龍琴　袁森

【摘要】隨著新能源汽車的迅速發(fā)展，動力電池也實現(xiàn)了大規(guī)模開發(fā)和應用。然而，動力電池快速發(fā)展造成電池資源短缺，能源消耗過快，電池報廢也對環(huán)境產(chǎn)生了不利影響。動力電池產(chǎn)品的綠色設(shè)計是解決其一系列問題的有效手段之一。通過綜述大量文獻，分析了綠色設(shè)計評價方法和綠色設(shè)計方法，對當前動力電池綠色設(shè)計現(xiàn)狀和發(fā)展進行了分析和概述。結(jié)果表明：動力電池主動式綠色設(shè)計策略相較于被動式綠色設(shè)計策略，經(jīng)濟性更好、資源利用率更高且能耗更低，更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)鍵詞：新能源汽車；動力電池；綠色設(shè)計；評價方法；優(yōu)化方法

中圖分類號：TM912? ?文獻標志碼：A? DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20220186

Review on Green Design of Power Battery

Long Qin1， Yuan Sen1，2

（1.College of Mechanical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025; 2.College of Mechanical Engineering， Guizhou Institute of Technology， Guiyang 550003）

【Abstract】 With the rapid development of New Energy Vehicle （NEV）， power batteries have also realized large-scale development and application. The fast development of power batteries has caused the shortage of battery resources， excessive energy consumption， and the battery scrap has had a negative impact on the environment as well. The green design of power battery products is an effective method to solve the issue of this series. By reviewing many literatures， the evaluation methods and green design methods of green design are analyzed， and the current status and development of green design of power batteries are analyzed and summarized. The results show that compared with passive green design strategy， the active green design strategy of power battery has better economy， higher resource utilization and lower energy consumption， and has more development potential.

Key words： New Energy Vehicle （NEV）， Power battery， Green design， Evaluation method， Optimization method

縮略語

NEV? ? ? New Energy Vehicle

AHP? ? Analytical Hierarchy Process

TOPSIS Technique for Order Preference by Similarity to

an Ideal Solution

GC? ? ? ? ?Gray Correlation

LCA? ? Life Cycle Assessment

ACO? Ant Colony Optimization

LCA-ACO Life Cycle Assessment- Ant Colony

Optimization

Bio TRIZ? ? Biological TRIZ

TRIZ? ? ? ? Theory of the Solution of Invention

Prob-terms

CPEOP? ? ? Checklist of Product Eco-design

Optimization Potential

0 引言

隨著全球氣候變化等環(huán)境問題逐漸加劇，世界各國均出臺一系列政策，積極推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展[1]。2023年新能源汽車產(chǎn)銷量分別達到958.7萬輛和949.5萬輛，同比分別增長96.9%和93.4%[2]。新能源汽車高速發(fā)展，動力電池的產(chǎn)量也隨之快速增長。2023年動力電池產(chǎn)量達到778.1 GW·h，同比增長42.5%；裝車量達到387.7 GW·h，同比增長31.6%[3]。據(jù)中國新能源汽車動力電池回收利用產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展聯(lián)盟統(tǒng)計，2023年報廢量達到16.8萬噸，未來動力電池的退役規(guī)模將會持續(xù)增加。如果不對其進行妥善處理，將會造成嚴重的環(huán)境污染和大量資源浪費。主要體現(xiàn)在以下4個方面：加快了各類稀缺資源的消耗；制造過程中消耗大量能源，并對自然環(huán)境造成不同程度的危害；大量資金投入；大量電池退役。

綠色設(shè)計作為一種綠色優(yōu)化策略，在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)可以實現(xiàn)對資源及環(huán)境影響降到最低，實施動力電池產(chǎn)品綠色設(shè)計，對于儲能和新能源汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著非常重要的現(xiàn)實意義[4-5]。

目前，大量文獻涉及動力電池綠色優(yōu)化技術(shù)，但缺乏對動力電池綠色設(shè)計技術(shù)進行全面回顧。本文通過文獻綜述，分析當前動力電池綠色設(shè)計的研究現(xiàn)狀，為動力電池行業(yè)未來可持續(xù)發(fā)展提供一定參考依據(jù)。

1 綠色設(shè)計

綠色設(shè)計[6]是指在產(chǎn)品全生命周期設(shè)計過程中，要充分考慮資源消耗和環(huán)境影響；在充分考慮產(chǎn)品功能、質(zhì)量、開發(fā)周期和成本的同時，也將產(chǎn)品可回收性、可制造性、可拆卸性等作為設(shè)計的目標，更要協(xié)調(diào)各種相關(guān)因素，使產(chǎn)品使用、制造和回收過程中低能耗、低污染，達到對環(huán)境和資源消耗的總體影響降到最小。

1.1 綠色設(shè)計評價方法

建立一個科學、有效的綠色評估方法對改善產(chǎn)品的環(huán)境屬性[7]（可拆卸、可維修、可回收和可重復再利用）具有重要意義，可為綠色設(shè)計提供指導，優(yōu)化設(shè)計要素，實現(xiàn)對環(huán)境影響最低。目前，常用的綠色設(shè)計評價方法主要分為2種：

（1）基于綜合評價方法，主要包括層次分析法（Analytical Hierarchy Process， AHP）、理想解法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution， TOPSIS）、模糊綜合評價法（Fuzzy Comprehension Evaluation， FCE）、灰色評價方法（Gray Correlation， GC）；

（2）基于生命周期（Life Cycle Assessment， LCA）評價方法[8]。

1.1.1 基于綜合評價法

綜合評價方法可有效解決多因素、具有相關(guān)性的多準則決策型問題，故有研究機構(gòu)和學者根據(jù)綜合評價方法的優(yōu)點，開發(fā)出具有實際價值的綠色產(chǎn)品評價方法[9]，綜合評價方法的優(yōu)缺點如表1所示。Guo等[10]結(jié)合綠色產(chǎn)品的特點，提出了一種改進的層次分析法，即群體加權(quán)層次分析法（Group Weighted-AHP），用于機電產(chǎn)品綠色評價。同時，為了對綠色設(shè)計進行客觀、準確評價，SABAGHI等[11]引入模糊推理系統(tǒng)來評價產(chǎn)品和過程的可持續(xù)性，且此方法不需要生成規(guī)則，簡化了程序并使評價結(jié)果更加精確。

1.1.2 基于產(chǎn)品生命周期（LCA）理論評價方法

LCA是一種系統(tǒng)性評估方法，用于評估產(chǎn)品從原材料獲取、產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)、生產(chǎn)到回收再利用的整個生命周期對環(huán)境的影響。LCA廣泛應用于評估產(chǎn)品的環(huán)境性能，但當采用LCA評估一些復雜產(chǎn)品時，它也具有所需時間過長、需要耗費大量資源等缺點[12]。因此，有學者提出簡化生命周期評估方法。Ng等[13]基于蟻群優(yōu)化算法（Ant Colony Optimization， ACO）的優(yōu)勢，與生命周期評價方法相結(jié)合，提出一種更加客觀、更系統(tǒng)化、更加高效的決策方法，即蟻群優(yōu)化-生命周期評估法（Life Cycle Assessment- Ant Colony Optimization， LCA-ACO）。與傳統(tǒng)LCA相比，LCA-ACO所需時間更短，不需要復雜的LCA研究過程，為決策者提供一個更加快速的篩選決策。

目前，常用的綠色設(shè)計評價方法主要為改進的綜合評價方法和改進的生命周期評價法，用于提高產(chǎn)品綠色設(shè)計水平。

1.2 綠色設(shè)計方法

從圖1產(chǎn)品生命周期與環(huán)境關(guān)系可以看出，產(chǎn)品進行綠色設(shè)計時，可以從產(chǎn)品方案設(shè)計、原材料（綠色材料）選取、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計（模塊化設(shè)計、拆卸性設(shè)計）、產(chǎn)品生產(chǎn)制造（綠色制造）和產(chǎn)品回收處理（回收性設(shè)計）進行綠色設(shè)計。當然，除了上述常用的綠色設(shè)計方法外，還有節(jié)能性設(shè)計、簡化性設(shè)計等方法，在此不作詳細介紹。表2為產(chǎn)品綠色設(shè)計方法準則和應用[14]。

1.2.1 綠色產(chǎn)品方案設(shè)計

綠色產(chǎn)品方案設(shè)計是極其復雜的過程，由于設(shè)計時需要考慮多因子相互影響，需要綜合平衡相互矛盾的因子。Bai等[16]基于生物解矩陣法（Biological TRIZ， Bio TRIZ），重新設(shè)計開發(fā)了1種Bio TRIZ多矛盾解決方法，即將產(chǎn)品所需的綠色因子與Bio TRIZ矩陣表格化，使綠色因子有效地轉(zhuǎn)化為相關(guān)的矩陣參數(shù)，進而轉(zhuǎn)化為相應的計算，以實現(xiàn)產(chǎn)品綠色設(shè)計。付巖等[16]基于綠色概念方案設(shè)計階段，提出了產(chǎn)品功能-結(jié)構(gòu)-材料-工藝模型的多域映射屬性（圖2），并結(jié)合LCA方法，提出1種基于希望樹的設(shè)計空間搜索算法，以便于生成最優(yōu)設(shè)計方案。

1.2.2 綠色材料的選擇

材料選擇是產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中的第1步，其綠色屬性（環(huán)境損害低、可回收再利用、資源消耗低和生產(chǎn)使用過程能耗低）對產(chǎn)品后續(xù)的綠色設(shè)計性能（環(huán)境性、經(jīng)濟性、回收性和拆卸性）具有重要影響。Cheng等[17]通過綠色材料指標體系，提出了1種基于廣義數(shù)據(jù)包絡分析方法與接近理想解排序方法的組合模型，使其綠色設(shè)計材料（成本、環(huán)境性和性能）的選擇更加合理。

1.2.3 模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計即是根據(jù)產(chǎn)品的功能屬性和材料屬性將其劃分為多個模塊組合，以便于后續(xù)產(chǎn)品維修和拆卸回收。張寵元等[18]在常規(guī)方法基礎(chǔ)上，提出1種基于主動回收的產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法，可用于復雜度高的機電類產(chǎn)品模塊化設(shè)計。

1.2.4 可拆卸性設(shè)計

可拆卸性設(shè)計是在產(chǎn)品設(shè)計階段，考慮其拆卸性，便于產(chǎn)品后續(xù)維修、拆卸、回收和再利用。Yao[19]基于綠色DNA的可拓理論和概念，提出1種新型的綠色設(shè)計方法，將普通產(chǎn)品升級為綠色產(chǎn)品，改進產(chǎn)品可拆卸性以提高產(chǎn)品可回收價值。

1.2.5 綠色制造技術(shù)

綠色制造即是基于綠色理念指導下，采用綠色生產(chǎn)加工技術(shù)實現(xiàn)對產(chǎn)品制造，可以減少環(huán)境污染、節(jié)約資源和能源，提升資源有效利用率，減少能源消耗。

1.2.6 可回收性設(shè)計

可回收性設(shè)計是在產(chǎn)品設(shè)計階段考慮其回收性，便于產(chǎn)品在使用壽命結(jié)束后，實現(xiàn)材料及零部件回收再利用。

對產(chǎn)品進行綠色設(shè)計，主要根據(jù)產(chǎn)品應用場景和產(chǎn)品性能特征，對其進行相應的綠色優(yōu)化設(shè)計，改善其環(huán)境屬性[7]。從上述描述中，產(chǎn)品綠色設(shè)計方法對于改善電池工業(yè)的環(huán)境屬性[20-21]（綠色材料、易回收、易拆卸和經(jīng)濟性），推動動力電池綠色設(shè)計具有很大潛力，對動力電池與新能源汽車可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

2 動力電池綠色設(shè)計

動力電池綠色設(shè)計即在保證動力電池整體性能不變或變化極小的情況下考慮其環(huán)境屬性，通過綜述相關(guān)文獻，總結(jié)出2種動力電池綠色設(shè)計策略：被動式環(huán)境設(shè)計策略、主動式環(huán)境設(shè)計策略。

2.1 被動式環(huán)境設(shè)計策略

當前，大多數(shù)動力電池制造商在綠色設(shè)計時多采用被動式設(shè)計策略，即在產(chǎn)品研發(fā)后期對其進行LCA評價，識別出主要影響因子（如材料、結(jié)構(gòu)等），再根據(jù)產(chǎn)品評價結(jié)果對動力電池的特定環(huán)節(jié)或特定方面（如結(jié)構(gòu)、材料和回收）進行綠色設(shè)計，以滿足環(huán)境要求。但是，該策略不利于動力電池產(chǎn)品可持續(xù)發(fā)展[22]，具有一定的局限性。下面將從電池材料選擇、電池可拆卸性和電池回收性3個方面闡述被動式環(huán)境設(shè)計策略。

2.1.1 電池材料綠色設(shè)計

電池材料綠色設(shè)計時，根據(jù)LCA的評價結(jié)果，在保證動力電池性能先進性和經(jīng)濟性前提下，需選用綠色無污染、無害或者能夠回收再利用的經(jīng)濟性材料，減少對環(huán)境影響并提高資源利用率。

（1）貴金屬材料。貴金屬材料（如銀、鉑、銥）具有高催化性和熱穩(wěn)定性特性，常作為燃料電池的電催化劑，但由于其高成本（燃料電池電堆總成本的50%），燃料電池商業(yè)化應用進程緩慢。因此，為加速燃料電池商業(yè)化，減少貴金屬材料使用量是燃料電池技術(shù)發(fā)展趨勢。Regmi等[23]提出1種用于負載銥催化劑的結(jié)構(gòu)，其可以減少貴金屬的使用量（鉑降低了約42%），并提高導電性和活性，可改善質(zhì)子交換膜燃料電池經(jīng)濟性，降低燃料電池回收時材料的浪費率，提升了電池材料綠色屬性。

（2）重金屬材料。由于技術(shù)成熟度高和金屬材料回收率高，重金屬材料（如鉛、鎳、銅、鋅）常作為電極材料，廣泛應用于電池工業(yè)，如鉛酸電池、鎳基電池、鋰基電池和鋅空氣電池等。

當前，除了一些持續(xù)更新升級的金屬電池材料和開發(fā)新型復合型金屬材料外，生物質(zhì)材料逐漸為動力電池研究熱點，生物質(zhì)材料的特點及其應用如表3所示[24]。因生物質(zhì)材料具有物理和化學吸附性強、成本低、資源豐富和環(huán)境友好的突出優(yōu)勢，使其未來在動力電池上的研發(fā)應用前景廣闊[25]。Joungphil等[26]研究了1種用于鋰電池正極的綠色有機材料羥萘醌Lawsone。Lawsone具有非常優(yōu)秀的性能（如高放電容量、高能量密度及良好的循環(huán)壽命），且不會對人類產(chǎn)生有害影響，是1種非常綠色的電極材料。

2.1.2 電池可拆卸性設(shè)計

目前，僅有少量的文獻討論了電池可拆性設(shè)計的可行性。Wang等[27]首次闡述了1種由2個單獨的半電池組成的可靈活組裝且易于拆卸的光伏器件—鈣鈦礦太陽能電池，其可以輕松實現(xiàn)維修、分離和組裝；對電池的回收也產(chǎn)生一定的積極影響（改善回收效率）。Zhao等[28]設(shè)計開發(fā)了1個易于組裝的無螺栓裝配的鋅-空氣電池，即電池壓板通過電池主體上的機械緊固件來固定空氣電極，形成1個帶防水硅膠環(huán)的封閉空間，空氣電極接觸正極柱兩側(cè)，壓板會產(chǎn)生壓力，將空氣電極緊緊固定在正極柱上，避免了采用螺栓擰緊的傳統(tǒng)方式來固定，提升了電池可維修性。Balboni等[29]也提出1種低成本和高功率密度、易于組裝的柔性超級電容器。表4為電池可拆卸性設(shè)計特點。

上述文獻，可為電池研發(fā)設(shè)計提供可行的拆卸性策略，為未來電池的綠色發(fā)展提供一定參考依據(jù)。

2.1.3 電池回收綠色設(shè)計

動力電池作為新能源汽車的核心部分，其使用壽命結(jié)束后若不進行合理處理，將會造成嚴重的環(huán)境污染以及資源浪費。目前，電池回收綠色策略主要可分為2種：

（1）電池回收機制?；趪已h(huán)經(jīng)濟政策，建立良好的回收機制，不僅會帶來可觀的經(jīng)濟效益，還會提升回收效率，減少資源浪費。目前，電池回收策略研究主要集中在電池梯次利用和結(jié)合大數(shù)據(jù)構(gòu)建電池回收平臺。Yu等[30]針對動力電池回收交易中存在的問題，根據(jù)大數(shù)據(jù)動力電池回收平臺運行機理，采用改進的蟻群算法，優(yōu)化動力電池運送路徑，構(gòu)建了基于大數(shù)據(jù)的新能源汽車動力電池回收平臺，推動動力電池回收產(chǎn)業(yè)升級。

（2）電池回收方法。當前，動力電池的回收工藝主要可分為濕法冶金和火法冶金2種，也有些采用生物浸出法、直接回收法。表5為電池回收方法優(yōu)缺點[31]?；鹨苯鸹厥辗ǎㄒ卜Q熱冶金回收法）主要是通過高溫分解回收有價值的金屬元素。Samane等[32]通過2步氧化還原過程將鎳氫電池中的稀土元素（La、Ce、Nd和Pr）以氧化物形式分離出來，以便于回收。

濕法冶金回收法主要是通過水溶液從電池中浸出有價金屬。Chen等[33]介紹了采用濕法冶金方法從鋰離子電池鋰鎳錳鈷氧化物正極廢料中回收有價金屬的改進過程。

生物浸出法[34]主要是通過微生物浸出回收電池中的有價金屬，是動力電池回收的新興綠色技術(shù)，也是目前的研究熱點。

2.2 主動式環(huán)境設(shè)計策略

主動式環(huán)境設(shè)計策略即是在產(chǎn)品研發(fā)開始時，采用LCA評價法系統(tǒng)地評估其整個生命周期的環(huán)境資源屬性，根據(jù)其評價結(jié)果設(shè)計出產(chǎn)品綠色設(shè)計策略。張誠等[21]基于被動式策略局限性，從動力電池LCA出發(fā)，提出1種基于參數(shù)化建模仿真的動力電池綠色優(yōu)化設(shè)計集成系統(tǒng)及方法，即在動力電池產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)過程中系統(tǒng)地評估動力電池LCA環(huán)境屬性問題，通過實現(xiàn)動力電池綠色優(yōu)化設(shè)計方案生成和優(yōu)選，以提高動力電池綠色設(shè)計研發(fā)效率，提升動力電池產(chǎn)品綜合環(huán)境屬性。動力電池綠色設(shè)計體系如圖3[34]所示。

3 未來發(fā)展趨勢

當前，動力電池設(shè)計開發(fā)主要集中在改善電池的能量密度、電性能和控制策略方面，尚未在設(shè)計開發(fā)中系統(tǒng)地考慮電池的環(huán)境因素。隨著資源需求和綠色、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展理念的深入，動力電池的綠色設(shè)計將會帶來新的發(fā)展機遇。

（1）設(shè)計方面。模塊化設(shè)計便于拆卸回收再利用。目前，電動汽車動力電池組拆卸過程主要是手工拆卸，智能機械僅能完成簡單的拆卸任務或起協(xié)助作用。且不同類型的動力電池組需要不同的拆卸方法，這無疑增加了回收工作量，影響回收整體經(jīng)濟效益。考慮電池組模組拆卸性設(shè)計，將會減少回收工作量、節(jié)約資源和降低成本[21]。

（2）經(jīng)濟方面。經(jīng)濟效益是生產(chǎn)企業(yè)對動力電池組進行綠色設(shè)計的直接動力?？紤]環(huán)境影響和產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，建立或完善動力電池全生命周期評價策略，可以選取更加經(jīng)濟的材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝、連接和回收方法，以獲得良好的經(jīng)濟效益。

（3）環(huán)境方面?？梢詮?個階段考慮環(huán)境的影響。在動力電池設(shè)計制造階段：在不犧牲電池本身性能的前提下，采用新型綠色材料（生物質(zhì)材料）代替?zhèn)鹘y(tǒng)型材料。在制造工藝上，開發(fā)新工藝技術(shù)，減少資源損耗和環(huán)境影響。在動力電池回收階段：選用綠色試劑和采用低能耗、高效率和高效益的回收技術(shù)，提高回收環(huán)境效益[35]。

（4）信息化方面。基于網(wǎng)絡信息化時代背景，建立或完善動力電池綠色設(shè)計數(shù)據(jù)庫和知識庫[37]。可存儲動力電池全生命周期中設(shè)計策略、技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境屬性相關(guān)的數(shù)據(jù)和知識（如材料的選型、回收技術(shù)及制造工藝對環(huán)境的影響等）。以便在動力電池綠色設(shè)計過程中實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，提升設(shè)計效率。

4 結(jié)束語

動力電池產(chǎn)業(yè)造成的環(huán)境問題對人類生產(chǎn)、生活造成了嚴重影響。動力電池的發(fā)展將面向全面、綠色、綜合性目標發(fā)展。而動力電池產(chǎn)品主動式環(huán)境設(shè)計策略相對于被動式設(shè)計策略更具發(fā)展?jié)摿Γ筛纳苿恿﹄姵禺a(chǎn)品使用性和經(jīng)濟性，減少資源和能源損耗。因此，動力電池全生命周期綠色設(shè)計策略可為動力電池綠色優(yōu)化設(shè)計提供新的發(fā)展方向。

參 考 文 獻

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（責任編輯 梵鈴）

【作者簡介】

袁森（1973—），男，貴州大學，博士，教授，研究方向為先進制造技術(shù)。

E-mail：syuan@gzu.edu.cn