Oleh: Heru Setyawan
Dalam edisi bulan Mei 2022, majalah Chemical Engineering, dalam kolom Breakthrough Technology (Teknologi Terobosan), mengulas 8 teknologi, 4 diantaranya adalah teknologi yang memanfaatkan teknik elektrokimia, yakni: (i) rekoveri logam kritis, (ii) elektroliser membran berlapis katalis untuk produksi H2, (iii) elektrolisa umpan kapiler untuk produksi H2 hijau, dan (iv) baterai sulfur.
Teknologi Capacitive deionization untuk rekoveri logam kritis
Teknologi terobosan yang pertama adalah teknologi proses pemisahan elektrokimia untuk mengekstraksi dan mengambil kembali ion dari aliran cairan menggunakan teknik yang disebut capacitive deionization (CDI; diagram). Teknologi ini dikembangkan oleh Argonne National Laboratory (Lemont, Ill.; www.anl.gov). Teknologi ini bisa digunakan dalam rentang aplikasi yang luas yang meliputi daur ulang baterai dan manufaktur bio. CDI memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan teknik pemisahan tradisional seperti distilasi dan ekstraksi cais-cair karena teknik ini tidak membutuhkan pelarut kimia atau perubahan fasa.Teknik ini sekarang dipakai pada proses desalinasi skala besar, tetapi teknik ini juga menjanjikan dalam aplikasi rekoveri produk dan bahan baku.
Pada proses daur ulang baterai, setelah kemasan luarnya dibuka, berbagai komponen dari baterai yang telah berakhir umurnya biasanya ada dalam campuran cair multikomponen kompleks. Untuk memisahkan secara efisien logam kritis seperti litium dan kobalt dari campuran menggunakan metode pemisahan tradisional biasanya sangat sulit. CDI, dengan memanfaatkan bahan fungsional dan parameter operasi yang disetel halus, memberikan kemampuan untuk menyasar dan mengambil komponen minor dalam satu tahap. Bahan penjerap (sorbent) khusus yang dapat difungsionalisasi secara kimia untuk berinteraksi dengan ion tertentu yang menjadi perhatian dipakai sebagai elektroda sel CDI. Bahan sorbent dirancang memiliki luas permukaan sangat besar dengan banyak situs untuk adsorpsi dan selektif terhadap komponen yang akan diekstraksi.
Untuk daur ulang baterai, saat ini Argonne mengoperasikan sel skala laboratorium, yang jika dioperasikan secara kontinyu, memiliki kapasitas operasi sekitar 10 L/hari. Untuk menaikkan skala teknologi ini, parameter operasi masih terus disetel halus dan metode untuk memisahkan aliran yang dideionisasi dan kaya ion dalam sel diteliti. Parameter operasi penting yang diselidiki meliputi tegangan sel, laju alir dan waktu penerapan tegangan.
Elektroliser membran berlapis katalis untuk produksi H2
Teknologi membran berlapis katalis (catalyst-coated membrane; CCM) baru untuk produksi hidrogen, yang dikembangkan oleh Honeywell UOP (Des Plaines, Ill.; uop.honeywell.com), sedang menjalankan uji validasi kinerja yang bermitra dengan pabrik elektroliser proton-exchange membrane (PEM) dan anion-exchange membrane (AEM). Teknologi CCM ini dikatakan mencapai efisiensi elektroliser yang lebih tinggi dan rapat arus yang lebih tinggi daripada CCM yang ada saat ini.
UOP menggunakan beberapa metode untuk menerapkan katalis miliknya ke membran yang dirancang khusus untuk menghasilkan CCM baru. CCM diperkirakan dapat mencapai penurunan 25% biaya elektroliser bertingkat, berdasarkan pada sistem elektrolisa air PEM menggunakan daya terbarukan untuk memproduksi 2.300 metrik ton/tahun dengan 5000 jam operasi per tahun.
Saat ini Honeywell UOP bekerja untuk menaikkan skala (scale up) teknologi CCM dan juga sedang bekerja dengan mitra untuk validasi kinerja CCM jangka panjang.
Elektrolisa umpan kapiler untuk produksi H2 hijau
Hysata (Wollongong, Australia www.hysata.com) berdasarkan pada penelitian dari Universitas Wollongong (www.uow.edu.au) merancang sel elektroliser umpan kapiler baru untuk memproduksi hidrogen “hijau” (lihat disini). Dalam rancangan ini, air dipasok ke elektroda menggunakan pengangkutan kapiler yang difasilitasi oleh membran bersumbu yang tersedia secara komersial. Tidak seperti sel elektrolisa standar dimana elektroda dikelilingi oleh cairan, membran bersumbu ini mengambil cairan dari penampung di bawah elektroda dan mengirim elektrolit yang disasar diantara kedua elektroda. Membran berpori mempunyai luasan terbuka yang besar dan hambatan listrik yang jauh lebih kecil daripada separator yang dipakai dalam metode elektrolisa lain. Dengan demikian elektroliser beroperasi pada rapat arus yang sangat tinggi dengan tegangan rendah yang mengakibatkan efisiensi listrik tinggi dan biaya rendah.
Konfigurasi ini juga berarti bahwa elektroda secara terus menerus dilapisi dengan lapisan tipis elektrolit melalui mana gas O2 dan H2 dapat secara efisien pergi tanpa membentuk gelembung gas, yang dapat menghambat akses ke situs aktif pada elektroda. Karena gas dapat dihasilkan secara langsung pada antarmuka elektroda tanpa gelembung atau buih dalam cairan, elektroliser umpan kapiler dapat mencegah adanya hambatan dan inefisiensi perpindahan massa yang dialami elektroliser lain. Selain itu, jumlah air yang dibutuhkan juga dapat ditekan. Elektroliser baru ini mampu bekerja pada efisiensi sistem keseluruhan 95%, lebih tinggi jika dibandingkan dengan unti elektrolisa standar industri saat ini yang hanya 75%.
Hysata telah merancang arsitektur sel untuk diproduksi masal – selnya sendiri adalah injeksi-dapat dicetak dari bahan polimer yang tersedia secara luas, dan semua komponen inti lain, termasuk membran bersumbu, dibuat dari bahan yang ada di rak. Tidak seperti elektroliser pada umumnya, eletroda tidak memrlukan logam berharga. Modul sel yang sedang disiapkan adalah modul sel 5 MW, dengan pembuatan skala gigawatt ditargetkan mulai 2025. Modul ini akan menjadi blok pembangun untuk pabrik yang lebih besar.
Baterai sulfur
Theion GmbH (Berlin, Germany; www.theion.de) mengembangkan kelas baru baterai litium-sulfur keadaan padat yang diproduksi menggunakan prinsip serupa dengan pembuatan semikonduktor pada teknologi direct crystal imprinting/implanting (DCi). Teknologi pembuatan ini mampu mengurangi secara drastis biaya dan energi yang dibutuhkan untuk memproduksi baterai dibandingkan dengan baterai litium-ion umum.
Untuk teknologi katoda litium-sulfurnya, Theion menumbuhkan wafer sulfur polikristal dengan porositas berjenjang turun sampai 15% secara langsung dari leburan sulfur menggunakan pembawa bibit kristal tabung nano karbon (carbon nanotube) atau grafena. Untuk menginduksi pertumbuhan wafer sulfur dengan porositas disesuaikan adalah dengan menggunakan medan listrik tegangan tinggi. Dengan medan listrik tegangan tinggi tersebut, pertumbuhan dapat menyasar situs cacat yang ada pada pembawa bibit yang sesuai sebagai titik nukleasi dimana sulfur nano satu dimensi pertama kali terbentuk. Kemudian proses menyebar sepanjang pembawa bibit, terjadi pengembaran dan pencabangan kristal. Teknik ini mengurangi 90% energi yang dipakai untuk memproduksi baterai litium-ion tradisional. Selain itu, kemampuan pemakaian sulfur – hasil sampingan industri yang tidak mahal – untuk menggantikan kobalt dan nikel menurunkan biaya produksi lebih banyak lagi.
Sistem yang dibangun saat ini adalah sistem penumbuh wafer besar untuk wafer sulfur 120 mm pada 15 mAh/cm2. Proses produksi ini secara fundamental berbeda dengan proses baterai litium-ion umum dimana segala sesuatunya mulai dari sluri. Diharapkan garis produksi skala gigawatt dapat beroperasi sebelum tahun 2025.
Elkimkor 