## Rancang bangun mesin separator magnetik untuk proses daur ulang baterai litium 18650
Akhmad Tito Fismatika 1 , Muslim Mahardika 1 , Budi Arifvianto 1 , Muhammad Akhsin Muflikhun 1
1 Departemen Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada
Jl. Grafika 2, D.I. Yogyakarta 55281
Email korespondensi: akhmadtito@mail.ugm.ac.id

## Abstrak
Kebutuhan baterai litium ion dalam kehidupan sehari-hari terus meningkat. Dengan beragamnya peralatan yang  menggunakan  baterai  litium  ion,  maka  semakin  tinggi  pula  jumlah  limbah  baterai  ini.  Limbah  baterai litium ion digolongkan dalam limbah B3 (Bahan Berbahaya dan Beracun). Oleh karena itu, daur ulang baterai litium  ion  perlu  dilakukan  guna  mengurangi  limbah  B3.  Proses  daur  ulang  baterai  dapat  dilakukan  dengan beberapa tahapan, dimulai dengan mengosongkan baterai (discharging), pembongkaran baterai (dismantling), penghancuran  baterai  (crushing),  pengambilan  litium  (mining),  dan  pemurnian  litium  (purification  litium). Tahapan  yang  dibahas  dalam  kajian  ini  yaitu  tahapan  pengambilan  litium  (mining).  Pengambilan  litium dilakukan  dengan  cara  pemisahan  magnetik  hasil  penghancuran  baterai  litium  ion  dengan  harapan  dapat mempermudah proses daur ulang baterai. Tujuan kajian ini untuk merancang mesin magnetik separator yang aman  saat  dioperasikan.  Kajian  ini  dilakukan  untuk  merancang  dan  mengetahui  tingkat  keamananan  mesin separator magnetik yang berfungsi sebagai alat proses daur ulang baterai litium ion 18650. Metodologi yang dilakukan dalam merancang mesin separator magnetik ini dilakukan dengan beberapa proses. Proses awal yaitu perancangan  magnetik  separator  menggunakan  software Autodesk  Inventor  2020  Student  Version.  Berikutnya desain magnetik separator dianalisis menggunakan software Ansys 2021 Student Version sebagai perhitungan finite  element  analysis.  Hasil  analisis  dari  software  Ansys  2021  Student  Version  berupa  tegangan  Von  Mises Stress,  Deformation,  dan  Maximum  Shear  Stress.  Dari  data  hasil  software  Ansys  2021 Student  Version  dapat diketahui  bahwa  mesin  magnetik  separator  sudah  aman  untuk  dioperasikan.  Dengan  adanya  mesin  magnetik separator  ini  diharapkan  mampu  menambah  efisiensi  dan  efektivitas  dalam  proses  pengambilan  logam  aktif litium dari hasil penghancuran baterai dalam proses daur ulang baterai litium ion.
Kata kunci : baterai litium ion, daur ulang, penghancuran, penambangan, pemulihan litium.

## Abstract
The needs for lithium ion batteries in everyday life continues to increase. The variety of equipment that uses lithium ion batteries would defect the higher amount of battery waste. Lithium ion battery waste is classified as B3 waste (Hazardous and Toxic Materials). Therefore, it is necessary to recycle lithium ion batteries in order to reduce B3 waste. The battery recycling process can be carried out in several stages, starting with discharging the  battery,  dismantling  the battery,  crushing  the  battery, mining  the  lithium,  and purification  of  lithium.  The stages discussed in this study are the stages of mining the lithium. Lithium retrieval is carried out by magnetic separation from the destruction of lithium ion batteries in the hope of facilitating the battery recycling process. The  purpose  of  this  study  is  to  design  a  magnetic  separator  machine  that  is  safe  operating.  This  study  was conducted to design and determine the safety level of a magnetic separator machine that functions as a means of recycling the 18650 lithium ion battery. The methodology used in designing this magnetic separator machine is carried  out  by  several  processes.  The  initial  process  is  to  design  a  magnetic  separator  using  the  Autodesk Inventor 2020 Student Version software. Next, the magnetic separator design was analyzed using the Ansys 2021 Student Version software as a finite element analysis calculation. The results of the analysis from the Ansys 2021 Student  Version  software  are  Von  Mises  Stress,  Deformation,  and  Maximum  Shear  Stress.  The  data  could determine that the magnetic separator machine is safe operating. It is estimated that it would increase efficiency and effectiveness in the process of extracting lithium active metal from the crushing of batteries in the lithium ion battery recycling process.
Keywords: lithium ion battery, recycle, crushing, mining, lithium recovery.

## 1. Pendahuluan
Baterai litium ion ( lithium ion battery , LIB) saat ini menjadi salah satu alat penyimpan energi listrik yang menjanjikan  untuk  berbagai  peralatan  elektronik  di
dunia sejak kesuksesan komersialisasinya pada tahun 90-an.  Dibandingkan  dengan  alat  penyimpanan energi  yang  lain,  LIB  dipandang  lebih  efisien  dan mudah  dibawa  ( portable )  karena  densitas  energinya
yang  tinggi,  umurnya  yang  panjang  serta kemampuan  buang  energi  ( energy  discharging ) baterai yang rendah [4]. Dengan semua keunggulannya  tersebut,  aplikasi  LIB  meningkat tajam  dalam  beberapa  tahun  terakhir,  dimulai  dari penggunaannya  untuk  teknologi  mikroprosesor hingga  kendaraan  listrik  [2].  Secara  umum, perbedaan komposisi kimia antara baterai konvensional dengan LIB ditunjukkan pada Tabel 1 berikut ini.
Tabel  1. Bahan  yang  digunakan  sebagai  komponen baterai asam timbal dan LIB.
Komponen Baterai asam timbal LIBs Cathode / current collector PbO 2 LiMO 2 (M = Co, Ni, Mn), LiFePO 4 / Al anode / current collector Pb / Pb Graphite / Cu Electrolyte H 2 SO 4 LiPF 6 + organic solvent (EC, DMC, EMC, DEC, dll) Separator PE or PVC w / silica PE / PP Case PP Al-plastic film , Al, SS
Meskipun  mempunyai  berbagai  keunggulan,  LIB harus  ditangani  secara  hati-hati  dan  tepat. Penyimpanan  dan  daur  ulang  LIB  yang  tidak  tepat dapat  menyebabkan  akibat  yang  fatal.  Pembuangan langsung LIB di tempat sampah dapat menyebabkan kontaminasi bahan-bahan berbahaya yang dikandung oleh jenis baterai  tersebut,  termasuk  larutan organik yang  mudah  terbakar  dan  garam-garam  litium  yang mengandung  fluorin  [3],  selain  beberapa  bentuk oksida  dan  fosfida  yang  berbeda,  seperti  LiCoO2, LiMn2O4,  LiFePO4,  LiNi1-x-yCoxMnyO2  (NCM), dll,  terkandung  dalam  baterai  tipikal  ini  [5].  Oleh karena  itu,  meningkatnya  permintaan  LIB  untuk kendaraan listrik dapat menimbulkan masalah serius terkait  dengan  dampak  lingkungannya  akibat pembuangan  langsung  jenis  baterai  ini.  Di  sisi  lain, LIB  yang  sudah  tidak  dipakai  juga  masih mengandung  beberapa  jenis  logam  yang  berharga, misalnya  Li,  Co,  Ni,  Cu,  dan  Al  [6],[7].  Dengan meningkatnya penggunaan kendaraan listrik di masa depan,  problematika  penanganan  limbah  dan  daur ulang  LIB  menjadi  penting  untuk  diperhatikan  dan harus ditangani dengan tepat.
Proses  daur  ulang  baterai  dapat  dilakukan  dengan beberapa  tahapan,  dimulai  dengan  mengosongkan baterai  ( discharging ),  pembongkaran  baterai  guna memisahkan  pelindung  baterai  dengan  material litium di dalam LIB ( dismantling ) [1], penghancuran baterai ( crushing ), pengambilan litium ( mining ), dan pemurnian litium ( purification litium ). Tahapan yang
dibahas  dalam kajian  ini  yaitu tahapan  pengambilan litium ( mining ).
Tujuan  kajian  ini  adalah  membuat  mesin  magnetik separator.  Guna  memisahkan  material  LIB  yang sudah  dihancurkan  antara  yang magnetic dan non magnetic .  Menganalisis  desain  rangka  mesin magnetic  separator .  Memastikan  mesin magnetic separator dapat dioperasikan dengan aman.

## 2. Metode
Proses  awal  yang  dilakukan  dalam  kajian  ini  yaitu proses perancangan magnetic separator
menggunakan software Autodesk  Inventor  2020 Student  Version.  Proses  perancangan  meliputi perhitungan komponen penyusun alat dan desain tiga dimensi  dari  mesin magnetic  separator yang  mana terdapat dua desain dengan desain kedua merupakan penyempurnaan  dari  desain  pertama.  Proses pengambilan  data  pada  kajian  ini  meliputi  proses simulasi static  structural .  Proses  simulasi static structural pada rangka mesin magnetic separator ini menggunakan software Ansys  2021.  Data  yang diperoleh pada simulasi static structural adalah Von Mises ( Equivalent ) Stress , Deformation ,  dan Maximum Shear Stress . Dengan data ini, maka dapat dijadikan  sebagai  acuan  apakah  mesin magnetic separator ini aman untuk dioperasikan.
Proses  berikutnya  adalah  proses  manufaktur  mesin magnetic separator . Alat dan bahan yang digunakan dalam  proses  manufaktur  didapatkan  dari  beberapa tempat.  Proses  manufaktur  dan  perakitan  dilakukan di Laboratorium Teknologi Mekanik dan Proyek dan Laboratorium  CNC  dan  CAD/CAM,  Departemen Teknik  Mesin  dan  Industri,  Fakultas  Teknik, Universitas Gadjah Mada. Dalam proses manufaktur beberapa  mesin  perkakas  digunakan  seperti  mesin bubut, milling , gerinda, las SMAW, dan lain-lain.
Sebelum dilakukan proses perancangan menggunakan software CAD,  perlu  dilakukan pembuatan  sketsa  mesin  untuk  memberikan gambaran  tentang  bentuk  dan  cara  kerja  mesin. Beberapa sketsa yang dibuat dengan mempertimbangkan bentuk dan cara kerja digunakan sebagai  acuan  proses  membuat  desain  tiga  dimensi dengan software CAD.
Perancangan  desain  tiga  dimensi  menggunakan software Autodesk  Inventor  2020  Student  Version dibuat  dengan  menganut  sketsa  yang  telah  dibuat dengan  mempertimbangkan  bentuk  dan  cara  kerja. Proses  ini  dilakukan  tidak  hanya  sekali,  namun dilakukan  beberapa  kali  dengan  optimalisasi  desain untuk  mendapatkan  desain  yang  efektif  dan  efisien. Ada  dua  desain  yang  telah  dibuat  untuk magnetic separator ini,  yang  pertama  dapat  dilihat  pada Gambar  1,  terlihat  bahwa magnetic  separator terintegrasi langsung dengan rangka mesin shredder . Menurut  beberapa  referensi  ketika  terdapat  2  mesin
dalam  satu  rangka  maka  akan  mempersulit  proses perawatan di kemudian hari.
Gambar 1. Desain magnetic separator pertama.
Dilakukan  revisi  dengan  memisahkan  mesin magnetic  separator dan  mesin shredder .  Mesin magnetic  separator berdiri  sendiri  menggunakan rangka yang terbuat dari bahan besi hollow ST37 dan bagian  atasnya  menggunakan  besi  UNP  10.  Serta ukuran  diameter roller  magnetic  separator diperbesar agar jarak jatuh antara material magnetik dan non magnetik lebih jauh. Desain final magnetic separator dapat  dilihat  pada  Gambar  2,  yang  mana pada  gambar  ini magnetic  separator sudah  dirakit dengan shredder .
Gambar 2. Desain final magnetic separator.
Proses  simulasi static  structural dilakukan  dengan software Ansys  2021  untuk  mengetahui  kekuatan struktur  rangka  dari  mesin magnetic  separator dengan tahapan simulasi sebagai berikut.
File  CAD  rangka  mesin magnetic  separator yang sudah  dirancang  menggunakan software Autodesk Inventor 2020  menggunakan format  file .ipt,  format ini  hanya  dapat  dibaca  oleh software CAD.  Format file dirubah menjadi .stp agar file CAD dapat dibaca oleh software CAE  yang  digunakan  di  Ansys  2021. Proses ini dapat dilakukan dengan memilih opsi Save As,  gambaran  proses  ini  dapat  dilihat  pada  Gambar 3.
Gambar 3. Merubah format file menjadi .stp.
Masuk  ke software Ansys  2021  Student  Version, kemudian  mulai  dengan  membuat workbench  static structural .  Kemudian  pilih  Engineering  Data  untuk input  spesifikasi  material  yang  digunakan.  Material yang  digunakan  pada  rangka  mesin magnetic separator adalah rectangular  hollow  steel dengan standar  AISI  1018  dengan material  properties sebagai  berikut.  Tampilan  input  Engineering  Data pada Ansys 2021 Student Version dapat dilihat pada Gambar 4, dengan mengisi spesifikasi material AISI 1018 yg ada pada tabel ke software Ansys 2021.
Gambar 4. Material properties.
File  yang  sudah  memiliki  format  .stp  dibuka  pada software Ansys 2021 Student Version menggunakan menu  import.  Komponen  rangka  mesin magnetic separator sudah dapat ditampilkan pada Ansys 2021 Student  Version,  seperti  yang  terlihat  pada  Gambar 5.
Gambar 5. File .stp pada software Ansys 2021.
Dalam  proses setting model  ini  dimulai  dengan setting material assignment dengan  memilih structural steel . Dilanjutkan dengan klik kanan pada tab  mesh  dan  pilih  generate  mesh  lalu  gambaran mesh  akan  muncul  seperti  Gambar  6  yang merupakan  default  mesh.  Pada  kajian  ini menggunakan mesh dengan ukuran 2 mm.
Gambar 6. Default mesh.
Dalam tahapan setup loads and boundary conditions pada software Ansys 2021 Student Version. Langkah pertama  yang  dapat  dilakukan  dengan  menentukan fixed support. Fixed support pada rangka hollow ini seperti terlihat pada Gambar 7 dan Gambar 8.
Gambar 7. Setup fixed support frame bawah.
Gambar 8. Setup fixed support frame UNP.
Beban  yang  diterima  rangka  berasal  dari  beberapa komponen magnetic separator seperti belt 1,439 kg, roller 1,841  kg, roller magnetik  1,569  kg,  empat buah pillow block 0,496 kg, besi UNP 10 10,537 kg. Pembebanan  diberikan  pada  2  permukaan  atas rangka hollow sebesar  13,1725  kg.  Pada  Gambar  9, Gambar  10  dan  Gambar  11,  terlihat  posisi pembebanan yang diberikan pada rangka hollow .
Gambar 9. Pembebanan pada frame bawah.
Gambar 10. Setup pembebanan pada rangka.
Gambar 11. Setup pembebanan pada frame UNP.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Hasil  desain  ditunjukkan  pada  Gambar  12  berikut ini.
Gambar 12. Hasil desain mesin magnetic seprator.
Berdasarkan  desain  mesin magnetic  separator ini dibuat dimulai dengan membuat frame bagian bawah yang  menggunakan  bahan hollow .  Dilanjutkan dengan  membuat frame yang  menggunakan  besi UNP dan diberi pasangan part lainnya seperti roller , pillow  block ,  dan belt .  Adapun  daftar  massa komponen  yang  digunakan  dalam  alat  ini  seperti pada Tabel 2.
Tabel 2. Massa komponen.
No. Nama Massa 1 Belt 1,439 kg 2 Roller 1,841 kg 3 Roller Magnet 1,569 kg 4 Pillow Block 0,469 kg 5 UNP 21 kg
Mesin magnetic separator ini bekerja seperti halnya conveyor .  Butiran  hasil crushing LIB  dijatuhkan pada belt  conveyor . Conveyor berjalan  sehingga butiran  hasil crushing tiba  di roller magnetik. Material  non  magnetik  akan  langsung  terjatuh  di ujung roller magnetik,  namun  material  yang magnetik  akan  menempel.  Sehingga,  butiran  hasil crushing LIB terpisahkan menurut materialnya yang magnetik dan non magnetik.
Berdasarkan  data  hasil  analisis  dengen software Ansys  2021  didapatkan Von Mises  Stress  Maximum pada frame bawah sebesar 0,091 MPa. Tegangan ini berasal  dari  beban  komponen magnetic  separator pada  bagian  yang  dilas  pada frame bawah.  Dengan nilai Von  Mises  Stress  Maximum yang  lebih  kecil dari Yield  Strength material  AISI  1018  maka memenuhi batas aman., ditunjukkan pada Gambar 13 dan Gambar 14.
Gambar 13. Von misses stress frame bawah.
Gambar 14. Tegangan maksimum frame bawah.
Berdasarkan  data  hasil  analisis  dengen software Ansys  2021  didapatkan Von Mises  Stress  Maximum pada  frame  UNP  sebesar  0,488  MPa.  Tegangan  ini
berasal  dari  beban roller di  kanan  maupun  di  kiri, karena roller non  magnetik  memiliki  massa  lebih besar dari roller magnetik maka tegangan maksimum berada mendekati roller non magnetik. Dengan nilai Von  Mises  Stress  Maximum yang  lebih  kecil  dari Yield  Strength material  AISI  1018  maka  memenuhi batas  aman,  ditunjukkan  pada  Gambar  15  dan Gambar 16.
Gambar 15. Von misses stress frame UNP.
Gambar 16. Von missses stress maksimum pada frame UNP.
Berdasarkan  data  hasil  analisis  dengan software Ansys  2021  didapatkan  deformasi  total  sebesar 1,5778e-8 m. Deformasi ini terjadi pada posisi ujung atas frame bawah,  yang  merupakan  tumpuan  untuk frame UNP. Deformasi yang terjadi sangatlah kecil, sehingga frame bawah magnetic  separator aman untuk  dioperasikan,  ditunjukkan  pada  Gambar  17 dan Gambar 18.
Gambar 17. Total deformation.
Gambar 18. Deformation maksimum.
Berdasarkan  data  hasil  analisis  dengan software Ansys  2021  didapatkan  deformasi  total  sebesar 2,7702e-6 m. Deformasi ini terjadi pada kedua ujung atas frame UNP, hal ini terjadi akibat adanya beban dari  kedua roller yang  memiliki  posisi  di  ujung frame UNP.  Deformasi  yang  terjadi  kecil,  sehingga mesin magnetic separator aman untuk dioperasikan, ditunjukkan pada Gambar 19.
Gambar 19. Deformation frame UNP.
Berdasarkan  data  hasil  analisis  dengan software Ansys  2021  didapatkan Maximum  Shear  Stress sebesar  0,0048  MPa.  Letak Maximum  Shear  Stress terdapat  pada  sambungan frame melintang,  hal  ini terjadi  karena  adanya  beban  di  kedua  ujung  atas frame bawah ini. Dengan nilai maximum shear stress tersebut  mesin magnetic  separator aman  untuk dioperasikan karena terbukti tegangannya lebih kecil dari yield  strength material  AISI  1018,  ditunjukkan pada Gambar 20 dan Gambar 21.
Gambar 20. Maximum shear stress frame bawah.
Gambar 21 . Titik maximum shear stress.
Berdasarkan  data  hasil  analisis  dengan software Ansys 2021 didapatkan Maximum Shear Stress pada frame UNP  sebesar  0,2696  MPa.  Letak Maximum Shear Stress terdapat pada sambungan frame bawah dengan frame UNP  dan  mendekati roller non magnetik,  karena roller non  magnetik  memiliki beban  yang  lebih  besar  daripada roller magnetik. Dengan  nilai maximum  shear  stress tersebut  mesin magnetic separator aman untuk dioperasikan karena terbukti  tegangannya  lebih  kecil  dari yield  strength material AISI 1018, ditunjukkan pada Gambar 22.
Gambar 22. Maximum shear stress frame UNP.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  simulasi  menggunakan software Ansys 2021, mesin Magnetic Separator aman untuk dioperasikan,  sehingga  mesin magnetic  separator layak  untuk  dibuat.  Untuk  ke  depannya,  dalam penyetelan  kekencangan belt dapat  diberi  sensor, sehingga  pengaturan  kekencangan belt dapat dilakukan secara otomatis.

## Daftar Pustaka
[1] Hadiwibowo,  S.  et  al.  (2020)  ‘Design  of  PLC- based  Control  System  for  18650  Lithium-ion Battery Dismantling Machine’, IOP Conference Series:  Materials  Science  and  Engineering,
846(1). doi: 10.1088/1757-899X/846/1/012041. [2] Huang,  B.  et  al.  (2018)  ‘Recycling  of  lithium- ion batteries: Recent advances and perspectives’,  Journal  of  Power  Sources.
Elsevier,  399(June),  pp.  274–286.  doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.07.116.
[3] Jaiswal,  A.  (2017)  ‘Lithium-ion  battery  based renewable  energy  solution  for  off-grid electricity:  A  techno-economic  analysis’, Renewable  and  Sustainable  Energy  Reviews. Elsevier Ltd, 72(December 2015), pp. 922–934. doi: 10.1016/j.rser.2017.01.049. [4] Kim, T.-H. et al. (2012) ‘The Current Move of Lithium Ion Batteries Towards the Next Phase’, Advanced Energy Materials, 2(7), pp. 860–872. doi: https://doi.org/10.1002/aenm.201200028.
[5] Kurzweil,  P.  (2015)  ‘Lithium  Battery  Energy Storage: State of the Art Including Lithium-Air and Lithium-Sulfur Systems’, in Electrochemical Energy Storage for Renewable
Sources  and  Grid  Balancing.  Elsevier  Inc.,  pp. 269–307.  doi:  10.1016/B978-0-444-62616- 5.00016-4.
[6] Norio  Takami,  Hiroki  Inagaki,  Takashi  Kishi, Yasuhiro  Harada,  Y.  F.  and  K.  H.  (2008) ‘Electrochemical  Kinetics and Safety  of  2-Volt
Class  Li-Ion  Battery  System  Using  Lithium
Titanium
Oxide
Anode’, Journal of Electrochemical  Society,  156.  Available  at: https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1.304 3441.
[7] Takami, N. et al. (2013) ‘High-power and long- life lithium-ion batteries using lithium titanium oxide  anode  for  automotive  and  stationary power applications’, Journal of Power Sources. Elsevier  B.V.,  244,  pp.  469–475.  doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.11.055.