Teknik pemanasan kilat mengekstrak logam berharga dari limbah baterai dengan cepat dan murah – Dunia Fisika

Teknik pemanasan kilat mengekstrak logam berharga dari limbah baterai dengan cepat dan murah – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 8 November 2023 4

Jinhang Chen (kiri) dan James Tour
Anggota tim: Jinhang Chen (kiri) dan James Tour. Atas izin: Jeff Fitlow/Universitas Rice)

Cara baru yang hemat biaya untuk memulihkan logam langsung dari limbah baterai litium-ion dapat secara signifikan mengurangi dampak lingkungan dari perangkat yang ada di mana-mana sekaligus memangkas waktu yang diperlukan untuk mendaur ulangnya hingga hampir 100 kali lipat. Dikembangkan oleh para ilmuwan di Rice University di AS, teknik ini dikenal sebagai pemanasan flash Joule, dan telah digunakan untuk memulihkan logam berharga dari bentuk limbah elektronik lainnya tanpa pelarut beracun dan dengan energi lebih sedikit dibandingkan metode laboratorium saat ini.

“Saat ini, 95% baterai tidak didaur ulang karena kita tidak memiliki kapasitas untuk mendaur ulangnya, meskipun limbah elektronik meningkat sebesar 9% setiap tahunnya,” kata Tur James, ilmuwan nano Rice yang memimpin proyek ini. Popularitas mobil listrik baru-baru ini menambah urgensi masalah ini, ia menambahkan: “Baterai pada kendaraan listrik bertahan sekitar 10 tahun, dan banyak di antaranya yang sudah habis masa berlakunya, karena sudah sekitar 10 tahun kami menggunakannya.”

Baterai bekas yang tidak didaur ulang sebagian besar berakhir di tempat pembuangan sampah, begitu pula berbagai bentuk limbah elektronik (e-waste) lainnya. Hal ini berdampak buruk bagi lingkungan, karena limbah elektronik seringkali mengandung logam berat, termasuk beberapa yang beracun. Hal ini juga merupakan peluang komersial yang terlewatkan, karena limbah elektronik pada prinsipnya dapat menjadi sumber logam mulia yang penting dan berkelanjutan seperti rhodium, paladium, perak, dan emas serta unsur-unsur yang lebih murah seperti kromium, kadmium, timbal, dan merkuri.

Masalahnya adalah metode daur ulang limbah elektronik masih jauh dari sempurna. Yang paling umum didasarkan pada pirometalurgi, yang melibatkan pembuatan sup logam cair pada suhu tinggi. Metode-metode ini kurang selektif, boros energi, dan menghasilkan asap berbahaya yang mengandung logam berat, terutama jika limbah tersebut mengandung logam dengan titik leleh yang relatif rendah seperti merkuri, kadmium, atau timbal.

Teknik lain menggunakan hidrometalurgi, yang melibatkan pencucian logam dari limbah elektronik menggunakan asam, basa, atau sianida. Meskipun metode ini lebih selektif, metode ini menghasilkan limbah cair atau lumpur dalam jumlah besar dan melibatkan reaksi kimia yang lambat secara kinetik sehingga sulit untuk ditingkatkan skalanya. “Banyak proses daur ulang baterai saat ini melibatkan penggunaan asam yang sangat kuat, dan ini cenderung menjadi proses yang berantakan dan tidak praktis,” jelas Tour.

Alternatif selanjutnya, biometalurgi, memisahkan logam dengan memanfaatkan proses biologis alami dalam mikroorganisme, namun rangkaian teknik yang menjanjikan ini masih dalam tahap awal.

Hilang dalam sekejap

Pada tahun 2020, Tour dan rekan-rekannya di Rice mengembangkan cara memproduksi graphene dari sumber karbon seperti limbah makanan dan plastik. Kemudian, mereka mengadaptasi metode pemanasan flash Joule ini memulihkan logam mulia dari limbah elektronik dan menghilangkan bahan beracun dari sisa bahan.

Teknik ini berhasil karena tekanan uap logam dalam limbah elektronik sangat berbeda dengan komponen limbah lainnya seperti karbon, keramik, dan kaca. Dalam proses yang dikenal sebagai pemisahan evaporatif, para peneliti menguapkan logam-logam ini dalam ruang flash dengan menerapkan arus kuat yang berlangsung kurang dari 1 detik, memanaskan limbah hingga 3400 K.

Uap tersebut kemudian diangkut dalam kondisi vakum dari ruang flash ke perangkap dingin di mana mereka mengembun menjadi unsur-unsur penyusunnya, jelas anggota tim Bing Deng. Campuran logam dalam perangkap kemudian dapat dimurnikan lebih lanjut menggunakan metode pemurnian yang sudah ada.

Mengaktifkan massa hitam

Dalam studi terbaru mereka, Tour dan rekannya memperluas proses ini ke apa yang disebut massa hitam, yaitu gabungan limbah yang berasal dari katoda dan anoda dalam baterai lithium-ion. Dengan menggunakan pendekatan pemanasan Joule, tim memanaskan massa hitam hingga suhu di atas 2100 K dalam beberapa detik. Perlakuan suhu tinggi yang sangat cepat ini menghilangkan lapisan inert pada logam baterai sekaligus menurunkan bilangan oksidasi massa hitam, sehingga dapat dilarutkan dalam asam encer.

“Apa yang kami temukan adalah jika Anda 'menyalakan' massa hitam tersebut, maka Anda dapat dengan mudah memisahkan logam-logam penting hanya dengan menggunakan asam klorida konsentrasi rendah,” jelas Tour. “Bisa dibilang flash membebaskan logam, sehingga lebih mudah larut. Kami masih menggunakan asam, tapi lebih sedikit.”

Dengan menggunakan metode ini, tim memulihkan lebih dari 98% logam dari berbagai jenis limbah baterai campuran. Terlebih lagi, melarutkan sampah membutuhkan waktu kurang dari 20 menit, dibandingkan dengan 24 jam jika menggunakan metode tradisional.

“Industri secara tradisional mencoba mendaur ulang massa hitam, namun strategi daur ulang saat ini dibatasi oleh prosedur pengolahan yang rumit serta konsumsi energi dan CO yang besar.2 emisi,” kata anggota tim Weiyin Chen. “Hasil terpenting dari proses kami adalah mengurangi penggunaan asam sebanyak 10 kali lipat dan konsumsi waktu sebanyak 100 kali lipat selama daur ulang.”

Para peneliti Rice mengatakan mereka kini berupaya meningkatkan teknik daur ulang mereka. “Kami telah mendemonstrasikan pemulihan tingkat kilogram di laboratorium kami dan proses flash-Joule mungkin dapat diintegrasikan ke dalam sistem berkelanjutan di masa depan,” kata Chen. Dunia Fisika.

Mereka menggambarkan pekerjaan mereka di Kemajuan ilmu pengetahuan.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika