磷酸鐵鋰電池不同應用場景的生命周期評價

賈志杰,高 峰,杜世偉,孫博學

磷酸鐵鋰電池不同應用場景的生命周期評價

賈志杰,高 峰*,杜世偉,孫博學

(北京工業(yè)大學材料與制造學部,工業(yè)大數(shù)據(jù)應用技術國家工程實驗室,北京 100124)

為評估磷酸鐵鋰(LFP)電池梯次應用的生命周期環(huán)境影響,設定直接應用和梯次應用2個應用場景,采用生命周期評價(LCA)方法,對應用場景生命周期各階段的環(huán)境影響及其貢獻進行分析.功能單位設定為應用總容量1GWh的LFP電池作為通訊基站(CBS)儲能電池,循環(huán)壽命為800次.結果表明,2個應用場景的環(huán)境影響熱點均為儲能應用階段,分別占總環(huán)境影響的58.25%和64.03%;生產(chǎn)制造階段的環(huán)境影響也較為顯著,分別占41.58%和27.36%;回收再生階段分別貢獻了0.18%和0.14%的環(huán)境負荷,鋰資源回收所產(chǎn)生的環(huán)境效益被回收工藝過程額外消耗的資源和能源所產(chǎn)生的環(huán)境負荷抵消.2個應用場景的環(huán)境影響比較結果顯示,相對于直接應用場景,梯次應用場景可降低9.03%的總環(huán)境影響,具有一定的環(huán)境優(yōu)勢.對2個場景的資源消耗、能源消耗和溫室氣體排放3類指標的貢獻結構進行分析,結果顯示,生產(chǎn)制造階段和儲能應用階段對這3類指標的貢獻比例較為顯著.

磷酸鐵鋰電池；直接應用場景；梯次應用場景；通訊基站儲能；生命周期評價

近年來,中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,作為新能源汽車核心組件和動力來源的動力電池,其產(chǎn)量也呈現(xiàn)不斷增長的趨勢.磷酸鐵鋰(LFP)電池具有循環(huán)壽命、成本和安全等多方面的優(yōu)勢,其產(chǎn)量和裝車量迎來大幅度增長[1?2].一般情況下,動力電池使用3～5a后,電池容量將降至約80%,無法繼續(xù)滿足新能源汽車正常行駛的要求,成為退役電池[3?5].隨著首批新能源汽車上路行駛已滿5a,現(xiàn)今中國已經(jīng)進入動力電池大規(guī)模退役的階段.這些LFP退役電池仍具有較高的剩余容量,目前主要應用于儲能、移動電源、低速電動車等領域[6].當梯次應用后,其剩余容量不能滿足要求時,再進行回收處理,可減少對原生資源的依賴,避免廢舊電池中有害物質(zhì)對生態(tài)環(huán)境的破壞.為評估退役電池梯次應用和回收再生階段的環(huán)境影響,目前主要采用基于ISO 14040和ISO14044的生命周期評價(LCA)方法[7?8].現(xiàn)今,各國研究者們致力于對退役電池在儲能領域的梯次應用進行生命周期評價.其中大多數(shù)研究均設立“基準應用場景”和“梯次應用場景”,用于評估和對比電池在這2個場景中應用時所產(chǎn)生的環(huán)境影響.但是對于系統(tǒng)邊界的設置,目前的研究文獻主要分為2類:同時考慮電池的一次應用(即電動汽車應用)和梯次應用;僅考慮電池的梯次應用.前者將系統(tǒng)邊界擴展至電池的整個生命周期,從而避免了環(huán)境影響的分配[9?13];后者則需要對環(huán)境影響進行分配,然而各研究選擇的分配方法不盡相同,包括截斷(cut-off)分配[14?17]、平均(50/50)分配[16?17]、基于質(zhì)量(quality- based)的分配[16?19]等,不同的分配方法設置會造成分配結果的顯著不同,進而導致生命周期評價結果的差異.

動力電池回收再生階段的環(huán)境影響評價是動力電池全生命周期評價的組成部分.目前,部分學者對動力電池的回收再生階段進行了單獨研究,如謝英豪[20]、Hendrickson[21]、Rajaeifar[22]等,主要的研究內(nèi)容是基于LCA方法體系分析和比較目前常見的動力電池火法和濕法回收工藝的環(huán)境影響.此外,有部分文獻在研究上述回收工藝的基礎上,還將一些較為先進的回收工藝納入評價的范疇,例如先進濕法回收[23]和全組分“物理法”回收[24].

《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》[25]指出:通過梯次利用和再生利用應對新能源車電池退役潮,推進動力電池規(guī)范化梯次利用.目前針對常見動力電池的相關研究多集中在儲能領域的梯次應用和回收方法的生命周期評價,而關于LFP動力電池從生產(chǎn)制造直至回收再生全生命周期評價的研究報道較少.本研究基于生命周期評價方法,結合我國當前能源消費結構,對退役LFP動力電池包含梯次應用和回收再生的全生命周期開展環(huán)境影響評價.通過建立應用場景模型,編制清單,分析梯次應用場景的環(huán)境影響,并與原生儲能電池直接應用場景進行比較分析,明確各階段的環(huán)境熱點,量化2個應用場景的環(huán)境效益,旨在為退役動力電池梯次應用和循環(huán)再生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐和決策參考.

1 研究方法

1.1 系統(tǒng)邊界與功能單位

本研究以LFP電池為對象,采用LCA方法評估其全生命周期的環(huán)境影響.研究共設定2個應用場景:直接應用場景和梯次應用場景.前者指電池的生產(chǎn)制造完成后,直接在通訊基站上作為儲能電池使用,當達到循環(huán)壽命時,電池將被回收,該場景共包括LFP儲能電池生產(chǎn)制造、直接應用、回收再生3個階段.后者指電池的生產(chǎn)制造完成后,先在電動汽車上作為動力電池使用,待電池退役后,進行梯次應用,梯次應用結束后,電池將被回收,該場景共包括LFP動力電池生產(chǎn)制造、電動汽車應用、測試篩分、不合格電池回收、梯次應用、回收再生6個階段.由于涉及的原材料種類較多,研究不考慮運輸過程.研究的功能單位是將總容量1GWh的LFP電池,作為通訊基站(CBS)儲能電池應用,循環(huán)壽命為800次,并以直接應用場景和梯次應用場景為參考構建系統(tǒng)邊界,如圖1所示.

在梯次應用場景的系統(tǒng)邊界(圖1(b))中,電動汽車應用階段和不合格電池回收階段不包含在系統(tǒng)邊界中,因為前者的環(huán)境影響來源于動力電池的一次應用,與其梯次應用無直接關聯(lián);后者是電池生命周期中客觀存在的一個單元流程,不過由于無法準確獲知不合格電池的比例,研究假設電池轉(zhuǎn)化率為100%(即全部退役電池都可以進行梯次應用),因而未考慮不合格電池的回收.此外,由于生產(chǎn)制造階段和回收再生階段與電動汽車應用,以及后續(xù)的梯次應用都存在關聯(lián),所以這2個階段的環(huán)境影響需要進行分配,本文選取“50/50分配”的分配方法,即生產(chǎn)制造階段和回收再生階段的環(huán)境影響將被平均分配給電動汽車應用和通訊基站梯次應用.引入2個分配因子、(0￡,￡1),根據(jù)上述分配方法,取==0.5.

1.2 環(huán)境影響評價方法

研究選用ReCiPe 2016 (H)中間點和終點方法對上述2個應用場景進行環(huán)境影響評價.中間點方法可用于分析環(huán)境影響,研究共選定13類環(huán)境影響類型,分別是全球變暖(GWP)、光化學臭氧形成對人體健康的影響(HOFP)、光化學臭氧形成對生態(tài)系統(tǒng)的影響(EOFP)、顆粒物形成(PMFP)、陸地酸化(AP)、淡水富營養(yǎng)化(FEP)、海洋富營養(yǎng)化(MEP)、陸地生態(tài)毒性(TETP)、淡水生態(tài)毒性(FETP)、人體致癌毒性(HTPc)、人體非致癌毒性(HTPnc)、礦產(chǎn)資源耗竭(SOP)、化石能源耗竭(FFP).終點方法可用于分析環(huán)境損害,共有3類,包括人體健康損害(HH)、生態(tài)系統(tǒng)損害(ED)和資源可用性損害(RA).

1.3 研究模型和相關假設

1.3.1 生產(chǎn)制造 LFP儲能/動力電池的生產(chǎn)制造包括電池原材料生產(chǎn)、電芯制造和電池包組裝3部分.生產(chǎn)時需要多種原材料,例如磷酸鐵鋰、人造石墨、電解液、銅箔、鋁箔等.研究追溯了這些原材料上游過程的環(huán)境影響,對于用量較大的輔助化學試劑(例如鹽酸、硫酸、氫氧化鈉等),同樣進行了上游追溯.

1.3.2 測試篩分 退役LFP動力電池在梯次應用之前,需預先進行一系列測試,包括外觀、絕緣、電壓、荷電狀態(tài)、生產(chǎn)線下線測試等.只有通過全部測試的電池才可以進行梯次應用,這些電池將會被拆解和重新組裝,成為梯次電池,而未通過測試的電池將直接進行回收處理.在測試篩分過程中,主要環(huán)境影響來自更換的外殼、電線、電池管理系統(tǒng)(BMS)等材料,以及工藝中的用電和微量顆粒物排放.

1.3.3 通訊基站儲能 應用LFP電池可作為儲能電池應用于通訊基站的備用能源供應系統(tǒng).其主要環(huán)境影響來自于期間用電所帶來的間接環(huán)境負荷,除此之外的其他環(huán)境負荷可以忽略.表1中提供了通訊基站用LFP電池的相關參數(shù).

表1 通訊基站用LFP電池的相關參數(shù)

LFP電池儲能應用期間的用電量,需要通過計算以下參數(shù)來獲得:

(4)>

式中:Q為LFP電池組的所需容量,Ah;為電池組電壓,V;為放電深度;c為循環(huán)壽命.

③電池每個循環(huán)周期的容量損耗(%).計算方法采用半經(jīng)驗模型,該模型不需要對鋰電池進行預先測試,便于估計其電力損耗[31]:

式中:為常數(shù);為氣體常數(shù),J/(mol×K);a為活化能, J/mol;2為電池工作溫度,K;為循環(huán)壽命;為冪律因子.根據(jù)該模型,取2=298,=0.1825,a/R=1324.65,= 0.5878.

④LFP電池從通訊基站開始使用(=1)到循環(huán)壽命結束(=c)期間,由于能量轉(zhuǎn)換效率、傳輸效率等因素造成的電能損耗loss(kWh):

式中:c為循環(huán)壽命;為電池組電壓,V;為放電深度;T為傳輸效率;R為能量轉(zhuǎn)換效率.

根據(jù)上述計算得出的charge和loss,就可以確定LFP電池在應用期間實際向通訊基站提供的電量CBS,如式(8)所示:

1.3.4 回收再生 當LFP電池在通訊基站應用期間達到循環(huán)壽命后,梯次應用企業(yè)將承擔回收責任,這些廢舊電池將被直接送至再生利用企業(yè)進行資源化回收[32].本文中廢舊LFP電池回收再生階段的清單數(shù)據(jù)來源于對江西某典型企業(yè)的調(diào)研.該企業(yè)以廢舊LFP電池為原料,經(jīng)放電、拆解、分選、干燥、破碎等步驟得到正極磷酸鐵鋰粉末,再經(jīng)過焙燒、酸浸、堿化除雜等工序,得到氯化鋰(LiCl)凈化液,實現(xiàn)廢舊電池中鋰元素的資源化利用.

1.3.5 清單分析 生命周期清單計算時,基于以下假設:首先,認定新出廠的電池剩余容量是100%,并依照前文提供的數(shù)據(jù)和公式,計算電池生命周期各階段的剩余容量.LFP/C動力電池的電芯能量密度為120Wh/kg,電池包能量密度為100Wh/kg[33].其次,假設LFP/C儲能電池的能量密度與動力電池相同,且動力和儲能電池的能量密度與剩余容量均成正比.據(jù)此可實現(xiàn)清單數(shù)據(jù)由質(zhì)量單位向能量單位的轉(zhuǎn)化.2個應用場景相關參數(shù)的假設和計算結果見表2.

表3為LFP電池2個應用場景生命周期各階段的輸入總清單.除儲能應用階段外,其余各階段的清單數(shù)據(jù)均來源于企業(yè)調(diào)研,上游原材料及能源的清單數(shù)據(jù)來源已在表格中列出.

表2 2個應用場景相關參數(shù)的假設和計算

注:“儲能應用”分別對應直接應用場景的“直接應用”階段和梯次應用場景的“梯次應用”階段.

2 結果與討論

2.1 LFP電池直接應用場景的環(huán)境影響

圖2 直接應用場景的特征化結果

特征化結果顯示,生產(chǎn)制造階段的主要環(huán)境影響是FEP、MEP、FETP、HTPc、SOP,貢獻率分別為93.24%、95.01%、91.91%、66.64%、66.90%.直接應用階段的主要環(huán)境影響是GWP、HOFP、EOFP、AP、TETP、HTPnc、FFP,貢獻率分別為71.14%、76.68%、76.41%、78.50%、68.90%、67.89%、67.30%.由于回收再生階段中鋰資源以LiCl的形式被回收,減少了原生LiCl生產(chǎn)的環(huán)境影響,因此在計算清單時將其設定為負值,以體現(xiàn)回收再生所產(chǎn)生的環(huán)境效益.由圖2,回收再生階段的MEP、SOP具有環(huán)境效益,分別減少4.99%和33.10%的對應環(huán)境影響,而FEP、FETP體現(xiàn)出較多環(huán)境負荷,貢獻率分別為6.76%和6.57%.

表3 LFP電池2個應用場景生命周期輸入總清單

注:回收再生階段的單位為t、m3、kWh/t (廢舊LFP電池).

圖3 直接應用場景各階段對總環(huán)境影響的貢獻

由圖3,直接應用階段的總環(huán)境影響最高(58.25%),其次為生產(chǎn)制造階段(41.58%),回收再生階段最低(0.18%).

2.2 LFP電池梯次應用場景的環(huán)境影響

特征化結果顯示,生產(chǎn)制造階段的主要環(huán)境影響是FEP、MEP、FETP、SOP,貢獻率分別為89.66%、93.78%、88.81%、51.21%.測試篩分階段的主要環(huán)境影響是PMFP、SOP,貢獻率分別為11.41%、18.76%.梯次應用階段的主要環(huán)境影響是GWP、HOFP、EOFP、AP、TETP、HTPnc、FFP,貢獻率分別為83.43%、86.30%、86.20%、86.78%、78.77%、77.75%、81.74%.梯次應用場景的回收再生階段同樣在MEP、SOP環(huán)境影響類型上體現(xiàn)出環(huán)境效益,即分別減少5.66%和30.03%的對應環(huán)境影響,而FEP、FETP則分別貢獻8.48%和7.68%的環(huán)境負荷.

由圖5,梯次應用階段的總環(huán)境影響最高(64.03%)、其次為生產(chǎn)制造階段(27.36%)和測試篩分階段(8.48%),回收再生階段最低(0.14%).

圖4 梯次應用場景的特征化結果

圖5 梯次應用場景各階段對總環(huán)境影響的貢獻

根據(jù)上述結果,2個場景的環(huán)境熱點均為儲能應用階段.原因在于該階段的用電量很高,分別約占生命周期總用電量的85.05%和91.22%.而目前我國以火力發(fā)電為主的電力消費結構是導致該階段總環(huán)境影響較大的主要原因.生產(chǎn)制造、測試篩分階段的環(huán)境影響貢獻率排在儲能應用階段之后.原因是由于LFP電池的生產(chǎn)系統(tǒng)復雜,需要消耗磷酸鐵鋰、人造石墨、銅箔、鋁箔等材料,這些材料的上游生產(chǎn)涉及大量礦產(chǎn)資源、輔助原料和能源投入,同時產(chǎn)生環(huán)境排放.電池生產(chǎn)與裝配過程中的電力消耗也是間接環(huán)境影響的主要責任者.而且退役電池在測試篩分時也需要投入一定量的原材料和能源,因此這2個階段的環(huán)境影響也較為明顯.

關于回收再生階段,結果顯示其SOP特征化結果呈現(xiàn)為較高的負值,而總環(huán)境影響的貢獻率為正值.說明使用目前的回收工藝,對廢舊LFP電池中鋰資源進行回收,可以大幅度減少原生鋰礦資源的消耗,但是回收過程同時處理了鐵、磷等低價值資源,并且使用了較多的酸、堿等化學品和能源,產(chǎn)生了額外的環(huán)境負荷,因此抵消了鋰資源回收的環(huán)境效益.

2.3 2個應用場景環(huán)境影響對比分析

將直接應用場景的環(huán)境影響或環(huán)境損害作為基準,以百分比的形式對LFP電池2個應用場景的環(huán)境影響進行對比分析.

根據(jù)圖6,梯次應用場景每個環(huán)境影響類型的特征化結果均低于直接應用場景,說明梯次應用場景具有一定的環(huán)境優(yōu)勢.其中優(yōu)勢較大的環(huán)境影響類型是FEP、MEP、FETP、HTPc,分別只有直接應用場景的56.94%、62.02%、61.10%、64.61%.圖7也表明,梯次應用場景具有環(huán)境優(yōu)勢,其該場景的3類環(huán)境損害均低于直接應用場景,環(huán)境優(yōu)勢由大到小:RA、ED、HH,分別是直接應用場景的67.34%、87.21%、91.43%.轉(zhuǎn)化為總環(huán)境影響,直接應用場景:36.20MPt;梯次應用場景:32.93MPt.因此,梯次應用場景相較于直接應用場景,可降低9.03%的總環(huán)境影響.

圖6 2個應用場景的特征化結果

梯次應用場景總環(huán)境影響較低的主要原因是2個場景生產(chǎn)制造階段的差異.根據(jù)計算,生產(chǎn)制造階段的總環(huán)境影響:梯次應用場景(9.01MPt)<直接應用場景(15.05MPt).造成該結果的原因有2點,一是由于LFP動力電池生產(chǎn)過程中,磷酸鐵鋰、石墨、天然氣、蒸汽、電力的消耗量均低于LFP儲能電池的生產(chǎn),尤其是LFP動力電池生產(chǎn)制造階段沒有天然氣的消耗,避免了溫室氣體的直接排放.二是因為LFP動力電池生產(chǎn)制造階段的環(huán)境影響與電動汽車的應用階段也存在關聯(lián),所以在計算時進行了分配處理,把一半的環(huán)境影響分配給梯次應用階段.所以當進行分配后,梯次應用場景生產(chǎn)制造階段的總電量小于直接應用場景,LFP動力電池生產(chǎn)制造階段的環(huán)境影響進一步降低,雖然梯次應用場景還存在測試篩分階段,但是該階段的環(huán)境負荷較小,對最終結果的影響可以忽略不計.不過由于儲能應用階段的電力消耗很高,并且2個應用場景使用同一模型計算,因此產(chǎn)生了一定的邊際效應,縮小了總環(huán)境影響之間的差距.

圖7 2個應用場景的環(huán)境損害評價結果

2.3.1 資源消耗 通過SOP的計算結果可知,2個場景功能單位的資源消耗量分別為1.12×106kg Cu eq和1.04×106kg Cu eq.

如圖8所示,多數(shù)資源消耗來自于生產(chǎn)制造階段,因為這個階段包含大量原生礦物的開采和提取.在梯次應用場景中,測試篩分階段存在銅、鐵、石灰石3類資源的消耗,其中鐵的貢獻比例最高(88.23%),其次是銅(26.82%),石灰石的貢獻比例最低(21.51%). 2個場景的回收再生階段體現(xiàn)了鋰和石灰石的回收效益,其中直接應用場景的貢獻比例分別為55.38%和16.42%,梯次應用場景的貢獻比例分別為63.45%和15.59%.說明對廢舊LFP電池的回收,可以減緩鋰和石灰石資源的耗竭,達到節(jié)約資源的目的.

2.3.2 能源消耗 經(jīng)計算,直接應用場景功能單位的總能耗為8.72×106GJ,其中直接應用階段的能耗占比最高,為67.30%;生產(chǎn)制造階段其次,為32.67%;回收再生階段最低,僅為0.02%.梯次應用場景功能單位的總能耗為7.18×106GJ,其中梯次應用階段的能耗占比最高,為81.74%;生產(chǎn)制造階段和測試篩分階段的能耗占比分列第二、第三,為15.93%和2.30%;回收再生階段最低,僅占0.02%.研究發(fā)現(xiàn),2個場景的能耗貢獻結構存在一些相似之處:(1)由于儲能應用階段的用電量最高,導致該階段成為2個場景全生命周期能耗的重要來源;(2)2個場景生產(chǎn)制造階段一次、二次能源的使用量也較為顯著,因此其能耗水平也較為明顯;(3)在考慮回收再生階段環(huán)境效益的情況下,2個場景該階段的能耗水平非常低,可以忽略不計.通過計算,回收鋰資源所產(chǎn)生的環(huán)境效益可以抵消回收再生階段約98%的過程能耗.因此實施回收再生,通過使用低能耗的再生資源代替高能耗的原生資源,可以達到節(jié)能的目的.

2.3.3 溫室氣體排放 通過計算GWP特征化結果,2個場景功能單位的溫室氣體排放量分別為7.72× 108kg CO2eq和6.58×108kg CO2eq.

如圖9所示,2個場景CO2和N2O排放的首要貢獻者是儲能應用階段,其中直接應用場景貢獻率: CO2為72.45%、N2O為54.42%;梯次應用場景貢獻率:CO2為83.97%、N2O為84.16%.CH4排放的首要貢獻者是生產(chǎn)制造階段,其中直接應用場景貢獻率為96.02%;梯次應用場景貢獻率為79.36%.造成此結果的主要原因是這2個階段的能耗較高,能源燃燒和發(fā)電時會產(chǎn)生大量溫室氣體.測試篩分和回收再生階段的排放量占比較小,尤其是回收再生階段的CO2基本實現(xiàn)凈零排放,說明開展廢舊LFP電池的回收再生可以有效減少生命周期溫室氣體排放.

2.4 研究局限與展望

本文對退役動力電池梯次應用場景進行情景分析,是對實際應用情況的抽象化建模過程,因此,研究仍存在一些局限之處:一是梯次應用場景的系統(tǒng)邊界設置時,由于缺乏“不合格電池回收”階段的數(shù)據(jù)支撐,所以未考慮該階段的環(huán)境影響;二是由于缺乏通訊基站儲能應用期間電池維護保養(yǎng)及部分組件更換的數(shù)據(jù),因此建模過程未考慮這些因素導致的環(huán)境影響;三是研究選擇的分配方法,“50/50分配”,是一種較為理想的分配假設,與實際情況存在一定偏差.

根據(jù)目前的結果與討論,梯次應用場景相對于直接應用場景更具環(huán)境效益,因此應當積極推進退役LFP動力電池的梯次應用,避免直接報廢回收.而且在廢舊LFP電池循環(huán)處置時需要精準控制回收工藝中化學品和能源的消耗,降低回收過程的環(huán)境負荷與經(jīng)濟成本.

3 結論

3.1 對LFP電池生命周期各階段環(huán)境影響貢獻進行分析,直接應用場景:直接應用>生產(chǎn)制造>回收再生;梯次應用場景:梯次應用>生產(chǎn)制造>測試篩分>回收再生.

3.2 2個場景的環(huán)境熱點均為儲能應用階段,分別占生命周期總環(huán)境影響的58.25%和64.03%.儲能應用期間用電量高和中國以火力發(fā)電為主的電力消費結構是造成此結果的主要原因.由于LFP電池產(chǎn)品的復雜性,使得生產(chǎn)制造階段的環(huán)境影響同樣較為顯著,分別占生命周期總環(huán)境影響的41.58%和27.36%.目前廢舊LFP電池回收工藝的局限性使得2個場景回收再生階段除MEP、SOP外,其他環(huán)境影響均貢獻了少量環(huán)境負荷.

3.3 梯次應用場景的總環(huán)境影響小于直接應用場景,將退役LFP動力電池應用于通訊基站儲能領域,比使用原生LFP儲能電池可減少9.03%的總環(huán)境影響,存在一定的環(huán)境優(yōu)勢.

3.4 梯次應用場景資源消耗、能源消耗和溫室氣體排放3類指標均優(yōu)于直接應用場景,且2個場景各指標的貢獻結構相似,即生產(chǎn)制造階段和儲能應用階段均為這3類指標的主要貢獻者,其余階段的貢獻均較小.

[1] 王子璇,李俊成,李金東,等.廢磷酸鐵鋰正極材料資源化回收工藝研究 [J]. 儲能科學與技術, 2022,11(1):45?52.

Wang Z X, Li J C, Li J D, et al. Research on resource recovery technology of spent lithiumiron phosphate cathode material [J]. Energy Storage Science and Technology, 2022,11(1):45?52.

[2] 楊見青,關 杰,梁 波,等.我國廢棄磷酸鐵鋰電池的資源化研究 [J]. 環(huán)境工程, 2017,35(2):127?132.

Yang J Q, Guan J, Liang B, et al. Research on recycling of the scrap lithium iron phosphate batteries in China [J]. Environmental Engineering, 2017,35(2):127?132.

[3] 吳小龍,王晨麟,陳 曦,等.廢舊鋰離子電池市場規(guī)模及回收利用技術 [J]. 環(huán)境科學與技術, 2020,43(S2):179?183.

Wu X L, Wang C L, Chen X, et al. Market scale and recycling technology of waste lithium?ion batteries [J]. Environmental Science & Technology, 2020,43(S2):179?183.

[4] Wang W, Wu Y. An overview of recycling and treatment of spent LiFePO4batteries in China [J]. Resources Conservationand Recycling, 2017,127:233?243.

[5] 王蘇杭,李建林.退役動力電池梯次利用研究進展 [J]. 分布式能源, 2021,6(2):1?7.

Wang S H, Li J L. Research progress on echelon utilization of retired power batteries [J]. Distributed Energy, 2021,6(2):1?7.

[6] 高桂蘭,賀 欣,李亞光,等.廢舊車用動力鋰離子電池的回收利用現(xiàn)狀 [J]. 環(huán)境工程, 2017,35(10):135?140.

Gao H L, He X, Li Y G, et al. Current status of recycling technology of spent automotivelithium?ion batteries [J]. Environmental Engineering, 2017,35(10):135?140.

[7] ISO 14040: 2006Environmental management ? Life cycle assessment ? Principles and framework [S]. 2006.

[8] ISO 14044: 2006Environmental management ? Life cycle assessment ? Requirements and guidelines [S]. 2006.

[9] 殷仁述,楊沿平,楊 陽,等.車用鈦酸鋰電池生命周期評價 [J]. 中國環(huán)境科學, 2018,38(6):2371?2381.

Yin R S, Yang Y P, Yang Y, et al. Life cycle assessment of the lithium titanate batteries used for electric vehicles [J]. China Environmental Science, 2018,38(6):2371?2381.

[10] 王韜翔,康麗霞,劉永忠.固定二次應用場景下基于LCA的動力電池退役點定量確定方法 [J]. 化工進展, 2019,38(5):2197?2204.

Wang T X, Kang L X, Liu Y Z. Quantitative method to determine retiring point of batteries for electricvehicles based on LCA under fixed second?use scenarios [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019,38(5):2197?2204.

[11] Ahmadi L, Young S B, Fowler M, et al. A cascaded life cycle: reuse of electric vehicle lithium?ion battery packs in energy storage systems [J]. International Journal of Life Cycle Assessment, 2017,22(1):111?124.

[12] Ioakimidis C S, Murillo?Marrodán A, Bagheri A, et al. Life cycle assessment of a lithium iron phosphate (LFP) electric vehicle battery in second life application scenarios [J]. Sustainability, 2019,11(9): 2527.

[13] Casals L C, GarcíaBA, Aguesse F, et al. Second life of electric vehicle batteries: relation between materials degradation and environmental impact [J]. International Journal of Life Cycle Assessment, 2017, 22(1):82?93.

[14] Bobba S, Mathieux F, Ardente F, et al. Life cycle assessment of repurposed electric vehicle batteries: an adapted method based on modelling energy flows [J]. Journal of Energy Storage, 2018,(19):213? 225.

[15] Sathre R, Scown C D, Kavvada O, et al. Energy and climate effects of second?life use of electric vehicle batteries in California through 2050 [J]. Journal of Power Sources, 2015,288:82?91.

[16] Yang J, Gu F, Guo J. Environmental feasibility of secondary use of electric vehicle lithium?ion batteries in communication base stations [J]. Resources Conservation and Recycling, 2020,(156):104713.

[17] Richa K, Babbitt C W, Nenadic N G, et al. Environmental trade?offs across cascading lithium?ion battery life cycles [J]. International Journal of Life Cycle Assessment, 2017,22(1):66?81.

[18] Cusenza M A, Guarino F, Longo S, et al. Reuse of electric vehicle batteries in buildings: An integrated load match analysis and life cycle assessment approach [J]. Energy and Buildings, 2019,186:339?354.

[19] Wilson N, Meiklejohn E, Overton B, et al. A physical allocation method for comparative life cycle assessment: A case study of repurposing Australian electric vehicle batteries [J]. Resources Conservation and Recycling, 2021,174:105759.

[20] 謝英豪,余海軍,歐彥楠,等.廢舊動力電池回收的環(huán)境影響評價研究 [J]. 無機鹽工業(yè), 2015,47(4):43?46,61.

Xie Y H, Yu H J, OuY N, et al. Environmental impact assessment of recycling waste traction battery [J]. Inorganic Chemicals Industry, 2015,47(4):43?46,61.

[21] Hendrickson T P, Kavvada O, Shah N, et al. Life?cycle implications and supply chain logistics ofelectric vehicle battery recycling in California [J]. Environmental Research Letters, 2015,10(1):014011.

[22] Rajaeifar M A, Raugei M, Steubing B, et al. Life cycle assessment of lithium?ion battery recycling using pyrometallurgical technologies [J]. Journal of Industrial Ecology, 2021,25(6):1560?1571.

[23] Mohr M, Peters J F, Baumann M, et al. Toward a cell?chemistry specific life cycle assessment of lithium?ion battery recycling processes [J]. Journal of Industrial Ecology, 2020:1?13.

[24] 王琢璞.新能源汽車動力電池回收利用潛力及生命周期評價 [D]. 北京:清華大學, 2018.

Wang Z P. Potential and life cycle assessment of recycling of power batteries for new energy vehicles [D]. Beijing: Tsinghua University, 2018.

[25] 國家發(fā)展改革委.“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃 [EB/OL]. https: //www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/202107/P020210707324072693362. pdf.

[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]. Environment Science & Technology, 2011,45(10):4548?4554.

[27] Q/ZTT2227?2017 基站用梯級磷酸鐵鋰電池集成技術要求 [S]. 2017.

Q/ZTT2227?2017 Technical requirements of echelon use LiFePO4 battery system for base station [S]. 2017.

[28] Ahmadi L, Fowler M, Young S B, et al. Environmental feasibility of reuse of electric vehicle batteries [J]. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2014,(6):64?74.

[29] De Vroey L, Jahn R, Baghdadi M E, et al. Plug?to?wheel energy balance?results of a two years’ experience behind the wheel of electric vehicles [J]. World Electric Vehicle Journal, 2013,6(1):130?134.

[30] GB 51194?2016 通信電源設備安裝工程設計規(guī)范 [S].

GB 51194?2016 Code for design of engineering for telecom munication power supply equipment installation [S].

[31] Han X, Ouyang M, Lu L, et al. A comparative study of commercial lithium ion battery cycle life in electric vehicle: Capacity loss estimation [J]. Journal of Power Sources, 2014,(268):658?669.

[32] 郝碩碩,董慶銀,李金惠.基于成本核算的廢舊動力電池回收模式分析與趨勢研究 [J]. 中國環(huán)境科學, 2021,41(10):4745?4755.

Hao S S, Dong Q Y, Li J H. Analysis and tendency on the recycling mode of used EV batteries based on cost accounting [J]. China Environmental Science, 2021,41(10):4745?4755.

[33] 肖勝權.基于全生命周期評價的動力電池環(huán)境效益研究 [D]. 廈門:廈門大學, 2019.

Xiao S Q. Research on environmental benefits of power battery based onlife cycle assessment [D]. Xiamen: Xiamen University, 2019.

[34] Zhang Q Q, Gong X Z, Meng X C. Environment impact analysis of natural graphite anode material production [J]. Materials Science Forum, 2018,913:1011?1017.

[35] Yin R S, Hu S H, Yang Y. Life cycle inventories of the commonly used materials for lithium?ion batteries in China [J]. Journal of Cleaner Production, 2019,227:960?971.

[36] Ecoinvent. Ecoinvent Database [DB/OL]. http://www.ecoinvent.org/ database/database.

[37] 葛 鑫,賴 麒,姜 維,等.聚碳酸酯新型生產(chǎn)工藝的生命周期評價 [J]. 內(nèi)蒙古科技大學學報, 2019,38(4):404?408.

Ge X, Lai Q, Jiang W, et al. Life circle assessment on a novel production process ofpolycarbonate [J]. Journal of Inner Mongolia University of Science and Technology, 2019,38(4):404?408.

[38] Beijing University of Technology. Material Environmental Load Database?Sinocenter [DB/OL]. http://cnmlca.bjut.edu.cn.

[39] 劉凱輝.比亞迪E6純電動汽車全生命周期評價 [D]. 福州:福建農(nóng)林大學, 2016.

Liu K H. Life cycle assessment of BYD E6electric vehicle [D]. Fuzhou: Fujian Agriculture and Forestry University, 2016.

[40] Li H, Gong X Z, Wang Z H, et al. Life cycle assessment of cathode copper production [J]. Materials Science Forum, 2017,898:2422? 2431.

Life cycle assessment of lithium iron phosphate battery in different utilization scenarios.

JIAZhi-jie, GAO Feng*, DU Shi-wei, SUN Bo-xue

(Faculty of Materials and Manufacturing, Beijing University of Technology, National Engineering Laboratory for Industrial Big-data Application Technology,Beijing 100124, China)., 2022,42(4)：1975～1984

In order to evaluate environmental impact of cascade utilization fromlithium iron phosphate (LFP) batteries,two utilization scenarios, direct utilization scenario and cascade utilization scenario, were set in this article. The environmental impact and contribution of each stage in both of utilization scenarios were analyzed based on life cycle assessment (LCA)methodology.With a life cycle of 800times, 1GWh LFP battery used in energy storage battery for the communication base station (CBS) was set as the function unit. The key points of environmental impact from the two utilization scenarios were the energy storage utilization stage, accounting for 58.25% and 64.03% of the total environmental impact respectively. The environmental impact from the manufacturing stage was also significant, accounting for 41.58% and 27.36%, respectively. The contribution to the total environmental loads from the recovery and regeneration stage was 0.18% and 0.14%, respectively. The environmental benefits fromthe lithium recycling were offset by the environmental loads fromthe additional resources and energy consumption initsrecycling process. The results from the comparing the environmental impactof the two utilization scenarios revealed that the cascade utilization scenario reduced the total environmental impact by9.03%, which is more environmentally friendly compared to the direct utilization scenario. Furthermore, the contribution structuresof the resource consumption, energy consumption and greenhouse gases emission in the two scenarios were analyzed. The results indicated that the manufacturing stage and the energy storage utilization stagecontributed significantly to these three indicators.

lithiumiron phosphate battery；direct utilization scenario；cascade utilization scenario；communication base station energy storage；life cycle assessment

X820.3

A

1000-6923(2022)04-1975-10

賈志杰(1997?),男,北京人,北京工業(yè)大學材料與制造學部碩士研究生,研究方向為材料生命周期評價與生態(tài)設計.

2021-09-20

國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目(51621003)

*責任作者, 教授, gaofeng@bjut.edu.cn