【深度研究】車用鋰離子電池的碳足跡計算和減碳潛力分析

車用鋰離子電池的碳足跡計算和減碳潛力分析從“搖籃到搖籃”的評估方法鋰離子電池是電動汽車的核心部件之一，其生態(tài)指標對電動汽車的可持續(xù)發(fā)展意義重大。在這項研究中，使用從“搖籃到搖籃”的生命周期評估方法調查了中國生產的鋰離子電池的碳足跡。結果總結如下：(1)電池生產的碳排放為91.21kgCO2-eq/kWh，其中正極生產和電池組裝過程是碳排放的主要來源；(2)2020年以火電為主的中國電力結構下，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電池低51.8%。在未來電力結構下，2050年和2060年電池生產的碳排放量將比2020年分別減少75%和84.9%。短期有效的減碳措施是電池回收，長期的減碳措施是電力的綠色化。鋰離子電池產量與應用的急速增長，不僅帶來資源短缺的問題，同時電池生產、使用和回收過程還消耗了大量能源，直接和間接排放的大量溫室氣體導致環(huán)境問題。由于我國是全球最大的鋰電池生產與使用國，能源結構與發(fā)達國家相比需要低碳化轉型。因此，準確地計算我們生產的鋰離子電池全壽命周期的碳排放，充分挖掘各個階段的碳減排潛力對鋰離子電池的可持續(xù)性發(fā)展至關重要，也是有益于我們的碳中和目標。生命周期評價（LifeCycleAssessment,LCA）是評估產品、過程或活動生命周期環(huán)境負擔的方法，目前已有大量的研究使用該方法評估各種動力電池技術相關的環(huán)境污染和溫室氣體排放情況，主要集中在以下幾個方面1）鋰離子電池與其他電池的碳排放和環(huán)境指標的對比2）不同鋰離子電池材料體系的碳排放與環(huán)境指標對比3）鋰離子電池不同階段的碳排放與環(huán)境影響。一般來說，電池LCA的研究范圍是從搖籃到墳墓，然而許多研究側重于從搖籃到大門的評估，其中不包括使用和回收階段。近年來，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，如針對電池不同的回收方法進行研究，分析回收過程中的碳排放、人體毒性等環(huán)境影響。從文獻上看目前大多數(shù)研究均側重于鋰電池生產或回收中的單一或兩個階段，即從“搖籃到大門”的評估或“從大門到墳墓”的開環(huán)評估，很少有研究實際集中在電池全生命周期（“從搖籃到搖籃”的閉環(huán)過程）碳排放及潛力分析和預測。本研究研究了一種從搖籃到搖籃的LCA方法來調查現(xiàn)實和未來情景下我國生產的鋰離子電池的碳足跡，并給出了一些有價值的碳減排措施。研究對象是廣泛應用于電動汽車的NCM811電池。本研究的潛在貢獻總結如下：(1)構建“從搖籃到搖籃”的LCA方法來評估我國生產和使用的NCM811電池的碳排放;(2)計算鋰離子電池整個生命周期中的碳足跡，包括考慮原材料的電池生產、使用、回收和再制造階段，并建議一些有價值的碳減排措施;(3)計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的碳排放量。結果可以定量描述各種電池材料回收方法的碳排放效益;(4)計算了未來電力結構下電池生產的碳排放，并對電池生產過程中的碳中和目標進行了展望。2.基本方法根據ISO14044標準的定義，LCA的基本結構主要包括四個部分，即目標和范圍定義、清單分析、影響評估、解釋。它是一種用于評估產品在整個生命周期內對環(huán)境的影響的技術和方法。該研究旨在量化鋰離子電池全生命周期的碳足跡，評估不同階段的碳減排潛力，并研究不同電力結構下電池生產和使用階段的碳排放量。研究結果為整個鋰離子電池產業(yè)鏈實現(xiàn)2030年碳排放達峰和2060年實現(xiàn)碳中和提供了有價值的參考。本研究基于Gabi構建了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、電池的使用階段以及電池的回收和處置。電池運輸和存儲的碳足跡評估不在本研究的范電池全生命周期的各個階段清單分析及原始數(shù)據見論文原文。3.結果與討論3.1.電池生產過程中的碳排放和減碳潛力計算電池生產階段的碳排放量，結果如圖2所示?？梢杂^察到，電池生產階段的總碳排放量為91.21kgCO2-eq/kWh，正極材料生產的碳排放量為47.15kgCO2-eq/kWh）在電池生產過程中占比最大（51.69%）。正極材料碳排放的主要貢獻來自與鎳、鈷、鋰提取和選礦相關的上游工電池組裝的碳排放（28.11kgCO2-eq/kWh）是電池生產的第二大貢獻者，主要間接來源于電力和天然氣，其中電力碳排放量為22.16kgCO2-eq/kWh。上述結果是在我國2020年的電力結構下得出的。其他部位的碳排放量為15.95kgCO2-eq/kWh，主要包括陽極、隔膜、電解液、銅箔、鋁箔的碳排放量、外殼和輔助材料。在這項研究中，外殼在其他部分中占比最高，主要是因為電池使用的外殼是鋁制的。鋁生產的上游原材料和能源（電力與天然氣等）消耗將產生間接碳排放，而工藝和化學反應所消耗的能源將產生直接碳排放。電池生產的碳排放受到生產鏈各個環(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、提高生產率和調整能源結構等。本研究調查了能源結構及生產效率對碳排放的影響，結果如圖3所示。可以看出在不同年份的電力結構下，2030年電池生產碳排放量為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效率與碳排放之間的關系?？紤]到設備和成本的限制，假設電池生產效率每年提高5ppm，最高生產效率為50ppm。如圖3（b）所示，當電池生產效率為30ppm，電池組裝階段的碳排放量為28.11kgCO2-eq/kWh，。當生產效率提高到40ppm時，碳排放量為21.08kgCO2-eq/kWh，比30ppm16.87kgCO2-eq/kWh，比30p圖3.不同電力結構及生產效率下的碳排放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。電力是電動汽車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電力的碳強度有關。計算了我國不同電力結構下電池使用階段的碳排放量，結果如圖4（a）所示。圖4.電池使用階段不同情景下的碳排放。(a)未來的電力組合；(b)中國不同地區(qū)。可以觀察到，2020年電池使用過程中的碳排放量為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，計算了不同地區(qū)電池使用過程中的碳排放量，結果如圖4（b）所示。2020年華東地區(qū)電池在使用過程中的碳排放量為207.7kgCO2-eq/kWh，是全國平均水平的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)電池使用過程中的碳排放量為28.7kgCO2-eq/kWh，比全國平均水平低81.4%。西北地區(qū)電池使用階段碳排放量為28.5kgCO2-eq/kWh，比我國平均水平低81.5%。3.3電池回收過程中的碳排放和減碳潛力本研究調研了電池材料回收再制造的碳排放。具體計算與評估了火法冶金、濕法冶金和直接物理回收方法的碳排放量，結果如圖5所示?？梢娀鸱ɑ厥者^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。在火法冶金過程中，通常使用溫度在1000℃以上的高溫熔煉電池。碳排放來源于冶金過程中消耗的化石能源，可以產生許多直接和間接的碳排放。此外，陽極中的石墨不能通過火法冶金回收，石墨在高溫環(huán)境下熱解會產生碳排放?；鸱ㄒ苯痣m然可以帶來經濟價值，但其生態(tài)價值并不理想。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行多步化學處理，沒有高溫處理等高能耗、高碳排放的過程，而且陽極中的石墨不會轉化為二氧化碳增加碳排放。濕法冶金雖然可以實現(xiàn)閉環(huán)回收，但通常包括10多個主要步驟，會產生相當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品是可以直接用于電池生產的材料，減少了復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，比用原材料生產的電池低4.8%?？梢娀鸱ㄒ苯饘﹄姵卦僦圃斓臏p碳潛力相對有限。濕法冶金再生料再制造電池的碳排放量為60.77kgCO2-eq/kWh，比使用原材料生產的電池低33.47%。這是因為濕法冶金的碳排放量遠低于火法冶金。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上還不成熟，還處于小規(guī)模實驗階段。為大規(guī)模應用開發(fā)有效且成熟的物理回收方法對于減少碳排放至關重要。3.4電池生產的碳中和預測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現(xiàn)我國電池生產的凈零碳排放，電力結構的升級是關鍵因素。針對我國的碳中和戰(zhàn)略，本節(jié)考察了不同電力組合下電池生產階段的碳排放，結果如圖6所示?？梢杂^察到，2030年電力混合結構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)電仍占中國電力結構的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%。結合電池回收、CCUS、DAC等負碳技術，預計2060年前可實現(xiàn)電池行業(yè)碳中和目標。短期來看，電池生產的碳排放可以通過使用回收材料再制造電池來減少。從長遠來看，電池行業(yè)的碳中和可以通過綠色電力組合和負碳技術來實現(xiàn)。本研究開展了中國電動汽車鋰離子電池從搖籃到搖籃的LCA，并給出了一些有價值的減碳措施。此外，未來30年中國碳中和戰(zhàn)略研究了不同電力組合下鋰離子電池生產的碳排放。本研究的主要結論可歸納如下：(1)在我國目前以火電為主的電力結構下，NCM811電池在生產階段的碳排放量為91.21kgCO2-eq/kWh，其中正極生產貢獻最大，其次是電池組裝。電池使用過程中的碳排放量為154.1kgCO2-eq/kWh，主要來自電池消耗電能產生的間接碳排放。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)增加電力結構中的綠色比例和提高生產效率可以減少碳排放。在2050年中國電力結構下，電池生產和使用階段的碳排放量將分別減少74.8%和75.1%。當電池生產效率從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、提高生產效率、加強電池回收是必要的減碳措施。(3)到2050年，電池生產碳排放將比2020年降低84.9%。預計2060年之前，鋰離子電池生產碳中和可通過優(yōu)化電力結構、發(fā)展CCU、DAC、V2G等技術來實現(xiàn)。在未來的工作中，將結合電池生態(tài)指標和電池技術因素來研究電池的可持續(xù)性。例如，在計算電池使用過程中的碳排放時，會考慮電池的非線性老化等技術性因素。