薛冰婭，常澤宇，吳昊慧，胡宇辰，黃 凱，郁亞娟

面向碳中和目標(biāo)的小型車載動(dòng)力電池可持續(xù)發(fā)展研究*

薛冰婭1，常澤宇1，吳昊慧1，胡宇辰2，黃 凱3，郁亞娟1?

（1. 北京理工大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100081；2. 北京理工大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院，能源與環(huán)境政策研究中心，北京 100081； 3. 北京林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

當(dāng)前我國(guó)各行業(yè)均關(guān)注“碳中和”目標(biāo)，電動(dòng)汽車作為新能源材料和器件在交通行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的代表性載體之一，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)有著重要意義。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的重要組成部分，迫切需要解釋其“碳中和”特性。將鋰離子電池組在生產(chǎn)階段的各類環(huán)境影響作為研究對(duì)象，采用生命周期評(píng)價(jià)方法，分析生產(chǎn)鋰離子電池的過(guò)程中，成分組成對(duì)環(huán)境的綜合影響。結(jié)果表明，硫化鐵固態(tài)電池組（FeS2SS）在足跡家族、資源耗竭和毒性損害的11類三級(jí)指標(biāo)中環(huán)境潛值都較小，說(shuō)明FeS2SS電池組在生產(chǎn)階段產(chǎn)生的綜合環(huán)境影響較小，而磷酸鐵鋰?石墨電池（LFPy-C）、三元鋰?硅納米管電池（NMC-SiNT）、三元鋰?硅納米線電池（NMC-SiNW）在各項(xiàng)環(huán)境影響值中貢獻(xiàn)程度均較高。為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，減少碳排放，NMC-SiNW、LFPy-C、NMC-C三種電池組的生產(chǎn)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。

電動(dòng)汽車；鋰離子電池組；碳中和；生命周期評(píng)價(jià)

0 引 言

2020年，中國(guó)政府提出了國(guó)家自定貢獻(xiàn)預(yù)案（Intended Nationally Determined Contributions, INDC）目標(biāo)，即二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。在我國(guó)，“碳中和”是指凈零排放，即排放到大氣中的二氧化碳量與從大氣中移除的二氧化碳量相互平衡[2]。實(shí)現(xiàn)碳中和是全人類的共同目標(biāo)，主要途徑為碳替代、碳減排、碳封存、碳循環(huán)[3]，其中碳替代將是碳中和的中堅(jiān)力量。新能源已經(jīng)成為第三次能源轉(zhuǎn)換的主角，未來(lái)將成為碳中和的主導(dǎo)。

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，汽車總量急劇增加，由此造成的能源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題十分嚴(yán)峻[4-6]。為了降低汽車工業(yè)的能源消耗，解決日趨嚴(yán)重的汽車排放污染問(wèn)題，新能源汽車尤其是純電動(dòng)汽車的研究和發(fā)展已成為綠色可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[7-8]，同時(shí)，也是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的良好途徑。

得益于國(guó)家政策對(duì)新能源汽車的大力支持，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展飛速[9]。2018年，電動(dòng)汽車在中國(guó)的銷量比2017年增長(zhǎng)了78%，達(dá)到52萬(wàn)輛[4]。隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，先進(jìn)的電源存儲(chǔ)設(shè)備也越來(lái)越受歡迎。能量和功率密度高、自放電率低、環(huán)境友好型的鋰離子電池（lithium-ion battery, LIB）在汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)前最具應(yīng)用前景的電力系統(tǒng)電池儲(chǔ)能技術(shù)之一[10-11]。然而，鋰離子電池作為電動(dòng)汽車特有的儲(chǔ)能元件，其生產(chǎn)會(huì)帶來(lái)相當(dāng)大的能源和環(huán)境負(fù)擔(dān)[12-13]。近年來(lái)，人們對(duì)電動(dòng)汽車的環(huán)境效益更加關(guān)注[14]。國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)主要集中在從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡碾姵厝芷诘沫h(huán)境效益[15]。對(duì)一些電池組的生產(chǎn)階段環(huán)境足跡值也有研究[16]。

面向碳中和目標(biāo)的鋰離子電池環(huán)境評(píng)價(jià)，本文制定了一個(gè)以多層次指標(biāo)為基礎(chǔ)的生命周期評(píng)價(jià)（life cycle assessment, LCA）體系，包括足跡家族、資源消耗和毒性損害指標(biāo)，對(duì)生產(chǎn)階段多個(gè)類型的鋰離子電池組進(jìn)行環(huán)境評(píng)價(jià)，并衡量其可持續(xù)發(fā)展的能力。

1 研究方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 評(píng)價(jià)對(duì)象與范圍

生命周期評(píng)價(jià)方法是國(guó)際上公認(rèn)的產(chǎn)品生命周期對(duì)環(huán)境影響的定量和定性分析工具[17]，對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行了相關(guān)的損害分類和量化[18]。本研究對(duì)象為作為動(dòng)力能源的磷酸鐵鋰（LiFePO4, LFP）電池組、三元鋰［Li(NiMnCo)O2, NMC］電池組、錳酸鋰（LiMn2O4, LMO）電池組和鋰金屬材料（lithium metal battery, LMB）電池組。

（1）LFP電池組包括：磷酸鐵鋰?石墨電池（LFPx-C）[19]，石墨負(fù)極，正極材料比例64.1%；LFPy-C[20]，石墨負(fù)極，正極材料比例28.4%（正極材料比例不同，下標(biāo)加上x(chóng)和y以示區(qū)分）。

（2）NMC電池組包括：三元鋰?石墨電池（NMC-C）[20]，石墨為負(fù)極；NMC111-C[21]，鎳鈷錳摩爾比1∶1∶1，石墨負(fù)極；NMC442-C[19]，鎳鈷錳摩爾比4∶2∶4，石墨負(fù)極；三元鋰?硅納米管電池（NMC-SiNT）[22]，硅納米管負(fù)極；三元鋰?硅納米線電池（NMC-SiNW）[23]，硅納米線負(fù)極。

（3）LMO電池組包括：錳酸鋰?石墨電池（LMO-C）[24]，石墨負(fù)極；LMO/NMC-C[25]，錳酸鋰和三元材料復(fù)合鋰離子電池，石墨負(fù)極。

（4）LMB電池組包括：鋰硫電池（Li-S）[26]，單質(zhì)S為負(fù)極；硫化鐵固態(tài)電池（FeS2SS）[27]，金屬Li為負(fù)極。

LCA的結(jié)果與功能單元（function unit, FU）的選擇之間有很強(qiáng)的依賴性，功能單元的確定可以保證評(píng)價(jià)對(duì)象和評(píng)價(jià)過(guò)程有相同的基準(zhǔn)。考慮到不同類型的電池會(huì)消耗不同質(zhì)量的原材料，為了獲得各種電池材料的可比值，需要將電池部件和質(zhì)量的原始值轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，即評(píng)估合成1 kg物體材料的足跡值。本研究選擇1 kg為功能單元。

本文采用SimaPro軟件進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)。SimaPro軟件是一款商用的產(chǎn)品系統(tǒng)建模和評(píng)估軟件[28]，包含一個(gè)帶有大量清單數(shù)據(jù)和影響評(píng)價(jià)方法的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中的Ecoinvent數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)高質(zhì)量、科學(xué)、透明、世界領(lǐng)先的生命周期清單數(shù)據(jù)庫(kù)，支持結(jié)果導(dǎo)向型模型，不僅描述了產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響，而且還表達(dá)了產(chǎn)品是如何改變其他生命周期的環(huán)境影響的。將電池原材料清單輸入到SimaPro軟件中，合成鋰離子電池組的材料百分比清單。這些清單以Ecoinvent 3數(shù)據(jù)庫(kù)為背景系統(tǒng)，采用基于過(guò)程的生命周期評(píng)價(jià)和基于參數(shù)特征的方法，從層次的角度對(duì)綜合環(huán)境影響潛力進(jìn)行評(píng)估。

1.2 綜合環(huán)境評(píng)價(jià)指數(shù)

本文定義的一級(jí)指標(biāo)為綜合環(huán)境評(píng)價(jià)指數(shù)，包括足跡家族、資源耗竭和毒性損害3組二級(jí)綜合指標(biāo)。將3組二級(jí)綜合指標(biāo)分為11組三級(jí)指標(biāo)，如表1所示；指標(biāo)權(quán)重如圖1所示。

表1 環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖1 環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

2 結(jié)果與討論

選取迷你型車（重1 100 kg、電池容量為17.7 kW?h、能源需求為96.8 W?h/km）進(jìn)行研究，與其他車型相比，其車身小而輕，能源需求少，操作方便，價(jià)格優(yōu)惠，利于推廣。以迷你型車的11組鋰離子電池組為研究對(duì)象，分析各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)。

2.1 電池組生產(chǎn)階段的足跡家族影響

通過(guò)數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理、計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，對(duì)足跡家族指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，如圖2所示。

對(duì)于足跡家族，三種足跡值在電池組中所表現(xiàn)出的環(huán)境影響值差異主要源于電池組原材料的組成不同。圖2a為生產(chǎn)階段碳足跡影響值。碳足跡可被稱為溫室氣體排放或全球變暖潛勢(shì)，體現(xiàn)了電池在生產(chǎn)階段所產(chǎn)生的碳排放。在目標(biāo)電池組中，NMC-SiNW的碳足跡值最高，而NMC-SiNT電池組的碳足跡值僅為7.37 × 103kg CO2-eq?？梢园l(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)以硅納米線作為負(fù)極的電池組所產(chǎn)生的碳足跡要高于生產(chǎn)以硅納米管為負(fù)極的動(dòng)力電池組。NMC-C和LFPy-C電池組的碳足跡值在含硅納米材料的兩組電池之間，反映出電池組較高的溫室氣體排放量主要是由于二者的正極材料占比很高，分別為64.1%和54.8%，遠(yuǎn)高于一般鋰離子電池正極材料占比（15% ～ 27%）。同時(shí)，從NMC442-C、NMC111-C、NMC-C這三種電池組的碳足跡值可以看出，因含Ni、Mo、Co等元素的正極活性材料組分不同，電池組的碳足跡值波動(dòng)范圍很大。值得一提的是，生產(chǎn)FeS2SS電池的碳排放最低。

圖2 鋰離子電池組在生產(chǎn)階段的足跡家族指標(biāo)影響值：（a）碳足跡；（b）足跡家族

生態(tài)足跡主要通過(guò)土地占用、核能和二氧化碳三個(gè)方面反映電池組生產(chǎn)對(duì)生態(tài)環(huán)境方面的影響。CF和EF的影響趨勢(shì)趨于一致。水足跡主要反映在電池組生產(chǎn)階段的水資源消耗上。在WF方面，水資源消耗量最大的前三種電池組分別為 NMC111-C、LFPx-C、Li-S。此外，LMO類型的WF值最低。

通過(guò)數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理和各項(xiàng)指標(biāo)所確定的權(quán)重，將足跡家族指標(biāo)進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)估，如圖2b所示。可以看出，WF、CF和EF三種足跡指標(biāo)的影響值分布有明顯差異，但綜合的足跡家族指標(biāo)的影響值排序中與CF和EF的規(guī)律呈現(xiàn)一致性，WF不會(huì)顯著影響足跡家族指標(biāo)的綜合值。電池組類型在足跡家族中由低到高產(chǎn)生的足跡影響依次為L(zhǎng)MO/NMC-C < FeS2SS < LMO-C < NMC442-C < Li-S < LFPx-C < NMC111-C < NMC-SiNT < NMC-C < LFPy-C < NMC-SiNW。

2.2 電池組生產(chǎn)階段的資源耗竭影響

通過(guò)數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理和各項(xiàng)指標(biāo)所確定的權(quán)重，對(duì)資源耗竭指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，如圖3所示。

圖3 鋰離子電池組在生產(chǎn)階段的資源耗竭指標(biāo)影響值

可以看出，5種三級(jí)指標(biāo)在不同電池組的影響趨勢(shì)呈現(xiàn)出很大差異。非生物耗竭指標(biāo)主要反映資源的可獲得性，體現(xiàn)在資源獲取過(guò)程中能源的消耗和固體廢棄物的產(chǎn)生。NMC-SiNW電池組的ADP指標(biāo)影響值最大，說(shuō)明該類型電池組在生產(chǎn)制造過(guò)程中所消耗的不可再生類資源高。LMO/NMC-C電池組的ADP指標(biāo)影響值最小。酸化指標(biāo)主要反映電池組在生產(chǎn)階段所產(chǎn)生的酸化潛力，酸化物質(zhì)對(duì)生活環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)等方面產(chǎn)生廣泛影響。具有最高AP值的電池組是NMC-SiNW，AP值最低的電池組為FeS2SS。富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)主要反映產(chǎn)品在生產(chǎn)階段向空氣、水和土壤排放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而引起環(huán)境中宏觀營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)極端強(qiáng)度的影響。EP最高的兩個(gè)電池組是LFPy-C和NMC-C，最低的是FeS2SS 電池組。臭氧層損耗主要反映在電池組生產(chǎn)階段所產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)臭氧層的影響。LFPx-C和 NMC442-C電池組的ODP值都偏高，其他電池組類型與二者相比，呈現(xiàn)極低的ODP值。光化學(xué)氧化潛值主要反映了氮氧化物和非甲烷揮發(fā)性有機(jī)化合物在地面上形成臭氧的能力。圖3中，Li-S電池組的POFP值最高，而另一組含硫的電池組FeS2SS的潛值最低，可見(jiàn)以LMB類型電池組為代表的兩類電池的POFP波動(dòng)最大。

不同類型的電池組在5組資源耗竭影響潛值方面有明顯的側(cè)重程度。例如，除LFPx-C和NMC442-C在POFP方面上顯示極大的潛值，資源耗竭各三級(jí)指標(biāo)的最高和最低排放潛值的電池組類型不一致。且FeS2SS在資源耗竭二級(jí)綜合指標(biāo)和三級(jí)指標(biāo)中都表現(xiàn)出極低的排放潛值。鋰離子電池組的資源消耗潛值由低到高依次為FeS2SS < LMO/NMC-C < LMO-C < NMC111-C < Li-S < NMC-SiNT < NMC442-C < LFPx-C < NMC-C < LFPy-C < NMC-SiNW。

2.3 電池組生產(chǎn)階段的毒性損害影響

經(jīng)過(guò)無(wú)量綱化處理和各指標(biāo)權(quán)重的確定后，對(duì)毒性損害指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，圖4所示為鋰離子電池組在毒性損害指標(biāo)下的表現(xiàn)情況。

毒性損害指標(biāo)可以反映電池組生產(chǎn)過(guò)程對(duì)人類健康和生態(tài)健康的影響，是常被忽視的指示人體/生態(tài)健康的環(huán)境影響指標(biāo)。在電池組的毒性損害評(píng)價(jià)中，基于人體對(duì)毒性的致癌程度將其分為致癌性和非致癌性兩組指標(biāo)。生態(tài)毒性指標(biāo)可以反映電池組在生產(chǎn)階段對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的毒性損害程度。其評(píng)價(jià)值最大的電池組為 LFPy-C，最小的電池組為FeS2SS?？偟膩?lái)說(shuō)，電池組所呈現(xiàn)的三個(gè)毒性指標(biāo)評(píng)價(jià)趨勢(shì)一致。

圖4 鋰離子電池組在生產(chǎn)階段的毒性損害指標(biāo)影響值

電池組在生產(chǎn)階段產(chǎn)生的HTC、HTN和ETX 三種影響潛值具有一致的規(guī)律性。綜合毒性損害潛值由低到高的電池組類型依次為FeS2SS < Li-S < LMO/NMC-C < NMC111-C NMC-SiNT < NMC442-C < LFPx-C < LMO-C < NMC-SiNW < NMC-C < LFPy-C。

2.4 電池組生產(chǎn)階段的三級(jí)指標(biāo)分析

從圖5中可以看出11組電池在各項(xiàng)環(huán)境影響值間的貢獻(xiàn)程度。從電池類型方面分析，LFPy和NMC-C由于正極材料的占比極高（質(zhì)量比例超過(guò)50%），兩組電池在CF、EF、EP、AP、HTC、HTN和ETX方面具有較高的環(huán)境影響值。

圖5 鋰離子電池組在生產(chǎn)階段中各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)影響比例圖

從環(huán)境指標(biāo)方面分析，可以看到在CF和EF中，11組鋰離子電池的貢獻(xiàn)程度具有相似性，同樣，在HTC、HTN和ETX中也具有相似的貢獻(xiàn)規(guī)律。電池組在資源耗竭下的5項(xiàng)指標(biāo)與其他指標(biāo)的貢獻(xiàn)規(guī)律略有不同。

整體而言，LFPy、NMC-SiNW和NMC-C的各項(xiàng)環(huán)境影響值均較高，可以認(rèn)為這三組電池的環(huán)境影響值偏高，其生產(chǎn)階段對(duì)環(huán)境造成較大的影響負(fù)荷。

3 結(jié) 論

面向?qū)崿F(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)，首先以二級(jí)綜合指標(biāo)為分類基礎(chǔ)分析了11組動(dòng)力電池在生產(chǎn)階段的11項(xiàng)三級(jí)環(huán)境影響指標(biāo)，并著重對(duì)碳足跡進(jìn)行分析，再以此為基礎(chǔ)對(duì)生產(chǎn)階段的電池組進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：

（1）足跡家族。CF中，以硅納米管和硅納米線為主的負(fù)極材料制備的動(dòng)力電池組有較高的碳排放值。LMB和LMO類型的電池組產(chǎn)生的CF影響小。EF指標(biāo)規(guī)律與CF一致。LMO類型的WF值最低，LMB類型中的Li-S表現(xiàn)出較高的水資源消耗。

（2）資源耗竭。ADP影響值最高的材料是NMC-SiNW；NMC類型電池組的AP值普遍偏高；LMO類型電池組表現(xiàn)出低AP值。EP表現(xiàn)最明顯的兩個(gè)電池組是LFPy-C和NMC-C。POFP中以LMB類型電池組為代表的兩類電池影響潛值波動(dòng)最大，Li-S電池的POFP值最大，而FeS2SS電池的POFP值最小。ODP中LFPx-C和NMC442-C電池組表現(xiàn)尤為顯著，其他類型電池組所呈現(xiàn)的ODP值很小。

（3）毒性損害。電池組所呈現(xiàn)的三個(gè)毒性指標(biāo)評(píng)價(jià)趨勢(shì)一致，最高毒性損害為L(zhǎng)FPy-C，最低的毒性損害為L(zhǎng)MB類型電池組（Li-S或FeS2SS）。

（4）整體而言，F(xiàn)eS2SS電池組在生產(chǎn)階段產(chǎn)生的綜合環(huán)境影響較小，LFP-y、NMC-SiNW和NMC-C在各項(xiàng)環(huán)境影響值中貢獻(xiàn)程度均較高，可以認(rèn)為這三組電池的生產(chǎn)階段對(duì)環(huán)境造成較大的影響負(fù)荷。

（5）為努力實(shí)現(xiàn)“2060年達(dá)成碳中和”的目標(biāo)，NMC-SiNW、LFPy-C、NMC-C這三類電池應(yīng)控制生產(chǎn)，或優(yōu)化工藝以減少碳排放。

[1] 郭棟, 閆偉, 譚嘯川, 等. 考慮車輛類型變化的中國(guó)乘用車排放特征[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2021, 41(7): 3138-3152. DOI: 10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20210223.013.

[2] 余柳. 國(guó)際視角下城市交通碳中和策略與路徑研究[J/OL]. 城市交通: 1-10. [2021-09-09]. https://doi.org/10.13813/j.cn11-5141/u.2021.0039.

[3] 歐陽(yáng)志遠(yuǎn), 史作廷, 石敏俊, 等. “碳達(dá)峰碳中和”: 挑戰(zhàn)與對(duì)策[J]. 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)學(xué)報(bào), 2021, 42(5): 1-11. DOI: 10.14178/j.cnki.issn1007-2101.20210826.001.

[4] WANG Y J, ZHOU G G, LI T, et al. Comprehensive evaluation of the sustainable development of battery electric vehicles in China[J]. Sustainability, 2019, 11(20): 5635. DOI: 10.3390/su11205635.

[5] LYU Y, SUN X N, CHU H, et al. Improvement of battery life and energy economy for electric vehicles with two-speed transmission[J]. Energies, 2020, 13(13): 3409. DOI: 10.3390/en13133409.

[6] 阮芳芳, 曾賢剛. 2010～2018年中國(guó)交通行業(yè)污染排放健康影響分析[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2021, 41(3): 1480-1488. DOI: 10.19674/j.cnki.issn1000-6923.2021.0162.

[7] 唐登杰. 大力推動(dòng)節(jié)能工作助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和[N]. 人民日?qǐng)?bào), 2021-08-25(013).

[8] ZHANG L, QIN Q D. China’s new energy vehicle policies: evolution, comparison and recommendation[J]. Transportation research part A: policy and practice, 2018, 110: 57-72. DOI: 10.1016/j.tra.2018.02.012.

[9] 黎華玲, 陳永珍, 宋文吉, 等. 鋰離子動(dòng)力電池的電極材料回收模式及經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 新能源進(jìn)展, 2018, 6(6): 505-511. DOI:10.3969/j.issn.2095-560X.2018.06.007.

[10] TOLOMEO R, DE FEO G, ADAMI R, et al. Application of life cycle assessment to lithium ion batteries in the automotive sector[J]. Sustainability, 2020, 12(11): 4628. DOI: 10.3390/su12114628.

[11] 高飛, 劉皓, 吳從榮, 等. 鋰離子電池?zé)岚踩揽丶夹g(shù)的研究進(jìn)展[J]. 新能源進(jìn)展, 2020, 8(1): 15-21. DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2020.01.003.

[12] 陳向國(guó). 歐陽(yáng)明高:實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)離不開(kāi)新能源汽車與氫能的規(guī)模應(yīng)用[J]. 節(jié)能與環(huán)保, 2021(8): 18-20. DOI: 10.3969/j.issn.1009-539X.2021.08.005.

[13] DUNN J B, GAINES L, KELLY J C, et al. The significance of Li-ion batteries in electric vehicle life-cycle energy and emissions and recycling's role in its reduction[J]. Energy & environmental science, 2015, 8(1): 158-168. DOI: 10.1039/c4ee03029j.

[14] MA C E, MADANIYAZI L, XIE Y. Impact of the electric vehicle policies on environment and health in the Beijing-Tianjin-Hebei Region[J]. International journal of environmental research and public health, 2021, 18(2): 623. DOI: 10.3390/ijerph18020623.

[15] 李書華. 電動(dòng)汽車全生命周期分析及環(huán)境效益評(píng)價(jià)[D]. 長(zhǎng)春: 吉林大學(xué), 2014.

[16] 弓原, 郁亞娟, 黃凱, 等. 典型鋰離子電池材料的足跡家族分析[J]. 環(huán)境化學(xué), 2016, 35(6): 1103-1108. DOI: 10.7524/j.issn.0254-6108.2016.06.2015092802.

[17] LIANG Y H, SU J, XI B D, et al. Life cycle assessment of lithium-ion batteries for greenhouse gas emissions[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2017, 117: 285-293. DOI: 10.1016/j.resconrec.2016.08.028.

[18] OWSIANIAK M, LAURENT A, BJ?RN A, et al. IMPACT 2002+, ReCiPe 2008 and ILCD's recommended practice for characterization modelling in life cycle impact assessment: a case study-based comparison[J]. The international journal of life cycle assessment, 2014, 19(5): 1007-1021. DOI: 10.1007/s11367-014-0708-3.

[19] 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 & technology, 2011, 45(10): 4548-4554. DOI: 10.1021/es103607c.

[20] YU A, WEI Y Q, CHEN W W, et al. Life cycle environmental impacts and carbon emissions: a case studyof electric and gasoline vehicles in China[J]. Transportation research part D: transport and environment, 2018, 65: 409-420. DOI: 10.1016/j.trd.2018.09.009.

[21] 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. DOI: 10.1111/jiec.12072.

[22] DENG Y L, MAL L, LI T H, et al. Life cycle assessment of silicon-nanotube-based lithium ion battery for electric vehicles[J]. ACS sustainable chemistry & engineering, 2019, 7(1): 599-610. DOI: 10.1021/acssuschemeng.8b04136.

[23] LI B B, GAO X F, LI J Y, et al. Life cycle environmental impact of high-capacity lithium ion battery with silicon nanowires anode for electric vehicles[J]. Environmental science & technology, 2014, 48(5): 3047-3055. DOI: 10.1021/es4037786.

[24] NOTTER D A, GAUCH M, WIDMER R, et al. Contribution of li-ion batteries to the environmental impactof electric vehicles[J]. Environmental science & technology, 2010, 44(17): 6550-6556. DOI: 10.1021/es903729a.

[25] CUSENZA M A, BOBBA S, ARDENTE F, et al. Energy and environmental assessment of a traction lithium-ion battery pack for plug-in hybrid electric vehicles[J]. Journal of cleaner production, 2019, 215: 634-649. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.01.056.

[26] DENG Y L, LI J Y, LI T H, et al. Life cycle assessment of lithium sulfur battery for electric vehicles[J]. Journal of power sources, 2017, 343: 284-295. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2017.01.036.

[27] KESHAVARZMOHAMMADIAN A, COOK S M, MILFORD J B. Cradle-to-gate environmental impacts of sulfur-based solid-state lithium batteries for electric vehicle applications[J]. Journal of cleaner production, 2018, 202: 770-778. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.08.168.

[28] HERRMANN I T, MOLTESEN A. Does it matter which Life Cycle Assessment (LCA) tool you choose? - a comparative assessment of SimaPro and GaBi[J]. Journal of cleaner production, 2015, 86: 163-169. DOI: 10.1016/j.jclepro.2014.08.004.

Research on Sustainable Development of Small Vehicle Power Battery for Carbon Neutrality

XUE Bing-ya1, CHANG Ze-yu1, WU Hao-hui1, HU Yu-chen2, HUANG Kai3, YU Ya-juan1

(1. School of Materials Science and Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. Center for Energy and Environmental Policy Research, School of Management and Economics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 3. College of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

At present, the goal of “carbon neutrality” is concerned by all industries in China. As one of the representative carriers of new energy materials and devices in the transportation industry to achieve energy conservation and environmental protection goals, electric vehicles have made an important contribution to the realization of carbon neutrality in China. Power battery is one of the important components of electric vehicle, and its carbon neutral characteristics need to be explained urgently. In this paper, various environmental impacts of lithium-ion battery pack in the production stage were taken as the research object, and the life cycle assessment method was adopted to analyze the comprehensive impact of composition on the environment in the production process of lithium-ion battery. The results showed that FeS2SS battery pack had low environmental potential in 11 categories of tertiary indicators of resource depletion, toxic damage and footprint family. In other words, the FeS2SS battery pack had a low combined environmental impact during production stage. However, LFPy-C, NMC-SiNW and NMC-C contributed more to all environmental impact values. In order to achieve the goal of carbon neutrality and reduce carbon emissions, the production of NMC-SiNW, LFPy-C, NMC-C battery packs should be optimized.

electric vehicle; lithium-ion battery pack; carbon neutrality; life cycle assessment

TK01；TM911；X8

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2021.06.001

2095-560X（2021）06-0443-06

收稿日期：2021-09-11

2021-11-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52074037，52070017）；內(nèi)蒙古科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2020ZD0018）

通信作者：郁亞娟，E-mail：04575@bit.edu.cn

薛冰婭（1997-），女，碩士研究生，主要從事儲(chǔ)能材料評(píng)價(jià)研究。

郁亞娟（1978-），女，博士，副教授，主要從事綠色材料生命周期評(píng)價(jià)研究。