電動汽車鋰電池生命周期環(huán)境效益評價

李 響，李柏姝

(沈陽理工大學 汽車與交通學院，沈陽 100159)

隨著可持續(xù)發(fā)展思想在工業(yè)發(fā)展過程中的不斷深入，人們對產(chǎn)品環(huán)境性能的關注點逐漸延伸到產(chǎn)品全生命周期的范圍，力求全面了解產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的環(huán)境影響，并通過改善產(chǎn)品生產(chǎn)技術和工藝過程以合理充分利用自然資源[1]。

生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)作為環(huán)境管理工具，能夠定量地分析產(chǎn)品在原材料獲取階段、制造與裝配階段、使用運行階段、回收處理階段等整個生命周期的環(huán)境影響和能源消耗，從而使企業(yè)對產(chǎn)品的環(huán)境影響有全面的了解和認識，實現(xiàn)產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展[2]。生命周期評價涉及到產(chǎn)品及生產(chǎn)工藝設計和改進的決策、環(huán)境政策制定、廢棄物管理等各個方面。

鋰離子電池作為新能源電動汽車的核心部件，在其整個生命周期中會涉及大量的能源輸入和污染物輸出，現(xiàn)有的環(huán)境效益評價研究集中在匹配不同鋰離子電池的電動汽車整車[3]、鋰離子電池內(nèi)部單一部件[4]、匹配電動汽車的磷酸鐵鋰電池與鎳氫電池[5]及磷酸鐵鋰電池與三元電池的比較分析[6]。本文通過匹配某款電動汽車的使用需求，以現(xiàn)有的電動汽車鋰電池，包括磷酸鐵鋰電池(LFP)、錳酸鋰電池(LMO)、鎳鈷錳三元鋰電池(NCM)為研究對象，利用simapro 9.0軟件建立生命周期評價模型，進行環(huán)境效益評價，為實現(xiàn)電動汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排目標和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 評價基礎數(shù)據(jù)

1.1 目標與范圍定義

生命周期評價第一步是確定評價的目標與范圍。本文以三種鋰電池為研究對象，用于匹配整備質(zhì)量1500kg、百公里耗電量17kW·h、目標行駛里程120000km的某款純電動汽車，以該基準確定鋰電池全生命周期的總能源消耗和環(huán)境排放情況。生命周期評價范圍包括電動汽車鋰電池的系統(tǒng)結構范圍和生命周期階段范圍。電動汽車鋰電池由單體電池、殼體、電線、電池管理系統(tǒng)組成，電動汽車鋰電池全生命周期主要分成四個階段：原材料獲取階段、制造裝配階段、運行使用階段、報廢回收階段。

1.2 清單分析

動力電池材料清單基礎數(shù)據(jù)來源于國內(nèi)文獻，國內(nèi)文獻中無法查明的部分則采用GREET2020軟件中經(jīng)單位換算的國外數(shù)據(jù)作為補充。

1.2.1 電池材料清單

本文研究的三款鋰電池比能量分別為LFP 544W·h/kg、LMO 410W·h/kg、NCM 592W·h/kg[7]，其中常用車載磷酸鐵鋰電池(LFP)質(zhì)量為350kg，根據(jù)電池材料組成換算得到相同電能的錳酸鋰電池(LMO)質(zhì)量為384kg，三元鋰電池(NCM)質(zhì)量為303kg。三款動力電池材料組成如表1所示。

表1 三種鋰離子電池材料組成 wt%

1.2.2 原材料獲取階段能耗清單

磷酸鐵鋰動力電池正極材料制備采用液相沉淀法[8]，三元鋰電池正極材料與錳酸鋰電池正極材料采用高溫固相法[9]；鋁箔生產(chǎn)經(jīng)過開采、冶煉后的鋁氧化物加工成原生鋁再進行加熱、融化、過濾、鑄軋、冷軋、退火、分切等過程；負極主要材料為人工石墨，將易石墨化炭(如瀝青焦)在惰性氣體(氮氣)中經(jīng)高溫石墨化處理制得；本文動力電池的隔膜材料為石油通過蒸汽裂解方法制得丙烯和乙烯后聚合得到的聚丙烯和聚乙烯[10]；電解液主要組分為六氟磷酸鋰、碳酸乙烯酯(EC)和二甲基碳酸酯(DMC)，其中EC和DMC作為有機溶劑，我國鋰離子電池用六氟磷酸鋰基本依靠進口，EC由環(huán)氧乙烷和二氧化碳合成，DMC由酯交換法制得[11]。

根據(jù)原料生產(chǎn)工藝流程，通過GREET2020軟件得到三種鋰電池原材料獲取階段能源消耗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 三種鋰電池原材料獲取階段能源消耗 MJ/kg

1.2.3 制造與裝配階段能耗清單

不同電池在制造與裝配階段的工藝大致相同，能源消耗主要以天然氣和電能為主，鋰離子電池制造階段能耗數(shù)據(jù)來源于GREET2020數(shù)據(jù)庫，整理后如表3所示。文獻[12]的研究表明，電池裝配階段電能消耗與質(zhì)量成正比，約為2.67MJ/kg。以磷酸鐵鋰電池為例，計算得到制造與裝配階段能耗如表4所示。

表3 單位電能鋰電池制造階段能源消耗 MJ/(kW·h)

表4 磷酸鐵鋰電池制造和裝配階段總能耗 MJ

1.2.4 運行使用階段能耗清單

動力電池主要功能是為電動汽車提供電力，其使用階段的能耗可分成兩部分：來源于電池充放電過程的電能損耗；來源于電動汽車承載電池重量所增加的電能損耗。為評價該階段能耗，假設車輛本身重量引起的能量消耗為電動汽車能量消耗的28%，動力電池平均充電效率為76.5%。則鋰電池使用階段能耗計算公式[5]為

(1)

式中：EC電池代表鋰電池使用階段電能損耗；M電池代表電池質(zhì)量；M車代表汽車質(zhì)量；EC車代表汽車使用階段汽車總耗電量；η代表充放電效率。

根據(jù)本文匹配的純電動汽車參數(shù)和2020年國家統(tǒng)計局公布的我國電力來源統(tǒng)計結構[13]，計算得到電動汽車鋰電池生命周期中使用階段的能源消耗如表5所示。

表5 三種鋰電池使用階段能源消耗 kW·h

1.2.5 回收處理階段消耗清單

報廢的鋰離子電池經(jīng)過破碎拆卸后，廢舊的正負極材料可以被回收利用，負極材料中含有大量銅箔，回收主要針對石墨和銅。正極活性材料的回收方法不同[14-16]，其生命周期的能源消耗量和廢棄物排放量也有所區(qū)別。

根據(jù)相關工業(yè)回收工藝實驗室資料整理得到回收過程消耗的化學產(chǎn)品用量以及能耗清單如表6所示。

表6 三種鋰電池回收階段消耗數(shù)據(jù)清單

2 評價模型的建立及數(shù)據(jù)處理

simapro 9.0軟件包括諸多主流生命周期評價方法，本文采用CML-IA baseline評價方法。CML-IA baseline評價方法包含2個資源消耗型評價指標，即非生物損耗潛值(Abiotic Depletion，ADP)、化石能源損耗潛值(Abiotic Depletion(fossil fuels)，ADP(f))，4個環(huán)境污染型評價指標，即全球變暖潛勢(Global Warming Potential，GWP)、臭氧層消耗潛值(Ozone layer Depletion，ODP)、光化學煙霧潛值(Photochemical Ozone Creation Potential，POCP)、酸化潛勢(Acid Potential，AP)。

根據(jù)上述生命周期各階段的數(shù)據(jù)清單，在simapro9.0軟件中建立LFP、LMO、NCM的生命周期評價模型，并采用CML-IA baseline評價方法對三種電池的環(huán)境影響指標進行標準化處理，具體結果如表7～表9所示。

表7 LFP生命周期評價標準化結果

表8 LMO生命周期評價標準化結果

表9 NCM生命周期評價標準化結果

3 評價結果分析

本文從整個生命周期的資源消耗和環(huán)境影響兩方面對三種鋰電池的評價結果進行分析。

3.1 資源消耗

通過三種電池方案的生命周期評價指標標準化結果(表7～表9)的對比可以明顯看出，在匹配同一款電動汽車的條件下，LFP的非生物資源消耗最大，其次是NCM和LMO；NCM的化石能源消耗最大，其次是LMO和LFP。為滿足不同方案下純電動汽車動力性的要求，在保證三款動力電池的能量相同情況下，因三款電池的比功率不同，相對于其他兩款電池，NCM質(zhì)量最小，在原材料獲取上占有優(yōu)勢，非生物資源消耗減少，但其化石資源的消耗最高。每種鋰電池的兩種資源消耗評價指標占比為：LFP中ADP占比11%、ADP(f)占比89%；LMO中ADP占比7%、ADP(f)占比93%；NCM中ADP占比7%、ADP(f)占比93%?？梢娀Y源消耗是主要的資源消耗方式。

3.2 環(huán)境影響

通過三種電池方案的生命周期評價指標標準化結果(表7～表9)可以明顯看出，LFP的環(huán)境影響總體排序為AP>GWP>POCP>ODP；LMO的環(huán)境影響總體排序為AP>GWP>POCP>ODP；NCM的環(huán)境影響總體排序為GWP>AP>POCP>ODP。從三種鋰電池方案的環(huán)境影響評價指標的量級上看，GWP與AP遠遠大于POCP與ODP，說明電動汽車鋰電池在整個生命周期中排放更多溫室氣體與酸化氣體。這與前文對于三種鋰電池生命周期資源消耗評價指標的標準化分析結果相互印證：正是鋰電池生命周期中各個環(huán)節(jié)化石資源的大量消耗，導致了溫室氣體、酸化氣體的大量排放。

4 結論

本文收集整理了匹配某款電動汽車的三種動力電池，包括LFP、LMO、NCM的材料清單與能源消耗清單，運用simapro軟件對三種鋰電池建立生命周期環(huán)境效益評價模型，利用CML-IA baseline評價方法計算三種鋰電池生命周期資源消耗指標與環(huán)境影響指標，對數(shù)據(jù)進行標準化處理并對比分析。評價結果表明：LFP的非生物資源消耗最大，NCM的化石能源消耗最大，三種鋰電池方案的GWP值與AP值比POCP與ODP大得多，說明全球變暖與酸化是鋰離子電池整個生命周期中較為主要的環(huán)境損害方式。