Ini adalah tinjauan literatur yang tersedia terkait dengan analisis siklus hidup (LCA) baterai sel tertutup standar dan yang dapat diisi ulang. Kategori baterai ini mencakup jenis baterai AA, AAA, C, D, dan 9V yang familiar bagi konsumen. Meskipun ruang lingkup proyek ini bukan untuk melakukan LCA dari awal, harapannya adalah literatur yang tersedia, dan tambahan dari pembaca seperti Anda, akan melengkapi isi halaman ini. Bagian dari wiki ini mencakup: (1) dasar-dasar teknologi baterai, (2) perbedaan antara baterai primer dan sekunder, (3) spesifikasi tiga jenis baterai berbeda yang merupakan sampel representatif, (4) tinjauan LCA yang mencakup aspek-aspeknya. produksi, distribusi, penggunaan dan pembuangan.
Isi
Dasar-dasar Baterai
Ada dua jenis utama baterai: sel kering dan sel basah. Baterai sel kering lebih umum digunakan konsumen dan oleh karena itu, tinjauan siklus hidup ini akan fokus pada baterai sel kering. Tiga bagian utama sel kering seng-karbon tradisional adalah pasta elektrolitik, elektroda positif, dan tabung luar negatif. Elektroda positif adalah batang karbon konduktif. Pasta elektrolitik memisahkan anoda (sisi bermuatan negatif) dan katoda (sisi bermuatan positif). Elektron bebas, yang diperoleh dari reaksi kimia antara pasta dan tabung, dikumpulkan di anoda tetapi tertarik ke katoda. Namun, konstruksi baterai membatasi elektron mencapai katoda kecuali ada jalur eksternal. Hal ini menghasilkan arus ketika rangkaian eksternal dibuat, seperti arus di sungai ketika air dibiarkan mengalir menuruni bukit karena potensi ketinggian. Potensial listrik yang terbentuk akibat penutupan rangkaian memungkinkan aliran elektron dari anoda ke katoda; arus tersebut kemudian dapat digunakan untuk mengalirkan energi ke suatu peralatan, seperti filamen bohlam senter. Perbedaan potensial antara anoda dan katoda merupakan tegangan sel. Tegangan mempengaruhi aliran atau arus elektron melalui rangkaian. [1] Istilah baterai benar digunakan untuk kumpulan sel meskipun sering kali baterai merujuk pada satu sel jika jelas dari konteksnya. Sel dapat disusun secara elektrik secara seri untuk mengalikan tegangan terminal atau secara paralel untuk meningkatkan arus yang tersedia. Sebuah sel tunggal akan memiliki tegangan rangkaian terbuka yang bergantung pada jenis selnya. Sel kering seng-karbon dan basa tradisional memiliki potensi nominal 1,5V, sel litium mungkin memiliki tegangan sekitar 3 hingga 4V dan sel asam timbal normal mendekati 2V.
Primer vs. Sekunder
Jenis baterai sel kering yang dipertimbangkan dalam LCA ini dapat dibagi lagi menjadi jenis baterai primer (sekali pakai) dan baterai sekunder (dapat diisi ulang). perbedaannya adalah kemampuan baterai sekunder untuk diisi ulang setelah penggunaan awal. Sel primer diproduksi dengan muatan penuh dan tidak dapat diisi ulang karena sifat reaksi elektrokimia yang tidak dapat diubah yang digunakan pada baterai jenis ini. Baterai sekunder tidak selalu diproduksi dengan daya penuh dan dapat diisi ulang oleh pengguna beberapa kali. Meskipun sifat baterai sekunder yang dapat dibalik memungkinkannya untuk diisi ulang, komposisi bahan kimia aktifnya akan menurun seiring penggunaan, sehingga menghasilkan jumlah siklus pengisian ulang yang terbatas. Sel sekunder akan menerima muatan untuk banyak siklus tetapi karena kapasitas penyimpanannya menurun pada setiap siklus, jumlah siklus yang berguna menjadi terbatas. [2]
Jenis baterai
Bagian ini membahas beberapa jenis baterai primer dan sekunder yang lebih umum. LCA hanya akan mencakup jenis-jenis ini. Mereka dipilih karena merupakan salah satu yang paling umum digunakan dan sebagian besar dapat dipertukarkan dalam penerapannya. [3]
Tipe 1: Baterai Alkaline
Baterai alkaline menggunakan karbon dan magnesium dioksida (MnO 2 ) sebagai katoda dan bubuk seng sebagai anoda. Kotak baja dan strip kuningan masing-masing menghubungkan katoda dan anoda ke terminal baterai. Beberapa baterai alkaline mungkin mengandung merkuri untuk meningkatkan konduktivitas. Pasta alkali kalium hidroksida (KOH) digunakan sebagai elektrolit. [4]
Tipe 2: Baterai Seng-Karbon
Baterai seng karbon menggunakan karbon dan magnesium dioksida (MnO 2 ) sebagai katoda dan seng sebagai anoda. Strip kuningan menghubungkan katoda ke terminal negatif dan anoda seng padat dihubungkan langsung ke terminal positif. Seng klorit (ZnCl 2 ) digunakan sebagai elektrolit. Baterai seng-karbon yang lebih tua mungkin mengandung sejumlah kecil timbal atau kadmium di anodanya. [5]
Tipe 3: Nikel-Kadmium (NiCd)
Baterai Nikel-Kadmium menggunakan katoda kadmium dan anoda nikel hidroksida. Elektrolit yang digunakan adalah campuran kalium hidroksida (KOH) dan litium hidroksida (LiOH). [6]
Hasil/metode Analisis Siklus Hidup
Penilaian atau analisis siklus hidup penting untuk membandingkan dampak dari dua produk atau layanan serupa. Dalam hal ini, perbandingan antara baterai sekali pakai (baterai primer), seperti alkaline dan isi ulang (baterai sekunder) seperti Nickel-Cadmium (Ni-Cd), Nickel Metal Hydride (Ni-MH) atau Lithium Ion (Li-ion) ) dipelajari dari literatur yang tersedia. LCA ini hanya memeriksa baterai konsumen yang umum terdapat pada mainan dan perangkat elektronik kecil seperti baterai 'AA' dan 'C'. Beberapa pertimbangan dalam semua tahapan masa pakai baterai antara lain: [7]
- PED (Permintaan Energi Primer): jumlah total energi primer yang diekstraksi dari bumi (dalam MJ).
- GWP (Potensi Pemanasan Global): Kontribusi terhadap pemanasan global di atmosfer melalui pelepasan gas tertentu (dalam kg CO 2 equ.)
- ODP (Potensi Penipisan Lapisan Ozon): Kontribusi terhadap penipisan ozon stratosfer melalui pelepasan gas tertentu (dalam kg R11 equ.)
- AP (Potensi Pengasaman): Pengasaman oleh gas yang dilepaskan ke atmosfer (dalam kg SO 2 equ.),
- EP (Potensi Eutrofikasi): Pengayaan air dalam unsur nutrisi dengan pelepasan zat tertentu dalam limbah (dalam kg PO 4 3- equ.)
- WD (Penipisan Air): Konsumsi air (dalam kg H 2 O).
Untuk analisis yang paling efektif dan dapat dibandingkan, setiap perbandingan harus dinormalisasi untuk membandingkan “apel dengan apel”. Energi adalah metrik yang baik untuk dinormalisasi. Misalnya, megajoule (MJ), dapat digunakan untuk mewakili energi yang dibutuhkan untuk memproduksi baterai dengan berat tertentu, energi yang dibutuhkan dalam pembakaran solar untuk mengangkut baterai dengan berat tertentu, atau energi yang dibutuhkan untuk mendaur ulang baterai dengan berat tertentu. Untuk siklus hidup ini, cara termudah untuk menormalkan semuanya adalah dengan basis gram per megajoule (g/MJ).
Manufaktur
Selain bahan pembuat baterai, bahan dan energi sekunder atau tidak langsung juga dikonsumsi dalam produksi baterai. Peralatan manufaktur harus dijalankan, dipelihara, dan pada akhirnya diganti, yang semuanya menimbulkan biaya material di luar material yang dimasukkan ke dalam baterai. Bahan-bahan ini bisa beragam dalam hal pembuatan baterai. Untuk perbandingan jenis baterai primer dan sekunder yang dipilih, dilakukan perbandingan antara $100 juta yang dikeluarkan untuk pembuatan perangkat penyimpanan primer dan sekunder (Tabel 1).
| Utama | Penyimpanan | |||
| $100 | $100 | $2 | ||
| Pupuk ($) | mengandung nitrogen | 65 | 95 | 1.9 |
| amonium nitrat | 2.200 | 2.400 | 48 | |
| amonium sulfat | 4.100 | 5.600 | 110 | |
| pupuk organik | 20.000 | 24.000 | 478 | |
| pupuk fosfat | 14 | 7 | 0,14 | |
| super fosfat | 2.600 | 2.200 | 43 | |
| bahan bakar | batubara bitumen (t) | 26.000 | 23.000 | 466 |
| gas alam (t) | 7.000 | 7.600 | 152 | |
| gas alam cair (t) | 500 | 540 | 11 | |
| gas minyak bumi cair (t) | 800 | 670 | 13 | |
| bensin motor (t) | 990 | 1.700 | 34 | |
| minyak tanah (kg) | 880 | 870 | 17 | |
| penerbangan dan bahan bakar jet (t) | 450 | 430 | 8.6 | |
| bahan bakar minyak ringan dan berat (t) | 3.100 | 4.100 | 82 | |
| bijih (t) | besi | 11.000 | 2.800 | 56 |
| tembaga | 19.000 | 68.000 | 1.400 | |
| bauksit | 840 | 1.100 | 22 | |
| emas | 16.000 | 66.000 | 1.300 | |
| perak | 340 | 800 | 16 | |
| bijih ($) | paduan besi | 21.000 | 9.400 | 190 |
| timbal dan seng | 93.000 | 758.000 | 15.000 | |
| uranium dan vanadium | 8.900 | 57.000 | 1.100 | |
| penggunaan air (10 6 L) | pemasukan | 3.100 | 1.900 | 38 |
| didaur ulang dan digunakan kembali | 5.100 | 2.900 | 58 | |
| dipulangkan tanpa diobati | 1.400 | 870 | 17 | |
| listrik (10 6 kWh) | 63 | 96 | 1.9 | |
| konversi bahan bakar (TJ) | 1.400 | 1.400 | 28 | |
Asumsi dibuat dalam pembuatan Tabel 1 bahwa baterai sekunder harganya empat kali lipat dibandingkan baterai primer. Untuk perbandingan langsung ini, baterai primer menggunakan sumber daya yang lebih sedikit untuk diproduksi dibandingkan baterai sekunder di sebagian besar kategori. Tabel tersebut juga membuat perbandingan dengan mempertimbangkan kemampuan baterai sekunder untuk digunakan berkali-kali. Asumsi yang dibuat adalah baterai sekunder dapat menggantikan baterai primer selama 200 siklus. [9] Berdasarkan asumsi ini, baterai sekunder memiliki keunggulan yang jauh lebih besar dalam sumber daya manufaktur. Keuntungan ini sepenuhnya bergantung pada penggunaan baterai sekunder yang tepat. Pertimbangan lain dalam produksi baterai adalah keterbatasan dalam teknologi manufaktur dan daur ulang seringkali tidak memungkinkan penggunaan bahan daur ulang. Kebutuhan akan sumber daya murni seringkali memerlukan ekstraksi sumber daya baru. [10]
Distribusi/transportasi
Dampak dari distribusi dan pengangkutan baterai baru dan daur ulang terutama disebabkan oleh bobotnya. Truk yang mengangkut muatan dibatasi beratnya. Truk-truk besar dapat mengangkut lebih banyak daripada truk-truk berukuran sedang tetapi menggunakan lebih banyak bahan bakar untuk menempuh jarak yang sama.
Karena baterai sekali pakai (primer) dan baterai isi ulang (sekunder) memiliki ukuran yang sebanding, jumlah baterai yang dapat Anda masukkan ke dalam wadah atau truk juga sebanding. Variabelnya adalah berat, yang berbanding lurus dengan proses kimia pembakaran di mesin yang diubah menjadi energi kinetik truk pengangkut muatan. Perbandingan bobot antara Ni-Cd dan Ni-MH ditunjukkan pada Tabel 2.
| Bagan Ukuran Baterai | ||||
| Jenis baterai | Diameter mm | Panjang mm | berat NiMHg | Berat NiCAD g |
| 1/3 SEBUAH | 17 | 21 | 15 | 10 |
| 2/3 SEBUAH | 17 | 28.5 | 20-23 | 18-20 |
| 4/5 SEBUAH | 17 | 43 | 32-35 | 26-31 |
| A | 17 | 50 | 40 | 32 |
| 1/3 AA | 14.2 | 17.5 | 7 | 6.5 |
| 2/3 AA | 14.2 | 28.7 | 13-16 | 13-15 |
| 4/3 AA | 14.2 | 65.2 | 30 | 30 |
| 4/5 AA | 14.2 | 43 | 22 | 20 |
| A A | 14.2 | 50 | 27 | 21 |
| 1/3 AAA | 10.5 | 20.5 | 5.5 | 5.5 |
| 1/4 AAA | 10.5 | 14 | 2.5-4 | 2.5-3.5 |
| 2/3 AAA | 10.5 | 30 | 8-9 | 6-8 |
| 4/3 AAA | 10.5 | 67 | 18 | 17 |
| 5/3 AAA | 10.5 | 67 | 19 | 19 |
| 5/4 AAA | 10.5 | 50 | 15 | 14 |
| 2/3C | 26 | 31 | 50 | 45 |
| C | 26 | 46 | 80 | 72 |
| SC = Sub C | ||||
| 2/3 sk | 23 | 28 | 28 | 25 |
| 4/3 sk | 23 | 50 | 66 | 60 |
| 4/5 sk | 23 | 34 | 42 | 38 |
| SC | 23 | 43 | 55 | 52 |
| 1/2D | 33 | 37 | 81 | 81-84 |
| 4/3D | 33 | 89 | 175 | 140-190 |
| D | 33 | 58 | 105-160 | 105-145 |
Berat rata-rata untuk semua ukuran Ni-Cd adalah 40,15 gram dan rata-rata miliamp-jam (mAhr), per berat (gram) adalah 31,21 mAhr/g. Masing-masing untuk Ni-MH rata-ratanya adalah 42,60 gram dan 48,36 mAhr/g. [12] Karena Ni-MH lebih berat tetapi mengalirkan lebih banyak arus per berat saat digunakan, standar yang sesuai untuk normalisasi pengangkutan baterai adalah mahr/gram/MJ, dimana MJ adalah energi dalam solar yang digunakan untuk mengangkut baterai. Oleh karena itu, truk berukuran sedang dari Los Angeles ke Arcata (~800 km) yang mengonsumsi 6,8 MJ per metrik ton per kilometer (MJ/t-km) [13] satu ton (1000 kg) baterai Ni-Cd memerlukan rata-rata 1,7 (10) -4 MJ/mAhr atau 0,17 kJ/mAhr sedangkan Ni-MH membutuhkan 1,12(10) -4 MJ/mAhr.
Oleh karena itu, NiMH adalah pilihan yang lebih baik karena lebih sedikit energi yang dibutuhkan untuk menempuh jarak yang sama. Kebalikannya menyatakan bahwa untuk Ni-MH 8,89 Ahr dapat diangkut per MJ energi dari pembakaran solar. Sekarang Anda mencoba perbandingan yang sama antara baterai Ni-MH dan alkaline (primer)...
Menggunakan
Penggunaan baterai tidak memberikan dampak yang terlalu besar asalkan dirawat dengan baik. Banyak produsen baterai memperingatkan bahwa "sebagian besar masalah pada baterai isi ulang dapat ditelusuri ke penyalahgunaan" [14] [15] Penyalahgunaan yang mengakibatkan kebocoran, paling sering terjadi akibat: (1) penggunaan berlebihan, yakni terpaksa menghabiskan energi secara berlebihan. kapasitas penyimpanan, (2) memanas di atas ambang batas baterai, yang biasa terjadi selama pengisian daya berlebihan atau (3) korosi pada cangkang akibat uap air di udara dalam jangka waktu lama. Kontribusi lain terhadap siklus hidup baterai isi ulang yang perlu diperhatikan adalah pengisi daya dan komponennya (Tabel 3).
| Bahan/Rakitan | Jumlah (g) | Barang |
| Polipropilena | 250 | kasus |
| Tembaga | 25 | konduktor power chord |
| PVC | 7 | isolasi kabel listrik |
| Polipropilena | 38 | steker listrik |
| Baja | 5 | sekrup |
| Baja pegas | 5 | mata air |
| Baja lunak | 8 | kontak |
| Besi 'Magnetik' | 150 | inti transformator |
| Baja | 20 | bingkai transformator |
| Tembaga | 150 | gulungan transformator |
| Kardus | 10 | isolasi transformator |
| Tembaga | 3 | kabel dalam |
| Papan sirkuit tercetak | 20 | papan sirkuit tercetak |
| Berat keseluruhan | 691 |
Pembuangan
Pilihan pembuangan baterai meliputi penimbunan, stabilisasi, pembakaran, dan daur ulang [17] . Baterai sering kali dikirim ke tempat pembuangan sampah bersama limbah padat kota lainnya. Ini sering kali merupakan metode pembuangan baterai primer. Pembuangan TPA menimbulkan risiko pencemaran air tanah akibat air lindi yang berasal dari baterai yang mengandung logam berat.
Stabilisasi baterai melibatkan perlakuan kimia untuk mencegah pelepasan logam berat ke lingkungan. [18] Perawatan dan pembuangan jenis ini mahal dan penggunaannya semakin menurun karena teknologi baterai saat ini cenderung menghindari penggunaan logam berat.
Pembakaran baterai biasanya terjadi ketika baterai dicampur dengan limbah padat kota. Pembakaran baterai telah terbukti menghasilkan emisi merkuri, kadmium, timbal, dan dioksin. [19] Gas tumpukan insinerator biasanya mengandung sebagian besar merkuri yang dikeluarkan. Sementara itu, abu terbang yang tersisa dari pembakaran merupakan tempat terkonsentrasinya kadmium dan timbal.
Daur ulang baterai biasanya dilakukan dengan menggunakan proses hidrometalurgi atau pirometalurgi (dibahas di bagian selanjutnya.)
Dampak logam dari pembuangan baterai terhadap lingkungan masih dipelajari. Praktik budaya menentukan cara baterai dibuang, terlepas dari program daur ulang yang tersedia. Seiring dengan meningkatnya daur ulang baterai, semakin sedikit baterai yang mengandung logam berat yang akan dibuang sebelum diolah.
Mendaur ulang
Recycling of batteries has been shown to be environmentally beneficial.[20] The benefits are especially high when material recovery technologies such as those used in the steel industry are used for battery recycling. However, impacts on the environment from collection can outweigh the recycling benefits. The negative impacts of battery recycling are mainly associated with the transportation of the used batteries. Integration of battery collection with other waste, separating them later, can help make recycling a net benefit for the environment. Examples of this type of integration are:[21]
- Battery collection with paper recycling
- Batteries in waste which are separated with magnets
- Collection of batteries with electrical appliances
Alternatively, battery programs are often designed to collect all types of household batteries. Regardless of the collection method, the batteries are later separated into the different types to allow for more efficient recycling. High-speed battery sorting machines based on magnetic fields and the response frequencies of the batteries have been developed and put into use in the Netherlands.[22] In Germany battery separation by photo recognition and x-ray have been used.[23]
Once the batteries are separated, there are many technologies used to recycle the materials. Electric arc furnaces used in steel production and rotary furnaces in zinc production can be used to recycle the batteries. The products are metallic alloys, compounds, or solutions containing metal ions. Nickel metal hydride (NiMH) batteries the recycled in this manner produce a high nickel material which can be used as an alloying component in stainless steel production. Alternatively, there have been processes developed, per battery type, for recycling battery materials into specific products.[24]
Despite the benefits of battery recycling, full diversion of batteries from standard disposal faces public resistance. In the Netherlands and Belgium 80-90% of population was shown to know about their county's battery collection systems, but only 30-50% used the systems.[25] The resistance to recycling stems from peoples habits and the persistence of those habits through generations.
Some countries have considered legislation to help speed the development of battery recycling programs. In the United Kingdom, a study was performed to evaluate battery waste management. Bans on nickel-cadmium batteries, battery collection targets, and battery recycling targets were investigated.[26] The study further showed the net environmental benefits of battery recycling.
Conclusion
Based on the research from appropriate literature, secondary(rechargeable) batteries do not have significantly less impact than primary(alkaline batteries). This is largely because secondary batteries do not have an infinite number of recharge cycles and because rechargeable batteries also require an electronic charger, included in the life cycle. The manufacturing of each battery is comparable.
Recommendations
Rather than putting effort into research and development of secondary battery technologies, it is recommended by this team to develop recycling abilities for primary batteries. This would include an educational campaign to insure more consumers send the used batteries to an appropriate facility not the landfill. This teams personal recommendation is to remember to recycle even small batteries. Even one battery may seem insignificant but the cumulative effect is large. SINCE RECYCLING IS POSSIBLE, DO YOUR PART, SEND SPENT BATTERIES TO RECYCLING FACILITIES EVEN THOUGH THEY ARE SMALL AND SEEMINGLY INSIGNIFICANT! >:-O
References
- ↑ Progressive Dynamics
- ↑ A.M. Bernardes et al. (2004)
- ↑ A.M. Bernardes et al. (2004)
- ↑ A.M. Bernardes et al. (2004)
- ↑ A.M. Bernardes et al. (2004)
- ↑ A.M. Bernardes et al. (2004)
- ↑ McDowell, J. and Siret, C.
- ↑ Lankey, R.L. and McMichael, F.C. (2000)
- ↑ Lankey, R.L. and McMichael, F.C. (2000)
- ↑ McDowell, J. and Siret, C.
- ↑ Batteries Wholesale (2005)
- ↑ Batteries Wholesale (2005)
- ↑ Gleick, P.H. and Cooley, H.S. (2009)
- ↑ Batteries Wholesale (2005)
- ↑ Lankey, R.L. and McMichael, F.C. (2000)
- ↑ Parson, David (2006)"The Environmental Impact of Disposable Versus Re-ChargeableBatteries for Consumer Use" LCA Case Studies
- ↑ A.M. Bernardes et al. (2004)
- ↑ A.M. Bernardes et al. (2004)
- ↑ A.M. Bernardes et al. (2004)
- ↑ A.M. Bernardes et al. (2004)
- ↑ A.M. Bernardes et al. (2004)
- ↑ A.M. Bernardes et al. (2004)
- ↑ A.M. Bernardes et al. (2004)
- ↑ A.M. Bernardes et al. (2004)
- ↑ A.M. Bernardes et al. (2004)
- ↑ K. Fisher et al. (2006)
- A.M. Bernardes, D.C.R. Espinosa, J.A.S. Tenório (2004) "Recycling of batteries: a review of current processes and technologies" Journal of Power Sources No. 130 291–298.
- Batteries Wholesale (2005) "Capacity vs. Weight", accessed 3/17/10 from www.batterieswholesale.com/capacity_weight.htm
- Batteries Wholesale (2005) "Damaging Batteries," accessed 3/17/10 from www.batterieswholesale.com/damaging_batteries.htm
- K. Fisher, M. Collins, P. Laenen, E. Wallén, P. Garrett, S. Aumônier (2006) "Battery Waste Management Life Cycle Assessment" Environmental Resources Management (ERM) Ltd.
- Gleick, P.H. and Cooley, H.S. (2009) "Energy Implications of Bottled Water" Environ. Res. Lett. 4 014009 (6pp)"
- Lankey, R.L. and McMichael, F.C. (2000)"Life-Cycle Methods for Comparing Primary and Rechargeable Batteries," Environ. Sci. Technol., No 34, pp. 2299-2304
- McDowell, J. and Siret, C. (date unknown)"Energy-Saving Batteries – Green or Greenwash?,"
- Progressive Dynamics (Date Unknown) "Battery Basics," accessed 3/1/10 from www.progressivedyn.com/battery_basics.html
Notes(for editors)
- Brett - Types of batteries and manufacturing
- James - use and distribution
- Ryan - recycling and disposal