退役動(dòng)力電池回收再利用碳足跡研究*

徐加雷 余海軍 謝英豪# 張學(xué)梅 吳奔奔

(1.廣東邦普循環(huán)科技有限公司,廣東 佛山 528137;2.廣東省電池循環(huán)利用企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 佛山 528137;3.湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082)

我國(guó)新能源汽車行業(yè)發(fā)展迅速,2021年全年新能源汽車銷售量達(dá)到352萬(wàn)輛,新能源汽車保有量達(dá)到784萬(wàn)輛[1]。動(dòng)力電池是新能源汽車的動(dòng)力核心。據(jù)中國(guó)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟統(tǒng)計(jì),2021年我國(guó)動(dòng)力電池裝機(jī)量達(dá)到154.5 GW·h[2]。動(dòng)力電池的使用壽命一般只有5～8年[3],動(dòng)力電池正在逐漸形成退役市場(chǎng),并且動(dòng)力電池所涉及的LiPF6、LiAsF6、LiCoO2、LiMn2O4、炭黑、石墨等21種污染物被列入《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 30484—2013)、《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16297—1996)、《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)、《無機(jī)化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 31573—2015)等國(guó)家污染物控制標(biāo)準(zhǔn)[4]。由此可見,退役動(dòng)力電池回收再利用勢(shì)在必行。

2020年中國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上向世界宣布“雙碳”目標(biāo)后,各行各業(yè)對(duì)低碳的研究加快了進(jìn)程。目前,退役動(dòng)力電池回收再利用對(duì)溫室氣體的減排量研究還較少,而分析退役動(dòng)力電池回收再利用過程中的碳足跡可以更好地指導(dǎo)企業(yè)針對(duì)性地減少溫室氣體排放,從而更好地實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。目前,動(dòng)力電池生產(chǎn)過程的碳足跡已有較多研究[5-6]。本研究以國(guó)內(nèi)先進(jìn)濕法回收企業(yè)湖南某電池回收再利用企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況為依據(jù),嘗試分析退役動(dòng)力電池回收再利用的碳減排效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 系統(tǒng)邊界的確認(rèn)

本研究關(guān)注的是退役動(dòng)力電池回收再利用階段,以《溫室氣體 產(chǎn)品碳足跡 量化要求和指南》(ISO 14067:2018)為依據(jù),對(duì)湖南某電池回收再利用企業(yè)的溫室氣體排放進(jìn)行計(jì)算,最終形成退役動(dòng)力電池回收再利用的碳足跡。

由于目前退役動(dòng)力電池以低鎳鎳鈷錳酸鋰(NCM111)電池為主,但動(dòng)力電池的生產(chǎn)已轉(zhuǎn)向高鎳鎳鈷錳酸鋰(NCM811)電池,因此本研究通過回收NCM111電池的鎳,以等量鎳資源生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料為目標(biāo),進(jìn)行能源投入、原料和輔料投入以及產(chǎn)品產(chǎn)出分析,進(jìn)而計(jì)算整個(gè)回收再利用過程的溫室氣體排放量。

退役動(dòng)力電池主要靠電池回收網(wǎng)點(diǎn)從消費(fèi)者手中回收,回收網(wǎng)點(diǎn)多為汽車銷售服務(wù)4S店、汽車維修廠等,回收的退役動(dòng)力電池經(jīng)過包裝運(yùn)輸至電池回收再利用企業(yè)進(jìn)行再利用,退役動(dòng)力電池的再利用主要包括電池包的拆卸、放電、拆解、熱解、破碎、分選等工藝,分離出電池中的各種材料,再對(duì)正極進(jìn)行浸出、萃取、沉淀得到前驅(qū)體產(chǎn)品,然后與鋰鹽混合后煅燒,最終得到正極材料。本研究的動(dòng)力電池回收再利用生命周期范圍從退役動(dòng)力電池NCM111電池回收到制備得到NCM811電池的正極材料,整個(gè)系統(tǒng)邊界如圖1所示。

圖1 退役動(dòng)力電池回收再利用生命周期系統(tǒng)邊界Fig.1 Retired traction battery recycling life recycle and resue system boundary

1.2 清單分析

在退役動(dòng)力電池回收再利用的清單分析中,為方便計(jì)算,以制備得到1 t NCM811電池的正極材料列出清單,退役動(dòng)力電池回收再利用的生命周期清單數(shù)據(jù)主要來源于湖南某電池回收再利用企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù),涉及能源投入、原料和輔料投入以及產(chǎn)品產(chǎn)出。具體的清單數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 退役動(dòng)力電池回收再利用清單數(shù)據(jù)Table 1 Retired traction battery recycling and reusing list data

正常使用原生材料生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料清單數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[7],如表2所示。

表2 生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料清單數(shù)據(jù)Table 2 Production of 1 t NCM811 battery cathode material list data

本研究只考慮從新能源汽車退役的動(dòng)力電池,不包括電池生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的殘次品、電池電芯、極片以及檢測(cè)報(bào)廢的動(dòng)力電池。退役動(dòng)力電池回收網(wǎng)點(diǎn)大都在電池回收再利用企業(yè)的300 km范圍內(nèi),本研究按中間值150 km計(jì)算,并根據(jù)卡車型號(hào)與耗油量計(jì)算出柴油用量[8]。運(yùn)輸過程中使用的包裝箱為退役動(dòng)力電池專用可重復(fù)利用包裝箱,因此可以不考慮廢舊動(dòng)力電池包使用的溫室氣體排放。廢渣、殘?jiān)玩嚩酁闊o機(jī)物,與溫室氣體排放幾乎無關(guān)。

1.3 溫室氣體排放量計(jì)算方法

溫室氣體排放量計(jì)算依據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)的《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》,計(jì)算方法如式(1)所示。

(1)

式中:Ce為溫室氣體排放量,kg,以CO2當(dāng)量計(jì);Ei為i原料、輔料、能源或產(chǎn)品的溫室氣體排放因子;Ai為i原料、輔料、能源或產(chǎn)品的消耗量。Ei和Ai的單位根據(jù)實(shí)際情況而定。

溫室氣體排放因子來源于聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)、國(guó)家電網(wǎng)、中國(guó)產(chǎn)品全生命周期溫室氣體排放系數(shù)庫(kù)(CPCFFD)和ECoinvent數(shù)據(jù)庫(kù)(以下簡(jiǎn)稱ECoinvent),列于表3中。

表3 溫室氣體排放因子1)Table 3 Emission factors for greenhouse gases

2 結(jié)果與討論

經(jīng)計(jì)算得到,正常使用原生材料生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料溫室氣體排放量為28.9 t;通過回收NCM111電池生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料溫室氣體排放量達(dá)到39.8 t,但同時(shí)又可獲得碳酸鋰、硫酸錳、硫酸鈷等其他產(chǎn)品,相當(dāng)于溫室氣體減排量21.4 t,因此通過回收NCM111電池生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料凈溫室氣體排放量為18.4 t,相比正常使用原生材料生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料減少溫室氣體排放36.3%。

具體分析正常使用原生材料和通過回收NCM111電池生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料時(shí)原料、輔料和能源投入產(chǎn)生的溫室氣體排放量占比,結(jié)果分別如圖2和圖3所示?？梢钥吹?正常使用原生材料生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料溫室氣體排放量占比最高的前3項(xiàng)依次為硫酸鎳、氫氧化鈉和電,而回收NCM111電池生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料溫室氣體排放量占比最高的前3項(xiàng)依次為電、氫氧化鈉和碳酸鈉。由于硫酸鎳是高鎳電池生產(chǎn)中必須的原料,硫酸鎳無法減少使用。因此,正常使用原生材料生產(chǎn)NCM811電池正極材料的溫室氣體減排應(yīng)關(guān)注電和氫氧化鈉。

圖2 原生材料制備時(shí)的溫室氣體排放分析Fig.2 Greenhouse gas emission analysis when using virgin materials

圖3 回收NCM111電池制備時(shí)的溫室氣體排放分析Fig.3 Greenhouse gas emission analysis when recycling NCM111 battery

假設(shè)硫酸鎳、氫氧化鈉及NCM811電池的正極材料生產(chǎn)中能源投入全部轉(zhuǎn)換為綠色能源,可以得到如圖4所示的溫室氣體排放量,正常使用原生材料生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料溫室氣體排放量減少到15.6 t,而通過回收NCM111電池生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料凈溫室氣體排放量減少到1.7 t,相當(dāng)于分別減排46.0%、90.7%。

3 結(jié) 論

通過回收NCM111電池生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料凈溫室氣體排放量為18.4 t,比正常使用原生材料生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料溫室氣體排放量減少36.3%,建議NCM811電池正極材料生產(chǎn)過程中關(guān)注氫氧化鈉和電的溫室氣體減排,如能全部使用綠色能源,則正常使用原生材料和通過回收NCM111電池生產(chǎn)1 t NCM811電池的正極材料凈溫室氣體排放量將相當(dāng)于分別減少46.0%、90.7%,因此可以從退役動(dòng)力電池回收再利用及綠色能源導(dǎo)入兩個(gè)方面進(jìn)行新能源汽車動(dòng)力電池行業(yè)的溫室氣體減排。