Mobil listrik dan baterai litium: Bagaimana upaya mendaur ulang baterai yang kebanyakan akan menjadi sampah?

Saat dunia mulai berencana untuk memakai kendaraan listrik dan menyimpan sumber daya terbarukan, ancaman besar mengintai: apa yang akan terjadi pada baterai-baterai litium yang lama?

Ketika derum yang nyaris tak bersuara dari mesin listrik mulai menggantikan suara berisik knalpot berasap di kendaraan yang kita pakai, beberapa perubahan dalam dunia yang kita kenal terjadi.

Bau pom bensin minyak fosil yang menyengat akan digantikan dengan stasiun pengisi baterai yang tak menguarkan bau tak enak.

Sementara itu, tempat-tempat generator energi raksasa yang menyimpan minyak bumi kemungkinan akan dialihfungsikan sebagai tempat penyimpanan baterai raksasa yang suatu hari nanti dapat menyuplai energi hijau untuk seluruh kota.

Masa depan daya listrik ini lebih dekat dari yang kita bayangkan. General Motors mengumumkan rencananya untuk berhenti menjual mobil bertenaga bensin pada 2035. Target Audi adalah berhenti memproduksinya pada 2033, dan banyak pabrikan mobil lainnya mengikuti.

Bahkan, menurut BloombergNEF, dua per tiga perusahaan mobil dunia akan menjual mobil listrik pada 2040. Sistem ini berkembang pesat di seluruh dunia berkat kemajuan teknologi penyimpanan baterai.

Baca juga:

Meskipun ini terlihat ideal dalam mencapai energi berkelanjutan, ada satu masalah besar.

Saat ini baterai ion litium (Li) merupakan jenis yang paling banyak dipakai oleh mobil listrik, dan megabaterai ini juga digunakan untuk menyimpan energi yang terbarukan. Permasalahannya, baterai litium sangat susah didaur ulang.

Salah satu alasannya adalah, metode daur ulang baterai yang lebih tradisional, seperti baterai timbal-asam, tidak bekerja dengan baik untuk baterai Li.

Baterai Li biasanya lebih besar, lebih berat, jauh lebih kompleks dan berbahaya bila dibongkar dengan cara yang salah.

Di pabrik daur ulang baterai yang ada sekarang, bagian-bagian baterai akan dihancurkan sampai berbentuk bubuk, kemudian bubuk itu akan dilelehkan (proses pyrometallurgy) atau dilarutkan dengan asam (proses hydrometallurgy).

Tapi baterai Li terbuat dari berbagai komponen berbeda yang bisa meledak bila tidak dibongkar dengan seksama dan hati-hati. Bahkan ketika baterai Li sudah berhasil dibongkar sekalipun, produk sisanya tidak akan mudah untuk dipakai kembali.

"Metode saat ini, yakni menghancurkan semuanya dan mencoba memurnikan campuran kompleks. Ini sangat mahal dan menghasilkan produk sisa yang tak ada nilainya," kata Andrew Abbot, ahli kimia fisik di Universitas Leicester.

Akibatnya, mendaur ulang baterai litium akan lebih mahal ketimbang menambang lebih banyak litium untuk membuat baterai baru. Juga, dalam skala besar, cara murah untuk mendaur ulang baterai Li jauh tertinggal dari produksinya yang massal.

Hanya ada sekitar 5% baterai Li yang didaur ulang secara global, artinya kebanyakan baterai ini akan menjadi sampah.

Tapi seiring dengan meningkatnya permintaan akan mobil listrik, dan seperti yang telah diprediksikan, dorongan untuk mendaur ulang lebih banyak baterai litium kemudian ditujukan pada industri baterai dan kendaraan bermotor.

Kelemahan di sisi daur ulang ini bukanlah satu-satunya alasan mengapa baterai litium buruk untuk lingkungan. Menambang berbagai logam yang dibutuhkan untuk membuat baterai litium juga membutuhkan sumber daya yang sangat besar.

Untuk menambang satu ton litium, butuh sekitar 500.000 galon (2.273.000 liter) air. Di Atacama Salt Flats yang terletak di Chili, litium dikaitkan pada berkurangnya vegetasi, suhu harian lebih panas, dan meningkatnya kondisi kering di daerah resapan air.

Jadi, meskipun mobil listrik mungkin mengurangi emisi karbon CO2 selama masa pakainya, baterai yang dipakai untuk membangkitkan energinya memulai masa kerja dengan jejak lingkungan yang sangat besar.

Jika jutaan baterai Li yang akan habis masa pakainya setelah sekitar sepuluh tahun didaur ulang dengan lebih efisien, maka ini akan membantu menetralkan semua energi yang dibuang pada proses pembuatannya.

Beberapa lab telah mencoba untuk menyempurnakan metode daur ulang yang lebih efisien sehingga, pada akhirnya, cara yang ramah lingkungan untuk mendaur ulang baterai Li dapat distandardisasi dan siap menghadapi permintaan tinggi benda tersebut.

"Kita harus menemukan cara untuk membuat baterai ini memasuki, apa yang kita sebut sebagai, siklus hidup yang melingkar. Lithium dan kobalt dan nikel membutuhkan banyak listrik dan daya saat penambangannya, dan proses penyempurnaannya menjadi baterai.

"Kita tidak bisa lagi memperlakukan baterai lithium sebagai benda sekali pakai," kata Shirley Meng, profesor teknologi energi di Universitas California, San Diego.

Cara mendaur ulang baterai lithium

Sel baterai litium memiliki katoda logam, atau elektroda positif yang mengumpulkan elektron selama reaksi elektrokimia, yang terbuat dari litium dan beberapa campuran elemen yang biasanya mencakup kobalt, nikel, mangan, dan besi.

Baterai Li juga memiliki anoda, atau elektroda yang melepaskan elektron ke sirkuit eksternal, yang terbuat dari grafit, sebuah pemisah dan elektrolit atau semacamnya, yang merupakan media yang mengangkut elektron antara katoda dan anoda.

Ion-ion litium bergerak dari anoda ke katoda membentuk arus listrik. Logam di katoda adalah bagian paling berharga dari baterai Li, dan inilah yang menjadi fokus ahli kimia untuk dilestarikan dan diperbarui guna dipakai kembali ketika mereka membongkar baterai Li.

Shirley Meng menganalogikan baterai Li seperti "rak buku" dengan banyak lapis, dan ion litium dengan cepat bergerak melintasi setiap rak, berputar kembali setiap kali sampai ke rak paling atas - ini adalah sebuah proses yang disebut interkalasi.

Setelah bertahun-tahun, rak buku itu akan secara alami mulai rusak. Jadi ketika ahli kimia seperti Meng membongkar baterai Li, itulah jenis degradasi yang mereka lihat pada struktur dan materialnya.

"Kami dapat menemukan mekanismenya, [dan] menggunakan panas atau semacam metode perawatan kimia, kami dapat mengembalikan rak buku itu [seperti semula]," kata Meng. "Jadi kita bisa memakai kembali lapisan yang didaur ulang itu, dan mengirimkannya ke pabrik untuk dirakit menjadi baterai baru."

Meningkatkan skala daur ulang akan memberi nilai ekonomis lebih bagi baterai Li yang sudah ada di luar sana. Inilah sebabnya mengapa para ilmuwan mengadvokasi proses daur ulang langsung yang dijelaskan Meng - karena dapat memberikan bagian paling berharga dari baterai Li, seperti katoda dan anoda, kehidupan kedua.

Tetapi saat ini, pembongkaran baterai Li kebanyakan dilakukan secara manual di laboratorium. Ini perlu diubah jika ingin bersaing dengan metode daur ulang yang lebih tradisional.

"Di masa depan, perlu ada lebih banyak teknologi dalam pembongkaran baterai litium," kata Abbott. "Jika baterai dirakit menggunakan robot, logikanya baterai harus dibongkar dengan cara yang sama."

Tim Abbott di Faraday Institution, Inggris, sedang meneliti pembongkaran baterai Li dengan robot sebagai bagian dari Proyek ReLib, yang mengkhususkan diri dalam daur ulang dan penggunaan kembali baterai Li.

Tim ini juga telah menemukan cara untuk mencapai daur ulang langsung anoda dan katoda menggunakan probe ultrasonik, "seperti yang digunakan dokter gigi untuk membersihkan gigi Anda," jelasnya.

"Ini fokus pada ultrasound di permukaan [baterai] yang menciptakan gelembung kecil, kemudian meletupkan dan meledakkan lapisan dari permukaan."

Proses ini menghindari keharusan untuk merusak bagian-bagian baterai, yang dapat membuat pemulihannya menjadi sangat sulit.

Menurut penelitian tim Abbott, metode daur ulang ultrasonik ini dapat memproses bahan 100 kali lebih banyak selama periode yang sama daripada metode hidrometalurgi yang lebih tradisional.

Dia mengatakan itu juga dapat dilakukan dengan biaya kurang dari setengahnya, dibandingkan membuat baterai baru dari bahan asli.

Abbott percaya bahwa proses tersebut dapat dengan mudah diterapkan pada skala besar, dan digunakan pada baterai berbasis jaringan yang lebih besar, karena mereka biasanya memiliki struktur sama, hanya berisi lebih banyak sel.

"Kami memiliki unit demonstrasi yang saat ini bekerja pada seluruh elektroda dan kami berharap dalam 18 bulan ke depan dapat menampilkan proses otomatisasi yang bekerja di fasilitas produksi," kata Abbott.

Baterai yang dapat terdegradasi

Beberapa ilmuwan menganjurkan untuk tak lagi menggunakan baterai Li dan menggantikannya dengan baterai yang dapat diproduksi dan didaur ulang dengan cara yang lebih ramah lingkungan.

Jodie Lutkenhaus, seorang profesor teknik kimia di Texas A&M University, telah mengerjakan baterai yang terbuat dari bahan organik yang dapat terdegradasi.

"Banyak baterai saat ini tidak didaur ulang karena energi dan biaya tenaga kerja yang terkait," kata Lutkenhaus.

"Baterai yang bisa terdegradasi dapat menyederhanakan atau menurunkan tantangan besar soal daur ulang. Akhirnya, produk degradasi ini dapat disusun kembali menjadi baterai baru yang segar, menutup lingkaran siklus hidup material."

Ini adalah argumen yang kuat, mengingat, bahkan ketika baterai Li dibongkar dan bagian-bagiannya diperbarui, masih akan ada beberapa bagian yang tidak dapat disimpan dan menjadi limbah.

Baterai yang dapat terurai seperti yang sedang dikerjakan oleh tim Lutkenhaus bisa menjadi sumber daya yang lebih berkelanjutan.

Baterai Organic Radical Batteries (ORBs) telah ada sejak tahun 2000-an, dan berfungsi dengan bantuan bahan organik yang disintesis untuk menyimpan dan melepaskan elektron.

"Baterai Radikal Organik memiliki dua [bahan] ini, keduanya bertindak sebagai elektroda, yang bekerja bersama untuk menyimpan dan melepaskan elektron, atau energi, bersama-sama," jelas Lutkenhaus.

Tim menggunakan asam untuk memecah ORB mereka menjadi asam amino dan produk sampingan lainnya, namun, kondisinya harus tepat agar bagian-bagian tersebut terdegradasi dengan benar.

"Akhirnya kami menemukan bahwa asam harus berada pada suhu tinggi," kata Lutkenhaus.

Ada sejumlah tantangan di masa depan untuk baterai yang dapat terdegradasi ini. Bahan yang dibutuhkan untuk membuatnya mahal, dan belum mampu menyediakan jumlah daya yang dibutuhkan untuk aplikasi permintaan tinggi seperti mobil listrik atau jaringan listrik.

Tapi mungkin tantangan terbesar yang dihadapi oleh baterai terdegradasi milik Lutkenhaus adalah bersaing dengan baterai Li yang sudah dipakai secara luas.

Baca juga:

Langkah selanjutnya bagi para ilmuwan yang mendorong daur ulang langsung baterai Li adalah bekerja sama dengan produsen baterai dan pabrik daur ulang untuk merampingkan proses dari pembuatan hingga penghancuran.

"Kami benar-benar mendorong semua produsen sel baterai untuk membuat barcode semua baterai sehingga dengan teknik AI, robot kami dapat dengan mudah memilah baterai," kata Meng. "Dibutuhkan seluruh sektor untuk bekerja sama guna mewujudkannya."

Baterai Li digunakan untuk memberi daya pada banyak perangkat yang berbeda, dari laptop hingga mobil, hingga jaringan listrik, dan susunan kimianya berbeda-beda - terkadang secara signifikan - tergantung pada tujuannya.

Ini harus tercermin dalam cara mereka didaur ulang. Para ilmuwan mengatakan pabrik daur ulang harus memisahkan berbagai baterai Li dalam jalur terpisah, mirip dengan bagaimana berbagai jenis plastik disortir saat didaur ulang, agar prosesnya menjadi lebih efisien.

Dan meskipun mereka menghadapi perjuangan yang berat, baterai yang lebih berkelanjutan perlahan tapi pasti muncul.

"Kita sudah bisa melihat berbagai desain perakitan dan pembongkaran baterai Li supaya lebih mudah, telah ada di pasaran. Kemungkinan ini akan menjadi topik penting dalam pengembangan baterai di masa depan," kata Abbott.

Di sisi produksi, produsen baterai dan mobil berupaya meminimalisir bahan yang dibutuhkan untuk membuat baterai Li guna membantu mengurangi pengeluaran energi selama penambangan dan limbah yang dihasilkan setiap baterai di akhir masa pakainya.

Pabrikan mobil listrik juga mulai menggunakan kembali dan memodifikasi kembali baterai mereka sendiri dengan berbagai cara. Misalnya, Nissan memperbarui baterai mobil Leaf lama dan memasukkannya ke dalam kendaraan berpemandu otomatis yang membawa suku cadang ke pabriknya.

Bergerak dengan kecepatan tinggi

Permintaan pasar yang terus meningkat untuk mobil listrik telah membuat perusahaan di industri otomotif menghabiskan miliaran dolar untuk meningkatkan keberlanjutan baterai Li.

Namun, China saat ini merupakan produsen baterai Li terbesar sejauh ini, dan kemudian menjadi yang terdepan dalam hal daur ulangnya.

Mengadopsi metode standar secara luas untuk mendaur ulang baterai Li yang mencakup aliran penyortiran untuk berbagai jenis akan membuat mereka selangkah lebih dekat.

Sementara itu, menggunakan teknologi AI untuk memperbarui bagian yang paling berguna, seperti katoda, dapat membantu negara-negara dengan pasokan komponen baterai Li yang kecil agar tidak terlalu bergantung pada China.

Mengembangkan baterai baru yang mungkin dapat menyaingi baterai Li juga kemungkinan akan mengguncang industri dengan menciptakan beberapa persaingan yang sehat.

"Saya pikir akan lebih baik jika kita mendiversifikasi portofolio baterai untuk penyimpanan energi, terutama untuk penyimpanan jaringan," kata Meng.

Baterai yang tidak terlalu rumit namun lebih aman dan lebih murah untuk dibuat dan lebih mudah didaur ulang di akhir masa pakainya adalah jawaban akhir untuk masalah keberlanjutan saat ini dengan mobil listrik.

Tetapi sampai baterai seperti itu muncul, menstandarisasi daur ulang baterai Li adalah langkah yang benar.

Dan sekitar tahun 2025, ketika jutaan baterai mobil listrik mencapai akhir siklus hidup awalnya, proses daur ulang yang disederhanakan akan terlihat jauh lebih menarik bagi perekonomian di seluruh dunia.

Jadi mungkin, pada saat mobil listrik menjadi bentuk transportasi utama, akan ada kesempatan supaya baterai mereka bersiap untuk kehidupan kedua.

--

Anda dapat membaca versi bahasa Inggris artikel ini dengan judul Lithium batteries' big unanswered questions di BBC Future .