中國電動自行車動力鉛酸蓄電池生命周期評價

劉巍，田金平，陳呂軍

（1.山東大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟南 250100；2.清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100084；3.浙江省水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，浙江 嘉興 314000）

本研究基于鉛酸蓄電池產(chǎn)業(yè)鏈的廣泛調(diào)研，建立了鉛酸蓄電池從搖籃到墳?zāi)沟纳芷诃h(huán)境影響評價模型，分析了原材料生產(chǎn)、電池生產(chǎn)、運輸、使用和廢舊鉛酸蓄電池及含鉛廢物回收處理全生命周期的環(huán)境影響，識別環(huán)境影響的關(guān)鍵節(jié)點，提出改善鉛酸蓄電池生命周期環(huán)境影響的技術(shù)政策建議，以期為中國鉛酸蓄電池相關(guān)行業(yè)鉛污染控制提供方法支持和科學(xué)依據(jù)。

1.材料與方法

本研究選用電動自行車用動力鉛酸蓄電池為對象，采用ISO14040規(guī)定的LCA分析方法，主要包括目的和范圍定義、清單分析、環(huán)境影響評價及結(jié)果分析。

（1）目的和范圍定義

本研究的目的是評價中國電動自行車用動力鉛酸蓄電池全生命周期環(huán)境影響，識別其中關(guān)鍵過程和因素，提出相應(yīng)的改進措施。評價功能單元定義為中國當(dāng)前平均技術(shù)水平生產(chǎn)的1 kW·h的電動自行車用動力鉛酸蓄電池，用來參照各個過程的投入產(chǎn)出和環(huán)境影響。動力鉛酸蓄電池是近十幾年來中國增長最快，也是當(dāng)前產(chǎn)量最多的鉛酸蓄電池，占鉛酸蓄電池總產(chǎn)量的份額超過40%。使用如此大規(guī)模的鉛酸蓄電池作為動力電池是中國特有的現(xiàn)象，而電動自行車又是動力鉛酸蓄電池的最大用戶，具有代表性。本研究的系統(tǒng)邊界涵蓋了原輔材料生產(chǎn)、電池生產(chǎn)、電池運輸、電池使用和電池回收處理階段（見圖1）。第一，原材料生產(chǎn)階段：包括電池生產(chǎn)過程所需要的原輔材料的開采、加工和運輸過程。第二，電池生產(chǎn)階段：包括鉛酸蓄電池零部件及電池生產(chǎn)組裝過程。電池生產(chǎn)過程的含鉛廢物進入電池回收處理環(huán)節(jié)。第三，電池運輸階段：特指鉛酸蓄電池作為產(chǎn)品出廠至達(dá)到用戶手中開始使用的運輸過程，主要涉及運輸過程中各種燃油的消耗。其他部分相關(guān)的運輸如原輔材料以及廢舊鉛酸蓄電池回收階段的運輸，已經(jīng)被涵蓋在相應(yīng)的原材料生產(chǎn)和廢舊鉛酸蓄電池回收處理環(huán)節(jié)。第四，鉛酸蓄電池使用階段：指用戶拿到電池后到電池報廢的使用過程。電動自行車用動力電池都是免維護密封閥控電池，所以主要涉及電耗。第五，電池回收處理階段：指廢電池回收再生鉛和塑料的生產(chǎn)過程，并假設(shè)回收的再生鉛和塑料重新返回市場或電池生產(chǎn)企業(yè)（閉環(huán)回收）。

圖1 鉛酸蓄電池LCA研究系統(tǒng)邊界

（2）清單分析

清單分析是LCA研究中最繁瑣的環(huán)節(jié)，需收集各相關(guān)環(huán)節(jié)的資源能源消耗、產(chǎn)品、環(huán)境排放及廢棄物等。本研究利用四川大學(xué)開發(fā)的LCA軟件（eBalance）輔助進行清單分析，軟件安裝有中國本土LCA數(shù)據(jù)庫（CLCD數(shù)據(jù)庫）和Ecoinvent數(shù)據(jù)庫。清單分析中盡可能地采用調(diào)研獲得的一手?jǐn)?shù)據(jù)，力求反映當(dāng)前中國技術(shù)水平下的鉛酸蓄電池生命周期環(huán)境影響，同時也采用了一些已有資料數(shù)據(jù)進行補充。

①原材料和電池生產(chǎn)

電池生產(chǎn)的主要原輔材料包含鉛及其他金屬、硫酸、隔板、外殼塑料和添加劑等。電池生產(chǎn)的原輔材料消耗、能耗和電池生產(chǎn)過程污染物排放通過企業(yè)調(diào)研的方式獲取，主要包括查閱企業(yè)相關(guān)物料消耗統(tǒng)計清單、生產(chǎn)BOM表、環(huán)境影響報告書、清潔生產(chǎn)報告和企業(yè)訪談等，涵蓋了天能、超威等大型動力電池企業(yè)的多個工廠。絕大部分原材料和能源生產(chǎn)的清單數(shù)據(jù)源自于CLCD的數(shù)據(jù)庫，個別采用Ecoinvent數(shù)據(jù)庫和文獻(xiàn)補充。鉛酸蓄電池生產(chǎn)主要原輔材料和能源消耗如表1所示。

②電池運輸和使用

大宗電池原材料（鉛和硫酸）、電池成品和廢舊電池，一般采用大型柴油貨車公路運輸，其他材料采用中型貨車運輸。運輸重量按照電池和相關(guān)材料的重量計算，車輛運輸所需油耗信息利用eBalance軟件內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫查詢，運輸距離按照2015年全國貨物公路平均運輸距離估算。

電動自行車電池屬于免維護密封閥控電池，不需加酸維護，一般也不會泄漏。電池使用過程的電力消耗是使用環(huán)節(jié)的主要環(huán)境影響來源，而電池的電耗主要取決于電池的壽命和充電的效率。按照現(xiàn)行的國家產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，電動自行車電池的循環(huán)壽命要求在70%的放電深度下（depth of discharge，DOD）達(dá)到350次。調(diào)研表明在實驗室測試條件下，電池的循環(huán)壽命（100%DOD）確實能達(dá)到生產(chǎn)商宣稱的400甚至500次。然而，因用戶使用習(xí)慣和交通路況，電池的實際使用循環(huán)壽命遠(yuǎn)低于測試循環(huán)壽命。一般而言，實際使用中，鉛酸蓄電池循環(huán)壽命大約在300次（80%DOD），平均使用1.5 A。充電的效率一般在80%～85%，本研究取82.5%，則1 kW·h電動自行車電池在使用階段需用電291 kW·h，按照電動自行車（4×12 V×20 Ah）行駛100 km電耗1.8 kW·h計算，相當(dāng)于提供了電動自行車行駛14 500 km距離所需要的動力。

③廢鉛酸蓄電池回收處理

廢鉛酸蓄電池回收可分為火法和濕法冶煉。廢電池處理過程中的資源能源消耗數(shù)據(jù)主要參考幾家大中型再生鉛企業(yè)和文獻(xiàn)，污染物排放采用再生鉛企業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù)。

生命周期污染物排放清單和后續(xù)的生命周期環(huán)境影響關(guān)系密切，因此在清單分析部分，給出幾種重要污染物在鉛酸蓄電池全生命周期和其中各個階段的排放量，如表2所示。

表1 1 kW·h鉛酸蓄電池生產(chǎn)原輔材料及能源消耗清單

（3）環(huán)境影響評價

環(huán)境影響評價是將生命周期清單（life-cycle inventory，LCI）利用環(huán)境影響評價方法和模型轉(zhuǎn)化成全生命周期環(huán)境影響結(jié)果。LCA研究中已有很多成熟的環(huán)境影響評價方法和模型，如Eco-Indicator99，CML2002，IMPACT2002+等，可評價不同類型的環(huán)境影響。

本研究選取了12個環(huán)境影響指標(biāo)，分為3類：第一類是資源能耗類指標(biāo)，綜合反映清單中資源能源消耗，包括一次能源消耗（primary energy demand，PED），水資源消耗（water use，WU），中國非生物資源耗竭潛值（Chinese abiotic resource depletion potential，CADP）。 第二類是最常見的幾種環(huán)境影響，分別是酸化潛值（acidification potential，AP），富營養(yǎng)化潛值（eutrophication potential，EP），全球變暖潛值（global warming potential，GWP），臭氧破壞潛值（ozone depletion potential，ODP）和光化學(xué)氧化潛值（photo chemical oxidation potential，PCOP）。第三類是毒性效應(yīng)指標(biāo)，含人體毒性潛值（human toxicity potential，HTP） 和 生 態(tài) 毒 性 潛 值（ecological toxicity potential，ETP），其中人體致癌毒性潛值又分為致癌性人體毒性潛值（carcinogenic HTP）和非致癌人體毒性潛值（non-carcinogenic HTP）。環(huán)境影響評價部分計算鉛酸蓄電池每個環(huán)節(jié)以及整個生命周期過程的各種環(huán)境影響指標(biāo)。

2.結(jié)果與分析

（1）全生命周期環(huán)境影響

電動自行車用鉛酸蓄電池全生命周期環(huán)境影響評價結(jié)果如表3所示。

以下按3類環(huán)境影響，分析鉛酸蓄電池生命周期每個階段對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)，識別電池生命周期環(huán)境影響的關(guān)鍵節(jié)點和污染因子。

（2）生命周期各階段環(huán)境影響貢獻(xiàn)

圖2顯示，一次能源消耗主要是電池使用過程電耗的間接消耗，占全生命周期一次能源消耗的83%。此外原材料生產(chǎn)和電池生產(chǎn)階段分別消耗了17%和11%的一次能源，回收處理階段由于回收了再生鉛和再生塑料而節(jié)約了12%的一次能源。淡水資源消耗集中在原材料生產(chǎn)（78%）和電池使用階段（54%），其中最重要的原材料是精鉛（37%）、精錫（19%）和外殼用ABS塑料（13%），電池生產(chǎn)階段水耗僅占5%。非生物資源消耗主要在原材料生產(chǎn)階段（699%）。因鉛酸蓄電池回收性良好，回收處理階段的資源回收相當(dāng)于節(jié)約了很大部分非生物資源消耗（-599%）。

表2 1 kW·h動力鉛酸蓄電池全生命周期主要污染物排放清單

表3 1 kW·h動力鉛酸蓄電池全生命周期環(huán)境影響

圖2 鉛酸蓄電池生命周期各階段環(huán)境影響貢獻(xiàn)

幾種常見環(huán)境影響幾乎均源自于原材料生產(chǎn)和電池使用階段的貢獻(xiàn)，電池生產(chǎn)和運輸階段貢獻(xiàn)相對較少，電池回收處理階段對不同環(huán)境影響均有一定的削減作用。具體而言，原材料生產(chǎn)階段分別產(chǎn)生了42%，89%，17%，98%和117%的酸化、富營養(yǎng)化、全球變暖、光化學(xué)煙霧和臭氧層破壞潛值，原材料中的精鉛生產(chǎn)對上述環(huán)境影響潛值的貢獻(xiàn)分別為36%，86%，13%，68%和105%。AGM隔板和ABS外殼材料分別貢獻(xiàn)13%和14%的臭氧層破壞潛值。具體到各種環(huán)境影響的污染因子，酸化潛值的主要污染因子是SO2和NOx，電池使用階段電耗的間接排放是其主要來源。富營養(yǎng)化潛值的主要污染因子是NOx、NH3-N及磷酸鹽，三者排放最多的環(huán)節(jié)分別是電池使用階段電耗、電池回收階段預(yù)處理過程中純堿使用的間接排放及原材料生產(chǎn)階段中精鉛生產(chǎn)過程的直接排放。全球變暖潛值絕大部分由CO2貢獻(xiàn)，主要來自于電池使用階段電耗的間接排放。光化學(xué)煙霧主要污染因子是CO，主要產(chǎn)生于電池使用階段電耗的間接排放和原材料生產(chǎn)階段精鉛生產(chǎn)過程。臭氧層破壞主要成因是鹵化烴排放（Halon-1301和CFC-114等），主要產(chǎn)生于電池使用階段電耗的間接排放和精鉛生產(chǎn)過程。

在人體毒性和生態(tài)毒性指標(biāo)中，非致癌人體毒性潛值和總?cè)梭w毒性潛值在鉛酸蓄電池生命周期各階段的貢獻(xiàn)具有類似的分布，而致癌性人體毒性潛值和生態(tài)毒性潛值具有類似的分布。從表1也可看出，非致癌人體毒性潛值遠(yuǎn)大于致癌人體毒性潛值，近似等于總?cè)梭w毒性潛值。為此，進一步分析電池全生命周期各個過程產(chǎn)生的各種污染物對毒性潛值的貢獻(xiàn)。圖3顯示，鉛酸蓄電池全生命周期過程近96%的非致癌人體毒性潛值由大氣鉛排放貢獻(xiàn)，這也解釋了作為鉛酸蓄電池行業(yè)鉛污染排放最大的階段，即原材料生產(chǎn)和電池回收處理，是最主要的非致癌人體毒性潛值和總?cè)梭w毒性潛值的產(chǎn)生階段。具體而言，原材料中精鉛生產(chǎn)過程鉛排放貢獻(xiàn)了126%的非致癌人體毒性潛值，電池回收處理階段的鉛排放貢獻(xiàn)了70%的非致癌人體毒性潛值，回收的再生鉛相當(dāng)于抵消了112%的非致癌人體毒性潛值。此外，電池生產(chǎn)階段貢獻(xiàn)了全生命周期6%鉛排放的同時貢獻(xiàn)了12%的非致癌人體毒性潛值。

圖4顯示鉛酸蓄電池的致癌人體毒性潛值主要由鉻和鉛兩種重金屬污染物貢獻(xiàn)，其中水體六價鉻排放貢獻(xiàn)了65.4%，大氣鉛排放占30.8%。鉻盡管排放量遠(yuǎn)小于鉛，但其致癌效應(yīng)卻遠(yuǎn)超過鉛。精鉛生產(chǎn)過程的廢水鉻排放貢獻(xiàn)了365%的人體致癌毒性潛值，但是電池和含鉛廢物回收的再生鉛相當(dāng)于減少337%的人體致癌毒性潛值。對于鉛排放也是類似的，原生鉛生產(chǎn)過程的鉛排放產(chǎn)生了40%的人體致癌毒性潛值，再生鉛冶煉過程也產(chǎn)生了23%的人體致癌毒性潛值，但是回收的再生鉛的鉛減排效果相當(dāng)于減少了36%人體致癌毒性潛值。此外，原料中的精銅生產(chǎn)和電池使用過程電耗也由于鉻排放貢獻(xiàn)了16%和5%的人體致癌毒性潛值，電池生產(chǎn)過程鉛排放貢獻(xiàn)了4%人體致癌毒性潛值。

圖5顯示（水生）生態(tài)毒性潛值的污染因子主要是鉻、鋅、鉛和鈷等金屬污染物（僅列出貢獻(xiàn)超過3%的污染物），絕大部分均來自于精鉛生產(chǎn)，此外精錫生產(chǎn)也貢獻(xiàn)了一部分的鋅排放。精鉛生產(chǎn)過程的六價鉻、鋅、鉛和鈷的排放分別貢獻(xiàn)了151%，171%，22%和45%的生態(tài)毒性潛值，而回收再生鉛相當(dāng)于抵消了精鉛生產(chǎn)過程中的諸多金屬污染物，鉻、鋅、鉛和鈷污染物的減排分別抵消了135%，153%，20%和40%的生態(tài)毒性潛值。此外，電池使用過程耗電的間接鉻排放貢獻(xiàn)15.7%和5.0%的生態(tài)毒性潛值，電池生產(chǎn)過程鉛排放貢獻(xiàn)了6%生態(tài)毒性潛值。

圖3 各過程不同污染物對人體非致癌毒性潛值貢獻(xiàn)

圖4 各過程不同污染物對人體致癌毒性潛值貢獻(xiàn)

圖5 各過程不同污染物對生態(tài)毒性潛值貢獻(xiàn)

（3）靈敏度分析

靈敏度分析是LCA結(jié)果分析的重要環(huán)節(jié)。靈敏度系數(shù)表示某一清單數(shù)據(jù)變化1%時，引起的LCA結(jié)果的變化率，可用來確認(rèn)生命周期評價中的關(guān)鍵過程和參數(shù)，進而改善關(guān)鍵數(shù)據(jù)質(zhì)量和進行LCA結(jié)果不確定性分析。表4列出了所有大于10%的靈敏度系數(shù)相關(guān)的清單數(shù)據(jù)（黑體顯示）。對LCA結(jié)果影響較大的清單數(shù)據(jù)包括：原材料中的精鉛、精錫和AGM隔板的消耗；電池生產(chǎn)階段中能耗及鉛排放量；電池使用階段的電耗；電池回收處理階段中鉛排放和再生鉛的回收率。本研究原材料消耗、電池生產(chǎn)能耗和污染排放、回收階段鉛回收率和鉛排放等數(shù)據(jù)主要來自于多家代表性企業(yè)的現(xiàn)場調(diào)研的一手?jǐn)?shù)據(jù)，有較高可信度。電池使用階段電耗可能存在一定的不確定性，其是基于電動自行車電池循環(huán)壽命為300次（80%DOD）的假設(shè)，因此進一步分析了電池壽命減半情景下對LCA結(jié)果的影響。

電池壽命減半，相當(dāng)于在實際使用中需要2 kW·h電池才能滿足原來1 kW·h電池正常循環(huán)壽命電池（評價功能單元）提供的相同電能?？芍苯佑帽?中的靈敏度系數(shù)計算出LCA結(jié)果變化。為方便表達(dá)，LCA結(jié)果對比中評價的功能單元統(tǒng)一提供1 kW·h電能，如表5所示。電池壽命減半，很多環(huán)境影響指標(biāo)都變化顯著，尤其是資源消耗及毒性類的環(huán)境影響，而和能耗相關(guān)的環(huán)境影響則變化相對較小。因為電池壽命縮減，意味著需要更多精鉛等資源消耗，也將產(chǎn)生更多重金屬排放。

表4 清單數(shù)據(jù)的靈敏度系數(shù)

表5 不同壽命下鉛酸蓄電池LCA結(jié)果比較（提供1 kW·h電能）

3.討論

基于上述分析，本研究提出改善動力鉛酸蓄電池生命周期環(huán)境影響的建議，也可供其他電池參考。

一是，盡可能延長鉛酸蓄電池的壽命。靈敏度分析表明電池的使用壽命是決定其全生命周期環(huán)境影響的一個非常關(guān)鍵的參數(shù)，電池壽命的提高基本能減少非使用電耗所引起的所有環(huán)境影響。優(yōu)化設(shè)計電池極板材料、提高電池制造工藝水平以及一些特殊添加劑的使用都可提高電池壽命。此外，用戶的使用習(xí)慣也影響電池的實際使用壽命。智能化充電器的使用可避免電池因過充過放而縮短壽命，同時也可節(jié)約使用電耗。

二是，提高資源利用效率，減少有毒材料使用，鼓勵發(fā)展新電池技術(shù)。電池技術(shù)的進步使得行業(yè)平均鉛消耗和外殼材料均在不斷下降，鉛酸蓄電池鉛用量繼續(xù)下降的空間將逐漸變小，如何減少電池生產(chǎn)過程的廢次品率和含鉛廢物是提高鉛資源效率的關(guān)鍵。此外，鉛酸蓄電池領(lǐng)域的一些新技術(shù)，如炭鉛電池（儲能）、膠體電池、雙極性電池等，均能提高電池性能，減少鉛消耗量。電池材料的無鎘化是中國鉛酸蓄電池發(fā)展的重要趨勢，是近幾年鉛酸蓄電池行業(yè)推進的一項重要清潔生產(chǎn)舉措。未來應(yīng)重點推進電池產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計，大力發(fā)展新的低成本高性能的清潔能源和電池技術(shù)，壓減鉛酸蓄電池的市場份額。

三是，完善廢舊鉛酸蓄電池和含鉛廢物的回收和管理，優(yōu)化回收利用模式和技術(shù)，提升鉛再生回收率。廢舊鉛酸蓄電池回收再生鉛和塑料能大大減少自然資源的開采和相關(guān)過程能耗，環(huán)境效益明顯。中國再生鉛回收率還有很大提升空間，再生鉛冶煉過程的污染控制水平也可進一步改善。鉛酸蓄電池企業(yè)應(yīng)加強產(chǎn)品生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度管理，鼓勵企業(yè)回收自己生產(chǎn)的廢舊鉛酸蓄電池，同時必須對電池生產(chǎn)的含鉛廢物的最終處理處置負(fù)責(zé)到底。此外，一些電池回收利用模式也可優(yōu)化，例如有些廢舊鉛酸蓄電池回收企業(yè)和電池生產(chǎn)商密切合作，直接從電池回收鉛合金返回給電池制造商，是一種很高效的回收利用模式。近幾年，從廢舊鉛酸蓄電池直接回收高純度鉛粉的濕法回收技術(shù)也取得很大進展，是一種新的鉛酸蓄電池高效回收再利用模式，可大幅減少再生鉛冶煉過程的資源能源消耗和污染排放。一些性狀良好的廢舊和廢次鉛酸蓄電池的修復(fù)再利用，相當(dāng)于延長了電池壽命，也具有很好的環(huán)境經(jīng)濟效益。同時需強調(diào)的是，必須規(guī)范回收處理過程，防范二次污染。

4.結(jié)論

第一，在鉛酸蓄電池全生命周期中，原材料生產(chǎn)階段（特別是精鉛生產(chǎn)）是金屬資源消耗的主要階段，從而也貢獻(xiàn)了主要的資源消耗類環(huán)境影響；使用階段消耗大量電能，從而也是能源及其相關(guān)排放影響（如GWP，AP，EP等）的主要貢獻(xiàn)者；盡管廢舊鉛酸蓄電池和含鉛廢物回收處理過程產(chǎn)生了一部分鉛排放，但是回收的再生鉛等資源相當(dāng)于抵消很大一部分原材料生產(chǎn)的環(huán)境影響；電池生產(chǎn)過程貢獻(xiàn)12%的鉛排放，對其他環(huán)境指標(biāo)也有一定貢獻(xiàn)；電池運輸階段在大部分環(huán)境影響中的貢獻(xiàn)都可忽略。

第二，靈敏度分析表明，對LCA結(jié)果影響較大的清單數(shù)據(jù)有：原材料階段的精鉛、精錫和AGM隔板的消耗；電池生產(chǎn)階段中能耗以及鉛排放量；電池使用階段電耗；電池回收處理階段的鉛排放量和再生鉛及塑料的回收率。電池使用壽命下降對絕大部分鉛酸蓄電池的環(huán)境影響均較大，但不影響電耗相關(guān)的環(huán)境影響。

第三，減少鉛酸蓄電池生命周期環(huán)境影響的主要措施有：提高鉛酸蓄電池的壽命；提高資源利用效率，重視電池產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計，減少電池生產(chǎn)鉛消耗以及其他重金屬的使用，鼓勵發(fā)展新電池技術(shù)；完善廢舊鉛酸蓄電池和含鉛廢物的回收和管理，優(yōu)化回收再利用模式和技術(shù)，提高鉛再生回收率，減少回收處理過程產(chǎn)生的二次污染。

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