Litium – logam ringan jarang yang mengubah gaya hidup dunia

Dalam terbitan 1 Juli 2021, majalah Chemical Engineering dalam kolom Breakthrough Technologies mengangkat isu teknologi elektrokimia untuk memanen litium (Li) dari air laut. Litium adalah logam lunak, putih seperti perak yang masuk dalam golongan logam alkali pada tabel periodik unsur. Di alam, litium hanya ditemukan dalam bentuk senyawa karena reaktivitasnya yang sangat tinggi. Litium terutama dipakai dalam baterai, kaca dan keramik, dan pemakaian lain yang meliputi bahan bakar roket dan laser.

Mungkin timbul pertanyaan mengapa keberhasilan memanen litium dari air laut menjadi salah satu terobosan teknologi? Bukankah litium banyak terkandung dalam air laut, bahkan kandungannya kira-kira 5.000 kali lebih besar daripada yang ditemukan di daratan. Itu betul, tetapi kadar litium dalam air laut sangat rendah, kira-kira hanya 0,2 ppm. Konsentrasi litium tertinggi yang dikenal ada di Salar de Acatama, Chile Utara, dengan kandungan rata-rata 0,14% (atau 1400 ppm) yang setara dengan sekitar 1.680 mg/l dengan densitas 1,2 g/cc (Ore Geology Review, 128, 103883, 2021). Air laut didominasi oleh ion lain yang kadarnya jauh lebih besar, a.l.: sodium (Na), magnesium (Mg) dan potasium (K). Ini menyebabkan ekstraksi Li dari air laut menjadi sangat sulit.

Fakta tentang litium

Cadangan dan pasar litium dunia

Menurut laporan Statista.com, Chile merupakan negara dengan cadangan litium terbesar di dunia dengan total cadangan terkira sebesar 9,2 juta metrik ton pada tahun 2020. Australia di tempat kedua dengan cadangan terkira 4,7 juta metrik ton pada tahun itu. Cadangan terkira mineral didefinisikan sebagai mineral yang dapat diekstrak dan diproduksi pada saat perkiraan. Gambar 1 menyajikan data cadangan terkira litium di negara dengan cadangan terbesar.

Meskipun Chile merupakan negara dengan cadangan terkira terbesar, dalam tingkat produksi tambang tidaklah demikian. Ditinjau dari tingkat produksinya, Australia adalah negara dengan tingkat produksi teratas pada 2020, yang memproduksi 40.000 metrik ton litium. Chile diurutan kedua dengan 18.000 metrik ton dan urutan ketiga ditempati oleh China dengan 14.000 metrik ton.

Proyeksi ke depan, pasar litium akan didominasi oleh pemakaiannya dalam baterai. Pasar baterai litium global diproyeksikan akan tumbuh secara eksponensial di tahun-tahun mendatang, dari 30 triliun dolar Amerika pada tahun 2017 menjadi 100 triliun dolar Amerika pada tahun 2025 (Statista.com). Pasar kendaraan listrik akan mendorong pertumbuhan pasar litium karena jumlah kendaraan hibrida dan listrik yang digerakkan oleh baterai litium dapat diisi ulang terus meningkat. Sampai 2028 diramalkan bahwa produsen terbesar sel baterai litium berdasarkan kapasitas produksi adalah CATL, LG Chem, dan Tesla. Diharapkan bahwa Jerman, China, Jepang dan Perancis akan menjadi negara terdepan yang memproduksi mobil listrik.

Produksi, ekstraksi dan pemurnian

Litium paling banyak diproduksi dari batuan mineral spodumen, atau melalui pemekatan brine.

Batuan spodumene dipanggang pada 1100^oC untuk mengubahnya menjadi bentuk yang lebih dapat diterima untuk penggerusan dan penggilingan menjadi serbuk, yang dibutuhkan untuk pemekatan dengan pengapungan busa (froth floatation). Konsentrat kemudian dilucuti dengan asam sulfat pada suhu tinggi untuk menghasilkan larutan litium sulfat. Ini dilucuti lagi dari padatan tersisa dengan air panas. Cairan sulfat kemudian diolah dengan kapur soda untuk menghilangkan pengotor kalsium, magnesium dan besi. Cairan kemudian dinetralkan lagi dengan lebih banyak asam sulfat dan dipekatkan menjadi 200 – 250 gram per liter Li₂SO₄. Karbonat dibentuk dengan penambahan sodium karbonat.

Litium yang terkandung dalam brine dipekatkan dengan penguapan dalam kolam. Proses pemekatan secara khusus efektif karena litium khlorida kelarutannya sangat tinggi. Akan tetapi, yield berkurang dengan adanya logam lain khususnya magnesium. Konsentrasi litium dalam cairan naik menjadi kira-kira 6% dimana pada titik itu diolah dengan sodium karbonat untuk mengendapkan litium karbonat. Litium karbonat dapat diubah menjadi logam litium melalui pengolahan dengan asam khlorida dan elektrolisa.

Terobosan memanen litium dari air laut

Kembali ke terobosan yang diulas dalam kolom Breakthrough Technologies majalah Chemical Engineering. Terobosan teknologi dalam memanen litium dari laut di atas dilakukan oleh peneliti dari King Abdullah University of Science and Technology (KAUST; Thuwal, Saudi Arabia; www.kaust.edu.sa) yang mengembangkan sebuah sistem yang layak secara ekonomi untuk mengekstrak litium dari air laut.

Seperti diuraikan dalam terbitan terbaru Energy & Environmental Science, tim KAUST mengembangkan sebuah sel elektrokimia yang bercirikan membran elektrolit keadaan padat – membran keramik yang dibuat dari litium lantanum titanium oksida (LLTO). Struktur membran ini mempunyai lubang yang lebarnya pas untuk melewatkan ion Li⁺, sedangkan ion yang lebih besar dihalangi. Sel elektrokimia mempunyai tiga kompartemen. Air laut mengalir melalui ruang umpan tengah, dimana ion Li⁺ melalui membran LLTO ke dalam kompartemen samping yang mengandung larutan penyangga dan katoda tembaga yang dilapisi dengan platinum dan ruthenium. Sementara itu, ion negatif keluar dari ruang umpan melalui membran penukar anion standar, masuk ke dalam kompartemen ketiga yang mengandung larutan NaCl dan anoda Pt-Ru.

Sistem telah menunjukkan mampu memperkaya air laut dari Laut Merah 43.000 kali – menaikkan konsentrasi dari 0,2 ppm menjadi lebih besar daripada 9000 ppm, dengan selektivitas Li/Mg diatas 45 juta. Li₃PO₄ dengan kemurnian 99,94% – cukup untuk pembuatan baterai – dibentuk dengan presipitasi. Nilai gas yang dihasilkan oleh sel (H₂ pada katoda, Cl₂ pada anoda) akan lebih daripada biaya ganti rugi listrik, yang diperkirakan $5 per 1 kg Li yang diekstrak.

(Heru Setyawan)