Dengan kemajuan teknologi dan peningkatan standar hidup, baterai telah menjadi perangkat penyimpanan energi penting, banyak digunakan dalam peralatan elektronik seluler, kendaraan listrik, dan sistem baterai penyimpanan energi terbarukanNamun, karena masa pakainya yang terbatas, produksi baterai bekas dalam skala besar menimbulkan ancaman serius bagi lingkungan. Baterai bekas mengandung logam berat dan zat kimia berbahaya, yang jika tidak diolah dengan benar, dapat menyebabkan polusi ekologi jangka panjang, membahayakan kesehatan manusia, dan mengakibatkan hilangnya sumber daya logam berharga seperti litium, kobalt, dan nikel. Oleh karena itu, dari perspektif perlindungan lingkungan dan pemanfaatan sumber daya, pengolahan dan daur ulang baterai bekas yang efisien sangat penting untuk mencapai sirkularitas sumber daya dan pembangunan berkelanjutan.
Aplikasi Baterai dan Pertumbuhan Pasar
Selama sekitar 200 tahun terakhir, baterai telah berfungsi sebagai perangkat penyimpanan energi penting, yang banyak digunakan dalam elektronik portabel, kendaraan listrik, dan berbagai bidang lainnya karena biaya rendah, keamanan dan stabilitas, efisiensi konversi yang tinggi, dan kemampuan beradaptasi lingkungan yang baik [1]. Namun, dengan laju peningkatan konsumsi yang cepat dan permintaan kendaraan listrik yang terus tumbuh, diperkirakan bahwa dalam periode Januari hingga Juni 2024, pasar domestik dan internasional masing-masing akan menjual 318.1 GWh, 84.5 GWh, dan 23 GWh. Produksi dan penjualan kendaraan energi baru mencapai 4.929 juta unit, yang mewakili pertumbuhan tahun-ke-tahun masing-masing sebesar 30.1% dan 32.0%, sementara ekspor kendaraan listrik Tiongkok berjumlah 1.0849 juta unit, meningkat 36.9% dibandingkan dengan periode yang sama tahun lalu.
Umur Baterai dan Timbulnya Limbah
Selain itu, data menunjukkan bahwa baterai timbal-asam umumnya memiliki masa pakai 2–3 tahun, baterai nikel-metal hidrida 3–5 tahun, dan baterai litium-ion 2–6 tahun. Masa pakai yang pendek ini mengakibatkan banyaknya baterai bekas yang dihasilkan. Menurut prediksi dari Institut Penelitian Industri Bisnis Tiongkok, jumlah baterai yang sudah pensiun daya baterai lithium ion di Tiongkok akan mencapai 1.04 juta ton pada tahun 2025 dan meningkat menjadi 3.5 juta ton pada tahun 2030. Diperkirakan lebih lanjut bahwa ukuran pasar daur ulang baterai listrik di Tiongkok akan mencapai sekitar RMB 140 miliar pada tahun 2030, sekitar sembilan kali lebih besar dibandingkan tahun 2022.
Tantangan dalam Daur Ulang dan Regulasi Pasar
Namun, karena standar yang ketinggalan zaman, terbatasnya jumlah perusahaan yang memenuhi syarat, dan lemahnya pengawasan, sebagian besar baterai bekas berakhir di bengkel-bengkel kecil, menimbulkan risiko keselamatan yang signifikan dan secara serius menghambat pengembangan standar pasar daur ulang baterai di Tiongkok. Pada tahun 2023, tingkat daur ulang standar untuk baterai kendaraan energi baru di Tiongkok kurang dari 25%, dengan lebih dari 70% baterai bekas masuk ke jalur daur ulang ilegal. Pada tahun 2018, total baterai bekas yang sudah tidak digunakan lagi di Tiongkok mencapai 74,000 ton, di mana hanya 5,472 ton yang didaur ulang dengan benar, atau hanya 7.4% dari total baterai yang sudah tidak digunakan lagi, jauh di bawah nilai yang diproyeksikan.
Risiko Lingkungan dan Kesehatan
Penanganan material elektroda dan elektrolit baterai bekas yang tidak tepat dapat menyebabkan pencemaran lingkungan yang parah akibat pelepasan ion logam seperti nikel, kobalt, dan mangan, serta senyawa organik lainnya, yang juga dapat menimbulkan risiko bagi kesehatan manusia. Di saat yang sama, material-material ini memiliki nilai ekonomi yang signifikan. Tanpa daur ulang yang tepat, tidak hanya sumber daya berharga yang akan terbuang sia-sia, tetapi ketergantungan Tiongkok pada bijih besi juga akan meningkat, yang berpotensi memengaruhi ketahanan energi nasional.
Nilai Sumber Daya dan Signifikansi Strategis
Misalnya, kandungan kobalt, litium, dan nikel dalam material katode secara signifikan lebih tinggi daripada konsentrasinya dalam bijih alami, masing-masing mencapai sekitar 5%–20%, 5%–7%, dan 5%–10%, dan juga mengandung unsur-unsur renik seperti tembaga, aluminium, dan besi. Sumber daya litium menunjukkan pola distribusi geopolitik yang jelas, dan daur ulang dapat mengurangi ketergantungan pada pasokan asing sekaligus meningkatkan ketahanan sumber daya nasional. Pemulihan logam berharga yang efisien dari limbah baterai lithium-ion tidak hanya menghasilkan manfaat ekonomi besar tetapi juga memiliki makna geopolitik penting.
Tinjauan ini merangkum jenis-jenis baterai, sistem elektrokimia, dan prinsip pengoperasiannya. Tinjauan ini juga memberikan analisis komparatif antara desain baterai awal abad ke-19, seperti baterai seng-karbon dan baterai timbal-asam, dengan teknologi baterai modern, termasuk baterai nikel-metal hidrida (NiMH) dan baterai timbal-asam yang diatur katup (VRLA), dengan fokus pada mekanisme reaksi, kelebihan dan kekurangannya, serta bidang penerapannya, sebagaimana dijelaskan pada Tabel 1. Tinjauan ini menekankan bahwa teknologi baterai di masa depan akan terus dioptimalkan untuk masa pakai yang lebih lama, biaya yang lebih rendah, dan kinerja lingkungan yang lebih baik guna memenuhi beragam kebutuhan aplikasi perumahan, industri, dan kedirgantaraan.
Struktur dasar sebagian besar baterai biasanya mencakup katoda, anoda, elektrolit, separator, dan casing. baterai lithium-ion Sebagai contoh, dalam hal komposisi: bahan katode biasanya mengandung logam bervalensi tinggi, sementara bahan anoda utamanya terdiri dari bahan berbasis karbon seperti grafit, bahan logam, atau bahan silikon, dengan bahan berbasis karbon menjadi yang paling umum. Misalnya, pada baterai alkaline dan baterai seng-karbon, anoda utamanya terdiri dari seng logam, sedangkan mangan dioksida berfungsi sebagai katode.
Saat ini, elektrolit yang digunakan terutama berupa elektrolit cair (misalnya, litium heksafluorofosfat) dan elektrolit padat (misalnya, oksida, sulfida, polimer, dll.). Elektrolit cair menawarkan konduktivitas ionik yang lebih tinggi, sementara elektrolit padat memberikan kinerja keselamatan yang unggul. Pemisah baterai, yang biasanya terbuat dari polietilena (PE) atau polipropilena (PP), dapat diklasifikasikan sebagai membran PE atau PP satu lapis, atau membran PP/PE tiga lapis. Material casing umumnya terbuat dari logam atau material komposit.
Bahaya Baterai Bekas
Baterai bekas yang tidak didaur ulang menimbulkan risiko lingkungan dan kesehatan yang signifikan. Logam berat dan zat beracun dalam lindi baterai dapat mencemari tanah dan saluran air, mengganggu ekosistem alami. Polutan ini dapat terakumulasi secara bertahap di tanah dan tanaman, akhirnya memasuki tubuh manusia dan menimbulkan potensi ancaman kesehatan. Kontaminan baru dalam baterai—seperti nanostruktur logam, material berbasis karbon, dan cairan ionik—juga telah dipelajari secara ekstensif. Meskipun material-material ini dapat meningkatkan kinerja baterai, material ini juga dapat menyebabkan bahaya lingkungan yang serius. Misalnya, nanostruktur logam dapat meningkatkan kapasitas penyimpanan dan efisiensi energi, tetapi cenderung beragregasi, yang menyebabkan penurunan kinerja. Material berbasis karbon, seperti grafena dan karbon nanotube, dapat menimbulkan efek toksik pada ekosistem perairan. Cairan ionik dapat terakumulasi di tanah dan air, menghasilkan efek sitotoksik pada mikroorganisme.
Lebih jauh lagi, karena penelitian ekotoksikologi yang tidak memadai, teknologi daur ulang yang terbatas, dan kesenjangan regulasi, risiko lingkungan yang terkait dengan bahan baterai baru memerlukan perhatian yang lebih besar.
Penemuan material berbasis grafena (GFM) telah menimbulkan kekhawatiran mengenai dampak ekologisnya, terutama efek toksiknya terhadap organisme akuatik. Studi menunjukkan bahwa GFM menunjukkan toksisitas terhadap bakteri, alga, invertebrata, dan ikan, yang berdampak buruk terhadap kelangsungan hidup, pertumbuhan, dan reproduksi mereka. Misalnya, grafena oksida (GO) dapat menghambat pertumbuhan alga dan memicu stres oksidatif, yang menyebabkan kerusakan sel. Stabilitas dan mobilitas GFM di lingkungan akuatik dipengaruhi oleh sifat fisikokimia intrinsiknya dan parameter fisikokimia air. Perilakunya di dalam air, seperti adsorpsi dan agregasi, dapat mengubah distribusi dan nasib akhirnya dalam sistem akuatik.
Saat ini, pedoman keselamatan lingkungan untuk GFM belum lengkap, dan metode pengujian standar pun masih kurang. Oleh karena itu, penelitian lebih lanjut diperlukan untuk menentukan konsentrasi aktualnya di lingkungan dan dampak jangka panjangnya, guna menetapkan pedoman keselamatan dan strategi pengelolaan yang ilmiah dan andal.
Solusi Pengelolaan Baterai Limbah
Metode pembuangan utama untuk baterai bekas meliputi insinerasi, penimbunan, dan daur ulang [16]. Susana Xará dkk. mengevaluasi seluruh siklus hidup baterai, dari pembuangan konsumen hingga perawatan akhir atau penggabungan ke lingkungan, menggunakan metode Penilaian Siklus Hidup (LCA). Studi tersebut menemukan bahwa penimbunan memiliki dampak terbesar dalam hal pendudukan lahan dan kontaminasi air tanah jangka panjang, sementara insinerasi terutama memengaruhi emisi udara dan pemanfaatan sumber daya. Sebaliknya, daur ulang menawarkan keuntungan yang signifikan untuk perlindungan lingkungan dan pemulihan sumber daya. Proses daur ulang umumnya melibatkan praperlakuan, pelindian dan ekstraksi logam, dan persiapan produk [17] (lihat Gambar 2). Praperlakuan meliputi pembuangan, pembongkaran manual atau pemisahan mekanis, dan pemisahan bahan katoda dari aluminium foil. Metode umum meliputi pelarutan pelarut, pemisahan dengan bantuan ultrasonik, perlakuan termal, dan pemisahan mekanis.
Saat ini, proses pelindian dan ekstraksi logam terutama melibatkan pirometalurgi dan hidrometalurgi tradisional, serta teknik bio-metalurgi yang baru muncul (perbedaan spesifik dirangkum dalam Tabel. Pirometalurgi melibatkan perlakuan suhu tinggi terhadap baterai bekas untuk memperkaya dan mengendapkan unsur-unsur logam. Proses ini dimulai dengan pembongkaran dan penghancuran baterai untuk menghilangkan komponen non-logam dan memperoleh bahan elektroda. Selanjutnya, bahan elektroda menjalani pemanggangan, termasuk langkah-langkah reduksi dan oksidasi, untuk mengubahnya menjadi bentuk yang lebih mudah dikelola. Perlakuan suhu tinggi kemudian dikombinasikan dengan fluks dan agen pereduksi untuk menghasilkan paduan atau unsur-unsur logam, yang akhirnya dipulihkan melalui metode pemisahan fisik dan kimia.
Meskipun pirometalurgi sangat efektif untuk baterai bekas yang kompleks, seperti baterai timbal-asam, nikel-kadmium, dan seng-mangan, pirometalurgi membutuhkan banyak energi dan mencemari lingkungan. Komponen seperti timbal, kadmium, seng, dan merkuri dapat menguap atau mengendap pada suhu 300–400°C, sehingga memerlukan penanganan yang cermat. Oleh karena itu, pirometalurgi tetap menjadi metode utama untuk memulihkan logam-logam ini.
Hidrometalurgi menggunakan pelarut kimia untuk melarutkan unsur logam dari baterai bekas, diikuti dengan pemisahan dan ekstraksi menggunakan teknik kimia dan fisika. Proses ini dimulai dengan pembongkaran dan penghancuran baterai untuk mendapatkan material elektroda, yang kemudian dilindi menggunakan larutan asam atau basa untuk melarutkan unsur logam. Larutan yang dihasilkan dimurnikan melalui pertukaran ion, ekstraksi pelarut, atau metode lain untuk menghilangkan pengotor. Terakhir, logam berat diekstraksi dari air limbah melalui presipitasi dan elektrolisis. Hidrometalurgi sangat cocok untuk ekstraksi logam dengan kemurnian tinggi dari baterai nikel-metal hidrida dan litium-ion bekas, terutama untuk logam berharga seperti kobalt dan nikel. Namun, metode ini menghasilkan air limbah yang mengandung garam sehingga memerlukan pengolahan dan dapat menyebabkan polusi sekunder.
Biometalurgi melibatkan pemanfaatan mikroorganisme dan produk metabolismenya untuk mengekstraksi unsur logam dari baterai bekas secara efisien. Proses ini meliputi pembongkaran baterai yang rusak untuk mendapatkan material elektroda, dilanjutkan dengan bioleaching dalam kondisi yang sesuai menggunakan media mikroba khusus untuk melarutkan logam secara efektif. Tahap pemurnian selanjutnya menggunakan pertukaran ion dan ekstraksi pelarut, dan logam akhirnya dipulihkan melalui presipitasi dan elektrolisis. Biometalurgi sangat berharga untuk pemulihan logam bernilai tinggi seperti nikel dan kobalt.
