詳解動力電池生命周期 制造和回收過程中的能耗及排放以及對環境的影響

      禁售燃油車的一大目標是為了節能減排，如何更好的實現這個目標呢？上期周報對純電動汽車和傳統燃油車在使用過程中的能耗和排放進行了對比，結果顯示，在使用階段純電動汽車確實在能耗和二氧化碳的排放上占據優勢。但是相對燃油車來說，從電動汽車的全生命周期看，除了充電環節，動力電池的生產和回收環節也存在能耗和環境影響問題，本期周報嘗試用LCA（Life Cycle Assessment）即生命周期評價對此進行分析。

      LCA是一種評價產品、工藝或活動整個生命周期階段有關的環境負荷的過程。根據IS014040的定義：LCA是匯總和評估一個產品、過程(或服務)體系在其整個生命周期內的所有投入及產出對環境造成的直接和潛在影響的一種方法。對于動力電池來說，從循環經濟的視角來看，其生命周期的循環過程如下圖：

      本文收集的相關數據，主要來源于查詢到的企業生產數據和相關文獻期刊上公開發表的資料數據及GaBi環境數據庫中的數據，僅為行業值，不能確保完全符合企業的實際情況。

      美國阿貢實驗室發表過一篇題為“Comparison of Li-Ion Battery Recycling Processes by Life-Cycle Analysis”的文獻，文章分析比較了產品生命周期的所有過程影響，從原材料的獲取到生產，使用，結束生命的處理，再循環，以及最終的處理等。阿貢實驗室對動力電池生命周期的劃分如下圖：

      1. 動力電池制造過程的能耗及排放

      對于動力電池原料獲取和制造過程中的能耗，阿貢實驗室給出了部分學者的研究結果如下圖：

      我們以Majeau-Bettez的研究為例，根據上表，其原料獲取和制造過程總能耗約為205MJ/kg。假定此能量全部為我國現有能源結構下的電能輸出，根據中國電力企業聯合會規劃發展部發布的《全國電力工業統計快報2016》，火電71.6%。則每公斤動力電池需要的火電能耗為205÷3.6×0.716=41kwh。根據《全國電力工業統計快報2016》信息，我國6000 kW以上級發電企業供電標準煤耗為312g/kwh。轉化為供電標準煤：41×0.312=12.792kg。
      取常見裝電40度的車輛為標的，根據電池組能量密度，重量約為220kg左右。則制造每臺車的動力電池需要能耗約為220×205÷3.6=12528kwh，折合標準供電煤為2.8噸。2016年中國汽車產量約2800萬臺，假定全部為電動汽車，則所需電力供應的標準煤耗為7840萬噸。按照標準煤的碳元素含量68％ (重量)，從理論上計算火電廠每發出一度電產生的二氧化碳為：312×0.68/12x44=788克，則每制造一臺車動力電池的二氧化碳排量放為7000kg。

      根據文獻 “發動機原始制造與再制造全生命周期評價方法”（大連理工）及“電動汽車與內燃機汽車動力系統生命周期評價對比研究”（合肥工大），查詢到車用發動機的制造能耗如下表。對比可見動力電池材料獲取和制造過程的能耗是發動機的30倍左右。

      2. 動力電池回收過程的能耗和排放
      在動力電池的回收階段，目前主要集中在對有價金屬鈷、鎳和鋰的回收上，因為這些金屬屬于稀缺金屬，相對于其他金屬具有較高的回收價值。對于石墨、隔膜、電解液等的回收處理研究則非常少。關于動力電池的回收能耗數據，主要通過文獻查詢的途徑搜集。

      根據文獻“循環經濟視角下的汽車動力系統生命周期評價研究”（廈門大學）中查詢到到CATL提供的LFP和NCM兩種電池的單體材料清單如下：

      鋰電池的回收一般有火法、濕法和生物法這三大類，下圖為國內主流鋰電池回收處理公司廣東邦普所采用的工藝方法，其中LFP和NCM的工藝有所不同。

      文獻“循環經濟視角下的汽車動力系統生命周期評價研究”（廈門大學）中廣東邦普公司對LFP和NCM兩種單體原材料的電池組進行了回收分析，其中LFP由10組電池模塊，每個模塊10個電池單體組成，單體重量為1.973kg；NCM由11組電池模塊，每個模塊14個電池單體組成，單體重量為0．835kg。其回收能耗如下圖：

      燃油汽車動力系統經過一系列的預處理、拆解、分類和壓實等工序處理后進行回收，其金屬材料回收階段能源消耗，根據相關研究文獻(Andrew等，2006；Gregory等，2012；張伯明，2006；阮仁滿等，2010)查詢如下:

      對比可見，動力電池回收過程中的能耗，電力消耗是發動機的3倍，天然氣消耗則是10倍以上。
      在環境影響上，燃油汽車動力系統的回收、拆解、材料再生等過程比較簡單，且工藝成熟。而鋰電池尤其是LFP的處理還不完善，且回收主要集中在有價金屬上，對于石墨、隔膜、電解液等的回收處理研究很少。電解液又是一項非常重要的污染源，如LiPF 6等在潮濕的空氣中會分解生成有害物質，而有機溶劑如碳酸乙烯脂(EC)、碳酸二乙脂(DEC)或碳酸二甲脂(DMC)等會對環境水、大氣和土壤造成嚴重的污染并對生態系統產生危害。另外廢舊動力鋰離子電池除了在拆解的過程中會產生廢氣、廢液、廢渣等污染外，由于材料、殘余電量的原因，還存在自燃甚至爆炸等安全威脅。
      3. 相關措施及建議

      動力電池制造階段能耗遠高于發動機，其主要原因是上游原材料種類繁多，原料開采和生產過程中就消耗了大量能源，產生了大量廢棄物，例如磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰的制備過程等。而且這個過程對鋰、鈷、鎳等礦產資源耗竭值高。

      綜上，要降低電動汽車的整個生命周期能耗值和礦產資源耗竭潛值應注意以下措施：
      1)報廢回收階段是對原材料進行回收再生的過程，直接減少了動力電池全生命周期的礦產資源消耗，因此加強回收工作意義重大；
      2)改進動力電池回收工藝，提高金屬再生效率；
      3)改進動力電池回收工藝，提高回收企業的投入產出比，比如目前LFP在投入比NCM更多原料和能源的情況下，回收得到的再生金屬遠少于NCM。
      4)提高動力電池能量密度，減輕重量，從源頭減少原料開采和獲?。?br />       5)挖掘成本更低廉、資源廣泛易得的電池材料，降低原料獲得難度。