【深度研究】車(chē)用鋰離子電池的碳足跡計(jì)算和減碳潛力分析

車(chē)用鋰離子電池的碳足跡計(jì)算和減碳潛力分析從“搖籃到搖籃”的評(píng)估方法鋰離子電池是電動(dòng)汽車(chē)的核心部件之一，其生態(tài)指標(biāo)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。在這項(xiàng)研究中，使用從“搖籃到搖籃”的生命周期評(píng)估方法調(diào)查了中國(guó)生產(chǎn)的鋰離子電池的碳足跡。結(jié)果總結(jié)如下：(1)電池生產(chǎn)的碳排放為91.21kgCO2-eq/kWh，其中正極生產(chǎn)和電池組裝過(guò)程是碳排放的主要來(lái)源；(2)2020年以火電為主的中國(guó)電力結(jié)構(gòu)下，電池使用階段的碳排放量為154.1kgCO2-eq/kWh；(3)濕法冶金是碳排放量較小的電池回收方法，直接物理回收方法具有誘人的減碳潛力；（4）回收材料再制造電池的碳排放量比原材料生產(chǎn)電池低51.8%。在未來(lái)電力結(jié)構(gòu)下，2050年和2060年電池生產(chǎn)的碳排放量將比2020年分別減少75%和84.9%。短期有效的減碳措施是電池回收，長(zhǎng)期的減碳措施是電力的綠色化。鋰離子電池產(chǎn)量與應(yīng)用的急速增長(zhǎng)，不僅帶來(lái)資源短缺的問(wèn)題，同時(shí)電池生產(chǎn)、使用和回收過(guò)程還消耗了大量能源，直接和間接排放的大量溫室氣體導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題。由于我國(guó)是全球最大的鋰電池生產(chǎn)與使用國(guó)，能源結(jié)構(gòu)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比需要低碳化轉(zhuǎn)型。因此，準(zhǔn)確地計(jì)算我們生產(chǎn)的鋰離子電池全壽命周期的碳排放，充分挖掘各個(gè)階段的碳減排潛力對(duì)鋰離子電池的可持續(xù)性發(fā)展至關(guān)重要，也是有益于我們的碳中和目標(biāo)。生命周期評(píng)價(jià)（LifeCycleAssessment,LCA）是評(píng)估產(chǎn)品、過(guò)程或活動(dòng)生命周期環(huán)境負(fù)擔(dān)的方法，目前已有大量的研究使用該方法評(píng)估各種動(dòng)力電池技術(shù)相關(guān)的環(huán)境污染和溫室氣體排放情況，主要集中在以下幾個(gè)方面1）鋰離子電池與其他電池的碳排放和環(huán)境指標(biāo)的對(duì)比2）不同鋰離子電池材料體系的碳排放與環(huán)境指標(biāo)對(duì)比3）鋰離子電池不同階段的碳排放與環(huán)境影響。一般來(lái)說(shuō)，電池LCA的研究范圍是從搖籃到墳?zāi)?，然而許多研究側(cè)重于從搖籃到大門(mén)的評(píng)估，其中不包括使用和回收階段。近年來(lái)，隨著鋰離子電池退役數(shù)量的持續(xù)增加，電池回收階段的環(huán)境影響研究也隨之增多，如針對(duì)電池不同的回收方法進(jìn)行研究，分析回收過(guò)程中的碳排放、人體毒性等環(huán)境影響。從文獻(xiàn)上看目前大多數(shù)研究均側(cè)重于鋰電池生產(chǎn)或回收中的單一或兩個(gè)階段，即從“搖籃到大門(mén)”的評(píng)估或“從大門(mén)到墳?zāi)埂钡拈_(kāi)環(huán)評(píng)估，很少有研究實(shí)際集中在電池全生命周期（“從搖籃到搖籃”的閉環(huán)過(guò)程）碳排放及潛力分析和預(yù)測(cè)。本研究研究了一種從搖籃到搖籃的LCA方法來(lái)調(diào)查現(xiàn)實(shí)和未來(lái)情景下我國(guó)生產(chǎn)的鋰離子電池的碳足跡，并給出了一些有價(jià)值的碳減排措施。研究對(duì)象是廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的NCM811電池。本研究的潛在貢獻(xiàn)總結(jié)如下：(1)構(gòu)建“從搖籃到搖籃”的LCA方法來(lái)評(píng)估我國(guó)生產(chǎn)和使用的NCM811電池的碳排放;(2)計(jì)算鋰離子電池整個(gè)生命周期中的碳足跡，包括考慮原材料的電池生產(chǎn)、使用、回收和再制造階段，并建議一些有價(jià)值的碳減排措施;(3)計(jì)算并比較了三種典型電池回收方式的碳排放，然后比較了基于回收材料的電池再制造和基于原材料的電池生產(chǎn)的碳排放量。結(jié)果可以定量描述各種電池材料回收方法的碳排放效益;(4)計(jì)算了未來(lái)電力結(jié)構(gòu)下電池生產(chǎn)的碳排放，并對(duì)電池生產(chǎn)過(guò)程中的碳中和目標(biāo)進(jìn)行了展望。2.基本方法根據(jù)ISO14044標(biāo)準(zhǔn)的定義，LCA的基本結(jié)構(gòu)主要包括四個(gè)部分，即目標(biāo)和范圍定義、清單分析、影響評(píng)估、解釋。它是一種用于評(píng)估產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境的影響的技術(shù)和方法。該研究旨在量化鋰離子電池全生命周期的碳足跡，評(píng)估不同階段的碳減排潛力，并研究不同電力結(jié)構(gòu)下電池生產(chǎn)和使用階段的碳排放量。研究結(jié)果為整個(gè)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)2030年碳排放達(dá)峰和2060年實(shí)現(xiàn)碳中和提供了有價(jià)值的參考。本研究基于Gabi構(gòu)建了NCM811電池從搖籃到搖籃的碳足跡模型。功能單位定義為1kWhNCM811電池。研究的系統(tǒng)邊界如圖1所示，是一種“從搖籃到搖籃”的碳足跡完整閉環(huán)方法。整個(gè)系統(tǒng)主要包括原材料的提取和加工、電池的部件制造、電池的生產(chǎn)、電池的使用階段以及電池的回收和處置。電池運(yùn)輸和存儲(chǔ)的碳足跡評(píng)估不在本研究的范電池全生命周期的各個(gè)階段清單分析及原始數(shù)據(jù)見(jiàn)論文原文。3.結(jié)果與討論3.1.電池生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放和減碳潛力計(jì)算電池生產(chǎn)階段的碳排放量，結(jié)果如圖2所示?？梢杂^察到，電池生產(chǎn)階段的總碳排放量為91.21kgCO2-eq/kWh，正極材料生產(chǎn)的碳排放量為47.15kgCO2-eq/kWh）在電池生產(chǎn)過(guò)程中占比最大（51.69%）。正極材料碳排放的主要貢獻(xiàn)來(lái)自與鎳、鈷、鋰提取和選礦相關(guān)的上游工電池組裝的碳排放（28.11kgCO2-eq/kWh）是電池生產(chǎn)的第二大貢獻(xiàn)者，主要間接來(lái)源于電力和天然氣，其中電力碳排放量為22.16kgCO2-eq/kWh。上述結(jié)果是在我國(guó)2020年的電力結(jié)構(gòu)下得出的。其他部位的碳排放量為15.95kgCO2-eq/kWh，主要包括陽(yáng)極、隔膜、電解液、銅箔、鋁箔的碳排放量、外殼和輔助材料。在這項(xiàng)研究中，外殼在其他部分中占比最高，主要是因?yàn)殡姵厥褂玫耐鈿な卿X制的。鋁生產(chǎn)的上游原材料和能源（電力與天然氣等）消耗將產(chǎn)生間接碳排放，而工藝和化學(xué)反應(yīng)所消耗的能源將產(chǎn)生直接碳排放。電池生產(chǎn)的碳排放受到生產(chǎn)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)眾多變量的影響，包括上游材料的替代、工藝提升、提高能源效率、提高生產(chǎn)率和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)等。本研究調(diào)查了能源結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)效率對(duì)碳排放的影響，結(jié)果如圖3所示。可以看出在不同年份的電力結(jié)構(gòu)下，2030年電池生產(chǎn)碳排放量為80.45kgCO2-eq/kWh，比2020年減少11.8%。2040年和2050年電池生產(chǎn)碳排放量為57.92kgCO2-eq/kWh和22.98kgCO2-eq/kWh，分別比2020年減少36.5%和74.8%。此外還研究了電池組件生產(chǎn)效率與碳排放之間的關(guān)系?？紤]到設(shè)備和成本的限制，假設(shè)電池生產(chǎn)效率每年提高5ppm，最高生產(chǎn)效率為50ppm。如圖3（b）所示，當(dāng)電池生產(chǎn)效率為30ppm，電池組裝階段的碳排放量為28.11kgCO2-eq/kWh，。當(dāng)生產(chǎn)效率提高到40ppm時(shí)，碳排放量為21.08kgCO2-eq/kWh，比30ppm16.87kgCO2-eq/kWh，比30p圖3.不同電力結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)效率下的碳排放3.2電池使用階段的碳排放和碳減排潛力在本節(jié)中，研究了不同電力組合下電池在使用階段的碳排放和碳減排潛力。電力是電動(dòng)汽車(chē)使用階段唯一使用的能源，這意味著電池使用階段的碳排放主要與我國(guó)電力的碳強(qiáng)度有關(guān)。計(jì)算了我國(guó)不同電力結(jié)構(gòu)下電池使用階段的碳排放量，結(jié)果如圖4（a）所示。圖4.電池使用階段不同情景下的碳排放。(a)未來(lái)的電力組合；(b)中國(guó)不同地區(qū)?？梢杂^察到，2020年電池使用過(guò)程中的碳排放量為154.1kgCO2-eq/kWh，2030年電池使用階段的碳排放量將減少到114.9kgCO2-eq/kWh，降低了25.4%。此外，2040年和2050年電池使用階段的碳排放量分別為75.5kgCO2-eq/kWh和38.3kgCO2-eq/kWh，2050年電池使用階段的碳排放量將比2020年降低75.1%。此外，計(jì)算了不同地區(qū)電池使用過(guò)程中的碳排放量，結(jié)果如圖4（b）所示。2020年華東地區(qū)電池在使用過(guò)程中的碳排放量為207.7kgCO2-eq/kWh，是全國(guó)平均水平的1.35倍。造成這種現(xiàn)象的原因是華東地區(qū)仍以火力發(fā)電為主，如山東省，2020年火力發(fā)電量占總發(fā)電量的91.9%。西南地區(qū)水電資源豐富，水力發(fā)電占比高。2020年西南地區(qū)電池使用過(guò)程中的碳排放量為28.7kgCO2-eq/kWh，比全國(guó)平均水平低81.4%。西北地區(qū)電池使用階段碳排放量為28.5kgCO2-eq/kWh，比我國(guó)平均水平低81.5%。3.3電池回收過(guò)程中的碳排放和減碳潛力本研究調(diào)研了電池材料回收再制造的碳排放。具體計(jì)算與評(píng)估了火法冶金、濕法冶金和直接物理回收方法的碳排放量，結(jié)果如圖5所示?？梢?jiàn)火法回收過(guò)程的碳排放量為5.11kgCO2-eq/kWh，是三種回收方式中碳排放量最高的。在火法冶金過(guò)程中，通常使用溫度在1000℃以上的高溫熔煉電池。碳排放來(lái)源于冶金過(guò)程中消耗的化石能源，可以產(chǎn)生許多直接和間接的碳排放。此外，陽(yáng)極中的石墨不能通過(guò)火法冶金回收，石墨在高溫環(huán)境下熱解會(huì)產(chǎn)生碳排放。火法冶金雖然可以帶來(lái)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但其生態(tài)價(jià)值并不理想。濕法冶金的碳排放量為2.68kgCO2-eq/kWh，比火法冶金低47.6%。與火法冶金相比，濕法冶金在低溫條件下進(jìn)行多步化學(xué)處理，沒(méi)有高溫處理等高能耗、高碳排放的過(guò)程，而且陽(yáng)極中的石墨不會(huì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳增加碳排放。濕法冶金雖然可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)回收，但通常包括10多個(gè)主要步驟，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)多的有毒氣體和廢液。直接物理回收法的碳排放量為3.65kgCO2-eq/kWh，比火法回收法降低28.6%，比濕法回收法提高26.6%。由于直接物理回收的產(chǎn)品是可以直接用于電池生產(chǎn)的材料，減少了復(fù)雜的材料再生步驟和二次污染。圖s.電池回收和再制造的碳排放由圖5可知，火法回收材料再制造電池的總碳排放量為86.86kgCO2-eq/kWh，比用原材料生產(chǎn)的電池低4.8%。可見(jiàn)火法冶金對(duì)電池再制造的減碳潛力相對(duì)有限。濕法冶金再生料再制造電池的碳排放量為60.77kgCO2-eq/kWh，比使用原材料生產(chǎn)的電池低33.47%。這是因?yàn)闈穹ㄒ苯鸬奶寂欧帕窟h(yuǎn)低于火法冶金。此外，濕法冶金的回收率高于火法冶金。使用直接物理回收的再制造電池的碳排放量為43.92kgCO2-eq/kWh，比火法冶金低49.4%，比濕法冶金低27.7%。它顯示了三種回收方法中最高的碳減排潛力。更重要的是，使用直接物理回收的再生材料生產(chǎn)電池的碳排放量比使用原材料低51.8%。但物理回收法在技術(shù)上還不成熟，還處于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)階段。為大規(guī)模應(yīng)用開(kāi)發(fā)有效且成熟的物理回收方法對(duì)于減少碳排放至關(guān)重要。3.4電池生產(chǎn)的碳中和預(yù)測(cè)綜合以上討論可以看出，僅依靠電池材料的回收利用并不能實(shí)現(xiàn)我國(guó)電池生產(chǎn)的凈零碳排放，電力結(jié)構(gòu)的升級(jí)是關(guān)鍵因素。針對(duì)我國(guó)的碳中和戰(zhàn)略，本節(jié)考察了不同電力組合下電池生產(chǎn)階段的碳排放，結(jié)果如圖6所示?？梢杂^察到，2030年電力混合結(jié)構(gòu)下再生材料電池再制造的碳排放量為53.6kgCO2-eq/kWh，比2020年下降11.8%。小幅下降的原因是2030年火力發(fā)電仍占中國(guó)電力結(jié)構(gòu)的50%。2040年，電池再制造的碳排放量為38.5kgCO2-eq/kWh，比2020年降低36.7%。2050年電池再制造碳排放9.2kgCO2-eq/kWh，比2020年下降84.9%。結(jié)合電池回收、CCUS、DAC等負(fù)碳技術(shù)，預(yù)計(jì)2060年前可實(shí)現(xiàn)電池行業(yè)碳中和目標(biāo)。短期來(lái)看，電池生產(chǎn)的碳排放可以通過(guò)使用回收材料再制造電池來(lái)減少。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，電池行業(yè)的碳中和可以通過(guò)綠色電力組合和負(fù)碳技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本研究開(kāi)展了中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池從搖籃到搖籃的LCA，并給出了一些有價(jià)值的減碳措施。此外，未來(lái)30年中國(guó)碳中和戰(zhàn)略研究了不同電力組合下鋰離子電池生產(chǎn)的碳排放。本研究的主要結(jié)論可歸納如下：(1)在我國(guó)目前以火電為主的電力結(jié)構(gòu)下，NCM811電池在生產(chǎn)階段的碳排放量為91.21kgCO2-eq/kWh，其中正極生產(chǎn)貢獻(xiàn)最大，其次是電池組裝。電池使用過(guò)程中的碳排放量為154.1kgCO2-eq/kWh，主要來(lái)自電池消耗電能產(chǎn)生的間接碳排放。濕法冶金回收電池的碳排放量為2.68kgCO2-eq/kWh，是目前碳排放較為理想的回收方式。(2)增加電力結(jié)構(gòu)中的綠色比例和提高生產(chǎn)效率可以減少碳排放。在2050年中國(guó)電力結(jié)構(gòu)下，電池生產(chǎn)和使用階段的碳排放量將分別減少74.8%和75.1%。當(dāng)電池生產(chǎn)效率從30pp的碳排放量可減少40%左右。使用回收材料的再制造電池可以減少51.8%的碳?？傊?，綠色電力、提高生產(chǎn)效率、加強(qiáng)電池回收是必要的減碳措施。(3)到2050年，電池生產(chǎn)碳排放將比2020年降低84.9%。預(yù)計(jì)2060年之前，鋰離子電池生產(chǎn)碳中和可通過(guò)優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)、發(fā)展CCU、DAC、V2G等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在未來(lái)的工作中，將結(jié)合電池生態(tài)指標(biāo)和電池技術(shù)因素來(lái)研究電池的可持續(xù)性。例如，在計(jì)算電池使用過(guò)程中的碳排放時(shí)，會(huì)考慮電池的非線性老化等技術(shù)性因素。