郁亞娟　王聰　王冬　黃凱　陳博

(1.北京理工大學(xué)材料學(xué)院能源環(huán)境材料系　北京100081；2.北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院　北京 100083)

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二次電池電極材料環(huán)境影響計(jì)算系統(tǒng)*

郁亞娟1王聰1王冬1黃凱2陳博1

(1.北京理工大學(xué)材料學(xué)院能源環(huán)境材料系北京100081；2.北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院北京 100083)

摘要以生命周期評(píng)價(jià)理論為基礎(chǔ)，建立了電極材料電化學(xué)性能與環(huán)境影響的內(nèi)在量化關(guān)聯(lián)關(guān)系分析方法?；贘ava語(yǔ)言，設(shè)計(jì)和編寫了二次電池電極材料環(huán)境影響綜合計(jì)算系統(tǒng)，協(xié)調(diào)考慮了二次電池的循環(huán)特性、電化學(xué)特征等，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境影響評(píng)價(jià)過程中對(duì)材料質(zhì)量需求的便捷計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)評(píng)價(jià)操作過程的綜合化、軟件化和信息化，提高了評(píng)價(jià)效率。選用LiFePO4/C，LiFe0.98Ti0.02PO4/C，LiFe0.98Mn0.02PO4/C和FeF3(H2O)3/C 4種正極材料基于此系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用。

關(guān)鍵詞電極材料電化學(xué)性能環(huán)境影響生命周期評(píng)價(jià)綜合計(jì)算系統(tǒng)

0引言

近年來，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源需求促進(jìn)了電池行業(yè)的高速發(fā)展[1-2]。節(jié)能環(huán)保的要求、電池功能集成化的快速發(fā)展[3]、線性環(huán)境管理模式[4]向生態(tài)環(huán)境管理模式的逐步轉(zhuǎn)變以及鎳氫電池[5]和鋰離子電池[6]在現(xiàn)代設(shè)備中的廣泛使用[7]，進(jìn)一步促進(jìn)了二次電池行業(yè)的快速發(fā)展[8-9]。隨著報(bào)廢的二次電池逐年增多，尤其在國(guó)內(nèi)目前針對(duì)廢舊電池的處理回收技術(shù)和管理還比較落后的情況下，它們對(duì)人類和環(huán)境帶來潛在或直接的危害[10]以及資源浪費(fèi)[11]會(huì)日趨明顯[12]。

鑒于電子產(chǎn)品的環(huán)境影響已成為社會(huì)的焦點(diǎn)[13]，二次電池電極材料中含有一定數(shù)量的重金屬物質(zhì)及其他有毒物質(zhì)，具有潛在的環(huán)境危害性[14]，因此，對(duì)二次電池電極材料進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)和優(yōu)選是十分必要的。本研究基于Java語(yǔ)言，設(shè)計(jì)和編寫了專門針對(duì)二次電池電極材料環(huán)境影響的綜合評(píng)價(jià)軟件(以下簡(jiǎn)稱材料計(jì)算系統(tǒng))。材料計(jì)算系統(tǒng)基于Eco-indicator 99(簡(jiǎn)記為EI99)體系[15]的生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建。該軟件實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)過程中，在特定容量需求和一定循環(huán)次數(shù)下，每種電極材料四位一體的數(shù)據(jù)——平均放電比容量、質(zhì)量需求、總(綜合)環(huán)境影響值、平均放電比容量不確定性系數(shù)(質(zhì)量需求的不確定性系數(shù))的便捷計(jì)算，并能對(duì)計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)、導(dǎo)出，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)環(huán)境影響評(píng)價(jià)操作過程的軟件化和信息化，提高了評(píng)價(jià)的效率。雖然我們已實(shí)現(xiàn)了二次電池的環(huán)境影響評(píng)價(jià)軟件[16]，但該軟件作為第一代二次電池環(huán)境影響評(píng)價(jià)軟件具有一定的局限性，結(jié)合二次電池的生命周期評(píng)價(jià)方法[17]，特別需要強(qiáng)調(diào)的是二次電池具有多次循環(huán)充電、往復(fù)使用的特性。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

材料計(jì)算系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)思路如圖1所示，二次電池電極材料單位質(zhì)量環(huán)境影響值EI(EI值以生態(tài)指標(biāo)分?jǐn)?shù)表示，它是代表某種材料、某個(gè)過程或者某一產(chǎn)品的環(huán)境影響相對(duì)負(fù)荷的一個(gè)單一數(shù)值，生態(tài)指標(biāo)分?jǐn)?shù)越高，對(duì)應(yīng)環(huán)境相對(duì)負(fù)荷就越大，其衡量方式為每一分代表平均一個(gè)歐洲居民在一年中環(huán)境負(fù)荷的千分之一)可以通過集成了Eco-indicator 99體系及豐富的生命周期清單數(shù)據(jù)庫(kù)的Simapro軟件來計(jì)算得出；若輸入的循環(huán)次數(shù)大于幾種材料循環(huán)次數(shù)的最小值，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的提示。

圖1　材料計(jì)算系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)思路

為了使得出的各種材料質(zhì)量需求的值比較大，以利于區(qū)別比較，在取定了容量需求和循環(huán)次數(shù)之后會(huì)用容量需求去除以單次平均放電比容量。另外，由于平均放電比容量與質(zhì)量需求是線性關(guān)系，所以平均放電比容量的不確定性系數(shù)也就等同于質(zhì)量需求的不確定性系數(shù)。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1程序語(yǔ)言

2.2系統(tǒng)功能

二次電池電極材料環(huán)境影響評(píng)價(jià)過程如圖2所示，材料計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖中方框內(nèi)的功能要求。

圖2　基于不確定性的二次電池材料環(huán)境影響評(píng)價(jià)實(shí)施步驟

材料計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸入材料名稱及相應(yīng)單位質(zhì)量環(huán)境影響值并存儲(chǔ)，再在設(shè)定了統(tǒng)一的容量需求和循環(huán)次數(shù)后導(dǎo)入材料電化學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出每種材料四位一體的數(shù)據(jù)，即平均放電比容量、質(zhì)量需求、總(綜合)環(huán)境影響值(最終的評(píng)價(jià)指標(biāo))、平均放電比容量不確定性系數(shù)(質(zhì)量需求的不確定性系數(shù))，并能對(duì)計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)、導(dǎo)出。

通過比較總(綜合)環(huán)境影響值即可篩選最優(yōu)電極材料，實(shí)現(xiàn)電極材料的綜合量化評(píng)估。在后續(xù)的評(píng)價(jià)分析中，在選定最優(yōu)電極材料的基礎(chǔ)上，通過設(shè)定總(綜合)環(huán)境影響值 、平均放電比容量、循環(huán)次數(shù)3個(gè)中的任意2個(gè)為定量，另一個(gè)為變量，可以得到其他電極材料理論優(yōu)化潛能，即綜合性能被提升的難易程度。通過材料系統(tǒng)的應(yīng)用，加快了兩個(gè)方面的運(yùn)算過程，即：①提取測(cè)試得到的電化學(xué)性能數(shù)據(jù)，確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的容量需求值，選定統(tǒng)一的循環(huán)次數(shù)，由這些得到每種材料的質(zhì)量需求量；②確定系統(tǒng)邊界，然后確定材料合成過程，再將系統(tǒng)邊界內(nèi)所涉及到的物質(zhì)與Simapro數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中沒有的中間反應(yīng)物，采用回溯的方法，同時(shí)查閱文獻(xiàn)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)以補(bǔ)充和簡(jiǎn)化清單分析，隨后可通過Eco-indicator 99體系得到材料合成的物質(zhì)流和相應(yīng)的EI流，進(jìn)而得出單位質(zhì)量電極材料的EI值。在知道電極材料質(zhì)量需求和單位質(zhì)量電極材料EI值的基礎(chǔ)上，可以得到綜合EI值。

上述功能的實(shí)現(xiàn)，以建立二次電池電極材料的電化學(xué)性能與其環(huán)境影響的量化關(guān)聯(lián)(如式(1)、式(2)、式(3)所示)為基礎(chǔ)。這一量化關(guān)聯(lián)是指：一方面，對(duì)于一種電池電極材料，可以通過生命周期評(píng)價(jià)得到單位質(zhì)量的材料對(duì)環(huán)境的影響值，即Eco-indicator 99體系里的EI值，根據(jù)EI值，可以了解到它的環(huán)境友好程度；另一方面，對(duì)于一種電極材料，其電化學(xué)性能的主要表征為放電比容量以及循環(huán)性能，其中循環(huán)性能又包括循環(huán)次數(shù)和循環(huán)衰減程度，如果它具有較高的放電比容量以及較多的循環(huán)次數(shù)和較低的循環(huán)衰減程度，那么在滿足一定外界容量需求的情況下對(duì)它的數(shù)量需求會(huì)相應(yīng)較少，較少的使用量也意味著一方面的環(huán)境友好。因此，這一量化關(guān)聯(lián)是在Eco-indicator 99的基礎(chǔ)上建立的，用以實(shí)現(xiàn)電極材料的綜合評(píng)價(jià)優(yōu)選。

(1)

式中，Ci表示循環(huán)次數(shù)為i時(shí)電極材料的放電比容量，Ctotal表示循環(huán)次數(shù)為k時(shí)前k次的放電比容量之和。

mr=Cr/Ctotal

(2)

式中，Cr表示外界容量需求，mr表示在一定容量需求下相應(yīng)的電極材料的質(zhì)量需求。

EIc=mr×EIm

(3)

式中，EIm表示通過Simapro操作得到的單位電量電極材料的EI值，EIc表示在Cr下電極材料的EI值，是評(píng)價(jià)的最終指標(biāo)。

最好的婚姻一定是最放松舒服的、最平和對(duì)等零壓力的，其實(shí)，這正是我想給喬振宇的，可他就是個(gè)花崗巖腦袋??！我狠狠剜了他一眼。

2.3系統(tǒng)安裝與界面實(shí)現(xiàn)

在分別安裝jdk.exe，mysql.exe，mysql-front.exe，tomcat之后，按路徑E:/tomcat6/bin(以本軟件所安裝電腦為例)找到startup.bat文件并雙擊打開。打開瀏覽器，在地址欄輸入127.0.0.1:8080/material并按回車鍵，出現(xiàn)材料計(jì)算系統(tǒng)的登陸頁(yè)面，登入系統(tǒng)后，會(huì)出現(xiàn)有計(jì)算結(jié)果顯示、查詢、添加新的計(jì)算的功能界面。

3系統(tǒng)應(yīng)用

3.1材料輸入與保存

在本系統(tǒng)的編程和安裝運(yùn)行實(shí)現(xiàn)完成以后，可以選取一定實(shí)例進(jìn)行計(jì)算。擬取4種正極材料LiFe0.98Ti0.02PO4/C，LiFe0.98Mn0.02PO4/C，LiFePO4/C，F(xiàn)eF3(H2O)3/C為計(jì)算對(duì)象進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。在首頁(yè)點(diǎn)擊“系統(tǒng)管理”，進(jìn)入“系統(tǒng)管理”界面，點(diǎn)擊“材料管理”之后點(diǎn)擊“添加”，會(huì)出現(xiàn)材料及其單位質(zhì)量環(huán)境影響值添加界面，再進(jìn)行相應(yīng)的添加并保存(為了跟后續(xù)需要導(dǎo)入的Excel表格的工作表名字對(duì)應(yīng)，材料名稱都去掉“/C”以進(jìn)行簡(jiǎn)化)。對(duì)4種正極材料的輸入都完成以后，材料名稱和相應(yīng)數(shù)據(jù)會(huì)在材料列表中顯示并用于后續(xù)計(jì)算。接著點(diǎn)擊“首頁(yè)”，然后點(diǎn)擊“新實(shí)驗(yàn)”，會(huì)出現(xiàn)材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)添加及最終計(jì)算界面。

3.2材料計(jì)算與輸出

在材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)添加及最終計(jì)算界面自定義實(shí)驗(yàn)名稱，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取分別以4種材料名字命名的4個(gè)Excel文件“材料數(shù)據(jù).xlsx”(電化學(xué)性能數(shù)據(jù))，再輸入功能需求值“10 000”，限定次數(shù)“50”，然后點(diǎn)擊“計(jì)算”，會(huì)出現(xiàn)如圖3所示的計(jì)算結(jié)果。

圖3　統(tǒng)一的容量需求和循環(huán)次數(shù)下電極材料的計(jì)算結(jié)果

這個(gè)界面中，顯示了每種材料四位一體的計(jì)算結(jié)果。通過比較總環(huán)境影響值即可篩選最優(yōu)正極材料，總環(huán)境影響值越小，其環(huán)境友好性越好。

在此頁(yè)面點(diǎn)擊“導(dǎo)出”，會(huì)出現(xiàn)如圖4所示的下載頁(yè)面，最終結(jié)果可以Excel表格的形式導(dǎo)出。

圖4　計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出頁(yè)面

4結(jié)語(yǔ)

鑒于目前還沒有進(jìn)行二次電池電極材料環(huán)境影響綜合評(píng)價(jià)的軟件，本研究在建立了正極材料電化學(xué)性能與環(huán)境影響的內(nèi)在量化關(guān)聯(lián)關(guān)系分析方法的基礎(chǔ)上，基于Java語(yǔ)言編寫了二次電池電極材料環(huán)境影響綜合計(jì)算系統(tǒng)。本系統(tǒng)以生命周期評(píng)價(jià)(LCA)理論為基礎(chǔ)，選用Eco-indicator 99體系作為評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)體系，其環(huán)境影響評(píng)價(jià)的結(jié)果具有可靠性。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了二次電池電極材料環(huán)境影響評(píng)價(jià)過程中對(duì)材料質(zhì)量需求的便捷計(jì)算，進(jìn)而與Simapro軟件一起實(shí)現(xiàn)整個(gè)評(píng)價(jià)框架操作過程的軟件化和信息化，提高了評(píng)價(jià)的效率。文中以4種正極材料為對(duì)象展示了材料計(jì)算系統(tǒng)的主要功能，證實(shí)了系統(tǒng)的可行性。本系統(tǒng)將環(huán)境保護(hù)與軟件技術(shù)相結(jié)合，希望有助于基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的環(huán)境保護(hù)和污染防治。下一步研究中可嘗試取得國(guó)外大型軟件生產(chǎn)商的許可，將材料計(jì)算系統(tǒng)與一些商業(yè)化LCA軟件通過COM接口連接，從而更加完善結(jié)果分析，加強(qiáng)評(píng)價(jià)結(jié)果輸出的層次化和多樣化。

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Design and Construction of Comprehensive Environmental Impact Computing System for Electrode Materials of Rechargeable Batteries

YU Yajuan1WANG Cong1WANG Dong1HUANG Kai2CHEN Bo1

(1.DepartmentofEnergy&EnvironmentalMaterials,SchoolofMaterialsSciences&Engineering,BeijingInstituteofTechnologyBeijing100081)

AbstractThis article has established a quantified association between electro-chemical performance and comprehensive environmental impact for the electrode materials of rechargeable batteries based on the methodology of Life Cycle Assessment (LCA). A comprehensive environmental impact computing system for the electrode material of rechargeable batteries is designed and constructed in Java. The software can realize the convenient and fast calculating for the masses of materials which is needed in the process of environmental impact assessment and balance the software’s function between cycle performance and electric characteristics. Also, almost all the assessment procedures can be conducted through the software which will improve the efficiency of assessment. Four types of positive pole materials, LiFePO4/C, LiFe0.98Ti0.02PO4/C, LiFe0.98Mn0.02PO4/C, FeF3(H2O)3/C, are taken as examples to be applied.

Key Wordselectrode materialelectrochemical performanceenvironmental impactlife cycle assessmentcomprehensive computing system

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51474033，41301636)，國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAD15B05)。

作者簡(jiǎn)介郁亞娟，女，1978年生，博士，碩士生導(dǎo)師，副教授，主要研究方向：環(huán)境材料評(píng)價(jià)與管理。

(收稿日期：2015-04-17)