殷仁述,楊沿平,楊 陽(yáng),陳志林 (湖南大學(xué),汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410082)

以尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰(LTO)取代石墨作為負(fù)極材料的鋰離子電池常被稱為鈦酸鋰電池.由于LTO電池在安全性、循環(huán)壽命、低溫適應(yīng)性、快速充放電等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)[1],近年來(lái)配備此類動(dòng)力電池的純電動(dòng)客車(chē)銷量逐步上升.據(jù)最新補(bǔ)貼政策,搭載LTO電池的快充類純電動(dòng)客車(chē)補(bǔ)貼強(qiáng)度有所提高[2],其未來(lái)市場(chǎng)規(guī)模有望進(jìn)一步擴(kuò)大.相比鎳鈷錳三元鋰(NCM)和磷酸鐵鋰(LFP)等主流鋰電池,盡管 LTO 電池能量密度偏低[3],但其循環(huán)壽命較長(zhǎng),在車(chē)用階段后剩余容量很可能遠(yuǎn)未達(dá) 80%的報(bào)廢閾值,此外兼具快速充放電能力和較高的安全性,適合以儲(chǔ)能系統(tǒng)形式進(jìn)行二次利用[4].

由于國(guó)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)車(chē)用LTO動(dòng)力電池上述特點(diǎn)開(kāi)展的生命周期評(píng)價(jià)(LCA)研究,其能源、環(huán)境與資源等表現(xiàn)難以得到科學(xué)評(píng)估.本文根據(jù)車(chē)用鋰電池各階段特點(diǎn),構(gòu)建包含有二次利用階段的完整生命周期評(píng)價(jià)模型,選擇搭載于純電動(dòng)城市客車(chē)平臺(tái)上的 LTO電池作為評(píng)價(jià)對(duì)象開(kāi)展LCA研究,評(píng)價(jià)結(jié)果可為產(chǎn)業(yè)政策制定或產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)提供參考.

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 系統(tǒng)邊界與功能單位

LCA是指對(duì)一個(gè)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中所有輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響進(jìn)行匯編和評(píng)價(jià)的過(guò)程[5].借助LCA人們可識(shí)別并量化某產(chǎn)品系統(tǒng)全生命周期各階段中能源與材料消耗、環(huán)境排放以及相關(guān)影響,并尋求降低上述負(fù)面影響的方法和措施.

典型LCA研究首先需明確研究目的、系統(tǒng)邊界和功能單位.本文研究目的在于探尋LTO電池全生命周期各階段能源、溫室氣體以及不可再生礦產(chǎn)資源等方面影響,因此研究范圍涵蓋了電池整個(gè)生命周期,包括生產(chǎn)、首次使用、重制、二次使用和回收等 5個(gè)階段,其系統(tǒng)邊界及生命周期主要環(huán)節(jié)見(jiàn)圖1.

圖1 系統(tǒng)邊界與電池生命周期主要環(huán)節(jié)Fig.1 System boundary and main processes in battery’s life cycle

功能單位是指經(jīng)過(guò)量化的產(chǎn)品功能或績(jī)效特征[5],選擇與已有研究相同的功能單位可確保不同LCA研究結(jié)果之間具備可比性,因此本文以LTO電池包中每kW·h容量為功能單位.

1.2 評(píng)價(jià)對(duì)象與數(shù)據(jù)來(lái)源

評(píng)價(jià)對(duì)象為某企業(yè)生產(chǎn)的純電動(dòng)客車(chē)用LTO電池包,該生產(chǎn)企業(yè)為2016年中國(guó)LTO純電動(dòng)客車(chē)及車(chē)用LTO電池包的主要制造商[6].評(píng)價(jià)對(duì)象的配套車(chē)型為12m級(jí)城市客車(chē),屬占據(jù)同時(shí)期市場(chǎng)主導(dǎo)地位的大中型客車(chē),故具有一定代表性,相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1.由于LTO電池的實(shí)際循環(huán)壽命難以獲得,故以文獻(xiàn)中統(tǒng)計(jì)結(jié)果設(shè)其容量衰減至80%的循環(huán)壽命為10000次[7].

表1 電池包與配套車(chē)型參數(shù)Table 1 Specifications of vehicle and battery pack

本文中常用鋰電池材料(包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液等)的基礎(chǔ)流背景數(shù)據(jù)來(lái)源于本研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的“中國(guó)常用鋰電池材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)”;能源與運(yùn)輸服務(wù)等數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)生命周期核心數(shù)據(jù)庫(kù)(CLCD)[9].

1.3 影響評(píng)價(jià)指標(biāo)和計(jì)算方法

影響評(píng)價(jià)是指根據(jù)選定的影響指標(biāo)和評(píng)價(jià)模型,將清單分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為潛在環(huán)境影響的過(guò)程,主要目的在于幫助人們理解產(chǎn)品系統(tǒng)對(duì)某些環(huán)境(包括資源)特性所造成的影響大小.

本文選取總能量消耗(CED)、全球變暖潛值(GWP)和不可再生礦產(chǎn)資源消耗(ADP(e))等3項(xiàng)影響指標(biāo),用于衡量電池對(duì)能源、環(huán)境和不可再生礦產(chǎn)資源的影響,單位分別為 MJ、kg CO2eq.和kg Sb eq.,特征化因子來(lái)源于荷蘭萊頓大學(xué)開(kāi)發(fā)的CML模型[10].

2 模型構(gòu)建

2.1 基礎(chǔ)流清單模型

首先構(gòu)建生命周期第s階段物料、能源和運(yùn)輸服務(wù)輸入量矩陣METs:

式中:ms,i、es,i與 ts,i分別表示參與產(chǎn)品生命周期第s階段中第i種物料、能源或運(yùn)輸服務(wù)的量;p、q及r分別表示該階段物料、能源和運(yùn)輸服務(wù)的種類數(shù).

之后,構(gòu)建所有輸入物料、能源和運(yùn)輸服務(wù)的基礎(chǔ)流清單矩陣Is:

式中:is,ij表示第 j種輸入單元過(guò)程基礎(chǔ)流中第 i項(xiàng)值,其第1至第a項(xiàng)為不可再生礦產(chǎn)資源投入值,第 a+1至第 a+b項(xiàng)為一次能源投入值,第a+b+1至a+b+c項(xiàng)為環(huán)境排放值;a、b、c分別表示基礎(chǔ)流清單中不可再生礦產(chǎn)資源、一次能源和環(huán)境排放的種類數(shù).

再構(gòu)建本階段環(huán)境排放量矩陣Ps:

式中:ps,i(i＞a+b)表示產(chǎn)生的第 i類排放物的質(zhì)量;c表示排放物的種類數(shù),由于該矩陣中從第 1項(xiàng)至第a+b項(xiàng)皆為空值,因此以0來(lái)填充.

則第s階段的最終基礎(chǔ)流清單矩陣REs為:

式中:res,i為第s階段基礎(chǔ)流清單中的第i項(xiàng)值;a、b、c含義與式(2)一致.

通過(guò)式(1)至(4)可計(jì)算電池生命周期 5個(gè)階段的基礎(chǔ)流清單.然而回收處置階段不僅消耗了物料、能源與運(yùn)輸服務(wù),也獲得了再生產(chǎn)品.為評(píng)估該部分收益,構(gòu)建再生產(chǎn)品的質(zhì)量矩陣Mrcv,以及和再生產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的原生產(chǎn)品基礎(chǔ)流矩陣Ivg:

式中:mrcv,i為本過(guò)程所獲得的第 i種再生產(chǎn)品的質(zhì)量.

式中:ivg,ij為本過(guò)程所獲得的第j種與再生產(chǎn)品相對(duì)應(yīng)的原生產(chǎn)品的基礎(chǔ)流清單中的第i項(xiàng)值.

故包含了回收收益的全生命周期基礎(chǔ)流清單矩陣RELC為:

式中:RE1～RE5分別為第1～第5階段的基礎(chǔ)流清單矩陣;reLC,i為全生命周期基礎(chǔ)流清單中的第 i項(xiàng)值.

2.2 影響評(píng)價(jià)模型

影響評(píng)價(jià)模型可將各階段基礎(chǔ)流清單與最終影響潛值相關(guān)聯(lián),該轉(zhuǎn)化過(guò)程中的核心要素為特征化因子,故構(gòu)建特征化因子矩陣CF:

式中:cfij表示表示基礎(chǔ)流清單中第 j項(xiàng)值與第 i種影響類型相對(duì)應(yīng)的特征化因子;a、b、c與前文中定義相同,h表示影響類型的數(shù)目.

則電池第s階段的影響評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣IPs為:

式中:ips,i表示電池第s階段影響評(píng)價(jià)結(jié)果中第i種影響的值,h與前文中定義相同.

3 過(guò)程清單與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

關(guān)于物流過(guò)程,設(shè)各類原輔料均采用公路運(yùn)輸方式,平均運(yùn)距為184km[11];天然氣以管道輸送,平均運(yùn)距為615km[11].

3.1 生產(chǎn)階段

生產(chǎn)1kW·h的LTO電池的物料清單[12]見(jiàn)表2;模組與系統(tǒng)部分由于缺乏實(shí)際數(shù)據(jù),通過(guò)參照文獻(xiàn)[13]中的物料構(gòu)成進(jìn)行等比例換算后獲得;電芯能量密度為60W?h/kg.

3.2 首次使用階段

本階段中電池存儲(chǔ)的大部分能量在經(jīng)過(guò)兩次轉(zhuǎn)換之后轉(zhuǎn)移到了車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng),而非由電池自身所消耗.因此,本階段能耗主要有電池充放電效率導(dǎo)致的損耗,和由電池質(zhì)量引起的額外能耗.根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)電池充放電效率為 0.9[7],車(chē)輛行駛過(guò)程中由質(zhì)量所導(dǎo)致的能耗占總能耗的56%[14].

假定該客車(chē)服務(wù) 8a,年出勤 347d,以年均行駛距離4.5萬(wàn)km[15]計(jì)算可得其日均行駛130km,故充電頻率為每日一充.車(chē)用階段總行駛距離為36萬(wàn) km,根據(jù)表2中數(shù)據(jù)可得本階段總電耗為1.92×105kW·h,其中由充放電效率導(dǎo)致的能耗為1.92×104kW·h,由質(zhì)量引起的額外能耗為1.41×104kW·h,共經(jīng)歷充放電循環(huán) 2776次.

表2 生產(chǎn)階段物料、能耗、運(yùn)輸服務(wù)與排放清單Table 2 Bill of materials, energies, transportations and on-site pollutants in the producing stage

3.3 重制階段

表3 重制為儲(chǔ)能系統(tǒng)生產(chǎn)清單Table 3 Bill of materials, energies and transportations in the re-purposing stage

重制是退役電池包進(jìn)行二次使用之前必須經(jīng)歷的過(guò)程,根據(jù)某電池梯次利用試點(diǎn)項(xiàng)目[16],將退役車(chē)用電池包重制為儲(chǔ)能系統(tǒng)需將原電池包外殼拆除,更換為適應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的新外殼,原模組和 BMS系統(tǒng)經(jīng)調(diào)整后可繼續(xù)使用,故本階段每kW?h電池包重制的生產(chǎn)清單見(jiàn)表3.

3.4 二次使用階段

本階段中退役電池以儲(chǔ)能系統(tǒng)的形式繼續(xù)運(yùn)行,主要功能為峰谷電力調(diào)節(jié),即在特定的時(shí)間段進(jìn)行充電或放電,因此其能耗主要是由于系統(tǒng)內(nèi)阻和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程所導(dǎo)致的損耗.設(shè)總充放電效率仍為90%,每日循環(huán)1次,充放電深度為80%,且電池容量以線性規(guī)律衰減,則截至電池容量衰減為初始值 50%時(shí),一共經(jīng)歷充放電循環(huán) 22224次,共釋放電能9.36×105kW·h,因系統(tǒng)內(nèi)阻和能量轉(zhuǎn)換引起的能耗為1.04×105kW·h.

3.5 回收階段

目前LTO電池尚未進(jìn)入大規(guī)模報(bào)廢期,因此國(guó)內(nèi)外尚無(wú)專門(mén)針對(duì)該類電池的商業(yè)化回收案例.考慮到本款電池的正極材料為 NCM,參考相關(guān)回收企業(yè)[17]情況,整理得到每 kW?h電池包中電芯回收處理環(huán)節(jié)(含正極材料回收)的清單見(jiàn)表4.

表4 電芯處理環(huán)節(jié)清單Table 4 Bill of products, materials, energies and transportations in the cell recovery process

根據(jù)圖1,本階段還包括了廢鋁、銅、鋼和廢塑料等材料的回收.假定廢金屬材料通過(guò)熔煉進(jìn)行再生,廢塑料以熱熔、重新造粒方式再生,可得其再生過(guò)程能耗清單[18-20].假設(shè)在電池破碎與分選過(guò)程中材料損耗率為0.1,則每kW?h電池包中待回收廢料質(zhì)量清單見(jiàn)表5.

表5 待回收廢料清單Table 5 Mass of materials to be recovered

此外,從電芯中分離出的廢舊LTO負(fù)極材料中亦含有鋰、鈦等資源,可利用其生產(chǎn)鈦白粉與碳酸鋰[21].假定鈦、鋰回收率均為 95%,則每 kg廢舊LTO負(fù)極材料的處理清單見(jiàn)表6:

表6 報(bào)廢LTO負(fù)極材料回收過(guò)程清單Table 6 Bill of products, materials, energies and transportations in the recovery process of lithium titanate

將表2、表3,以及3.2、3.4節(jié)中的數(shù)據(jù)分別代入式(1)和式(3),并配合相應(yīng)基礎(chǔ)流清單矩陣Is,可得到生產(chǎn)至二次使用階段基礎(chǔ)流清單.將表 4至表6中的數(shù)據(jù)帶入式(1)、式(3)至式(7),并假定鋁、銅、鋼與塑料在其再生過(guò)程中損耗率為0.1,可得回收階段基礎(chǔ)流清單,將各階段基礎(chǔ)流清單代入式(9)可得以下評(píng)價(jià)結(jié)果.

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

4.1 全生命周期影響

結(jié)果表明,每 kW?h LTO 電池全生命周期CED、GWP 和 ADP(e)分別為 2.8×104MJ、1.86×103kg CO2eq.以及4.77×10-3kg Sb eq.,各影響值的分階段貢獻(xiàn)見(jiàn)圖2(使用和重制階段ADP (e)可忽略不計(jì)).

圖2 LTO電池生命周期各階段CED、GWP與ADP(e)Fig.2 CED, GWP and ADP(e) in different stages of LTO battery’s life cycle

由圖2可知,LTO電池的CED與GWP具有較大關(guān)聯(lián)性,各階段貢獻(xiàn)度分布幾乎一致.具體來(lái)看,CED與GWP正值主要分布在生產(chǎn)與兩個(gè)使用階段,其中二次使用階段最高,這是由于該階段中電池持續(xù)工作至剩余容量衰減至初始值的一半,經(jīng)歷的循環(huán)數(shù)達(dá)到了首次使用階段的8倍,因而有更多的能量損耗.回收階段由于獲得了再生產(chǎn)品影響值為負(fù),重制階段的影響可忽略不計(jì).此外首次使用階段的CED與GWP值均稍低于生產(chǎn)階段.

ADP(e)在生產(chǎn)階段為正,回收階段總體為負(fù),是因?yàn)榛厥针A段的 ADP(e)也包含了回收用物料、能源以及運(yùn)輸服務(wù)等帶來(lái)的礦產(chǎn)資源消耗,總體為負(fù)意味著由于獲得了再生產(chǎn)品,其收益大于所付出代價(jià),回收階段ADP(e)的具體構(gòu)成將在后文中分析.

4.2 分階段GWP分析

由于CED與GWP關(guān)聯(lián)性較強(qiáng),本文僅對(duì)各階段GWP的構(gòu)成進(jìn)行分析.生產(chǎn)階段GWP的貢獻(xiàn)分解見(jiàn)圖3.

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,每kW?h LTO電池生產(chǎn)階段GWP為442kg CO2eq.,其中電芯制造貢獻(xiàn)度最高,達(dá)386kg CO2eq.而由圖3可知,在電芯中,各原材料對(duì)其 GWP貢獻(xiàn)較大,其中正極材料、負(fù)極材料、鋁制材料以及 N-甲基吡咯烷酮(NMP)對(duì)電芯 GWP貢獻(xiàn)之和超過(guò) 90%,對(duì)整個(gè)生產(chǎn)階段GWP之貢獻(xiàn)亦達(dá)79%,因此減少上述材料用量可有效降低本階段GWP.

圖3 LTO電池生產(chǎn)階段電芯制造GWP貢獻(xiàn)分解Fig.3 The breakdown of GWP in LTO battery Cell’s producing stage

兩個(gè)使用階段的GWP主要源于由電池質(zhì)量導(dǎo)致的額外能耗以及由充放電效率所導(dǎo)致的損耗,如圖4所示.

圖4 首次使用與二次使用階段GWPFig.4 GWP of the first and second use stage

由圖 4可知,在首次使用階段由質(zhì)量導(dǎo)致的額外能耗和由充放電效率引起損耗對(duì)本階段GWP的貢獻(xiàn)相差不大,但二者均遠(yuǎn)小于電池二次使用階段因充放電效率損耗帶來(lái)的GWP.

回收階段各環(huán)節(jié) GWP見(jiàn)圖 5,包括代價(jià)(正值)與收益(負(fù)值)兩部分.

圖5 回收階段各環(huán)節(jié)GWPFig.5 GWP of different processes in the recovery stage

由圖5可知,從代價(jià)方面來(lái)看,回收階段中電芯處置和LTO回收等兩個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)GWP貢獻(xiàn)較高,這是由于此兩環(huán)節(jié)消耗了多種能源和回收用輔料,如硫酸、雙氧水等;與此同時(shí),銅、鋁、鋼與塑料回收對(duì)GWP正值部分貢獻(xiàn)相對(duì)較低.

從收益方面來(lái)看,鋁回收可獲得的收益最大,說(shuō)明原生鋁產(chǎn)品的 GWP較高,通過(guò)回收得到再生鋁可顯著降低GWP.電芯處置環(huán)節(jié)可得收益次之,而鈦酸鋰回收可獲得的 GWP收益少于因該環(huán)節(jié)輸入能耗與物料所付出的代價(jià).

4.3 回收階段ADP(e)分析

回收階段各相關(guān)環(huán)節(jié)ADP(e)見(jiàn)圖6,亦包括代價(jià)(正值)與收益(負(fù)值)兩部分.

圖6 回收階段各環(huán)節(jié)ADP(e)Fig.6 ADP(e) of different processes in the recovery stage

由圖6可知,回收階段中ADP(e)正值最高的是電芯處置環(huán)節(jié)(含正極材料回收),LTO回收環(huán)節(jié)次之.從收益方面來(lái)看,電芯處置獲得的收益最大,LTO回收次之,此外銅回收亦帶來(lái)一定收益.說(shuō)明從不可再生資源視角出發(fā),上述環(huán)節(jié)均降低了相關(guān)礦產(chǎn)資源耗竭影響.

4.4 敏感性分析

敏感性分析可幫助識(shí)別影響評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵因素,并研究這些因素變化后對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的沖擊程度,限于篇幅本文僅研究與 GWP相關(guān)的部分影響因素.

由前文可知,LTO電池的 GWP主要來(lái)自使用階段,尤其是二次使用階段,因此使用階段中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定對(duì)最終評(píng)價(jià)結(jié)果的影響較大.故選定“充放電效率(η)”、“質(zhì)量能耗分?jǐn)傁禂?shù)(k)”、“電池循環(huán)壽命(LT)”與“電力碳強(qiáng)度(CI)”等4項(xiàng)因素,考察其變化對(duì)電池全生命周期GWP評(píng)價(jià)結(jié)果的影響,結(jié)果如圖7所示.

由圖7可知,各因素敏感度排序是η＞CI＞LT＞k.其中,η的敏感程度最高,提升 η可顯著降低兩個(gè)使用階段的能耗,使得電池全生命周期 GWP下降,反之則可令其急劇上升.CI的敏感度與 LT相仿,CI或LT的降低均可令GWP減少,但LT的減少意味著使用階段存儲(chǔ)-釋放電量的降低,削弱了二次利用的價(jià)值.而CI主要由我國(guó)能源結(jié)構(gòu)決定,中長(zhǎng)期看來(lái),隨著化石能源在我國(guó)一次能源消耗中的占比不斷降低[22],CI將呈逐步下降趨勢(shì),有利于減小電池全生命周期GWP.最后,k的取值對(duì)GWP影響較小,這是由于k僅影響車(chē)用階段,而后者對(duì)全生命周期GWP的貢獻(xiàn)相對(duì)較小.

圖7 GWP敏感性分析Fig.7 Sensitivity analysis of GWP

此外,本文中CI值來(lái)源于CLCD數(shù)據(jù)庫(kù)中全國(guó)電力平均水平,然而由于我國(guó)幅員遼闊且區(qū)域資源稟賦不同,各地實(shí)際CI值存在較大差異.如相關(guān)研究[23]表明,我國(guó)六大區(qū)域電網(wǎng)中,東北電網(wǎng)的CI較東南電網(wǎng)高出0.63kg CO2eq/(kW?h).若LTO電池分別在上述兩地區(qū)生產(chǎn)與運(yùn)行,其全生命周期GWP差異將達(dá)1119kg CO2eq/(kW?h).此外,如電池全生命周期使用或傳輸?shù)碾娏詠?lái)自風(fēng)能,則CI值可降至9.5g CO2eq/(kW?h)[24],此時(shí)電池全生命周期GWP僅為242kg CO2eq/(kW?h),較原值下降87%.由此可見(jiàn),LTO電池的全生命周期GWP與生產(chǎn)、運(yùn)行所處環(huán)境有較大關(guān)聯(lián),在CI較低的地區(qū)生產(chǎn)和使用電池可顯著降低這一影響.

5 討論

5.1 二次使用對(duì)生命周期GWP的影響

與大多已有電池LCA研究相比,本研究中電池生命周期增加了重制與二次使用兩個(gè)階段.為研究其對(duì)全生命周期 GWP的影響,設(shè)定以下 4種情景,見(jiàn)表7.其中,“服役一個(gè)車(chē)輛周期”指與電池配套的車(chē)輛退役后,電池與其一同退役;“服役多個(gè)車(chē)輛周期”指配套車(chē)輛退役后,因此時(shí)電池剩余容量較高,尚未達(dá)到通常的車(chē)用電池報(bào)廢閾值(80%),故拆下后安裝到相同車(chē)型上繼續(xù)使用,直至其剩余容量衰減至報(bào)廢閾值后再進(jìn)入回收環(huán)節(jié)或進(jìn)行重制以便二次使用.需要指出的是,“服役多個(gè)車(chē)輛周期”并未考慮諸如車(chē)輛實(shí)際使用情況、電池包設(shè)計(jì)壽命等因素可能帶來(lái)的影響,設(shè)定此情景主要是為了研究某些特定條件下電池環(huán)境表現(xiàn)的差異.

表7 使用階段情景設(shè)定Table 7 Scenario settings of the usage stages

此外,為了方便與已有研究進(jìn)行對(duì)比,本文選擇了基于容量的功能單位.然而該功能單位存在一定局限,例如,不同類型鋰電池的循環(huán)壽命存在較大差異,因此其全生命周期內(nèi)可存儲(chǔ)-釋放的能量也將迥異.如果僅從容量角度進(jìn)行對(duì)比,則無(wú)法考量電池循環(huán)壽命這一重要指標(biāo)帶來(lái)的影響.因此,在本討論環(huán)節(jié),本文增加了一個(gè)基于能量的視角,以便更全面的展現(xiàn)二次使用對(duì)電池生命周期GWP帶來(lái)的影響.

在其他設(shè)置不變的前提下,得到LTO電池在上述各情景以及兩種視角下的 GWP評(píng)價(jià)結(jié)果,分別見(jiàn)圖8(a)、(b),并得出以下結(jié)論.

5.1.1 容量視角下,二次使用令電池全生命周期GWP上升 由圖8(a)可知,重制和二次使用使得單位容量LTO電池全生命周期GWP上升,其中二次使用的貢獻(xiàn)占主要部分,重制對(duì) GWP提升貢獻(xiàn)較小.這是由于本研究中重制過(guò)程物料與能量消耗較少,而二次使用過(guò)程中由于電池充放電過(guò)程存在能量損耗,因此在 CI不變的前提下,二次使用階段經(jīng)歷的充放電循環(huán)越多,則能量損耗越高,使得電池全生命周期GWP上升.

圖8 使用階段不同情景設(shè)置下LTO電池GWP對(duì)比Fig.8 Comparison of GWP of LTO battery in different scenarios

另一方面,電池如在首次使用階段服役多個(gè)車(chē)輛周期,其 GWP將比僅服役單個(gè)車(chē)輛周期更高,這是由于車(chē)用階段中電池不僅有因效率帶來(lái)的能耗,還有因其質(zhì)量帶來(lái)的額外能耗,因此服役多個(gè)車(chē)輛周期意味著本階段中由質(zhì)量帶來(lái)的額外能耗增加,進(jìn)而導(dǎo)致GWP升高.

5.1.2 能量視角下,二次使用令電池全生命周期GWP下降 本視角意味著將GWP平均分?jǐn)傊岭姵厝芷诖鎯?chǔ)、釋放的所有能量上,由圖8(b)可知,相比僅完成車(chē)用階段的電池,經(jīng)二次使用的電池存儲(chǔ)-釋放每 MJ能量所分?jǐn)傊?GWP顯著降低.這是由于二次使用大大增加了電池循環(huán)次數(shù)和存儲(chǔ)-釋放總能量,因此分母增大之后使得計(jì)算結(jié)果減小.

另一方面,電池在首次使用階段服役多個(gè)車(chē)輛周期后再進(jìn)行二次使用,其全生命周期 GWP將高于僅服役一個(gè)車(chē)輛周期后便進(jìn)行二次利用的相同電池,原因同上不再贅述.

總的看來(lái),在能量視角下, 電池經(jīng)二次使用后全生命周期 GWP顯著降低.其中,當(dāng)電池在車(chē)用階段服役一個(gè)或多個(gè)車(chē)輛周期時(shí),二次使用可分別使其全生命周期GWP下降53.6%和24.1%.在 4個(gè)情景中,僅服役一個(gè)車(chē)輛周期便開(kāi)始二次使用的電池全生命周期GWP最低.

據(jù)4.4中的分析可知,二次使用對(duì)于電池全生命周期 GWP的影響亦取決于諸多因素,包括η、CI與LT等;此外本研究還忽略了電池效率可能存在衰減的情況,因此上述結(jié)果亦存在一定不確定性.為完善相關(guān)評(píng)估結(jié)論還需更全面、動(dòng)態(tài)的分析,限于篇幅與主旨,本文在此不做深入探討.

5.2 與已有研究對(duì)比

已有鋰電池LCA研究大都包含GWP影響指標(biāo),但不同研究之間系統(tǒng)邊界存在差異,因此僅將本文中LTO電池生產(chǎn)階段GWP與其他已有研究[3,13,25-28]進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖9(a)、(b).

5.2.1 容量視角下,LTO電池生產(chǎn)階段GWP水平較高 由圖 8(a)可知,國(guó)內(nèi)外各類鋰電池生產(chǎn)階段GWP大致處于140～442kg CO2eq/kW?h的區(qū)間,其中本文所得的國(guó)產(chǎn)LTO電池評(píng)價(jià)值高于國(guó)外研究中的普通 NCM、LFP電池和以 LMO為正極的LTO電池,與SiNW為負(fù)極的新型NCM電池較為接近.考慮到 LTO電池能量密度較低,生產(chǎn)相同容量電池需要更多原材料,此外負(fù)極材料LTO的上游GWP較石墨高,以及不同研究所采用的原材料數(shù)據(jù)庫(kù)存在差異,該結(jié)果處于合理范圍內(nèi).

5.2.2 能量視角下,LTO電池生產(chǎn)階段溫室氣體排放水平最低 由圖 8(b)可知,本文算得的國(guó)產(chǎn)LTO電池存儲(chǔ)-釋放每MJ能量所分?jǐn)偟纳a(chǎn)階段GWP僅為8.1×10-3kg CO2eq,遠(yuǎn)低于其他各類鋰電池.這是由于 LTO 電池循環(huán)壽命長(zhǎng),二次利用后進(jìn)一步增加了循環(huán)次數(shù),因此單位容量電池在其全生命周期中存儲(chǔ)-釋放能量顯著高于其他各類鋰電池,其生產(chǎn)階段 GWP得到了最大程度的“稀釋”.

圖9 不同研究中電池生產(chǎn)階段GWP對(duì)比Fig.9 Comparison of GWP of the producing stage in different studies

6 結(jié)論

6.1 每kW?h LTO電池全生命周期CED、GWP和 ADP(e)分別為 2.80×104MJ、1.86×103kg CO2eq.以及4.77×10-3kg Sbeq..其中CED和GWP主要源于使用階段的能效損耗,生產(chǎn)階段 GWP則主要源于制造電芯所需的NCM、鋁和NMP等,因此從工藝角度而言減少上述材料消耗可有效降低生產(chǎn)階段的能耗與碳排放.

6.2 η和CI是影響LTO電池全生命周期GWP的關(guān)鍵因素.為降低這一影響,應(yīng)改善電池的電化學(xué)性能并優(yōu)化電池包設(shè)計(jì)以提升 η;另一方面,隨著我國(guó)電力結(jié)構(gòu)中可再生能源占比的提高,各類電池生命周期GWP影響亦有望降低.

6.3 在存儲(chǔ)-釋放相同能量視角下,對(duì)LTO電池開(kāi)展重制和二次使用可令其全生命周期 GWP影響顯著下降,因此退役動(dòng)力電池的二次使用具有積極環(huán)境意義.

6.4 與已有研究對(duì)比可知,制造同等容量的LTO電池環(huán)境代價(jià)相對(duì)較高,但其較長(zhǎng)的循環(huán)壽命使得全生命周期存儲(chǔ)-釋放的能量更多,可最大程度分?jǐn)偵鲜龃鷥r(jià),使得在能量視角下,其生產(chǎn)階段GWP影響反而低于其他各類鋰電池.因此,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量揚(yáng)長(zhǎng)避短,選擇適合上述特性的使用場(chǎng)景,如對(duì)循環(huán)壽命要求較高的長(zhǎng)期應(yīng)用,并積極開(kāi)展二次使用,以實(shí)現(xiàn)更大的環(huán)境效益.

[1]Zaghib K, Dontigny M, Guerfi A, et al. Safe and fast-charging Li-ion battery with long shelf life for power applications [J].Journal of Power Sources, 2011,196(8):3949—3954.

[2]財(cái)政部等.關(guān)于調(diào)整新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知[EB/OL]. http://www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057585/n3057590/c5449526/part/5449541.pdf..

[3]Ambrose H, Kendall A. Effects of battery chemistry and performance on the life cycle greenhouse gas intensity of electric mobility [J]. Transportation Research Part D: Transport and Environment, 2016,47:182—194.

[4]王 昊,俞海龍,金 翼,等.商用 Li4Ti5O12電池倍率循環(huán)容量衰減模型 [J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2017,6(03):584-589.

[5]GB/T 24044-2008 環(huán)境管理:生命周期評(píng)價(jià)要求與指南 [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[6]中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心. 2017節(jié)能與新能源汽車(chē)年鑒 [M]. 北京:中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社, 2017:466—467

[7]Peters J F, Baumann M, Zimmermann B et al. The environmental impact of Li-Ion batteries and the role of key parameters, A review [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2017,67:491—506.

[8]工業(yè)和信息化部, 國(guó)家稅務(wù)總局《.免征車(chē)輛購(gòu)置稅的新能源汽車(chē)車(chē)型目錄》(第九批) [EB/OL]. http://www.chinatax.gov.cn/n810341/n810755/c1150779/content.html.

[9]劉夏璐,王洪濤,陳 建,等.中國(guó)生命周期參考數(shù)據(jù)庫(kù)的建立方法與基礎(chǔ)模型 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2010,30(10):2136-2144.

[10]Universiteit Leiden. CML-IA Characterisation Factors [EB/OL].http://www.leidenuniv.nl/cml/ssp/databases/cmlia/cmlia.zip.

[11]中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒 [M]. 北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2016:531.

[12]河北銀隆新能源有限公司.年產(chǎn) 14.62億安時(shí)鋰電池生產(chǎn)線項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書(shū) [EB/OL]. http://www.hbj.hd.gov.cn/main/detail/52708.

[13]Ellingsen L A W, Majeau-Bettez G, Singh B et al. Life cycle assessment of a Lithium-Ion battery vehicle pack [J]. Journal of Industrial Ecology, 2014,18(1):113—124.

[14]Helms H, Lambrecht U. The Potential Contribution of Light-Weighting to Reduce Transport Energy Consumption [J].International Journal of Life Cycle Assessment, 2007,12(1):58-64.

[15]林秀麗,湯大鋼,丁 焰,等.中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)行駛里程分布規(guī)律 [J].環(huán)境科學(xué)研究, 2009,22(3):377-380.

[16]深圳市比亞迪鋰電池有限公司.廢舊動(dòng)力電池梯次利用項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告表 [EB/OL]. http://www.docin.com/p-1689776569.html.

[17]江西贛鋒鋰業(yè)股份有限公司.34000t/a廢舊鋰電池綜合回收項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書(shū) [EB/OL]. http://www.jxepb.gov.cn/resource/uploadfile/file/20170527/20170527115740270.pdf.

[18]任希珍,田曉剛,鞠美庭,等.基于生命周期評(píng)價(jià)的中國(guó)鋁業(yè)2000～2009年碳足跡研究 [J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2011,11(1):121-126.

[19]工業(yè)和信息化部.全國(guó)工業(yè)能效指南(2014版) [EB/OL].http://www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057542/n3057545/c3634672/content.html.

[20]伍躍輝.廢塑料資源化技術(shù)評(píng)估與潛在環(huán)境影響的研究 [D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

[21]Tang W, Chen X, Zhou T, et al. Hydrometallurgy recovery of Ti and Li from spent lithium titanate cathodes by a hydrometallurgical process [J]. Hydrometallurgy, 2014,147—148:210—216.

[22]廖夏偉,計(jì)軍平,馬曉明.2020年中國(guó)發(fā)電行業(yè)碳減排目標(biāo)規(guī)劃相符性分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33(3):553-559.

[23]The International Aluminium Institute. A life-cycle model of Chinese grid power and its application to the life cycle impact assessment of primary aluminium [EB/OL]. http://www.worldaluminium.org/media/filer_public/2017/06/29/lca_model_of_chin ese_grid_power_and_application_to_aluminium_industry.pdf.

[24]郭敏曉,蔡聞佳,王 燦,等.風(fēng)電場(chǎng)生命周期 CO2排放核算與不確定性分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2012,32(4):742-747.

[25]Zackrisson M, Avellan L, Orlenius J. Life cycle assessment of lithium-ion batteries for plug-in hybrid electric vehicles —Critical issues [J]. Journal of Cleaner Production, 2010,18(15):1519—1529.

[26]Majeau-Bettez G, Hawkins T R, Stromman A H. Life cycle environmental assessment of lithium-ion and nickel metal hydride batteries for plug-in hybrid and battery electric vehicles[J]. Environmental Science and Technology, 2011,45(10):4548—4554.

[27]Li B, Gao X, Li J, et al. Life cycle environmental impact of high-capacity lithium ion battery with silicon nanowires anode for electric vehicles. [J]. Environmental Science and Technology,2014,48(5):3047—55.

[28]Kim H C, Wallington T J, Arsenault R, et al. Cradle-to-Gate Emissions from a Commercial Electric Vehicle Li-Ion Battery: A Comparative Analysis [J]. Environmental Science and Technology,2016,50(14):7715—7722.

[29]Oliveira L, Messagie M, Rangaraju S, et al. Key issues of lithium-ion batteries — from resource depletion to environmental performance indicators [J]. Journal of Cleaner Production, 2015,108:354—362.