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0 引言
得益于国家政策对新能源汽车的大力支持,电动汽车产业发展飞速[9]。2018年,电动汽车在中国的销量比2017年增长了78%,达到52万辆[4]。随着电动汽车产业的发展,先进的电源存储设备也越来越受欢迎。能量和功率密度高、自放电率低、环境友好型的锂离子电池（lithium-ion battery, LIB）在汽车领域得到了广泛应用,成为当前最具应用前景的电力系统电池储能技术之一[10,11]。然而,锂离子电池作为电动汽车特有的储能元件,其生产会带来相当大的能源和环境负担[12,13]。近年来,人们对电动汽车的环境效益更加关注[14]。国内外研究热点主要集中在从“摇篮”到“坟墓”的电池全生命周期的环境效益[15]。对一些电池组的生产阶段环境足迹值也有研究[16]。
面向碳中和目标的锂离子电池环境评价,本文制定了一个以多层次指标为基础的生命周期评价（life cycle assessment, LCA）体系,包括足迹家族、资源消耗和毒性损害指标,对生产阶段多个类型的锂离子电池组进行环境评价,并衡量其可持续发展的能力。
1 研究方法和实验数据
1.1 评价对象与范围
LCA的结果与功能单元（function unit, FU）的选择之间有很强的依赖性,功能单元的确定可以保证评价对象和评价过程有相同的基准。考虑到不同类型的电池会消耗不同质量的原材料,为了获得各种电池材料的可比值,需要将电池部件和质量的原始值转化为标准质量,即评估合成1 kg物体材料的足迹值。本研究选择1 kg为功能单元。
本文采用SimaPro软件进行生命周期评价。SimaPro软件是一款商用的产品系统建模和评估软件[28],包含一个带有大量清单数据和影响评价方法的数据库,其中的Ecoinvent数据库是一个高质量、科学、透明、世界领先的生命周期清单数据库,支持结果导向型模型,不仅描述了产品生命周期的环境影响,而且还表达了产品是如何改变其他生命周期的环境影响的。将电池原材料清单输入到SimaPro软件中,合成锂离子电池组的材料百分比清单。这些清单以Ecoinvent 3数据库为背景系统,采用基于过程的生命周期评价和基于参数特征的方法,从层次的角度对综合环境影响潜力进行评估。
1.2 综合环境评价指数
Table 1 Environmental assessment index表1 环境评价指标 |
| 二级指标 | 三级指标 |
|---|---|
| 足迹家族（footprint family） | 碳足迹（carbon footprint, CF） |
| 生态足迹（ecological footprint, EF） | |
| 水足迹（water footprint, WF） | |
| 资源耗竭（resource depletion） | 非生物耗竭潜势（abiotic depletion potential, ADP） |
| 酸化潜势（acidification potential, AP） | |
| 富营养化潜势（eutrophication potential, EP） | |
| 臭氧层损耗潜势（ozone depletion potential, ODP） | |
| 光化学氧化潜势（photochemical oxidant formation potential, POFP） | |
| 毒性损害（toxicity damage） | 人类致癌毒性（human toxicity cancer, HTC） |
| 人类非致癌毒性（human toxicity non-cancer, HTN） | |
| 生态毒性（ecotoxicity, ETX） |
Fig. 1 Weight of environmental assessment indicators图1 环境评价指标的权重 |
2 结果与讨论
选取迷你型车（重1 100 kg、电池容量为17.7 kW∙h、能源需求为96.8 W∙h/km）进行研究,与其他车型相比,其车身小而轻,能源需求少,操作方便,价格优惠,利于推广。以迷你型车的11组锂离子电池组为研究对象,分析各项环境指标。
2.1 电池组生产阶段的足迹家族影响
通过数据无量纲化处理、计算各项指标权重,对足迹家族指标进行评估,如图2所示。
Fig. 2 Influence value of footprint family index of lithium-ion battery pack in production stage: (a) carbon footprint; (b) footprint family图2 锂离子电池组在生产阶段的足迹家族指标影响值：（a）碳足迹;（b）足迹家族 |
对于足迹家族,三种足迹值在电池组中所表现出的环境影响值差异主要源于电池组原材料的组成不同。图2a为生产阶段碳足迹影响值。碳足迹可被称为温室气体排放或全球变暖潜势,体现了电池在生产阶段所产生的碳排放。在目标电池组中,NMC-SiNW的碳足迹值最高,而NMC-SiNT电池组的碳足迹值仅为7.37 × 103 kg CO2-eq。可以发现,生产以硅纳米线作为负极的电池组所产生的碳足迹要高于生产以硅纳米管为负极的动力电池组。NMC-C和LFPy-C电池组的碳足迹值在含硅纳米材料的两组电池之间,反映出电池组较高的温室气体排放量主要是由于二者的正极材料占比很高,分别为64.1%和54.8%,远高于一般锂离子电池正极材料占比（15% ~ 27%）。同时,从NMC442-C、NMC111-C、NMC-C这三种电池组的碳足迹值可以看出,因含Ni、Mo、Co等元素的正极活性材料组分不同,电池组的碳足迹值波动范围很大。值得一提的是,生产FeS2SS电池的碳排放最低。
生态足迹主要通过土地占用、核能和二氧化碳三个方面反映电池组生产对生态环境方面的影响。CF和EF的影响趋势趋于一致。水足迹主要反映在电池组生产阶段的水资源消耗上。在WF方面,水资源消耗量最大的前三种电池组分别为 NMC111-C、LFPx-C、Li-S。此外,LMO类型的WF值最低。
通过数据的无量纲化处理和各项指标所确定的权重,将足迹家族指标进行环境影响评估,如图2b所示。可以看出,WF、CF和EF三种足迹指标的影响值分布有明显差异,但综合的足迹家族指标的影响值排序中与CF和EF的规律呈现一致性,WF不会显著影响足迹家族指标的综合值。电池组类型在足迹家族中由低到高产生的足迹影响依次为LMO/NMC-C < FeS2SS < LMO-C < NMC442-C < Li-S < LFPx-C < NMC111-C < NMC-SiNT < NMC-C < LFPy-C < NMC-SiNW。
2.2 电池组生产阶段的资源耗竭影响
通过数据的无量纲化处理和各项指标所确定的权重,对资源耗竭指标进行评估,如图3所示。
Fig. 3 Influence value of resource depletion index of lithium-ion battery pack in production stage图 3 锂离子电池组在生产阶段的资源耗竭指标影响值 |
可以看出,5种三级指标在不同电池组的影响趋势呈现出很大差异。非生物耗竭指标主要反映资源的可获得性,体现在资源获取过程中能源的消耗和固体废弃物的产生。NMC-SiNW电池组的ADP指标影响值最大,说明该类型电池组在生产制造过程中所消耗的不可再生类资源高。LMO/NMC-C电池组的ADP指标影响值最小。酸化指标主要反映电池组在生产阶段所产生的酸化潜力,酸化物质对生活环境和生态系统等方面产生广泛影响。具有最高AP值的电池组是NMC-SiNW,AP值最低的电池组为FeS2SS。富营养化指标主要反映产品在生产阶段向空气、水和土壤排放营养物质而引起环境中宏观营养物质极端强度的影响。EP最高的两个电池组是LFPy-C和NMC-C,最低的是FeS2SS 电池组。臭氧层损耗主要反映在电池组生产阶段所产生的物质对臭氧层的影响。LFPx-C和 NMC442-C电池组的ODP值都偏高,其他电池组类型与二者相比,呈现极低的ODP值。光化学氧化潜值主要反映了氮氧化物和非甲烷挥发性有机化合物在地面上形成臭氧的能力。图3中,Li-S电池组的POFP值最高,而另一组含硫的电池组FeS2SS的潜值最低,可见以LMB类型电池组为代表的两类电池的POFP波动最大。
不同类型的电池组在5组资源耗竭影响潜值方面有明显的侧重程度。例如,除LFPx-C和NMC442-C在POFP方面上显示极大的潜值,资源耗竭各三级指标的最高和最低排放潜值的电池组类型不一致。且FeS2SS在资源耗竭二级综合指标和三级指标中都表现出极低的排放潜值。锂离子电池组的资源消耗潜值由低到高依次为FeS2SS < LMO/NMC-C < LMO-C < NMC111-C < Li-S < NMC-SiNT < NMC442-C < LFPx-C < NMC-C < LFPy-C < NMC-SiNW。
2.3 电池组生产阶段的毒性损害影响
经过无量纲化处理和各指标权重的确定后,对毒性损害指标进行评估,图4所示为锂离子电池组在毒性损害指标下的表现情况。
Fig. 4 Influence value of toxicity damage index of lithium-ion battery pack in production stage图 4 锂离子电池组在生产阶段的毒性损害指标影响值 |
毒性损害指标可以反映电池组生产过程对人类健康和生态健康的影响,是常被忽视的指示人体/生态健康的环境影响指标。在电池组的毒性损害评价中,基于人体对毒性的致癌程度将其分为致癌性和非致癌性两组指标。生态毒性指标可以反映电池组在生产阶段对生态环境造成的毒性损害程度。其评价值最大的电池组为 LFPy-C,最小的电池组为FeS2SS。总的来说,电池组所呈现的三个毒性指标评价趋势一致。
电池组在生产阶段产生的HTC、HTN和ETX 三种影响潜值具有一致的规律性。综合毒性损害潜值由低到高的电池组类型依次为FeS2SS < Li-S < LMO/NMC-C < NMC111-C NMC-SiNT < NMC442-C < LFPx-C < LMO-C < NMC-SiNW < NMC-C < LFPy-C。
2.4 电池组生产阶段的三级指标分析
从图5中可以看出11组电池在各项环境影响值间的贡献程度。从电池类型方面分析,LFPy和NMC-C由于正极材料的占比极高（质量比例超过50%）,两组电池在CF、EF、EP、AP、HTC、HTN和ETX方面具有较高的环境影响值。
Fig. 5 Influence ratio diagram of various environmental indicators of lithium-ion battery pack in production stage图 5 锂离子电池组在生产阶段中各项环境指标影响比例图 |
从环境指标方面分析,可以看到在CF和EF中,11组锂离子电池的贡献程度具有相似性,同样,在HTC、HTN和ETX中也具有相似的贡献规律。电池组在资源耗竭下的5项指标与其他指标的贡献规律略有不同。
整体而言,LFPy、NMC-SiNW和NMC-C的各项环境影响值均较高,可以认为这三组电池的环境影响值偏高,其生产阶段对环境造成较大的影响负荷。
3 结论
面向实现“碳中和”的目标,首先以二级综合指标为分类基础分析了11组动力电池在生产阶段的11项三级环境影响指标,并着重对碳足迹进行分析,再以此为基础对生产阶段的电池组进行环境影响评价。结果表明：
（1）足迹家族。CF中,以硅纳米管和硅纳米线为主的负极材料制备的动力电池组有较高的碳排放值。LMB和LMO类型的电池组产生的CF影响小。EF指标规律与CF一致。LMO类型的WF值最低,LMB类型中的Li-S表现出较高的水资源消耗。
（2）资源耗竭。ADP影响值最高的材料是NMC-SiNW;NMC类型电池组的AP值普遍偏高;LMO类型电池组表现出低AP值。EP表现最明显的两个电池组是LFPy-C和NMC-C。POFP中以LMB类型电池组为代表的两类电池影响潜值波动最大,Li-S电池的POFP值最大,而FeS2SS电池的POFP值最小。ODP中LFPx-C和NMC442-C电池组表现尤为显著,其他类型电池组所呈现的ODP值很小。
（3）毒性损害。电池组所呈现的三个毒性指标评价趋势一致,最高毒性损害为LFPy-C,最低的毒性损害为LMB类型电池组（Li-S或FeS2SS）。
（4）整体而言,FeS2SS电池组在生产阶段产生的综合环境影响较小,LFP-y、NMC-SiNW和NMC-C在各项环境影响值中贡献程度均较高,可以认为这三组电池的生产阶段对环境造成较大的影响负荷。
（5）为努力实现“2060年达成碳中和”的目标,NMC-SiNW、LFPy-C、NMC-C这三类电池应控制生产,或优化工艺以减少碳排放。