium menjadi terperangkap dalam fase paduan Ni-Co yang terbentuk pada suhu tersebut, yang mengakibatkan penurunan tingkat pemulihan lithium. Hasil difraksi sinar-X juga mengonfirmasi keberadaan fase paduan ini, yang menghambat ekstraksi lithium selama proses pelindian.

Analisis TGA mengungkapkan perubahan massa yang signifikan selama reduksi karbotermal massa hitam campuran LFP-ternary, menunjukkan potensi reaksi atau transformasi fase/struktur dalam material padat. Selain itu, seiring meningkatnya proporsi LFP dalam massa hitam campuran, tingkat pemulihan lithium secara bertahap menurun, terutama selama reduksi karbotermal pada suhu 950°C. Selain itu, perubahan suhu perlakuan memiliki dampak yang relatif kecil pada pemulihan lithium dari campuran ternary-LFP. Hal ini menunjukkan bahwa tantangan utama dalam proses reduksi karbotermal massa hitam baterai campuran bukan berasal dari kondisi operasional tetapi dari reaksi kimia antara komponen, yang menghasilkan senyawa yang tahan terhadap pelindian air.

Studi ini menunjukkan bahwa menggabungkan reduksi karbotermal dengan pelindian air atmosfer adalah metode yang efektif untuk memulihkan lithium dari massa hitam baterai campuran ternary-LFP. Dalam kondisi yang dioptimalkan (950°C, laju pemanasan 15°C/menit, waktu perlakuan 2 jam), efisiensi pemulihan lithium dari massa hitam ternary murni mencapai 95,7±0,31%, dengan kemurnian 100%.

Namun, ketika jumlah LFP yang sama ditambahkan ke massa hitam ternary, proses pemulihan terganggu, dan tingkat pemulihan lithium turun secara signifikan menjadi 9,78±0,44%. Hal ini disebabkan oleh pembentukan Li3PO4 yang tidak larut dalam air dan terperangkapnya lithium dalam matriks paduan Fe-Ni-Co dan Ni-Co.

Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti menambahkan natrium karbonat selama proses reduksi karbotermal untuk menekan pembentukan Li3PO4. Penyesuaian ini meningkatkan tingkat pemulihan lithium menjadi 59,47%, sambil mempertahankan kemurnian 100% dengan mengonversi lithium menjadi lithium karbonat yang stabil. Temuan ini menunjukkan bahwa dalam aplikasi daur ulang praktis, penambahan aditif karbonat dan penyesuaian kondisi proses yang wajar dapat meningkatkan efisiensi pemulihan lithium.

Tim Penelitian Energi Baru SMM

Cong Wang 021-51666838

Rui Ma 021-51595780

Disheng Feng 021-51666714

Ying Xu 021-51666707

Yanlin Lü 021-20707875

Yujun Liu 021-20707895

Xiaodan Yu 021-20707870

Zhicheng Zhou 021-51666711

He Zhang 021-20707850